前言

近幾十年來伴隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，使伺服技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。在機(jī)械、設(shè)備等相關(guān)領(lǐng)域各種運(yùn)動(dòng)部件的速度控制、運(yùn)動(dòng)軌跡控制都是依靠各種伺服系統(tǒng)來完成的。因此在全自動(dòng)上蓋機(jī)的快速提升和高速水平移動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制設(shè)計(jì)上均采用了先進(jìn)的數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)，保證實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要求的速度和控制精度。

全數(shù)字交流伺服控制的含義

所謂全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)即系統(tǒng)所有的控制調(diào)節(jié)全部采用大規(guī)模數(shù)字集成電路作為系統(tǒng)的核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制，通過數(shù)字處理技術(shù)由軟件控制算法來完成，直接輸出脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率放大器對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，完成系統(tǒng)的控制任務(wù)。

全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的控制機(jī)理

以交流永磁同步電機(jī)為控制對(duì)象，控制系統(tǒng)采用基于數(shù)字信號(hào)處理器ms320f2812（dsp）為核心的全數(shù)字伺服系統(tǒng)為例，其伺服系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制。其中，位置環(huán)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，速度環(huán)實(shí)現(xiàn)快速跟蹤，電流環(huán)采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制（svpwm）控制算法實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以獲得優(yōu)良的控制性能。驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

全數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件主要由以dsp為核心的主控單元、功率放大和保護(hù)單元、電流反饋檢測單元、旋轉(zhuǎn)變壓器解算單元、故障檢測單元以及人機(jī)接口單元等部分組成。如圖2所示。旋轉(zhuǎn)變壓器與編碼器的作用相同，都為系統(tǒng)的反饋裝置。電機(jī)控制專用dsp芯片兼有高運(yùn)算速度和單片機(jī)的強(qiáng)控制能力，它的出現(xiàn)為電機(jī)控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了硬件支持。dsp擁有兩個(gè)專用于電動(dòng)機(jī)控制的事件管理器（eva和evb），系統(tǒng)充分利用了事件管理器提供的資源，使設(shè)計(jì)大為簡化。

全自動(dòng)上蓋機(jī)控制系統(tǒng)的概況

根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)的要求上蓋機(jī)的正常運(yùn)行速度應(yīng)達(dá)到每小時(shí)600桶以上，最大速度應(yīng)達(dá)到650桶。

上蓋機(jī)的機(jī)械形式為旋轉(zhuǎn)連續(xù)供蓋，在儲(chǔ)倉轉(zhuǎn)盤停止時(shí)，操作人員可以批量的為空倉進(jìn)行上蓋?；緞?dòng)作框圖如圖3所示。

根據(jù)目前生產(chǎn)線的要求和上蓋機(jī)的基本動(dòng)作框圖，對(duì)自動(dòng)上蓋機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行了逐項(xiàng)分解，通過分析發(fā)現(xiàn)全部分解動(dòng)作中取蓋后的平移動(dòng)作和蓋提升機(jī)構(gòu)的回落動(dòng)作對(duì)時(shí)間和精度要求較高，要在適應(yīng)頻繁啟停、頻繁正反轉(zhuǎn)切換的前提下，到達(dá)速度快、定位準(zhǔn)確的要求。另外對(duì)儲(chǔ)倉轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)定位的精度也要求較高。如果速度和定位達(dá)不到要求，就無法達(dá)到生產(chǎn)效率的要求，影響蓋蓋的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成機(jī)械的損壞和人身傷害。

全自動(dòng)上蓋機(jī)控制系統(tǒng)的配置

通過對(duì)分解動(dòng)作的分析和動(dòng)作時(shí)間的計(jì)算得出系統(tǒng)動(dòng)作難點(diǎn)

（1）提升機(jī)構(gòu)總高度為0.8米，在上升時(shí)，在4.8秒內(nèi)行走一個(gè)蓋的高度31mm即可；但提升機(jī)構(gòu)下降的時(shí)間僅為2秒，即在2秒內(nèi)要行走1.2米，速度為每秒0.6米，對(duì)運(yùn)行速度要求很高。并且為保證取蓋的可靠性，要求提升定位準(zhǔn)確，帶防止溜車的裝置，防止出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞。

