新型AC伺服电机驱动器

伺服和运动控制技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在国内外普遍受到关注。在伺服与运动控制产品领域，多样化一直是个鲜明的特点，包括从直流伺服驱动技术到交流伺服驱动技术，从模拟化到全数字化、智能化、网络化，从单轴伺服到多轴伺服，从单机化到总线产品。

　　众所周知，先进的伺服运动控制技术与解决方案的应用正是提升机器设备性能与档次及市场竞争力的一个重要途径。

　　AC伺服电机/驱动器技术特征--超小巧外形与高性能高功能的组合

　　在此将从特点、系统构成、种类、伺服电机/驱动器组合、位置控制单元和伺服中继单元电缆组合与AC伺服驱动器规格及AC伺服电机规格连接等作说明，并以OMRON(欧姆龙)的SMARTSTEP2系列为例作说明。

　　因为该AC伺服电机/驱动器解决了从设计到安装与调整启动及运行到维护各阶段的技术问题。特别是提供了整个装置的开发平台,从而使PLC的控制可通过功能块变得更加简单。而针对包括PLC在内的元器件的连接与设定及编程的FA(工厂自动化)统合工具包(CX-One型),能使这伺服系统从设计到维护实现了整体管理,见图1所示红箭头回绕圈. CX-One是针对包括PLC在内器件的连接、设定、编程的FA统合工具包。

 

　　图1 工厂自动化统合工具包(CX-One型)能使伺服系统从设计到维护实现了整体管理

　　图1中红箭头所示的参数设定/编程的环节。使用了灵巧的(功能块)程序库使编程更简单,而数据编辑/监控环节,利用运动控制工具包(CX-drver型)可进行伺服电机的参数编辑、监控和保存,其报警/维护环节中的数控单元可对驱动器的异常监视更简单。而图1中的AC伺服电机/驱动器SMARTSTEP2系列又可利用FA统合工具的运动控制工具包对驱动器迸行维护。

　因AC伺服电机可为多轴运行，因此要求驱动器更小,从而使控制柜设置面积得到大幅削减。如今超小型的AC伺服电机/驱动器更加小巧了，与同类产品相比设置面积削减了52%，可以为控制柜的节省空间进一步作出贡献。而它和小型PLC配合，也希望驱动器能更小。尤其AC伺服电机/驱动器的高度仅为120mm，可以与小型PLC安装在相同的管道间，这样可以使管道间距窄小化，从而实现控制柜的空间大大节省。

　　通过实时自动调谐来设定最佳增益。即承载了实时自动调谐功能，从而可实时推算设备的负载惯量，并根据其结果来自动设定最佳增益，从而使调整变得更简单，见图2所示。

 

　　图2 通过实时自动调谐来设定最佳增益，从而使调整变得更简单

　　符合国际工业标准(如DIN型)导轨的一触式安装，使用DIN导轨安装单元，可实现(如DIN型)导轨一触式安装。这样可以提高组装作业的一致性，使维护时的更换也变得更容易。

　　参数单元(例如上载和下载)很方便的通过拷贝工具来实现，而参数单元又使多个伺服驱动器的参数设定变得更简单，从而在批量生产时的参数设定也更简单了。

　　可以高速定位/移动。其指令脉冲频率可以达到500kpps，是同类以往产品的2倍，因此可以在高速下进行高精度控制, 达到了缩短了间歇时间之目的;通过控制器能接收来自驱动器的反馈脉冲，并能在上位确认当前位置，这样达到了通过反馈脉冲监视装置定位有无异常之目的，如图3所示。

 

　　图3 为高速下进行高精度控制示意图

　　可以使用转矩限制功能。它有保持2种转矩(见图4中A和B)限制值的功能，在挤压成型、部件插入等应用中，可以切换转矩使用，达到了希望能改变推动力使用之目的(见图4)。

 

　　图4 切换转矩使用示意图

　　通过适应滤波器来降低机械振动。它能自动检测振动频率，消除振动，即使共振频率发生变化也能实时自动追踪，可以降低传送带等刚性较低的机械振动,达到了希望能降低机械振动之目的.

　　它能对各种各样的应用来切换指令控制模式,就是说它可以在位置控制、速度控制、转矩控制模式间切换使用。尤为突出的是在压机、张力、挤出等应用中有出色表现。

　　驱动器种类

　　驱动器由通用输入型，脉冲串输入型。其功能如下：

　　电源规格分为ACl00V、AC200V。而电机容量又分单相、单相/三相与三相。而接口指令形态分为脉冲串、模拟量及高速伺服通信的运动网络。其控制模式分位置控制,速度控制及转矩控制.而控制模式切换又分为模式切换。其调谐功能又有陷波控制、自动调谐与实时自动调谐等三种。而驱动器功能可实现转矩限制、编码器输出内部设定速度。

　　其脉冲串是一种针对伺服而言，是将速度及移动量通过脉冲串输入的一种方式,而转矩控制是调节旋转力的控制，在零件压入、成型、螺丝紧固等用途上非常有效;而最佳增益功能，由于位置控制时的实时自动调谐设定是自动设定的，因此在一定模式的动作反复输入后，可以自动实现适当的刚性设定。

　　模拟量是一种针对伺服，将速度及移动量以模拟量来输入的方式;而指令控制模式切换，可以在位置、速度、转矩控制中，选择2种控制模式切换使用;其绝对值输出是指控制器通电后，控制器读取驱动时绝对位置的数据，以实现恢复到绝对位置。

