标签: 伺服控制

　　在直流伺服控制系统中,通过专用集成芯片或中小规模的数字集成电路构成的传统PWM控制电路往往存在电路设计复杂,体积大,抗干扰能力差以及设计困难、设计周期长等缺点因此PWM控制电路的模块化、集成化已成为发展趋势.它不仅可以使系统体积减小、重量减轻且功耗降低,同时可使系统的可靠性大大提高.随着电子技术的发展,特别是专用集成电路(ASIC)设计技术的日趋完善,数字化的电子自动化设计(EDA)工具给电子设计带来了巨大变革,尤其是硬件描述语言的出现,解决了传统电路原理图设计系统工程的诸多不便.针对以上情况,本文给出一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的PWM控制电路设计和它的仿真波形. 　 　1 PWM控制电路基本原理 　　为了实现直流伺服系统的H型单极模式同频PWM可逆控制,一般需要产生四路驱动信号来实现电机的正反转切换控制.当PWM控制电路工作时,其中H桥一侧的两路驱动信号的占空比相同但相位相反,同时随控制信号改变并具有互锁功能;而另一侧上臂为低电平,下臂为高电平.另外,为防止桥路同侧对管的导通,还应当配有延时电路.设计的整体模块见图1所示.其中,d 矢量用于为微机提供调节占空比的控制信号,cs为微机提供控制电机正反转的控制信号,clk为本地晶振频率,qout 矢量为四路信号输出.其内部原理图如图2所示. 　　该设计可得到脉冲周期固定(用软件设置分频器I9可改变PWM开关频率,但一旦设置完毕,则其脉冲周期将固定)、占空比决定于控制信号、分辨力为1/256的PWM信号.I8模块为脉宽锁存器,可实现对来自微机的控制信号d 的锁存,d 的向量值用于决定PWM信号的占空比.clk本地晶振在经I9分频模块分频后可为PWM控制电路中I12计数器模块和I11延时模块提供内部时钟.I12计数器在每个脉冲的上升沿到来时加1,当计数器的数值为00H或由0FFH溢出时,它将跳到00H时,cao输出高电平至I7触发器模块的置位端,I7模块输出一直保持高电平.当I8锁存器的值与I12计数器中的计数值相同时,信号将通过I13比较器模块比较并输出高电平至I7模块的复位端,以使I7模块输出低电平.当计数器再次溢出时,又重复上述过程.I7为RS触发器,经过它可得到两路相位相反的脉宽调制波,并可实现互锁.I11为延时模块,可防止桥路同侧对管的导通,I10模块为脉冲分配电路,用于输出四路满足设计要求的信号.CS为I10模块的控制信号,用于控制电机的正反转. 　 　2 电路设计 　　本设计采用的是Lattice半导体公司推出的is-plever开发平台,该开发平台定位于复杂设计的简单工具.它采用简明的设计流程并完整地集成了Leonardo Spectrum的VHDL综合工具和ispVMTM系统,因此,无须第三方设计工具便可完成整个设计流程.在原理设计方面,本设计采用自顶向下、层次化、模块化的设计思想,这种设计思想的优点是符合人们先抽象后具体,先整体后局部的思维习惯.其设计出的模块修改方便,不影响其它模块,且可重复使用,利用率高.本文仅就原理图中的I12计数器模块和I11延迟模块进行讨论. 　　计数器模块的VHDL程序设计如下: entity counter is port(clk: in std logic; Q : out std logic vector(7 downto 0); cao: out std_logic); end counter; architecture a_counter of counter is signal Qs: std_logic_vector(7 downto 0); signal reset: std_logic; signal caolock: std_logic; begin process(clk,reset) begin if(reset=‘1)then Qs=“00000000”; elsif clkevent and clk=‘1 then Qs=Qs+‘1; end if; end process; reset=‘1 when Qs="255" else ‘0; caolock=‘1 when Qs="0" else ‘0; Q=Qs; cao=reset or caolock; end a_counter; 　　在原理图中,延迟模块必不可少,其功能是对PWM波形的上升沿进行延时,而不影响下降沿,从而确保桥路同侧不会发生短路.其模块的VHDL程序如下: entity delay is port(clk: in std_logic; input: in std_logic_vector(1 downto 0); output:out std_logic_vector(1 downto 0) end delay; architecture a_delay of delay is signal Q1,Q2,Q3,Q4: std_logic; begin process(clk) begin if clkevent and clk=‘1 then Q3=Q2; Q2=Q1; Q1=input(1); end if; end process; Q4=not Q3; output(1)=input(1)and Q3; output(0)=input(0)and Q4; end a_delay; 　　 3 结束语 　　采用可编程逻辑器件和硬件描述语言,同时利用其供应商提供的开发工具可大大缩短数字系统的设计时间,节约新产品的开发成本,另外,还具有设计灵活,集成度高,可靠性好,抗干能力强等特点.本文设计的PWM控制电路用于某光测设备的传动装置时,取得了良好的效果.

