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数控伺服技术在真空成型机自控系统中的应用

作者:时间:2013-05-29来源:网络收藏


在一个第一级程序执行周期即8ms内,其中的1.25ms用于执行第一和第二级程序,剩余时间由CNC使用。如果第一级程序的步数增加,那么在8ms内第二级程序动作的步数就要响应减少,因此分割数要变多,整个程序处理时间变长,因此第一级程序应编得尽可能短,仅处理包括急停,返回参考点减速,跳步,到达测量位置和进给暂停信号等。



FANUCPMC-PA1顺序程序执行过程

  图6FANUCPMC-PA1顺序程序执行过程

  本系统所用PowerMate-APMC程序流程图如图7所示。

aPMC梯形图程序总体结构

  图7-aPMC梯形图程序总体结构

  第一级和第二级程序流程图具体描述如下:

bPMC梯形图程序流程图

  图7-bPMC梯形图程序流程图

  3.3伺服驱动系统

  3.3.1伺服系统分类

  伺服驱动系统简称伺服系统(ServoSystem),是一种以机床移动部件的位置(或角度)和速度(或转速)作为控制对象的自动控制系统,又称随动系统、拖动系统或伺服机构。伺服系统的主要功能是接收来自插补装置或插补软件生成的进给指令,并按指令信息来驱动各运动部件运动,以加工出符合图纸要求的零件。伺服系统一般由伺服驱动装置、驱动元件、机械传动机构及末端执行部件等组成,对于闭环控制系统还包括检测反馈装置。

  伺服系统是数控装置与机床本体的联系环节,忠实而准确地执行CNC装置发出的运动指令。伺服系统的性能,在很大程度上决定了数控机床的性能。例如,数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。

  按照控制对象和使用目的,数控机床伺服系统可分为进给伺服系统和主轴伺服系统。

  进给伺服系统是指一般概念的伺服系统,它包括速度控制环和位置控制环,用于控制机床各坐标轴的切削进给运动,是一种精密的位置跟踪、定位系统,单位是mm/min。主轴控制系统只是速度控制系统,用于控制机床主轴的旋转运动,提供切削过程中的转矩和功率,而且需完成转速范围内的无级调速,单位是r/min。

  按照调节理论,数控机床伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。

  开环伺服系统主要靠步进电机来实现,每接收一个指令脉冲,步进电机就旋转一定角度,步进电机的旋转速度取决于指令脉冲的频率,转角的大小则取决于脉冲数目。由于输出转矩较小,而且没有反馈环节,开环系统精度较差,适用于精度要求不高的场合。如图8所示。

开环伺服系统原理图

图8 开环伺服系统原理图

  图9所示为半闭环/闭环伺服系统原理图,它由伺服电机、检测反馈单元、驱动线路、比较环节等部分组成。闭环伺服系统将检测反馈单元安装在机床工作台上,直接将测量的工作台位移量转换成电信号,反馈给比较环节,与指令信号比较,并将其差值经伺服放大,控制伺服电机带动工作台移动,直至二者差值为零为止。闭环伺服系统消除了进给传动系统的全部误差,所以精度很高(从理论上讲,精度取决于检测装置的测量精度)。然而,由于各个环节都包括在反馈回路内,所以机械传动系统的刚度、间隙、制造误差和摩擦阻尼等非性因素都直接影响伺服系统的调制参数。由此可见,闭环伺服系统的结构复杂,其调试、维护都有较高的技术难度,价格也较昂贵,常用于精密数控机床。

半闭环/闭环伺服系统原理

  图9半闭环/闭环伺服系统原理

  在半闭环伺服系统中,反馈环节安装在中间某一部位(如电机轴上),由于抛开了机械传动系统的刚度、间隙、制造误差和摩擦阻尼等因素,所以这种系统调试比较容易,稳定性好。尽管半闭环系统不反映反馈回路之外的误差,但采用高分辨率的检测元件,也可以获得比较满意的精度。

  按照反馈比较方式,伺服系统可分为数字脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统,以及幅值比较伺服系统。

