新型ac伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的特征與應(yīng)用淺析

引言

伺服和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它產(chǎn)業(yè)機(jī)械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國(guó)內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在伺服與運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品領(lǐng)域，多樣化一直是個(gè)鮮明的特點(diǎn)，包括從直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)到交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從模擬化到全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，從單軸伺服到多軸伺服，從單機(jī)化到總線產(chǎn)品。

眾所周知，先進(jìn)的伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)與解決方案的應(yīng)用正是提升機(jī)器設(shè)備性能與檔次及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要途徑。值此本文將介紹新型ac伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器技術(shù)特征與應(yīng)用，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)化伺服控制的系統(tǒng)集成方案作分析。

ac伺服電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器技術(shù)特征--超小巧外形與高性能高功能的組合

為此將從特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成、種類、伺服電動(dòng)機(jī)／驅(qū)動(dòng)器組合、位置控制單元和伺服中繼單元電纜組合與ac伺服驅(qū)動(dòng)器規(guī)格及ac伺服電機(jī)規(guī)格連接等作說(shuō)明，值此以omron（歐姆龍）的smartstep2系列為例作說(shuō)明。

高性能、簡(jiǎn)單化

該ac伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器解決了從設(shè)計(jì)到安裝與調(diào)整啟動(dòng)及運(yùn)行到維護(hù)各階段的技術(shù)問(wèn)題。特別是提供了整個(gè)裝置的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從而使plc的控制可通過(guò)功能塊變得更加簡(jiǎn)單。而針對(duì)包括plc在內(nèi)的元器件的連接與設(shè)定及編程的fa（工廠自動(dòng)化）統(tǒng)合工具包（cx-one型），能使這伺服系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到維護(hù)實(shí)現(xiàn)了整體管理，見(jiàn)圖1所示紅箭頭回繞圈，cx-one是針對(duì)包括plc在內(nèi)器件的連接、設(shè)定、編程的fa統(tǒng)合工具包。

工廠自動(dòng)化統(tǒng)合工具包（cx-one型），能使這伺服系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到維護(hù)實(shí)現(xiàn)了整體管理，圖1中紅箭頭所示的參數(shù)設(shè)定／編程的環(huán)節(jié)。使用了靈巧的（功能塊）程序庫(kù)使編程更簡(jiǎn)單，而數(shù)據(jù)編輯／監(jiān)控環(huán)節(jié)，利用運(yùn)動(dòng)控制工具包（cx-drver型）可進(jìn)行伺服電機(jī)的參數(shù)編輯、監(jiān)控和保存，其報(bào)警／維護(hù)環(huán)節(jié)中的數(shù)控單元可對(duì)驅(qū)動(dòng)器的異常監(jiān)視更簡(jiǎn)單。而圖1中的ac伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器smartstep2系列又可利用fa統(tǒng)合工具的運(yùn)動(dòng)控制工具包對(duì)驅(qū)動(dòng)器迸行維。

主要特征

靈巧、簡(jiǎn)單

因ac伺服電動(dòng)機(jī)可為多軸運(yùn)行，因此要求驅(qū)動(dòng)器更小，從而使控制柜設(shè)置面積得到大幅削減。如今超小型的ac伺服電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器更加小巧了，與同類產(chǎn)品相比設(shè)置面積削減了52％，可以為控制柜的節(jié)省空間進(jìn)一步作出貢獻(xiàn)。而它和小型plc配合，也希望驅(qū)動(dòng)器能更小。尤其ac伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器的高度僅為120mm，可以與小型plc安裝在相同的管道間，這樣可以使管道間距窄小化，從而實(shí)現(xiàn)控制柜的空間大大節(jié)省。通過(guò)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)諧來(lái)設(shè)定最佳增益。即承載了實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)諧功能，從而可實(shí)時(shí)推算設(shè)備的負(fù)載慣量，并根據(jù)其結(jié)果來(lái)自動(dòng)設(shè)定最佳增益，從而使調(diào)整變得更簡(jiǎn)單，

高功能

作以下說(shuō)明：可以高速定位／移動(dòng)。這是其指令脈沖頻率可以達(dá)到500kpps的高速度，是同類以往產(chǎn)品的2倍，因此可以在高速下進(jìn)行高精度控制，達(dá)到了縮短了間歇時(shí)間之目的；通過(guò)控制器能接收來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的反饋脈沖，并能在上位確認(rèn)當(dāng)前位置，這樣達(dá)到了通過(guò)反饋脈沖監(jiān)視裝置定位有無(wú)異常之目的，圖2為高速下進(jìn)行高精度控制示意圖。