摘要：介绍广州博玮伺服科技BWS系列交流异步伺服控制器与伺服电机在大型五轴联动落地铣镗床的应用，充分发挥了系统的低速大扭矩和速度控制平稳的特性，使得大重型设备零速平稳启动，超低速进给性能显著提高，使用效果良好。 引言   随着微处理技术、高性能半导体功率器件等产品制造工艺的发展及性价比的日益提高，交流伺服技术在机电设备产品中的应用越来越多，由于三相异步鼠笼式电动机结构坚固、制造容易、运行可靠、维修方便、价格低廉，具有良好的发展前景，是未来伺服技术的发展方向之一。   大、重型落地式数控铣镗床为机、电、液一体化技术密集型产品，其性能要求可实现多轴控制、五坐标联动;可加工带有复杂曲面的大型工件;属于机械加工行业里的高精度、高性能、高效率的关键重大装备，目前此种类型产品基本依赖从国外进口。如果在保证性能的前提下实现国产化，尤其是采用国产化的全数字伺服系统，可以达到大幅度节约成本，打破国外的技术垄断和制约，推动民族工业的发展的目的。   图1  采用广州博玮伺服科技BWS交流伺服控制系统的某型号落地式数控铣镗床   技术要求   落地数控铣镗床作为重型精密加工设备，要求很高的调速性能，调速比要求大于1:3000，目前国内控制系统主要采用直流调速系统。主要技术要求如下:在带载调速过程中必须保证足够的转矩平稳输出，能够实现进给轴低速平稳运行和大扭矩输出。重载加工过程中在负载(转矩)大范围波动的情况下保证运行速度的平稳;采用广州博玮伺服科技交流伺服控制系统的某型号落地式数控铣镗床的外形图如图1所示。   广州博玮BWS交流伺服控制器与伺服电机具有以下特点 : 1 全数字化   广州博玮伺服科技的交流伺服控制器是全数字化技术，其速度控制范围为0Hz～500Hz，控制精度标准为0.01～0.02Hz(特殊要求时可做到0.0025Hz)。该控制器可以满足数控铣镗床进行大范围的稳定、准确的高精度速度控制的需求。 2 高可靠的调速和过载性能   与变频器相比较，其速度曲线呈线性(速度曲线如图2)，使得加工过程时机床在频繁地起、停、正转、反转和制动控制的工况条件下连续正常地运行而速度不产生波动。而且，该系统具有优良的超载特性，在铭牌额定转速下可以做到300%的额定转矩输出，完全有别于一般变频器的工作曲线(见图3)，保证了重载加工过程中在负载大范围波动的情况下机床依然可以平稳运行。       图2 时光伺服控制器速度曲线     3 转速和转矩的解耦独立控制     广州博玮伺服科技的交流伺服控制器可以实现三相异步电机任意转速与转速的“解耦控制”。从而保证了负载力矩变化时速度恒定。同样，BWS伺服控制器可以保持在稳速运行情况下(低速0.3r/min下大扭矩输出、无波动爬行)实时地改变输出转矩以满足加工复杂曲面的大型工件的要求。       图3 一般通用“变频器”与“伺服控制器”的主要性能区别 4 BWS三相交流异步电机的选型   目前国内三相交流异步电机生产技术十分成熟，可靠性高，容量可达数百kW以上;低速回转平稳、转矩大(无弱磁问题);广州博玮伺服科技的交流伺服控制技术的开发成功，极大地扩大了三相交流异步电机的应用领域。   用户可根据需要选用专门设计的BWS伺服电机;也可以使用通用型三相异步电机，只需在电机后轴部加装编码器即可，而无需做其它的硬件改动。因此进行老机型改造和新机型设计都十分方便。   产品应用   以立式落地镗铣床为例，原机床采用直流调速系统，在保持原有机械结构的基础上，用BWS三相异步伺服电机替代直流电机，改用广州博玮伺服科技的BWS交流伺服控制系统替代原有直流调速系统。各进给轴现场图片如图4～图6所示。   图4  立柱水平进给   图5  主轴箱垂直进给   图6  镗轴(内)和滑枕(外) 系统达到的主要指标 :     主要参数 镗轴 滑枕 立柱 主轴箱 行程(m) 1.2 1.2 6 3 电机功率(kW) 7.5 7.5 15 15 最低直线速度(mm) 0.6 0.9 1.5 1.5 电机相关参数: 调速范围:0.01～250Hz (换档无级变速);额定转速:4级1500r/min 评价   广州博玮伺服科技的交流伺服控制器在大重型数控铣镗床控制系统中的应用，充分发挥了系统的低速大扭矩和速度控制平稳的特性， 使得大重型设备零速平稳启动，超低速进给性能显著提高，应用前景十分广阔。  

