兩種典型伺服控制系統的應用與實踐
2017-7-14 來源：金堆城鉬業股份有限公司 作者：付紹軍
摘要：介紹了在生產實踐中應用的步進電動機開環控制系統以及伺服電動機閉環運動控制系統，并對其控制結構、驅動方式及運行特性進行對比分析。實踐證明:伺服電動機閉環控制系統啟動及加速過程平穩、過載能力強、控制精度及運行效率均明顯優于步進電動機開環控制系統。
關鍵詞：步進電動機；伺服；閉環；控制
0.引言
工業4.0項目主要包含三大主題，即智能工廠、智能制造及智能物流。運動控制技術是智能制造及機器人技術的基礎。運動控制基本原理可分為矢量控制、v/f控制及伺服控制，目前工業控制系統中以伺服控制最為普遍。伺服控制系統是指能夠嚴格按照上位機給定的位移及約束指令(速度限值、加速度限值、速度曲線等）進行動作，在運動過程中不斷采集實時運行參數進行比較，并按照一定的控制算法動態調整輸出，從而獲得精準加速度（電流）、速度及位移控制的一種運動控制系統。伺服控制系統執行器選用電動機主要有步進電動機和伺服電動機兩種，其動作原理及控制方式均不同。其中伺服電動機又可分為直流伺服電動機和交流伺服電動機，隨著交流伺服電動機調速技術的發展，目前交流伺服電動機由于結構簡單，易于維護，成本費用較低，逐漸成為應用主流。
1.步進電動機伺服系統及其應用
步進電動機接收離散脈沖信號，運動過程中每接受一個脈沖，電動機旋轉一個步距角，因此脈沖數量決定了步進電動機的轉角位移，而脈沖的頻率決定了步進電動機的轉速。正是由于這種特性，步進電動機極易采用數字電路進行控制，被廣泛應用在PLC或計算機運動控制系統中。與常規的直流電動機及交流三相電動機相比，步進電動機運動過程更易受控，多用于開環控制系統。我公司從美國成套引進的十八管還原爐，其進、出料小車沿行走軌道的運動控制以及勾舟機械手進出爐管的運動控制，就是一種典型的步進電動機伺服控制系統。以勾舟機械手進出爐管的運動控制為例進行介紹，其控制架構如圖1所示。其中，PLC采用西門子300系列S7-318（2DP）系列，通
過3個數字量通道和1個模擬量通道與運動控制器傳送信息。數字量通道分別用于手動JOG狀態小車進、出爐管信號以及自動運行狀態下小車運動使能信號。一個模擬量通道用于速度給定，帶符號，同時用于確定自動狀態下的運動方向。其中，手動JOG狀態和自動狀態通過繼電器觸點進行互鎖。運動控制器實質是一個環形脈沖分配器，采用parker公司6K4系列四軸控制器，可以通過專用指令語言進行編程。功率驅動器對環形脈沖進行放大，驅動步進電動機運轉。步進電動機帶動齒輪減速機構，帶動機械手完成進出爐管動作。功率驅動器選用parker公司zeta8系列驅動器，步進電動機選用parker公司TS42B系列產品。該控制結構較為簡單，為典型的步進電動機開環控制。為了實現行程控制，在行程過程中增加接近開關及限位開關，當機械手運動到指定位置時，PLC通過禁用數字量通道運動使能信號及模擬量通道速度設定為零，使機械手停止動作。
小車運行為預設固定速度恒速運行模式，控制模式較為粗放，運行過程中沖擊及振動均較大，經常有定位失敗的故障發生。同時位置行程開關信號直接接入PLC，PLC循環掃描過程中固有周期導致時滯發生，使得運行過程中經常有過沖現象發生。
2.伺服電動機伺服系統及其應用
我公司新上板材生產線，選用西門子S120系列全數字交流伺服控制系統，控制結構如圖2所示。PLC將目標位移數據通過DP總線利用CU320傳送給伺服控制驅動器S120，伺服驅動器S120依照偏差值根據一定的算法模式（PID、模糊控制、自適應控制等）進行控
圖2 閉環伺服電動機控制原理圖
