全数字式交流伺服驱动器在自控系统中的应用

    一、引言

    上海玉菱铝塑管包装有限公司的1台铝塑管切割机是1998年投产运行的，其控制系统是通过PLC控制步进电机，这种控制模式已经落后，整个系统存在以下缺点：

• 参数的调整和整个系统的调试难度大；
• 继电器控制，故障率高，维护困难，严重制约着生产的稳定运行；
• 产品的废品率高。

    上海理工大学数控数显实验室受其委托，对其设备进行全数字化技术改造，以实现数控加工，提高劳动生产率，降低产品的废品率。

    二、系统概况

    整个系统的核心是全数字式交流伺服驱动器的输入、输出信号通过PLC与触摸屏的通信，完成对整个系统的自动控制，实现铝塑管的准确切割（切割误差小于0.2mm）。其系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

    三、系统设备配置

    根据产品生产的要求，从经济性的角度出发，选择控制系统的元器件：

    1、伺服系统器件的选择

    选用松下大型MINAS V系列的全数字式交流伺服驱动器MDD203AIV（其主要性能指标：适配电机的额定功率为2000W，电源电压为3相220V，编码器类型为2500P/R，与驱动器配套使用的交流伺服电机为MDM202A1。

    2、主控系统器件的选择

    选用松下FPO系列化产品C16T（NPN 型，输入与输出均为8个点）

    3、人机交互界面的选择

    选用我国台湾的HITECH人机触摸屏（配有强大的功能软件ADP3）。

    四、控制系统设计

    控制系统的核心器件是FPOC16T，其输入信号包括：交流伺服驱动器的输出信号（编码器零位脉冲输出，报警输出）、色标传感器信号和变频器报警信号。其输出信号包括：交流伺服驱动器的输入信号（脉冲输入信号，脉冲方向输入信号）、变频器启动信号及频率设定选择信号、高频焊接信号。PLC的I/O（输入与输出）信号分配如图2所示。

图2 PLC 输入和输出信号分配

    可见，控制系统的核心任务是完成交流伺服驱动器信号的控制。

    五、交流伺服驱动器主控回路设计

    1、主回路

    主回路中驱动器上的U,V,W 及E号端子与伺服电机主回路航空插头的A,B,C及D号端子必须按次序一一对应地连接，否则有可能使驱动器或伺服电机造成损害。交流伺服驱动器接线端子如图3所示。

图3 交流伺服驱动器接线端子

    2、控制回路

    (1) 联接器CN I/F信号线（50 针）：作为外部控制信号的输入/输出。其注意事项是：

• 用24V，d.c.的电源，作为控制信号的供电。
• 伺服驱动器与其它设备间的连线应尽量短（3m以内）。
• 控制线与电源线应尽量隔开（大于30cm），并且不要将它们捆在一起或放在同一接线槽内。
• 对于CN I/F 信号线应采用双绞屏蔽线，并且将屏蔽线与驱动器的信号地（GND）连在一起。

    (2) 联接器CN SIG信号线（20 针）：作为伺服电机编码器的连接线。其注意事项是：

• 将屏蔽线同CN SIG的GND引脚相连，将电机屏蔽线同驱动器屏蔽线相连接。
• 电缆线最长的长度为20m，若太长，驱动器内保证编码器正常工作的输出电压（5V）会有损失，从而使编码器不能正常工作。此时应调节伺服驱动器在前面板上的PG电位器，调节PG可使起始电压在4.75--5.25V之间。
• 同电源线（R，S及T）相隔距离应尽量远（大于30cm），并且避免捆在一起或接在同一接线槽内。

    六、交流伺服驱动器用户参数设置

    松下大型MINAS V系列的全数字式交流伺服驱动器MDD203AIV有一系列的参数，通过这些参数的设置和调整，用户可以改变系统的性能和功能。调试前应首先设置的参数有：

    1、参数No.02：设置驱动器控制方式为“0”———位置（脉冲）控制方式；

    2、参数No.25：设置指令脉冲分/ 倍频分子为“10000”；

    3、参数No.26：设置指令脉冲分/ 倍频分母为“1000”；

    4、参数No.29：设置指令脉冲输入方式为“3”——— 选择脉冲串指令输入及符号输入。

    注意：在位置控制方式时，通过对No.25及No.26参数的设置，可以很方便的与各种频率的指令脉冲源相匹配，以达到用户理想的控制分辨率（即：角度/脉冲）。因二者的值差异过大会造成控制精度下降，所以推荐设 置No.25/No.26（即：电子齿轮比）为：1/50< 电子齿轮比<20。

    在生产线上安装调试时，伺服电机在停止或运行状态中会发生振荡和噪声，即不能在负载条件下获得最合适的响应和稳定性，此时需要进行基本增益调整。在位置控制方式时，在工作现场进行基本增益调整的用户参数有：

    1、设置参数No.03的值至较大值而不至于发生振荡为止；

    2、设置速度环积分时间常数参数No.04 较小值，其值越小，位置偏差值相减越快；

    3、设置位置环增益参数No.20 较大而不发生振荡为止；

    4、设置参数No.21，将速度前馈系数设置为最小（0%）。

    增益调整时应注意的事项：

    1、增益的最优值依负载而定，若负载变化，则需要重新调整。

    2、若位置环增益过大，机械刚性较高，有可能导致振荡。

    3、若采用驱动器的速度环而外加位置环单元，伺服系统的位置环增益会由于速度指令输入增益参数的改变而改变。

    4、若增益设置值过大，会引起振荡，这时应减小设置值从而停止振荡。若不能停止振荡，则关掉电源和伺服系统信号，然后再开启电源将增益恢复到较小的值。

    七、结束语

    本自动控制系统经过合适的选型，认真的硬件配置及完善的程序设计，完全满足铝塑管准确切割的要求，该系统自2000年5月投入运行至今，一直运转良好，得到了用户的好评。