松下交流伺服電機驅動器在位置控制中的應用
發布時間：2019-08-05 10:02:24來源：
松下交流伺服電機驅動器在位置控制中的應用
在某些傳動領域內，需要對被控對象實現高精度的位置控制，而實現精確位置控制的一個基本條件是需要有高精度的執行機構。當脈沖當量和進給速度都要求太高時，傳統的步進電機或直流伺服電機將面臨一系列問題，且實現起來難度大，成本較高。而近些年興起的交流伺服電機傳動技術卻能以較低的成本獲取極高的位置控制精度，世界上許多知名電機制造商如松下，三洋，西門子等公司紛紛推出自己的交流伺服電機和伺服驅動器。日本松下公司的ＭＩＮＡＳ Ａ系列為比較典型的一種。結合筆者使用該伺服電機驅動器的體會，將對該伺服電機驅動器作簡要介紹。
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１ 位置控制及伺服驅動方框圖
在位置控制方式下，伺服驅動器接收數控主機發出的位置指令信號?脈沖／方向 ，送入脈沖列形態，經電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計數器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機實際所產生的脈沖數，經四倍頻后產生的。位置偏差信號經位置環的復合前饋控制器調節后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號?與位置檢測裝置相同 比較后的偏差信號經速度環比例積分控制器調節后產生電流指令信號，在電流環中經矢量變換后，由ＳＰＷＭ輸出轉矩電流，控制交流伺服電機的運行。位置控制精度由光電編碼器每轉產生的脈沖數控制。它分增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式編碼器構造簡單，易于掌握，平均壽命長，分辨率高，實際應用較多。本系統采用的是增量式光電編碼器。絕對式光電編碼器按二進制編碼輸出，信號線多，由于精度取決于位數，所以高分辨率不易得到。但是這種編碼器即使不動時也能輸出絕對角度信息，主要用于全閉環高級數控機床中。增量式光電編碼器伺服電機驅動器方框圖如圖１所示：
２ 基于ＭＩＮＡＳ Ａ的位置控制傳動系統
激光內雕機控制系統是一個典型的位置控制系統。它的工作原理為：伺服電機在數控主機控制下，帶動三維工作臺在空間內作軌跡運動，將出頭光固定在三維工作臺上，通過數控主機控制激光設備出光。將工件固定在工作臺打標范圍內。這樣，在數控主機控制下，可在水晶等玻璃制品工件內打印出各種立體文字、圖形、圖像等標記。系統原理框圖如圖２所示：
采用ＰＣ機作為數控主機，通過研華公司ＰＣＬ－７２０多功能卡構成計算機并行數據輸出方式，它的內部具有三個設備端口：數據寄存器，控制寄存器和狀態寄存器。ＣＰＵ通過對它們的訪問，可實現對系統的各種操作。接口模板將計算機與系統相連，其結構如圖３所示：
由計算機輸出的六位數據信號經緩沖器，光電隔離后送入伺服驅動器中。它們分別是Ｘ軸脈沖信號，Ｘ軸方向信號。Ｙ軸脈沖信號，Ｙ軸方向信號。Ｚ軸脈沖信號，Ｚ軸方向信號。其中，脈沖信號控制電機所走的步數，方向信號控制電機正反轉，以完成各軸的位置控制。Ｘ軸到位信號檢測，Ｙ軸到位信號檢測，Ｚ軸到位信號檢測是三組機械開關，通過開關的閉合，可使系統每次復位時進入參考坐標原點。三位狀態信號經邏輯電平整形電路，光電信號隔離電路后送入計算機狀態寄存器中，由ＣＰＵ隨時讀出。ＧＡＬ邏輯電路由可編程邏輯器件構成，該邏輯電路生成ＲＳ鎖存器，計算機通過ＲＳ鎖存器，光電隔離電路控制激光電源產生高壓脈沖串，由高壓脈沖串控制光路形成激光束，從而使打標頭出光。三組線性電源中，二組用來對光電隔離前、后芯片供電，另一組線性電源供伺服電機處于激磁狀態，以便伺服電機接收到指令脈沖就能運行。由于模板采用了隔離措施，這樣，既隔離了外界對數字信號的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發事件對計算機系統的損壞，大大提高了系統的控制精度和可靠性。