  数字脉冲比较伺服系统结构较简单,常采用光电编码器、光栅作为位置检测装置,以半闭环的控制结构形式构成的数字脉冲比较伺服系统应用较为广泛。

  在相位比较和幅值比较伺服系统中,位置检测装置主要以旋转变压器、感应同步器为检测元件。在相位比较伺服系统中,位置检测装置多采用相位工作方式,指令信号与反馈信号都变成相应的同频率的某一载波的不同相位的脉冲信号,然后通过两者相位的比较,获得实际位置与指令位置的偏差,实现闭环控制。而幅值比较伺服系统主要是以其位置检测信号的幅值反映机械的实际位置,并以此作为位置反馈信号,再与指令信号进行比较构成的闭环控制系统。

  PowerMate-A是FANUC公司20世纪80年代中期开始生产的产品,并于90年代初期引进到我国,由于它的质量十分可靠,在引进之后得到了广泛的应用。PowerMate-A内置了伺服放大器和PMC,伺服放大器与CNC共用AC200V电源,由于只需要控制链条在X轴方向前进或后退,所以PowerMate-A伺服控制系统实际上只有进给伺服驱动,而没有主轴驱动,PowerMate-A数控系统是一个单轴控制系统;与PowerMate-A配套的伺服电机是FANUCS系列的20S交流伺服电机,电机轴上装有增量式脉冲编码器,输出位置反馈信号给CNC,不难看出,PowerMate-A数控系统是一个采用数字脉冲比较反馈方式的半闭环伺服系统。

  3.3.2交流伺服电机

  近年来,随着高性价比永磁体的开发和性能的不断提高,使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出,与采用矢量控制的异步伺服相比,永磁同步电动机转子温度低,轴向连接位置精度高,要求的冷却条件不高,对机床环境的温度影响小,容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下,也可作恒转矩运行,特别适合强力切削加工,同时其转矩密度高,转动惯量小,动态响应特性好,特别适合高生产率运行,比较容易达到很高的调速比。FANUC的进给伺服电动机一般采用永磁式的三相同步电动机。在本系统中所使用的交流伺服电机型号是A06B-0502-B004,具体参数为:23NmTRQ,20Amp,3phase8poles,AC146V,2000RPM。

  永磁式的交流三相同步电动机的转子是用高导磁率的永久磁钢作成的磁极,中间穿有电机轴,轴两端用轴承支撑并将其固定于机壳上。定子是用矽钢片叠成的导磁体,导磁体的内表面有齿槽,嵌入用导线绕成的三相绕组线圈,另外在轴的后端部装有编码器。当定子的三相绕组通有三相交流电流时,产生的空间旋转磁场就会吸住转子上的磁极同步旋转,电路元件需要根据转子磁场的位置实时地换向,这一点非常类似于直流电动机的转子绕组电流随定子磁场位置的换向。因此,为了实时地检测同步电动机转子磁场的位置,在电动机轴上(后端)安装了一个编码器,编码器的光码盘随着电机轴的转动测出转子上磁极磁场的实际位置,该位置可用角度θ来表示,即定子合成磁场磁极轴线和转子磁极轴线之间的角度,也称为功率角。将该位置值送到控制电路后,控制器可以实时地控制逆变器功率元件的换向,实现了伺服驱动器的自控换向。因此,有人将这种同步电动机的驱动控制器和电动机一起称为自换向同步电动机。另外,因为其控制特性类似于直流电动机,所以也称为无整流子式直流电动机。

  3.3.3交流伺服驱动

  伺服系统按其内部控制信号的形式,可分为模拟量控制的模拟伺服与数字量控制的数字伺服两类,FANUC产品早期一般采用直流驱动器,到了20世纪80年代中期,开始采用交流模拟伺服驱动器,从20世纪90年代起开始采用交流数字伺服驱动装置。PowerMate-AA06B-6050系列伺服驱动器与A06B-05**系列交流伺服电机配套组成的产品,是FANUC交流模拟伺服驱动系统最常见的配置之一,它采用了矢量控制、PWM调速,输出特性好,可靠性高,在上世纪90年代引入我国后,得到了广泛的应用。FANUC交流模拟伺服驱动工作原理见图10。