它有保持2種轉(zhuǎn)矩限制值的功能，在擠壓成型、部件插入等應(yīng)用中，可以切換轉(zhuǎn)矩使用，達(dá)到了希望能改變推動(dòng)力使用之目的；通過(guò)適應(yīng)濾波器來(lái)降低機(jī)械振動(dòng)。它能自動(dòng)檢測(cè)振動(dòng)頻率，消除振動(dòng)，即使共振頻率發(fā)生變化也能實(shí)時(shí)自動(dòng)追蹤，可以降低傳送帶等剛性較低的機(jī)械振動(dòng)，達(dá)到了希望能降低機(jī)械振動(dòng)之目的。它能對(duì)各種各樣的應(yīng)用來(lái)切換指令控制模式，就是說(shuō)它可以在位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制模式間切換使用。尤為突出的是在壓機(jī)、張力、擠出等應(yīng)用中有出色表現(xiàn)。

上述ac伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)特征分析充分反映了它從設(shè)計(jì)→安裝→調(diào)整啟動(dòng)→運(yùn)行→維護(hù)各階段的高性能簡(jiǎn)單化。

驅(qū)動(dòng)器種類

通用輸入型、脈沖串輸入型，其功能如下：

電源規(guī)格分為acl00v、ac200v。而電機(jī)容量又分單相、單相／三相與三相。而接口指令形態(tài)分為脈沖串、模擬量及高速伺服通信的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。其控制模式分位置控制，速度控制及轉(zhuǎn)矩控制。而控制模式切換又分為模式切換。其調(diào)諧功能又有陷波控制、自動(dòng)調(diào)諧與實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)諧等三種。而驅(qū)動(dòng)器功能可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩限制、編碼器輸出內(nèi)部設(shè)定速度。

對(duì)功能的說(shuō)明

其脈沖串是一種針對(duì)伺服而言，是將速度及移動(dòng)量通過(guò)脈沖串輸入的一種方式，而轉(zhuǎn)矩控制是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)力的控制，在零件壓入、成型、螺絲緊固等用途上非常有效；而最佳增益功能，由于位置控制時(shí)的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)諧設(shè)定是自動(dòng)設(shè)定的，因此在一定模式的動(dòng)作反復(fù)輸入后，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膭傂栽O(shè)定。

模擬量是一種針對(duì)伺服，將速度及移動(dòng)量以模擬量來(lái)輸入的方式；而指令控制模式切換，可以在位置、速度、轉(zhuǎn)矩控制中，選擇2種控制模式切換使用；其絕對(duì)值輸出是指控制器通電后，控制器讀取驅(qū)動(dòng)時(shí)絕對(duì)位置的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)恢復(fù)到絕對(duì)位置。

陷波控制功能可根據(jù)振動(dòng)頻率自動(dòng)設(shè)定濾波器來(lái)抑制振動(dòng)。當(dāng)inc增量型輸出時(shí)，從控制器接通，電源一直保持原點(diǎn)位置開(kāi)始的方式。

位置控制是指移動(dòng)到目標(biāo)位置，移動(dòng)完成后使其停留在目標(biāo)位置的一種控制方式；而自動(dòng)調(diào)諧是指電機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)生成的指令模式運(yùn)行，并根據(jù)當(dāng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩推選出負(fù)載慣量，自動(dòng)設(shè)定恰當(dāng)?shù)脑鲆妗?/p>

適應(yīng)濾波器可實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)諧，實(shí)時(shí)推算機(jī)器的負(fù)載慣量，并根據(jù)其結(jié)果自動(dòng)設(shè)定最佳增益。而速度控制是改變速度、轉(zhuǎn)數(shù)的一種控制方式，在諸如打磨石旋轉(zhuǎn)、溶接速度、傳送速度等用途上非常有效；其轉(zhuǎn)矩限制功能可通過(guò)限制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的功能，該功能可以在第1轉(zhuǎn)矩限制／第2轉(zhuǎn)矩限制間切換使用。

ac伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用實(shí)例

ac伺服電動(dòng)/驅(qū)動(dòng)器超小型、高功能伺服，而且簡(jiǎn)單，又可輕而易舉的高精度定位。應(yīng)對(duì)各種用途的功能和豐富的伺服種類，可實(shí)現(xiàn)最佳組合，可在滾珠絲杠、傳送帶等方面應(yīng)用。

應(yīng)用案例

在部件壓入、壓機(jī)、螺絲緊固上的應(yīng)用，見(jiàn)圖3所示。其可編程控制器，用sysmac cj系列），位置控制單元用cj1w-ncf71型。

圖3可編程控制器plc的高速脈沖來(lái)控制伺服電機(jī)，即接收2mhz的脈沖，實(shí)現(xiàn)且自動(dòng)調(diào)諧高級(jí)功能。

在繞卷、進(jìn)給控制上的應(yīng)用示意圖，見(jiàn)圖4所示。

交流伺服電動(dòng)機(jī)位置驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的上位機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器間的通信實(shí)現(xiàn)

