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兩種典型伺服控製係統的應用與（yǔ）實（shí）踐

2017-7-14 來源：金堆城鉬業股份有（yǒu）限（xiàn）公司（sī）作者：付紹軍

摘要：介紹了在生產（chǎn）實踐中應用的步進電動機（jī）開環控製係統以及伺服電（diàn）動（dòng）機閉（bì）環運動控製係統，並對其控製結構、驅動方式及運行特性進行對比分析。實踐證明:伺服電動機閉環（huán）控製（zhì）係統啟動及加（jiā）速過程（chéng）平穩、過載能力強、控製精度及運行效率均明顯優於步進電動機開環控製係統。

關鍵（jiàn）詞：步進電動機；伺服；閉環；控製

0.引言

工業4.0項目主要包含三大主題，即智能工廠、智能製造（zào）及智能物流（liú）。運動控製技術是智能製造及機器人技術的基礎。運動控製基本原理可分為矢量控製、v/f控製及伺服控製（zhì），目前工業控製係統中以伺服控製最為普遍。伺服控製係統（tǒng）是指能夠嚴格按照上位機給定的位移（yí）及約束指令(速度限值、加速度限值、速度曲（qǔ）線等）進行動（dòng）作，在運動過程中不斷采（cǎi）集實時運行參數進行比較，並按照一定的控製算法動態（tài）調整輸出，從而獲得精準加速度（電流）、速度及位移控製（zhì）的一種運動控製係（xì）統。伺服控製係統執行器選用電動機主要有（yǒu）步進電動機和伺服電動機兩種，其動作（zuò）原理及控製（zhì）方式均不同。其中伺服電動機又可分為直流伺服電動機和（hé）交流（liú）伺服電動機，隨著交（jiāo）流伺服電動機調速技術（shù）的發（fā）展，目前交流伺服電動機由於結構簡單，易於維護，成本費用較低，逐漸成為應用主流。

1.步進電動機伺服係統及其應用

步進電動機接收離散脈衝信號，運（yùn）動過程中每接（jiē）受一個脈衝，電動機旋轉一個步距角，因此脈（mò）衝數量決定了步進電動機的轉（zhuǎn）角位移，而脈衝的頻率決定了步進（jìn）電動機的轉速。正是由於這種特性，步進（jìn）電動機極易采用數字電路進行控製，被廣泛應用在PLC或計算機運動控製係統中。與（yǔ）常規的直流電動機（jī）及交流三相電動機相比，步進電動機運動過程更易受控，多（duō）用（yòng）於開環控製係統。我公司從美國成套引進的十八管還原爐，其進、出料小車沿行（háng）走（zǒu）軌道的運動控製以（yǐ）及勾舟機械手進出爐管的運動控製，就是一種典型的步進電動機伺服控製係統。以勾舟機（jī）械手進（jìn）出爐管的（de）運動控（kòng）製（zhì）為例（lì）進行介紹，其控製架（jià）構如圖1所示。其中，PLC采用西門子300係列（liè）S7-318（2DP）係列，通

過3個數（shù）字（zì）量通道和1個模擬量通道與（yǔ）運（yùn）動控製器傳送信息。數字量通道分別用於手動JOG狀態小車進、出爐管信號以及自動運行狀態下小車運（yùn）動（dòng）使能信（xìn）號。一個模（mó）擬量通道（dào）用（yòng）於速度給（gěi）定，帶符號，同時用於確定自動狀（zhuàng）態下的運動方向。其中，手動JOG狀態和自動狀態通過（guò）繼（jì）電器觸（chù）點進行互鎖。運動控製器實質是一個環形脈衝分配（pèi）器，采用parker公司6K4係列（liè）四（sì）軸控製器，可（kě）以通過專用指令語言進行編程。功率驅動器對環形脈衝進（jìn）行放大，驅動步進電動機運轉。步進電動機帶動齒輪減速機構，帶動機械手完成進出爐管動作。功率驅動器選用（yòng）parker公司（sī）zeta8係列驅動器，步進電動機選用parker公司TS42B係列產品（pǐn）。該控製（zhì）結構較為簡單，為典型的步進電動機開環控製。為了實現行程控製，在行程過程中增加接近開關及限位開關，當機械手運動到指定位置時，PLC通過禁用數字量通道運（yùn）動使能信號及模擬量通道（dào）速度設定為零，使機（jī）械手停止動作。

小車運行為預設固定速度恒（héng）速運行模（mó）式，控製（zhì）模式較為粗（cū）放，運行過程中衝擊及振動均較大，經常有定位失（shī）敗的故障發生。同時位置行程開關（guān）信號直接接入PLC，PLC循環掃描過程中固有周期導致時滯發生，使得運行過程中經常有過衝現象發生。

2.伺服電動機伺服係統及其應用

我公司新上板材生產線，選用西門子S120係列全數字交（jiāo）流伺服控製係統，控製結構如圖2所示。PLC將目標（biāo）位移數（shù）據通過DP總線利用CU320傳送給（gěi）伺服控製驅（qū）動（dòng）器S120，伺服驅動器S120依照偏差值根（gēn）據一定的算法模式（PID、模糊控製（zhì）、自適應控製等）進行控