（2）水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)長度為1.0米，要求在1.1秒內(nèi)完成水平移動(dòng)動(dòng)作，包括兩端的平穩(wěn)加速和減速停車，即速度應(yīng)到達(dá)每秒0.91米以上。在滿足高速運(yùn)行的前提下還應(yīng)達(dá)到準(zhǔn)確定位，運(yùn)行平穩(wěn)的要求。

系統(tǒng)設(shè)備的選型

實(shí)現(xiàn)設(shè)備提升和水平移動(dòng)動(dòng)作的要求，在電氣控制系統(tǒng)方面可以考慮采用伺服系統(tǒng)控制、步進(jìn)系統(tǒng)控制，還可以使用氣動(dòng)系統(tǒng)、普通電機(jī)等很多方式。通過系統(tǒng)組成、控制原理、性能及成本等方面分析，根據(jù)設(shè)備性能提出的要求，考慮到設(shè)備要求的機(jī)械強(qiáng)度等方面的內(nèi)容，在提升方式上最終選擇了采用安川∑-ⅴ系列全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制滾珠絲杠帶動(dòng)機(jī)械托爪的結(jié)構(gòu)。水平行走采用了安川伺服系統(tǒng)控制同步齒形帶帶動(dòng)一個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手的的方式，這種結(jié)構(gòu)簡單、輕便，適于高速運(yùn)行。

整個(gè)全自動(dòng)上蓋機(jī)的控制以西門子可編程控制器s7-200系統(tǒng)為核心，它是一種小型化、高速度、高性能的plc，通過plc發(fā)出控制脈沖來實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制。操作部分由觸摸屏來實(shí)現(xiàn)。整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

全自動(dòng)上蓋機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

交流伺服驅(qū)動(dòng)器主回路

系統(tǒng)采用三相ac220v伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器的u、v、w及接地端分別接伺服電機(jī)的a相、b相、c相和伺服電機(jī)的地線。必須按次序一一對(duì)應(yīng)地連接，否則有可能對(duì)驅(qū)動(dòng)器或伺服電機(jī)造成損害。ll、l2、是伺服單元單相主電路輸入端，l1c、l2c是控制電路電源輸入端。編碼器與驅(qū)動(dòng)器的cn2端口相接，編碼器的c、d、h、g分別為數(shù)據(jù)傳輸和5v、0v線，分別與cn2端口的ps（5）、／ps（6）、5v（1）、0v（2）相連。實(shí)際接線以顏色區(qū)分，如圖6所示。

控制回路的設(shè)計(jì)

（1）伺服單元的cn1接口及其接法：伺服單元的cn1接口是伺服輸入輸出控制線的接口。作為位置指令輸入輸出接口，位置用針號(hào)有：指令脈沖輸入（7，8，11，12），在控制要求中，要求伺服系統(tǒng)準(zhǔn)備好后方可啟動(dòng)程序，通過伺服on工作信號(hào)解除驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的柵極封鎖，使電機(jī)變?yōu)橥姞顟B(tài)。為了伺服系統(tǒng)不超程運(yùn)行，設(shè)置兩個(gè)限位開關(guān)來禁止正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和禁止反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)置報(bào)警功能。圖7為垂直伺服cn1的接口電路。

聯(lián)接器cn1信號(hào)線（50針）：作為外部控制信號(hào)的輸入\輸出。其注意事項(xiàng)是：

（a）用24vdc的電源，作為控制信號(hào)的供電。

（b）伺服驅(qū)動(dòng)器與其它設(shè)備間的連線應(yīng)盡量短（3米之內(nèi)）。

（c）控制線與電源線應(yīng)盡量隔開（大于30cm），并且不要將它們捆在一起或放在同一接線槽內(nèi)。

（d）對(duì)于cn1信號(hào)線應(yīng)采用雙絞屏蔽線，并且將屏蔽線與驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)地（gnd）連在一起。