在伺服驅動器中，ＰＵＬＳ１與接口板脈沖信號相連，ＰＵＬＳ２接＋５Ｖ信號，ＳＩＧＮ１接方向信號，ＳＩＧＮ２接＋５Ｖ信號，ＣＯＭ＋，ＣＯＭ－分別接＋１５Ｖ電源正負端。ＳＲＶ－ＯＮ與ＣＯＭ－相連。這樣，就完成了位置控制模式下的基本連線。其它連線可根據系統的需要進行適當連接。參數設置通過觸摸面板進行，控制方式選擇置為位置控制，轉矩限制置為輸入無效，驅動禁止置為輸入無效，指令脈沖輸入方式選擇置為脈沖／符號方式，指令脈沖禁止置為輸入無效。每轉輸出脈沖數置為２５００。電子齒輪比可根據實際需要進行設置。由于伺服電機通過聯軸器與工作臺的滾株絲杠相連，機械剛性高，將自動增益調整時，機械剛性置為９。增益參數采用自動調整方式：按照預定?內部設定 的模式使電機加速和減速，從所需轉矩計算負荷的慣量，然后根據慣量，自動地決定適當的增益。其它參數按出廠時的缺省設置。由于傳動機構采用了半閉環交流伺服驅動，控制精度和運行速度得到極大的提高，大大提高了產品的性價比。
３ 系統軟件的設計
軟件是控制系統的核心，在計算機中用軟件實現各種插補運算是很方便的。軟件采用面向對象編程方式，具體編程環境為ＶＣ＋＋６．０。
計算機通過插補計算，不斷地向伺服驅動系統提供位置指令。數控系統采用２．５軸聯動方式。其中Ｘ，Ｙ軸采用數字積分法?ＤＤＡ 實現二軸聯動。Ｚ軸采用點位控制，以形成空間曲線運動軌跡。數字積分法具有運算速度快、脈沖分配均勻，易于實現多坐標軸聯動及描繪平面各種函數曲線的特點，應用比較廣泛。本系統采用ＤＤＡ圓弧插補器：平面圓弧插補器由兩個數字積分器組成，每個坐標的積分器由累加器和被積函數寄存器所組成。ＪＲＸ，ＪＲＹ為累加寄存器寄存余數。動點坐標值Ｘ存入被積函數寄存器ＪＶＹ中，而動點坐標值Ｙ存入被積函數寄存器ＪＶＸ中。在插補過程中，根據動點位置的變化來改變ＪＶＸ和ＪＶＹ中的內容。在起點時，ＪＶＸ，ＪＶＹ分別寄存起點坐標值ｙ０?ｘ０；在插補過程中，如果是進行逆時針圓弧插補，則ＪＲＹ每溢出一個Δｙ脈沖，ＪＶＸ加１，ＪＲＸ每溢出一個Δｘ脈沖，ＪＶＹ減１。如果是進行順時針圓弧插補，則ＪＲＹ每溢出一個Δｙ脈沖，ＪＶＸ減１，ＪＲＸ每溢出一個Δｘ脈沖，ＪＶＹ加１。
Δｔ為一個插補迭代脈沖。ＤＤＡ圓弧插補的終點判別采用兩個終點減法計數器，把Ｘ，Ｙ坐標所需輸出的脈沖數｜ｘｅ－ｘｏ｜和｜ｙｅ－ｙ０｜分別存入這兩個計數器中，Ｘ或Ｙ積分器每輸出一個脈沖，相應的減少法數器減１，當某一坐標計數器為零時，該坐標達到終點，這時，該坐標停止迭代。當兩個計數器均為零時，圓弧插補結束。
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１ 位置控制及伺服驅動方框圖
在位置控制方式下，伺服驅動器接收數控主機發出的位置指令信號?脈沖／方向 ，送入脈沖列形態，經電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計數器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機實際所產生的脈沖數，經四倍頻后產生的。位置偏差信號經位置環的復合前饋控制器調節后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號?與位置檢測裝置相同 比較后的偏差信號經速度環比例積分控制器調節后產生電流指令信號，在電流環中經矢量變換后，由ＳＰＷＭ輸出轉矩電流，控制交流伺服電機的運行。位置控制精度由光電編碼器每轉產生的脈沖數控制。它分增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式編碼器構造簡單，易于掌握，平均壽命長，分辨率高，實際應用較多。本系統采用的是增量式光電編碼器。絕對式光電編碼器按二進制編碼輸出，信號線多，由于精度取決于位數，所以高分辨率不易得到。但是這種編碼器即使不動時也能輸出絕對角度信息，主要用于全閉環高級數控機床中。增量式光電編碼器伺服電機驅動器方框圖如圖１所示：
２ 基于ＭＩＮＡＳ Ａ的位置控制傳動系統
激光內雕機控制系統是一個典型的位置控制系統。它的工作原理為：伺服電機在數控主機控制下，帶動三維工作臺在空間內作軌跡運動，將出頭光固定在三維工作臺上，通過數控主機控制激光設備出光。將工件固定在工作臺打標范圍內。這樣，在數控主機控制下，可在水晶等玻璃制品工件內打印出各種立體文字、圖形、圖像等標記。系統原理框圖如圖２所示：