圖2 閉環伺服電（diàn）動機控製原理圖

製（zhì）運算，將輸出通過動力電纜驅動伺服電（diàn）動機完成相應動作。與伺服電動機同軸安裝有編碼器，編碼器經譯碼電路將電動機運轉實施位置、速度傳遞給運（yùn）動控製器。該控製環節包含3個閉環控製，最內層為電動機與驅（qū）動（dòng）器之間的電（diàn）流閉（bì）環，中間（jiān）為編碼器反饋信號引入的速度閉環，最（zuì）外層為位移閉（bì）環。在該閉環控製（zhì）模式下，PLC僅給出運動（dòng）目標（biāo）位置，具體（tǐ）的運（yùn）動過程由伺服控製驅動器及伺服電動機現。其中（zhōng）伺（sì）服控製驅動器可以通過（guò）CU320利用以太網接口進行軟件編程，設定運動曲線參數，並在運動（dòng）過程中實現實時

圖3步進電機的矩頻特性（xìng）示（shì）意圖

圖4 伺服電機的矩頻特性示意圖

監測及調整。該模式下由（yóu）於利用3層反饋機製（電流（liú）反饋、速度反饋和位移反饋），電動機運行更為平穩順暢。

3.兩種控製（zhì）模式的對比與分析

從控製結構（gòu）分析，開環控製步進係統沒有編碼器檢測環節，結構較為簡單（dān），其行程控製僅（jǐn）僅依靠行程開關反饋至PLC，PLC又（yòu）存在掃描處（chù）理時間遲滯，因此控製較為粗放。閉環控（kòng）製伺服（fú）係（xì）統增加了編碼器，實時對電動機輸出信號進行檢測，根據偏差值大小按特定算法（PID、模糊控製、自適應控製等）動態（tài）調整輸出，因此控製精度較高。從電動機驅動方式分析，步進電動機依靠脈衝信號動作，輸（shū）入（rù）信號為矩形方波脈衝，運行的速（sù）度與脈衝頻率有（yǒu）關（guān），運行位移（yí）與脈（mò）衝數量有（yǒu）關。而交流伺服電動機輸入為（wéi）調製後的周期正弦電流，轉速調節依靠驅動（dòng）器輸（shū）出頻率實現，運行較為平滑。從運行矩頻特（tè）性分析，步進電動機矩（jǔ）頻特性和過載能力（lì）均較差。步進電動機的轉速越高輸出轉矩越低（見圖3），高速運行時（shí）輸出轉矩極低，驅動能力不足。為獲得較高的輸出轉矩，十八管還原爐進、出料小車沿行走軌道的運動控製以及勾舟機械手（shǒu）進出爐管運動控製所用的步進電動機，其工作轉速均低於150 r/min。而伺服電動機查（chá）閱其曲線可知，在額（é）定轉速以（yǐ）內，電動機基本處於（yú）恒轉矩輸出模式，其轉速有更大的調節範圍，一般在2000r/min左右。從過載能力分析，參（cān）照圖3曲線可（kě）以很明顯看出步進電動機沒有（yǒu）過載能力，最大轉矩出現在轉速為零的點。伺服電動機具有較強的過載能力，參照圖4曲線可以看出，最大轉矩Mmax約為額定轉矩Mo的3倍以上，可以用於克服負載從（cóng）速度為零（líng）的瞬間開始啟動的慣性力矩（jǔ）。最大運（yùn）行（háng）速度nmax約為額定轉速nrated的2倍，當然在超越（yuè）額定轉速後，輸出轉（zhuǎn）矩下降明顯。在（zài）額定轉速以內，基本可以認為（wéi）伺服電動機是恒轉（zhuǎn）矩（jǔ）輸出的。對於步（bù）進電動機，若步進電動機轉矩不（bú）足，會出現啟動時堵轉、丟（diū）步（bù）、抖動等現象發生（shēng）。

工程實踐中為了提升啟動轉矩克服慣性力，往往需要選取較大轉矩的（de）步進電動機，同時將啟動轉速設定在（zài）較低的範（fàn）圍，使得（dé）步進電動機工作在一個較高的（de）轉矩輸出點。從保持轉矩分析，步進電動（dòng）機的保持轉矩是指步進電動機通電但沒有轉（zhuǎn）動時，定子鎖住轉子的力矩。

以（yǐ）十八管（guǎn）爐進出料小（xiǎo）車電動機（jī）為例，當運行至指定位（wèi）置時，電動機停止運（yùn）行，保（bǎo）持轉（zhuǎn）矩起作用鎖定轉子，進而鎖定小（xiǎo）車，能夠克服小車上（shàng）的其它裝置動作引起的側（cè）向力，不至於使得小車在進出（chū）料過程中發生移動。而步進電動機不具有保持轉（zhuǎn）矩，若要實現位置鎖（suǒ）定，必須新增抱閘裝（zhuāng）置。應用效果對比（bǐ），十八（bā）管爐進出料小車及勾舟機械手，由（yóu）於采用開環（huán）步進電動（dòng）機控製方式，其動作過程中經常有過衝、堵轉、定位（wèi）不準等情況發生，低頻（pín）啟動和停（tíng）止運動時設備振動較大，設備運行速度也較低。而伺服電動機（jī）控製係統，電動機工作點轉速1500 r/min，且啟（qǐ）動、加速及停止（zhǐ）過程均較為平滑，運行過程中（zhōng）電（diàn）流（liú）、速度、加速（sù）度均能實施檢測調整，運行效率及控製精度明顯優（yōu）於步進電動機（jī）控製係統，但成本也（yě）相對較高。

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