交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器由于其應(yīng)用簡(jiǎn)便和性能可靠，已廣泛的應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床與工業(yè)位置傳動(dòng)裝置中。市場(chǎng)上新型的交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器都具有符合rs485協(xié)議的串行通信接口，計(jì)算機(jī)可利用這一接口電路與驅(qū)動(dòng)器之間實(shí)現(xiàn)串行通信，向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)的位置運(yùn)行指令和速度運(yùn)行指令，控制伺服電機(jī)的運(yùn)行，并及時(shí)反饋電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，供計(jì)算機(jī)分析．由于這種方法控制的穩(wěn)定性好、精度高、傳輸距離遠(yuǎn)、可雙向交流控制信息、線路簡(jiǎn)單、很有發(fā)展前景。

上位機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器間的通信設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)在工業(yè)用伺服驅(qū)動(dòng)器通常都配置了rs485通信接口，利用該接口通過(guò)編制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序即可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器的信息交互。

rs485串行通信：工業(yè)rs485通信采用2線雙絞傳輸方式，即數(shù)據(jù)d+和數(shù)據(jù)d—，這種數(shù)據(jù)差動(dòng)傳輸方式可以有效地消除干擾的影響。另外，rs485通信為1：n方式，1臺(tái)主控機(jī)（上位機(jī)）可級(jí)連多達(dá)16臺(tái)被控機(jī)（伺服驅(qū)動(dòng)器）。

rs485通信規(guī)則：采用選擇／查詢方式，被控機(jī)（伺服驅(qū)動(dòng)器）常處于等待主機(jī)選擇或查詢狀態(tài)。伺服驅(qū)動(dòng)器在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，符合編號(hào)的被控機(jī)（伺服驅(qū)動(dòng)器）接收到主機(jī)的幀信號(hào)，判斷為正常接收信號(hào)后，對(duì)幀信號(hào)處理。

通信的連接：在主控機(jī)端為rs232／rs485轉(zhuǎn)換接口，而被控機(jī)端為rs485通信口。在主控機(jī)和被控機(jī)之間用2線雙絞屏蔽電纜連接，在被控機(jī)末端加終端電阻。

高速伺服通信的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

伺服系統(tǒng)是機(jī)電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展，交流伺服系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)廣泛運(yùn)用的前景下正向著網(wǎng)絡(luò)化控制方向發(fā)展。值此有必要介紹對(duì)新型ac伺服電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器的高速伺服通信運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用作介紹。

基于獨(dú)立數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的集成

獨(dú)立性的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)就是在運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，脫離計(jì)算機(jī)或工控機(jī)的通訊操作控制，直接把控制程序和要運(yùn)行的程序下載到運(yùn)動(dòng)控制器本身所帶的閃存里面。有設(shè)備的外圍觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)程序就開(kāi)始運(yùn)行。值此是基于以omron公司的以smartstep2驅(qū)動(dòng)器與r88m-g伺服電機(jī)為例的的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)示意框圖，見(jiàn)圖5所示。

上位計(jì)算機(jī)通過(guò)支持tcp／ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊適配卡（100m）獲得對(duì)以太網(wǎng)總線的支持，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視管理。上位計(jì)算完成任務(wù)規(guī)劃后，由第三方軟件完成用戶應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，根據(jù)tcp／ip協(xié)議通過(guò)以太網(wǎng)將生成的程序指令傳送給嵌入式多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

在圖5的網(wǎng)絡(luò)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器不斷產(chǎn)生更新的位置命令（運(yùn)動(dòng)曲線），通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線下傳給驅(qū)動(dòng)器，在總線節(jié)點(diǎn)解釋指令后將轉(zhuǎn)化為數(shù)宇脈沖信號(hào)，以控制交流伺服電動(dòng)機(jī)，完成定位。在一個(gè)多軸系統(tǒng)中，一個(gè)控制器可以控制多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。伺服電動(dòng)機(jī)是主要的執(zhí)行部件，完成具體動(dòng)作。圖5中運(yùn)動(dòng)控制器可用fqm1-mm22型多軸運(yùn)動(dòng)控制器，也可用mc260這些控制器采用工業(yè)專用的32位，120hhz～150hhz的最新微處理技術(shù)，融合最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可選用不同的控制器可控制1—24個(gè)軸?？梢杂?～±10v的模擬量電壓輸出和編碼器反饋形成全閉環(huán)控制，來(lái)控制伺服電動(dòng)機(jī)。也可以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，變頻器，氣動(dòng)，液壓伺服，或者是這幾種的任意結(jié)合。

結(jié)語(yǔ)

眾所周如，數(shù)控機(jī)床與工業(yè)自動(dòng)化離不開(kāi)伺服電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力源的智能化，尤其是當(dāng)今處于網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，除了動(dòng)力裝置的智能化外，還需網(wǎng)絡(luò)化。而上述的新型ac伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器技術(shù)特征與應(yīng)用介紹，比較理想能的解決了伺服電動(dòng)機(jī)/驅(qū)動(dòng)器從設(shè)計(jì)→-安裝→調(diào)整啟動(dòng)→運(yùn)行→維護(hù)眾各階段問(wèn)題的智能化，它是工業(yè)自動(dòng)化的工程設(shè)計(jì)人員一種較好的選擇，也為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的研發(fā)拓寬了設(shè)計(jì)思路。