松下MINAS A系列交流伺服電機驅(qū)動器在位置控制中的應用
| 在某些傳動領域內(nèi)，需要對被控對象實現(xiàn)高精度的位置控制，而實現(xiàn)精確位置控制的一個基本條件是需要有高精度的執(zhí)行機構(gòu)。當脈沖當量和進給速度都要求太高時，傳統(tǒng)的步進電機或直流伺服電機將面臨一系列問題，且實現(xiàn)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(shù)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(qū)動器。日本松下公司的ＭＩＮＡＳ Ａ系列為比較典型的一種。結(jié)合筆者使用該伺服電機驅(qū)動器的體會，將對該伺服電機驅(qū)動器作簡要介紹。 １ 位置控制及伺服驅(qū)動方框圖 在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收數(shù)控主機發(fā)出的位置指令信號脈沖／方向，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計數(shù)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(chǎn)生的脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)的復合前饋控制器調(diào)節(jié)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(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由ＳＰＷＭ輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)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(gòu)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(tǒng)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(shù)，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(huán)高級數(shù)控機床中。增量式光電編碼器伺服電機驅(qū)動器方框圖如圖１所示： ２ 基于ＭＩＮＡＳ Ａ的位置控制傳動系統(tǒng) 激光內(nèi)雕機控制系統(tǒng)是一個典型的位置控制系統(tǒng)。它的工作原理為：伺服電機在數(shù)控主機控制下，帶動三維工作臺在空間內(nèi)作軌跡運動，將出頭光固定在三維工作臺上，通過數(shù)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(nèi)。這樣，在數(shù)控主機控制下，可在水晶等玻璃制品工件內(nèi)打印出各種立體文字、圖形、圖像等標記。系統(tǒng)原理框圖如圖２所示： 采用ＰＣ機作為數(shù)控主機，通過研華公司ＰＣＬ－７２０多功能卡構(gòu)成計算機并行數(shù)據(jù)輸出方式，它的內(nèi)部具有三個設備端口：數(shù)據(jù)寄存器，控制寄存器和狀態(tài)寄存器。ＣＰＵ通過對它們的訪問，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的各種操作。接口模板將計算機與系統(tǒng)相連，其結(jié)構(gòu)如圖３所示： 由計算機輸出的六位數(shù)據(jù)信號經(jīng)緩沖器，光電隔離后送入伺服驅(qū)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(shù)，方向信號控制電機正反轉(zhuǎn)，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(tǒng)每次復位時進入?yún)⒖甲鴺嗽c。三位狀態(tài)信號經(jīng)邏輯電平整形電路，光電信號隔離電路后送入計算機狀態(tài)寄存器中，由ＣＰＵ隨時讀出。ＧＡＬ邏輯電路由可編程邏輯器件構(gòu)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(chǎn)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(tài)，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(shù)字信號的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發(fā)事件對計算機系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。 在伺服驅(qū)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(jù)系統(tǒng)的需要進行適當連接。參數(shù)設置通過觸摸面板進行，控制方式選擇置為位置控制，轉(zhuǎn)矩限制置為輸入無效，驅(qū)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(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)置為２５００。電子齒輪比可根據(jù)實際需要進行設置。由于伺服電機通過聯(lián)軸器與工作臺的滾株絲杠相連，機械剛性高，將自動增益調(diào)整時，機械剛性置為９。增益參數(shù)采用自動調(diào)整方式：按照預定內(nèi)部設定的模式使電機加速和減速，從所需轉(zhuǎn)矩計算負荷的慣量，然后根據(jù)慣量，自動地決定適當?shù)脑鲆?。其它參?shù)按出廠時的缺省設置。由于傳動機構(gòu)采用了半閉環(huán)交流伺服驅(qū)動，控制精度和運行速度得到極大的提高，大大提高了產(chǎn)品的性價比。 ３ 系統(tǒng)軟件的設計 軟件是控制系統(tǒng)的核心，在計算機中用軟件實現(xiàn)各種插補運算是很方便的。軟件采用面向?qū)ο缶幊谭绞?，具體編程環(huán)境為ＶＣ＋＋６．０。 計算機通過插補計算，不斷地向伺服驅(qū)動系統(tǒng)提供位置指令。數(shù)控系統(tǒng)采用２．５軸聯(lián)動方式。其中Ｘ，Ｙ軸采用數(shù)字積分法ＤＤＡ實現(xiàn)二軸聯(lián)動。Ｚ軸采用點位控制，以形成空間曲線運動軌跡。數(shù)字積分法具有運算速度快、脈沖分配均勻，易于實現(xiàn)多坐標軸聯(lián)動及描繪平面各種函數(shù)曲線的特點，應用比較廣泛。本系統(tǒng)采用ＤＤＡ圓弧插補器：平面圓弧插補器由兩個數(shù)字積分器組成，每個坐標的積分器由累加器和被積函數(shù)寄存器所組成。ＪＲＸ，ＪＲＹ為累加寄存器寄存余數(shù)。動點坐標值Ｘ存入被積函數(shù)寄存器ＪＶＹ中，而動點坐標值Ｙ存入被積函數(shù)寄存器ＪＶＸ中。在插補過程中，根據(jù)動點位置的變化來改變ＪＶＸ和ＪＶＹ中的內(nèi)容。在起點時，ＪＶＸ，ＪＶＹ分別寄存起點坐標值ｙ０ｘ０；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(shù)器，把Ｘ，Ｙ坐標所需輸出的脈沖數(shù)｜ｘｅ－ｘｏ｜和｜ｙｅ－ｙ０｜分別存入這兩個計數(shù)器中，Ｘ或Ｙ積分器每輸出一個脈沖，相應的減少法數(shù)器減１，當某一坐標計數(shù)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(shù)器均為零時，圓弧插補結(jié)束。 |