　　陷波控制功能可根据振动频率自动设定滤波器来抑制振动。当INC增量型输出时,从控制器接通，电源一直保持原点位置开始的方式。

　　位置控制是指移动到目标位置，移动完成后使其停留在目标位置的一种控制方式;而自动调谐是指电机根据驱动器自动生成的指令模式运行，并根据当时所需的转矩推选出负载惯量，自动设定恰当的增益。

　　适应滤波器可实时自动调谐,实时推算机器的负载惯量，并根据其结果自动设定最佳增益.而速度控制是改变速度、转数的一种控制方式，在诸如打磨石旋转、溶接速度、传送速度等用途上非常有效;其转矩限制功能可通过限制电机输出转矩的功能，该功能可以在第1转矩限制/第2转矩限制间切换使用。

伺服电机种类

　　电机形状有圆柱型/扁平型。额定转数：圆柱型分1000r/min与2000r/min;扁平型3000r/min伺服电机容量：从50W、100W直到7.5kW。

　　增量型输出/绝对值输出共用,可以在增量型输出和绝对值输出间切换使用。另外，绝对值输出时，控制器通电后，控制器读取伺服的绝对位置数据，可复原绝对位置。增量型输出,从控制器接通电源起一直保持从原点位置开始的方式。

　　以OMRON的SMARTSTEP2的AC伺服电机/驱动器脉冲串输入型R88M-G/R7D-BP为例，刚度较低的机械也可实现抑制加减速时的晃动。通过安装振动控制功能装置，在使用因刚度较低而在顶端发生振动时，也可有效的降低振动。通过共振抑制控制实现高速定位。因有承载自动调谐功能，可以实时推算出机械的负载惯量，并可始终自动设定为最适合的增益。此外，可通过适用滤波器来自动抑制共振引起的振动。指令脉冲输入为对应90?相位差输入。除以往的CW/CCW(为2脉冲输入方式)、SIGN/PULS(为1脉冲输入方式)外，还可对应90?微分相位差输入。因此，可将编码器的输出信号完整的输入到驱动器，并可简单的实现同期控制。又通过指令脉冲倍数功能、电子齿轮功能、编码器分频功能等丰富的脉冲设定功能，可为客户的设备及系统提供最适合的脉冲没定。而通过内部速度设定可便捷的进行速度控制。内部速度设定最多可有4种设定，并可通过外部信号的切换进行速度控制。而编码器分频输出功能，可将由驱动器输出的电机编码器脉冲数在1～2500脉冲/转的范围内进行设定。此外，可通过参数进行位相的变更。

　　AC伺服电机/驱动器应用实例.

　　AC伺服电机/驱动器超小型、高功能伺服，而且简单，又可轻而易举的高精度定位。应对各种用途的功能和丰富的伺服种类，可实现最佳组合,例如滚珠丝杠、传送带等应用。下面以SMARTSTEP2电机/驱动器为例介绍其应用。

　　在部件压入、压机、螺丝紧固上的应用,见图5(a)。其可编程控制器用sysmac cj系列,位置控制单元用cj1w-ncf71型。

 

　　图5(a) AC伺服电机/驱动器在部件压入、压机、螺丝紧固上的应用示意图

　　可编程控制器PLC的高速脉冲来控制伺服电机,即接收2MHz的脉冲,实现且自动调谐高级功能。

　　在绕卷、迸给控制上的应用见图5(b)所示。

 

　　图5(b) AC伺服电机/驱动器在在绕卷、迸给控制上的应用示意图

　　交流伺服电机驱动器由于其应用简便和性能可靠，已广泛的应用在工业位置传动装置中。市场上新型的交流伺服电机驱动器都具有符合RS485协议的串行通信接口，计算机可利用这一接口电路与驱动器之间实现串行通信，向驱动器发出相应的位置运行指令和速度运行指令，控制伺服电机的运行，并及时反馈电机的运行数据，供计算机分析.由于这种方法控制的稳定性好、精度高、传输距离远、可双向交流控制信息、线路简单、很有发展前景。

　　伺服系统是机电产品中的重要环节， 随着计算机技术的进展，交流伺服系统在经过广泛运用的前景下正向着网络化控制方向发展。

　　独立性的数字运动控制器的网络伺服系统就是在运动控制时，脱离计算机或工控机的通讯操作控制，直接把控制程序和要运行的程序下载到运动控制器本身所带的闪存里面。有设备的外围触发信号触发程序就开始运行.。基于OMRON公司SMARTSTEP2驱动器与R88M-G伺服电机的网络伺服系统的系统集成的结构框图示于图6。

　　上位计算机通过支持TCP/IP协议的网络通讯适配卡(100M)获得对以太网总线的支持，负责对整个系统的运行和工作状态进行监视管理。上位计算完成任务规划后，由第三方软件完成用户应用程序开发，根据TCP/IP协议通过以太网将生成的程序指令传送给嵌入式多轴运动控制器。

　

　图6 为网络伺服系统的系统集成的结构框图

　　在图6的网络伺服运动控制系统中，控制器不断产生更新的位置命令(运动曲线)，通过现场总线下传给驱动器，在总线节点解释指令后将转化为数宇脉冲信号，以控制交流伺服电机，完成定位。在一个多轴系统中，一个控制器可以控制多个电机驱动器。伺服电机是主要的执行部件，完成具体动作。图6中运动控制器可用FQM1-MM22,也可用MC260这些控制器采用工业专用的32位，120HHz~150HHz的最新微处理器，融合最新的控制理论及其网络控制技术，可选用不同的控制器可控制1~24个轴。可以用0~±10V的模拟量电压输出和编码器反馈形成全闭环控制，来控制伺服电机。也可以控制步进电机，变频器，气动，液压伺服，或者是这几种的任意结合。