通用型交流變頻調(diào)速器的伺服功能及應(yīng)用

5 簡(jiǎn)易伺服應(yīng)用實(shí)例

1)變頻器簡(jiǎn)易伺服功能在電主軸上的應(yīng)用

電主軸是數(shù)控機(jī)床的重要部件，傳統(tǒng)機(jī)床主軸是通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)而工作的。電主軸是電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式主軸單元的簡(jiǎn)稱。其主要特點(diǎn)是將電動(dòng)機(jī)置于主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動(dòng)電源直接驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)、主軸的一體化功能。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械效率高，噪聲低，振動(dòng)小，精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，沒有沖擊等特點(diǎn)，能夠使主軸軸承壽命得到延長(zhǎng)。通過型號(hào)A機(jī)床專用變頻器內(nèi)置的機(jī)床專用功能，可完成動(dòng)態(tài)高精度同步跟蹤、分度、準(zhǔn)停及零速鎖定等功能，方便了用戶的使用，同時(shí)還可進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的位置控制，很好控制動(dòng)態(tài)位置精度，可控制在4個(gè)脈沖之內(nèi)，穩(wěn)態(tài)位置精度可控制在一個(gè)脈沖之內(nèi)。其優(yōu)異的性能、豐富的功能完全能夠滿足數(shù)控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。

交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主軸控制器、主軸驅(qū)動(dòng)單元、主軸電動(dòng)機(jī)和檢測(cè)主軸速度與位置的編碼器4 部分組成，主要完成閉環(huán)速度控制。主軸驅(qū)動(dòng)單元的位置控制與速度控制均由內(nèi)部的高速信號(hào)處理器及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖3所示。圖3中計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)向主軸驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出速度指令或位置指令，驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)該指令執(zhí)行相應(yīng)的速度與位置控制。與此同時(shí)，CNC 控制器也接收來(lái)自于主軸電動(dòng)機(jī)編碼器的分頻輸出(或終端傳感器的輸出信號(hào))來(lái)對(duì)其指令進(jìn)行校正，當(dāng)然，此信號(hào)也用于系統(tǒng)過程偏差的檢測(cè)，如速度偏差檢測(cè)等。

圖3 電主軸驅(qū)動(dòng)原理框圖

為方便起見，現(xiàn)以一實(shí)際的電主軸系統(tǒng)為例進(jìn)行描述。在該系統(tǒng)中，C N C 控制器采用的是臺(tái)灣某品牌主軸控制器，驅(qū)動(dòng)器使用A型號(hào)高性能機(jī)床專用版本變頻器，電動(dòng)機(jī)出廠配置2048RPM 差分增量式編碼器。整個(gè)系統(tǒng)接線框圖如圖4所示。

圖4 基于A型號(hào)變頻器簡(jiǎn)易伺服功能的電主軸接線框圖

主軸控制器通過PA + /PA -和PB+ /PB -正交脈沖信號(hào)向變頻器發(fā)出速度和位置信號(hào)，同時(shí)也包含方向信號(hào)。變頻器工作在伺服模式，既接收主軸控制器脈沖給定，又接收來(lái)自電動(dòng)機(jī)的編碼器反饋信號(hào)，同時(shí)對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行分頻，反饋到主軸控制器。無(wú)論是速度同步跟蹤還是零速鎖定，整個(gè)系統(tǒng)邏輯都非常簡(jiǎn)單，只需要將變頻器設(shè)置為伺服模式，調(diào)試主要工作是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性曲線來(lái)調(diào)整變頻器相關(guān)參數(shù)，以獲得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最佳性能。

2)變頻器簡(jiǎn)易伺服功能在油電驅(qū)動(dòng)技術(shù)中的應(yīng)用

油壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)是目前射出成型機(jī)使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)控制方式，具有功率重量比大、壓力和流量控制佳、壽命長(zhǎng)及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn);而交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)則具有響應(yīng)快、精度高、恒轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。某品牌B型號(hào)油電伺服驅(qū)動(dòng)器利用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的油壓系統(tǒng)，將伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電機(jī)技術(shù)與油壓技術(shù)結(jié)合，且以精確的壓力與流量控制，消除高壓節(jié)流的能源損耗，將射出成型機(jī)油壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)再度創(chuàng)新。

伺服驅(qū)動(dòng)器從射出成型機(jī)控制器獲得壓力機(jī)流量命令后，與實(shí)際壓力和轉(zhuǎn)速反饋進(jìn)行PID運(yùn)算，計(jì)算出最適合的控制量來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)與油泵，因此控制系統(tǒng)響應(yīng)快、重復(fù)精度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 油電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的注塑機(jī)使用油壓系統(tǒng)，其用電占注塑機(jī)的75%以上，在注塑機(jī)運(yùn)行中，開模、射出、保壓、關(guān)模等過程需要不同的壓力和流量。當(dāng)需求超過設(shè)定的流量及壓力時(shí)，會(huì)由溢流閥或比例閥來(lái)調(diào)整壓力流量，這個(gè)過程稱之為高壓節(jié)流，其所造成的能量損失高達(dá)40%-75%。基于B型號(hào)變頻器伺服功能的油電驅(qū)動(dòng)接線框圖如圖6所示。

