交流伺服电机在数控卷簧流水线中的应用

1 前言

　　目前国内卷簧的生产多采用单个工序个体流水线作业的加工方式，生产速度慢、劳动效率低、外形尺寸一致性差、弹性材料损耗大。针对以上问题，我们研制了一条数控高速平面涡卷弹簧(简称：卷簧)流水线。整个卷簧流水线从功能上可以归结为：卷簧原材料条带首先经过卷簧机预成型，成型为一个卷簧初胚；再用传输带送人固化炉内进行热处理；最后用反绕设备将其反绕(从材料的角度要求)，成为合格的卷簧产品。其中，反绕设备作为该流水线中重要的组成部分，其控制系统必须具有操作简便，高精度等特点。由于交流伺服电机具有体积小，重量轻，大转矩输出，低惯量和良好的控制性能等优点，所以在该流水线反绕设备中，采用了以交流伺服电机为主要部件的控制系统。现介绍该控制系统在流水线的实现方案。

2 设计原理

　　在该流水线中，当吸盘对卷簧热处理后，便把卷簧放人固簧装置中。两块固簧装置可以灵活地左右移动，将其固定。卷簧固定后，固簧装置可以前后运动，将卷簧触角放人反绕器件中，如图1所示。反绕器件由伺服电机驱动，每只卷簧反绕开始时需要回归原位，先以一较大的转矩反绕2～3圈，然后以一较小的恒定转矩持续转动，卷簧初胚的末角有一弯钩，当反绕至弯钩部分时，伺服电机会遇到一较大阻力，停转。

图1反绕装置币意图

　　为能够迅速且精确地完成上述操作，利用可编程控制器来控制伺服电机的动作。本控制系统之所以选用RockWell公司MicroLogixl500可编程控制器和Panasonic公司MSMA042C1D型交流伺服电机及与之匹配的MsDA043DlA型驱动器，是因为MicroLogixl500具有两个20 kHz的高速脉冲输出口，其可以满足伺服电机在位置控制时对高速脉冲的需求。从实际情况来看，该伺服电机必须采用位置控制和转矩控制相结合的控制方式，并利用伺服电机系统自带的s型曲线控制模型，以达到理想的控制效果。在开始位置控制阶段，可编程控制器通过串行通信读取当前绝对编码器的数值，经过计算，发送一定的脉冲数以使伺服电机返回到零点；然后在恒转矩控制阶段中，相对应的模拟量送入伺服电机，以此来完成反绕所需要的圈数，同时通过串行通信来实时监控伺服电机速度，转矩等数值。

3 交流伺服电机及其驱动器

　　该控制系统选用的MSMA042C1D型交流伺服电机及与之匹配的MsDA043D1A型驱动器，其伺服电机的主要性能指标为：电源电压为三相200 V，额定功率为400 w，额定转速为3000r／min；交流伺服驱动器可根据所配电机型号和负载惯量，调整其内部速度环增益和积分时间常数，以达到最优控制。此外，伺服驱动器连接器CNI／F(50脚)信号作为外部控制信号输入／输出口，连接器CN SIG(20脚)作为伺服电机编码器的连接线，并且自带连接口cNNET和cN sER以完成与上位机或其它伺服电机的通信。

　　3.1 交流伺服驱动器的控制接线

　　交流伺服驱动器的控制接线包括两部分：它与交流伺服电机的接线CN SIG(20脚)和它与可编程控制器的接线CN I／F(50脚)。其中，交流伺服驱动器CN I／F(50脚)的部分控制接线，如图2所示。图2中，COM+为接控制电源的正极；CCWL为逆时针驱动禁止输入，用于电机全开／全关位置限位；CWL为顺时针驱动禁止输入，用于电机全关／全开位置限位；sRV—ON为伺服准备好输入，用于电机自动／手动切换开关；ZEROSPD为零速钳位输入，用于电机钳位；CoM一为接控制电源的负极；ALM为伺服报警输出，用于交流伺服系统故障诊断；PULS1，PULS2为位置控制时，脉冲数的输入；SIGN1，SIGN2为位置控制时，转动方向的输入；将编码器类型变量设置为绝对编码器形式，命令脉冲输入模式变量设置为脉冲／方向模式；TRQR为转矩指令输入，以相对应的模拟量形式输入；GND为转矩指令的模拟地；BATT+为采用绝对编码器时，安装在控制器侧的电池正极；BATT-为采用绝对编码器时，安装在控制器侧的电池负极。

图2交褫侗服驱动器的援线不薏圈

　　3.2 交流伺服驱动器与可编程控制器的通信

　　该系列交流伺服驱动器自带有两个通信口为RS232c与Rs485，通过它们，可采用以下3种方式与上位机或其他伺服电机进行通信。

　　1)依据Rs232c通信协议，主控制器通过通信开关与多台伺服驱动器进行通信，如图3所示。

　　2)依据Rs232C和RS485通信协议，主控制器可以采用以下方式与多台伺服驱动器进行通信，如图4所示，其中第一台伺服驱动器的轴号必须为0，且与主控制器通过Rs232c进行通信，而其它伺服驱动器之问是通过Rs485进行通信，伺服驱动器最多为16台。

　　3)依据Rs485通信协议，主控制器可以采用以下方式与多台伺服驱动器进行通信，其通信接线图与图4相同，但是其主控制器与第一台伺服驱动器是通过RS485通信，而不是RS232C，而且第一台伺服驱动器的RSW ID必须为1，伺服驱动器最多为15台。

　　在该系统的实际应用中，考虑到Rockwell公司MicroLogixl500自带有RS232C串行通信口，采用方式2)来完成PLc与3台交流伺服驱动器的通信，并设置3台伺服驱动器的轴号为0，1，2。该控制系统中，除了采用通信来读取绝对编码器的位置外，还要监控伺服电机能否正常运行，实时显示伺服电机的当前状态。为了达到监控伺服电机的目的，需要完成通信命令为：读取绝对编码器数值命令；读取当前速度命令；读取当前输出转矩命令；读取当前警报数值命令。

　　PLC向伺服驱动器发送的数据格式为

　　PLC从伺服驱动器接受的数据格式为(以读取伺服电机转速数值命令为例)