  一．引言 　　钢板厂生产的幅宽成卷钢板一般需要经过矫平和剪切后, 才能提供给客户使用，因此钢板校平、剪板机是钢板厂和板材仓库重要的生产设备。由于传统的剪板机在使用方面存在诸多问题，针对传统钢板剪板机存在的生产效率和剪切定位精度低的问题，我公司研制了PLC+伺服+运动控制的幅宽成卷钢板剪板自动剪切控制系统，该系统已投入生产使用，运行稳定可靠，控制精度高，维护使用方便，受到用户青睐。 　 　二．剪板机动作顺序： 　　1．定位滑块由伺服控制，用来定钢板的长度。 　　2．由输送机将钢板输送到位。 　　3．钢板长度定位完成，滑块后移（避免剪切时，损伤滑块），剪刀下切。 　　控制系统图   　　整个系统由威伦MT506LV触摸屏、台安TP03-30HT-A，BWS-BBR轮切专用伺服组成，做上述动作控制。 　　BWS-BBR轮切专用伺服驱动器搭配BWS-BH伺服电机 200W ~ 3KW，采用 8192 ppr增量型编码器，性能突出，可应用于各种场合。 　 　三、机能多元性 　　转矩、速度、位置、点对点定位及混合模式切换功能，可搭配不同控制系统,做最佳化应用组合。 　　主回路 / 控制回路电源分离，保护协调性佳、检修容易。 　　内建刹车晶体，可满足负载惯量大之应用场合。 　　增益调整简单，内建十个等级刚性表，且具备在线(On-Line)/ 离线(Off-Line)自动增益调整功能。 　　Notch Filter功能，可有效抑制机械共振，提高控制系统稳定性。 　　增益可切换运用，速度回路比例积分(PI)控制与比例(P)控制切换，可抑制电机加减速时过冲与缓冲现象。 　　内建十六段位置定位控制指令，可自由规划点对点定位控制 　　指令平滑功能，在位置及速度模式下可调整“平滑时间”参数,以延长机械使用寿命。 　　人性化操作接口、实时显示状态及故障信息 　　可任意设定多组多功能输入、输出I/O接点 　　完善的保护机制，多种异常警报 　　 操作软件，通过RS-232接口，可读写参数、增益调整、状态显示及仿真数字式示波器进行内部信号图形监控。 　 　四。参数调整 　　Cn001=2, （控制模式） 　　Cn002=0011,（servo on 与驱动禁止） 　　Cn025=100, （惯量比） 　　Cn026=5, （刚性等级） 　　Cn030=212, （电机对应参数） 　　Pn301=10,（脉冲形式） 　　Pn313=0, （一次平滑时间） 　　Qn401=80,（速度回路增益） 　　Qn402=50,（速度回路积分时间） 　　Qn405=80（位置回路增益） 　　五．结束语 　　我公司研制的PLC+伺服+运动控制的幅宽成卷钢板剪板自动控制系统，投入生产实践使用后应用效果表明： 　　（1）该方案裁切精度高，完全满足用户要求，操作使用方便； 　　（2）用伺服和PLC作简单搭配能实现快速定长控制，性能价格比高，符合实际工程需要，能满足市场需求。

以我司BWS-BBH系列伺服驱动器为例，介绍PLC控制伺服电机的方法。伺服电机有三种控制模式：速度控制，位置控制，转矩控制{由伺服电机驱动器的Pr02参数与32(C-MODE)端子状态选择}，本文简要介绍位置模式的控制方法。 一、按照伺服电机驱动器说明书上的"位置控制模式控制信号接线图"连接导线   　　3(PULS1)，4(PULS2)为脉冲信号端子，PULS1连接直流电源正极(24V电源需串连2K左右的电阻),PULS2连接控制器(如PLC的输出端子)。  　　5(SIGN1)，6(SIGN2)为控制方向信号端子，SIGN1连接直流电源正极(24V电源需串连2K左右的电阻),SIGN2连接控制器(如PLC的输出端子)。当此端子接收信号变化时，伺服电机的运转方向改变。实际运转方向由伺服电机驱动器的P41，P42这两个参数控制。  　　7(com+)与外接24V直流电源的正极相连。  　　