圖6 基于B型號(hào)變頻器伺服功能的油電驅(qū)動(dòng)接線框圖

3)變頻器簡(jiǎn)易伺服功能在提花機(jī)中的應(yīng)用

現(xiàn)有提花機(jī)龍頭動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)大部分都是一個(gè)異步電機(jī)帶一個(gè)龍頭，通過機(jī)械傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)提花主軸電機(jī)。由于只有一個(gè)異步電機(jī)拖動(dòng)打緯軸和提花龍頭，使得異步電機(jī)需要很大的扭矩，那么電機(jī)的功耗就會(huì)上升，而且由于帶動(dòng)兩個(gè)負(fù)載，異步電機(jī)的壽命會(huì)大大縮短。而在改用永磁同步電機(jī)的情況下，制造噪音大幅降低，提花編織效率提高了，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了安裝成本和維護(hù)成本，因此，把永磁同步伺服電機(jī)應(yīng)用到提花機(jī)伺服控制系統(tǒng)中已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)的需要。

提花機(jī)龍頭伺服電控系統(tǒng)包括主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、HMI參數(shù)設(shè)置面板、伺服電機(jī)，實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 提花機(jī)龍頭伺服電控系統(tǒng)實(shí)物圖

提花機(jī)龍頭伺服電控系統(tǒng)提供了龍頭部分的整體解決方案，傳動(dòng)采用高精度的交流伺服系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的不足，安裝方便，維護(hù)工作量小，并且有一定的節(jié)能效果;龍頭伺服電機(jī)采用自然冷卻或水冷方式，更加適合紡織行業(yè)較惡劣的工作環(huán)境;由于整個(gè)系統(tǒng)采用了高運(yùn)算速度和高精度的伺服系統(tǒng)，使得提花機(jī)龍頭伺服系統(tǒng)具有提花編織效率提高，可方便手動(dòng)調(diào)整電子提花系統(tǒng)參數(shù)，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低安裝成本和維護(hù)成本等特點(diǎn)。

采用上海某公司自主研發(fā)的C型號(hào)伺服驅(qū)動(dòng)器搭建的提花機(jī)龍頭伺服電控系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖8所示，該驅(qū)動(dòng)器是以DSP為核心的程序控制器，運(yùn)算速度非?？?，配合旋變控制板，抗干擾能力強(qiáng)、位置跟蹤精確。采用該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 取消織機(jī)與提花機(jī)之間的機(jī)械傳動(dòng)桿，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了安裝成本和維護(hù)成本;2) 織造噪音大幅降低;3) 提高提花編織效率;4) 比傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)省電10%~20%;5) 可方便手動(dòng)調(diào)整電子提花系統(tǒng)參數(shù)，省時(shí)省力;6) 規(guī)格齊全、可滿足不同類型提花機(jī)的功率需求，可適用于噴水、劍桿和噴氣織機(jī)。

圖8 提花機(jī)龍頭伺服系統(tǒng)架構(gòu)

提花龍頭伺服系統(tǒng)是紡織機(jī)行業(yè)內(nèi)較為先進(jìn)的設(shè)備之一，可同時(shí)滿足國(guó)內(nèi)劍桿織機(jī)、噴氣織機(jī)、噴水織機(jī)以及提花機(jī)等通用型織機(jī)主軸伺服系統(tǒng)，使紡織機(jī)械的自動(dòng)化程度取得了較大的進(jìn)步，在提升企業(yè)技術(shù)水平，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率等方面具有重大作用。這些年，隨著國(guó)內(nèi)紡織行業(yè)的迅猛發(fā)展，用伺服電機(jī)帶動(dòng)提花龍頭替代傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的方式肯定會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)論

高端變頻技術(shù)在不斷發(fā)展，配合機(jī)電時(shí)間常數(shù)小的電機(jī)也能完成伺服的精確定位跟蹤，特別是在大功率場(chǎng)合，伺服本身的功能就是精確快速定位跟蹤，變頻器做到這個(gè)程度就是伺服了。從企業(yè)的發(fā)展來(lái)看，變頻器廠家推出伺服產(chǎn)品，無(wú)論是在技術(shù)基礎(chǔ)還是在銷售渠道都占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為越來(lái)越多的變頻器廠家的發(fā)展方向，目前已有多個(gè)品牌的通用變頻器已開發(fā)出了簡(jiǎn)易伺服功能，而且推廣應(yīng)用較快。然而，通用變頻器的簡(jiǎn)易伺服功能與專用伺服驅(qū)動(dòng)器相比，在性能和功能方面還有一定的差距，因此通用變頻器的伺服功能通常應(yīng)用于一些對(duì)于伺服性能要求不高的場(chǎng)合，而一些高端應(yīng)用則需要使用專用伺服驅(qū)動(dòng)器。