制運算，將輸出通過動力電纜驅動伺服電動機完成相應動作。與伺服電動機同軸安裝有編碼器，編碼器經譯碼電路將電動機運轉實施位置、速度傳遞給運動控制器。該控制環節包含3個閉環控制，最內層為電動機與驅動器之間的電流閉環，中間為編碼器反饋信號引入的速度閉環，最外層為位移閉環。在該閉環控制模式下，PLC僅給出運動目標位置，具體的運動過程由伺服控制驅動器及伺服電動機現。其中伺服控制驅動器可以通過CU320利用以太網接口進行軟件編程，設定運動曲線參數，并在運動過程中實現實時
圖3步進電機的矩頻特性示意圖
圖4 伺服電機的矩頻特性示意圖
監測及調整。該模式下由于利用3層反饋機制（電流反饋、速度反饋和位移反饋），電動機運行更為平穩順暢。
3.兩種控制模式的對比與分析
從控制結構分析，開環控制步進系統沒有編碼器檢測環節，結構較為簡單，其行程控制僅僅依靠行程開關反饋至PLC，PLC又存在掃描處理時間遲滯，因此控制較為粗放。閉環控制伺服系統增加了編碼器，實時對電動機輸出信號進行檢測，根據偏差值大小按特定算法（PID、模糊控制、自適應控制等）動態調整輸出，因此控制精度較高。從電動機驅動方式分析，步進電動機依靠脈沖信號動作，輸入信號為矩形方波脈沖，運行的速度與脈沖頻率有關，運行位移與脈沖數量有關。而交流伺服電動機輸入為調制后的周期正弦電流，轉速調節依靠驅動器輸出頻率實現，運行較為平滑。從運行矩頻特性分析，步進電動機矩頻特性和過載能力均較差。步進電動機的轉速越高輸出轉矩越低（見圖3），高速運行時輸出轉矩極低，驅動能力不足。為獲得較高的輸出轉矩，十八管還原爐進、出料小車沿行走軌道的運動控制以及勾舟機械手進出爐管運動控制所用的步進電動機，其工作轉速均低于150 r/min。而伺服電動機查閱其曲線可知，在額定轉速以內，電動機基本處于恒轉矩輸出模式，其轉速有更大的調節范圍，一般在2000r/min左右。從過載能力分析，參照圖3曲線可以很明顯看出步進電動機沒有過載能力，最大轉矩出現在轉速為零的點。伺服電動機具有較強的過載能力，參照圖4曲線可以看出，最大轉矩Mmax約為額定轉矩Mo的3倍以上，可以用于克服負載從速度為零的瞬間開始啟動的慣性力矩。最大運行速度nmax約為額定轉速nrated的2倍，當然在超越額定轉速后，輸出轉矩下降明顯。在額定轉速以內，基本可以認為伺服電動機是恒轉矩輸出的。對于步進電動機，若步進電動機轉矩不足，會出現啟動時堵轉、丟步、抖動等現象發生。
工程實踐中為了提升啟動轉矩克服慣性力，往往需要選取較大轉矩的步進電動機，同時將啟動轉速設定在較低的范圍，使得步進電動機工作在一個較高的轉矩輸出點。從保持轉矩分析，步進電動機的保持轉矩是指步進電動機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。
以十八管爐進出料小車電動機為例，當運行至指定位置時，電動機停止運行，保持轉矩起作用鎖定轉子，進而鎖定小車，能夠克服小車上的其它裝置動作引起的側向力，不至于使得小車在進出料過程中發生移動。而步進電動機不具有保持轉矩，若要實現位置鎖定，必須新增抱閘裝置。應用效果對比，十八管爐進出料小車及勾舟機械手，由于采用開環步進電動機控制方式，其動作過程中經常有過沖、堵轉、定位不準等情況發生，低頻啟動和停止運動時設備振動較大，設備運行速度也較低。而伺服電動機控制系統，電動機工作點轉速1500 r/min，且啟動、加速及停止過程均較為平滑，運行過程中電流、速度、加速度均能實施檢測調整，運行效率及控制精度明顯優于步進電動機控制系統，但成本也相對較高。
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