伺服單元的cn2接口及其接法：伺服單元的cn2接口是連接編碼器的端口。cn2的端子有bat（+）、bat（一）作為絕對(duì)值編碼器用電源接口。c、d、h、g是伺服電機(jī)sgmgh的針號(hào)。編碼器與伺服單元的cn2接口接線圖如圖8所示。

（3）增益調(diào)整時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)：

增益的最優(yōu)值依負(fù)載而定，若負(fù)載變化，則需要重新調(diào)整。

若位置環(huán)增益過大，機(jī)械剛性較高，有可能導(dǎo)致振蕩。

若采用驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)而外加位置環(huán)單元，伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益會(huì)由于速度指令輸入增益參數(shù)的改變而改變。

若增益設(shè)置值過大，會(huì)引起振蕩，這時(shí)應(yīng)減小設(shè)置值從而停止振蕩。若不能停止振蕩，則關(guān)掉電源和伺服系統(tǒng)信號(hào)，然后再開啟電源將增益恢復(fù)到較小的值。

結(jié)束語

目前我們研制的全自動(dòng)上蓋機(jī)已經(jīng)在生產(chǎn)線上正式運(yùn)行，控制系統(tǒng)的運(yùn)行效果非常令人滿意，每小時(shí)上蓋平均達(dá)到了620桶左右，上蓋質(zhì)量合格率在97%以上，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

達(dá)到目標(biāo)的關(guān)鍵在于在設(shè)備主要的提升和水平運(yùn)動(dòng)部分采用了數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，代替了以普通三相電機(jī)為動(dòng)力的系統(tǒng)，充分發(fā)揮了數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)的高速、大扭矩、控制精度高、抗過載能力強(qiáng)、節(jié)能等優(yōu)勢。

聯(lián)接器cn2信號(hào)線（6針）：作為伺服電機(jī)編碼器的連接線。其注意事項(xiàng)是：

將屏蔽線同外殼相連，將電機(jī)屏蔽線同驅(qū)動(dòng)器屏蔽線相連接。

電纜線最長的長度為105，若太長，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)保證編碼器正常工作的輸出電壓（5v）會(huì)有損失，編碼器將不能正常工作。

同電源線（r\s\t）相隔距離應(yīng)盡量遠(yuǎn)（大于30cm），并且避免捆在一起或接在同一接線槽內(nèi)。

（2）交流伺服驅(qū)動(dòng)器用戶參數(shù)設(shè)置

安川∑-ⅴ系列全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器sgdv有一系列的參數(shù)，通過這些參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，用戶可以改變系統(tǒng)的性能和功能。調(diào)試前應(yīng)首先設(shè)置的參數(shù)有：

參數(shù)pn000：設(shè)置驅(qū)動(dòng)器控制方式為0010——位置控制方式（脈沖序列指令）；

位置控制參數(shù)設(shè)定：pg反饋脈沖的分頻比——電子齒輪{a/b}的設(shè)定。

“電子齒數(shù)”是對(duì)來自上位裝置輸入指令的1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于工件所走的移動(dòng)量進(jìn)行任意設(shè)定的功能。

電子齒數(shù)比b/a=pn20e/pn210=（編碼器分辨率/負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1周的移動(dòng)量）*（m/n）=32768/6000。即參數(shù)pn20e設(shè)為32768，pn210設(shè)為6000。

在生產(chǎn)線上安裝調(diào)試時(shí)，伺服電機(jī)在停止或運(yùn)行狀態(tài)中會(huì)發(fā)生振蕩和噪聲，即不能在負(fù)載條件下獲得最合適的響應(yīng)和穩(wěn)定性，此時(shí)需要進(jìn)行基本增益調(diào)整。在位置控制方式時(shí)，在工作現(xiàn)場進(jìn)行基本增益調(diào)整的用戶參數(shù)有：

設(shè)置速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)參數(shù)pn101較小值，其值越小，位置偏差值相減越快；

設(shè)置位置環(huán)增益參數(shù)pn102較大而不發(fā)生振蕩為止；

設(shè)置參數(shù)pn109，將速度前饋系數(shù)設(shè)置為最?。?%）