29(SRV-0N),伺服使能信号，此端子与外接24V直流电源的负极相连，则伺服电机进入使能状态，通俗地讲就是伺服电机已经准备好，接收脉冲即可以运转。  　　上面所述的六根线连接完毕(电源、编码器、电机线当然不能忘)，伺服电机即可根据控制器发出的脉冲与方向信号运转。其他的信号端子，如伺服报警、偏差计数清零、定位完成等可根据您的要求接入控制器。构成更完善的控制系统。     二、设置伺服电机驱动器的参数 　　1、Pr02----控制模式选择，设定Pr02参数为0或是3或是4。3与4的区别在于当32(C-MODE)端子为短路时，控制模式相应变为速度模式或是转矩模式，而设为0，则只为位置控制模式。如果您只要求位置控制的话，Pr02设定为0或是3或是4是一样的。  　　2、Pr10，Pr11,Pr12----增益与积分调整，在运行中根据伺服电机的运行情况相应调整,达到伺服电机运行平稳。当然其他的参数也需要调整(Pr13，Pr14,Pr15,Pr16，Pr20也是很重要的参数)，在您不太熟悉前只调整这三个参数也可以满足基本的要求.  　　3、Pr40----指令脉冲输入选择，默认为光耦输入(设为0)即可。也就是选择3(PULS1)，4(PULS2)，5(SIGN1)，6(SIGN2)这四个端子输入脉冲与方向信号。   　　4、Pr41，Pr42----简单地说就是控制伺服电机运转方向。Pr41设为0时，Pr42设为3,则5(SIGN1)，6(SIGN2)导通时为正方向(CCW)，反之为反方向(CW)。Pr41设为1时，Pr42设为3,则5(SIGN1)，6(SIGN2)断开时为正方向(CCW)，反之为反方向(CW)。(正、反方向是相对的，看您如何定义了，正确的说法应该为CCW，CW).  　　5、Pr46,Pr4A,Pr4B----电子齿轮比设定。此为重要参数，其作用就是控制电机的运转速度与控制器发送一个脉冲时电机的行走长度。    　　其公式为：  　　伺服电机每转一圈所需的脉冲数=编码器分辨率 × Pr4B／(Pr46 × 2^Pr4A)  　　伺服电机所配编码器如果为:2500p/r 5线制增量式编码器，则编码器分辨率为10000p/r  　　如您连接伺服电机轴的丝杆间距为20mm，您要做到控制器发送一个脉冲伺服电机行走长度为一个丝(0.01mm)。计算得知：伺服电机转一圈需要2000个脉冲。(每转一圈所需脉冲确定了，脉冲频率与伺服电机的速度的关系也就确定了)  　　三个参数可以设定为：Pr4A=0，Pr46=10000，Pr4B=2000，约分一下则为：Pr4A=0，Pr46=100，Pr4B=20。  　　从上面的叙述可知:设定Pr46,Pr4A,Pr4B这三个参数是根据我们控制器所能发送的最大脉冲频率与工艺所要求的精度。在控制器的最大发送脉冲频率确定后，工艺精度要求越高，则伺服电机能达到的最大速度越低。  　　做好上面的工作，编制好PLC程序，我们就可以控制伺服运转了。

引言： 冷弯行业是近几十年发展起来的新兴行业，因其设备简单可靠，生产成本低、无污染等一系列优点在近些年得到了广泛的发展。冷弯是将成型的带钢经过不同形状的模具滚压成型，使其形状与硬度达到实际应用标准，再通过液压切断或飞锯锯切等方法将其切成所需长度。轻钢龙骨机械是建材机械的一种，随着钢材成本的增长，越来越要求生产成本的低廉与生产效率的提高。 行业优势： 在异步伺服应用之前，成型机的驱动主要以电磁调速电机加减速机的机械结构为主，而且大大浪费了切断则采用机械定尺人工切断，切断精度不高（在±3mm甚至更低）生产效率明显偏低，人员成本。即使之前应用PLC、变频器改造后的机型，虽然性能上达到了要求，但是系统硬件配置较多，结构相对复杂，给安装、调试、运行维护以及售后方面都增加了成本。异步伺服的应用从整机的性能上有了显著提高，精度控制在±1mm之内，人员成本也得到了控制，不仅提高了生产效率还大大节约了成本，更提高了整套设备的控制水平。 冷弯行业机械设备主要以中大功率产品居多，这就使得其电气控制也趋于中大功率，这也正好契合BWS交流异步伺服控制系统中大功率的产品特点。