研控伺服驱动器在数控弹簧机上的应用

2012/8/31 14:04:57

一、引言
        近年来,交流伺服驱动系统的应用越来越广泛。交流伺服系统的性能日渐提高,价格日趋合理。与步进驱动系统相比,伺服驱动系统自带编码器,可以反馈位置信号,精度更高,不存在丟步的现象;伺服驱动为恒转矩控制,步进驱动为恒功率控制,随着转速升高,步进电机输出的扭力迅速衰减,伺服驱动不存在上述情况,在0到额的转速之间,都可以输出额定扭矩,因此伺服驱动可以应用于高速场合。
二、应用环境
         某工厂生产数字弹簧机设备,采用步进驱动系统,加工速度最大为150个工件/分钟。为了提高加工速度,与深圳市研控自动化科技有限公司合作,采用研控公司的交流伺服驱动系统改造现有设备。试验机型为两轴电脑压簧机,改造后参数如表1所示:

改造前,加工速度只有150工件/分钟,改造后的加工速度达到了500工件/分钟,速度提高330%以上,而由改造带来的总成本的增加不足1%,极大的提高了产品的性价比。

三、伺服驱动系统选型
          原设备使用的是研控YKA2811MA细分步进驱动器和YK110HB115-06A步进电机。步进电机参数如表2所示:

要替代现有电机,首先替换后电机的转矩要达到现有电机的水平。由上表中数据可知,步进电机的保持转矩为21N.m,但是不必选择额定转矩为21N.m的交流伺服电机替代步进电机。步进电机的保持转矩是电机转速为0时的转矩,是步进电机能够达到的最大转矩,随着转速的升高,步进电机输出的扭矩将衰减,步进电机矩频曲线如图2所示。而交流伺服电机的特性是在0到额定转速之间,电机的扭矩恒定不变。设备的实际负载小于6N.m。

其次,选型速度。设备由共有两轴——切刀轴和送线轴。切刀轴通过凸轮带动切刀,每转一周,加工一个工件,切刀轴转速在500r/min左右;送线轴每转送线长度为144mm,要达到150m/min的送线速度,要求送线轴电机转速为1042r/min。
另外,惯量选型。负载惯量与电机惯量的比值称为惯量比。惯量比的大小影响系统的起停性能。设备工作状态为频繁起停,每加工一个工件就有一个启动停止过程。当加工速度达到最大值时,电机每分钟起停500次。为了获得良好的起停性能,惯量比应选择小一些,本次选择在3:1左右。
       根据以上规则,选择驱动器型号YKPSDD_10A5D,电机参数如表3所示。由于司伺服电机带有光电编码器,所以电机长度有所增加。编码器精度为2500线,驱动器内部经过4倍频,使得伺服的脉冲当量为0.036°,是步进电机的50倍。

       单纯从力矩的角度上讲,原步进电机转速达到1200r/min时,转矩仍在6N.m左右,满足驱动的要求,但是步进电机的加速能力不行。当加工速度为500工件/分钟时,电机启动停止的时间非常短暂,没有足够的时间给步进电机加速到1000r/min,出现丟步的现象,而伺服电机却可以成功的完成加速。


四、参数调节
        按说明书正确接线。为了测试连线是否存在故障,首先进入测试模式运行。研控伺服提供两种测试模式,可以分别测试位置控制模式和速度控制模式。经过测试,确认机械连接和电气连接正常。下一步将连接上位机运行。上位机完成对两轴的运动状态的计算,将运动状态以脉冲的形式传输到伺服驱动器,由伺服驱动器驱动伺服电机执行上位机的运算结果。弹簧机的控制系统框图如图3所示: 

        以100工件/分钟的速度运行,运行正常。继续增加加工速度,当加工速度达到370工件/分钟时,出现倒线的现象,即转子位置超过了停止位置,然后向后退回,这是由于驱动器刚性不够,需要调节参数,改善性能。对系统性能影响较大的几个参数为位置比例增益、速度积分时间常数、位置比例增益、位置前馈增益。
        (1) [速度比例增益](参数PA-5)的设定值,在不发生振荡的条件下,尽量设定得较大。设定值越大,刚性越强,但是设定过大,可能会产生振荡。一般情况下,负载惯量越大,[速度比例增益]的设定值应越大。
       (2) [速度积分时间常数](参数PA-6)的设定值,根据给定的条件,尽量设置得较大。[速度积分时间常数]设定的太大时,响应速度将会提高,但是容易产生振荡。所以在不发生振荡的条件下,尽量设置的较大。[速度积分时间常数]设定的太大时,在负载变动的时候,速度将变动较大。一般情况下,负载惯量越大,[速度积分时间常数]的设定值应越小。 
        (3) [位置比例增益](参数PA-9)的设定值,在稳定范围内,尽量设置得较大。[位置比例增益]设置得太大时,位置指令的跟踪特性好,滞后误差小,但是在停止定位时,容易产生振荡。 
        (4) 如果要求位置跟踪特性特别高时,可以增加[位置前馈增益]设定值。但如果太大,会引起超调。
根据以上调节规律,将速度比例增益从52增大到80,问题解决,一直到500工件/分钟的加工速度,没有出现倒线的现象。
 

五、结论
        得益于研控交流伺服驱动器针对不同场合预置了不同参数,整个参数调试的过程简化了很多。弹簧机的送线轴工作在频繁启停的状态,对交流伺服来说,这是一种严苛的工作环境。研控伺服在弹簧机上的成功应用,充分证明了研控产品的优良品质。

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