FANUCPowerMate-A交流模拟伺服驱动工作原理

  图10FANUCPowerMate-A交流模拟伺服驱动工作原理

  交流模拟伺服系统主要有电源部分、放大器及控制部分组成。电源部分主要包括整流逆变电路,以实现交-直-交变换。整流器使用的是整流二极管,给逆变器部分供以直流电源。逆变器使用了6个IGBT,在控制电路的控制下进行逆变,将直流功率变为交流功率,给同步电动机供电。对逆变器的频率变化进行控制,即可控制电动机转速的快慢,具体的逆变过程是利用PWM(脉冲宽度调制)技术来控制的。通过PWM控制,使系统得到的交流电压波形更接近正弦波,减少了谐波,快速性得到提高,更好地满足了电动机的需要。另外,电机主电路有两相电机的定子绕组串有电流检测器,检测电机的实际电流,用作电流反馈和电机的过流保护。脉冲编码器装在电机转子上用作速度和位置反馈。

  图10下半部分是模拟伺服系统的控制部分。

  在控制上,PowerMate-A采用了磁场矢量控制方式。由于在同步电机中,励

  磁磁场与电枢磁通势间的空间角度不是固定的,所以调节电枢电流就不能直接控制电磁转矩。通过电机的外部控制系统,对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制,控制两者之间的角度保持固定值,同时对电枢电流的幅值也进行控制,这种控制方式就称为矢量控制。电机轴上安装有编码器,编码器随时检测转子磁极位置,不断取得位置角θ信息,并将θ送伺服控制器,在控制器中进行实时的坐标变化,变换后的电流对逆变器进行控制,产生PWM波形去控制电机。

  如上图10,VCMD是驱动系统的速度给定指令,它是来自CNC的模拟电压;该电压与来自检测元件(通常为脉冲编码器)的速度反馈电压(也可以是脉冲编码器的脉冲信号经F/V变换后作为系统的速度反馈信号)TSA经比较、放大后输出速度误差信号。速度误差信号再经调节器放大,作为转矩给定指令输出。转矩指令信号通过乘法器,分别与转子位置计算回路中输出的sinθ和sin(θ-240°)算子相乘,其乘积作为电流指令信号输出。电流指令又与电流反馈信号相比较后,产生电流误差信号,电流误差信号经放大,输出到PWM控制回路,进行脉宽调制控制。脉宽调制信号通过功率晶体管与电源回路的逆变,形成三相交流电,控制交流伺服电动机的电枢。

  图10中的虚线框,在实际系统中,通常为集成一体的专用大规模集成电路。在FANUC常见的交流伺服驱动中,其中一片型号为AF20,它包括两个乘法器

  和一个转子位置计算回路;另一片型号为MB63137,它包括PWM控制回路和

  脉冲编码器的接收回路。图11为交流模拟伺服系统的简化框图。

交流模拟伺服系统的简化框图

  图11交流模拟伺服系统的简化框图

  3.3.4脉冲编码器

  以FANUCPowerMateA为核心组成的伺服控制系统是一个半闭环系统,有位置环、速度环两个控制回路,它们分别需要脉冲编码器对电机的位置量和速度量进行反馈。在对编码器使用上,作位置测量时,累计工作台走过的脉冲数;作速度测量时,则取单位时间(几个毫秒)内的脉冲数。

  在前面曾经叙述过,为了实现同步电机控制主回路中功率元件的自动换相,需要随着电动机转子的转动随时检测转子磁场的位置,这项工作也由编码器实现,为此,在脉冲编码器上刻有按二进制值编码的4层条纹,经印刷电路板处理后输出波形C1,C2,C4,C8,通过不同的组合来表明转子位置变化。

  脉冲编码器连接图见图12所示。

  图中,各信号含义如下:

  PCA/*PCA/PCB/*PCB:编码器的A/B相脉冲输入信号;

  PCZ/*PCZ:编码器的零位脉冲输入信号;

  C1~C8:转子位置检测信号;

  OHA/OHB:伺服电机的过热触点输入;

  0V/5V:编码器电源。

脉冲编码器连接图

  图12脉冲编码器连接图

  第四章结束语

  本文对自动化系统中的系统的工作过程进行分析,找到了在CNC和PMC中与现场操作相关的变量存储区,并总结出了PMC程序的流程图。伺服控制技术的应用提高控制的精度,保证传动机构的运行的平稳和精确。

伺服电机相关文章:伺服电机工作原理



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