BWS交流异步伺服控制器具有平滑的调速特性、过载力矩和启动力矩大、定位精度高以及同步跟随性能良好等优点，启动平滑可消除机械冲击力，保护机械设备，同时具有灵活的可编程输入输出接口，可以根据用户需求灵活编程。完备的RS422/RS485\RS232等通讯接口更为人机界面等外围设备提供了通讯接口，是整个系统的控制变得灵活可靠，更为整体设备提升了档次。 应用原理 由于BWS伺服控制器具有良好的加减速控制、位置控制以及同步控制功能，所以只要保证切刀在同一位置启动，通过良好的加减速控制功能，保证每一次接到编码器技术到达信号以后，随动电机从启动到与物料完全同步时间一致，就能在这样稳定的情况下得到良好的剪切精度。 行业应用： 目前在冷弯行业应用根据不同剪切方式分两种机型，分别是液压停剪剪切方式、液压随动同步剪切。根据不同剪切方式的不同硬件配置分为两种，以下逐一进行介绍。 1.液压停剪剪切方式 原理 测长编码器测长辊随龙骨旋转发出脉冲控制器接收到脉冲进行长度比较，到达剪切长度时电机制动停机，控制器发出液压剪切信号液压工作剪切，剪切到位接近开关回馈控制器到位信号，控制器控制液压剪切回程，回程到位主机继续行进进行下一循环工作。整个产品的参数设置全部由触摸屏完成，包括滚压速度、剪切长度、剪切计数、长度补偿，同时还可在线监控当前剪切根数。主机的点动前进、后退、整机的运行、停止、液压手动剪切回退全部在触摸屏上进行操作，触摸屏通过一根RS422通讯电缆与主机控制器连接，大大节省了设备之间的接线，不仅节约了成本，更使整个设备的运行维护简单化，同时也提升了整个设备档次。 液压停剪剪切方式系统硬件配置：   名称             型号/规格 数量 备注 BWS飞剪型伺服控制器 BWS-BB-011R33B        11KW 1   BWS交流异步伺服电机 BH10-4-71-11/15-4-1500    11KW 1   编码器 2500 1   制动电阻 32欧/2500瓦 1   触摸屏 PWS6600-P 1       主机安装形式如图 液压停剪剪切效果： 主电机滚压速度达到40米/分钟，剪切精度±0.5毫米 采用外部编码器测长，外部轴定位机械冲击小 提高了加工效率与加工精度 但精度还需进步提高，影响精度的主要原因是机械部分产生的震动，还需进一步改善机械震动，达到理想剪切精度。 2.液压随动同步剪切方式 原理： 测长编码器既可以测出龙骨的长度，也可以测出龙骨的速度，当编码器当前测量长度到达预加速剪切长度时，开始加速当到达同步速度后开始剪切，整个剪切过程完全保证与龙骨速度同步，剪切结束后随动电机回退到原点，等待下一次剪切的到来。整个过程的关键是保证整个过程的准确，包括加速时间、剪切时间、回退时间都要紧密配合，一旦出现问题、就会有次品产出，所以整个设备的控制与程序编写都经历了严格的检验。 液压随动剪切方式系统硬件配置：   名称             型号/规格 数量 备注 BWS飞剪型伺服控制器 BWS-BB-011R33B             11KW 1   BWS交流异步伺服电机 BH10-4-71-11/15-4-1500     11KW 1   编码器 2500 1   制动电阻 32欧/2500瓦 1   触摸屏 PWS6600-P 1   BWS飞剪型伺服控制器 BWS-BB-004R33B             4KW 1   BWS交流异步伺服电机 BH09-2-24-3.7/5.5-4-1500   3.7KW 1   随动主机与液压停剪方式相同，随动剪切平台如图所示： 液压随动同步剪切效果： 主电机滚压速度达到60米/分钟，剪切长度的不同直接关系到主电机的滚压速度 剪切精度在±1毫米范围内 外部编码器测长不停机剪切，直接避免了频繁停机对机械的冲击 进一步提高了工作效率，同时还减少了用人成本 两种机型的比较 液压停剪方式结构简单可靠、设备造价低，但整体生产效率偏低；液压随动同步剪切方式结构复杂、不停机剪切生产效率高、产品档次提高，但相应造价也高。 结论 通过两种方式在不同设备上的应用，不管是从产品性能上还是从整体配合应用以及可靠性等方面都得到了客户的一致认可，也使冷弯设备的自动化应用水平得到了整体提高。