采用ＰＣ機作為數控主機，通過研華公司ＰＣＬ－７２０多功能卡構成計算機并行數據輸出方式，它的內部具有三個設備端口：數據寄存器，控制寄存器和狀態寄存器。ＣＰＵ通過對它們的訪問，可實現對系統的各種操作。接口模板將計算機與系統相連，其結構如圖３所示：
由計算機輸出的六位數據信號經緩沖器，光電隔離后送入伺服驅動器中。它們分別是Ｘ軸脈沖信號，Ｘ軸方向信號。Ｙ軸脈沖信號，Ｙ軸方向信號。Ｚ軸脈沖信號，Ｚ軸方向信號。其中，脈沖信號控制電機所走的步數，方向信號控制電機正反轉，以完成各軸的位置控制。Ｘ軸到位信號檢測，Ｙ軸到位信號檢測，Ｚ軸到位信號檢測是三組機械開關，通過開關的閉合，可使系統每次復位時進入參考坐標原點。三位狀態信號經邏輯電平整形電路，光電信號隔離電路后送入計算機狀態寄存器中，由ＣＰＵ隨時讀出。ＧＡＬ邏輯電路由可編程邏輯器件構成，該邏輯電路生成ＲＳ鎖存器，計算機通過ＲＳ鎖存器，光電隔離電路控制激光電源產生高壓脈沖串，由高壓脈沖串控制光路形成激光束，從而使打標頭出光。三組線性電源中，二組用來對光電隔離前、后芯片供電，另一組線性電源供伺服電機處于激磁狀態，以便伺服電機接收到指令脈沖就能運行。由于模板采用了隔離措施，這樣，既隔離了外界對數字信號的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發事件對計算機系統的損壞，大大提高了系統的控制精度和可靠性。
在伺服驅動器中，ＰＵＬＳ１與接口板脈沖信號相連，ＰＵＬＳ２接＋５Ｖ信號，ＳＩＧＮ１接方向信號，ＳＩＧＮ２接＋５Ｖ信號，ＣＯＭ＋，ＣＯＭ－分別接＋１５Ｖ電源正負端。ＳＲＶ－ＯＮ與ＣＯＭ－相連。這樣，就完成了位置控制模式下的基本連線。其它連線可根據系統的需要進行適當連接。參數設置通過觸摸面板進行，控制方式選擇置為位置控制，轉矩限制置為輸入無效，驅動禁止置為輸入無效，指令脈沖輸入方式選擇置為脈沖／符號方式，指令脈沖禁止置為輸入無效。每轉輸出脈沖數置為２５００。電子齒輪比可根據實際需要進行設置。由于伺服電機通過聯軸器與工作臺的滾株絲杠相連，機械剛性高，將自動增益調整時，機械剛性置為９。增益參數采用自動調整方式：按照預定?內部設定 的模式使電機加速和減速，從所需轉矩計算負荷的慣量，然后根據慣量，自動地決定適當的增益。其它參數按出廠時的缺省設置。由于傳動機構采用了半閉環交流伺服驅動，控制精度和運行速度得到極大的提高，大大提高了產品的性價比。
３ 系統軟件的設計
軟件是控制系統的核心，在計算機中用軟件實現各種插補運算是很方便的。軟件采用面向對象編程方式，具體編程環境為ＶＣ＋＋６．０。
計算機通過插補計算，不斷地向伺服驅動系統提供位置指令。數控系統采用２．５軸聯動方式。其中Ｘ，Ｙ軸采用數字積分法?ＤＤＡ 實現二軸聯動。Ｚ軸采用點位控制，以形成空間曲線運動軌跡。數字積分法具有運算速度快、脈沖分配均勻，易于實現多坐標軸聯動及描繪平面各種函數曲線的特點，應用比較廣泛。本系統采用ＤＤＡ圓弧插補器：平面圓弧插補器由兩個數字積分器組成，每個坐標的積分器由累加器和被積函數寄存器所組成。ＪＲＸ，ＪＲＹ為累加寄存器寄存余數。動點坐標值Ｘ存入被積函數寄存器ＪＶＹ中，而動點坐標值Ｙ存入被積函數寄存器ＪＶＸ中。在插補過程中，根據動點位置的變化來改變ＪＶＸ和ＪＶＹ中的內容。在起點時，ＪＶＸ，ＪＶＹ分別寄存起點坐標值ｙ０?ｘ０；在插補過程中，如果是進行逆時針圓弧插補，則ＪＲＹ每溢出一個Δｙ脈沖，ＪＶＸ加１，ＪＲＸ每溢出一個Δｘ脈沖，ＪＶＹ減１。如果是進行順時針圓弧插補，則ＪＲＹ每溢出一個Δｙ脈沖，ＪＶＸ減１，ＪＲＸ每溢出一個Δｘ脈沖，ＪＶＹ加１。
Δｔ為一個插補迭代脈沖。ＤＤＡ圓弧插補的終點判別采用兩個終點減法計數器，把Ｘ，Ｙ坐標所需輸出的脈沖數｜ｘｅ－ｘｏ｜和｜ｙｅ－ｙ０｜分別存入這兩個計數器中，Ｘ或Ｙ積分器每輸出一個脈沖，相應的減少法數器減１，當某一坐標計數器為零時，該坐標達到終點，這時，該坐標停止迭代。當兩個計數器均為零時，圓弧插補結束。
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