雙電動機電伺服同步驅動實驗系統設計

倪 敬, 任 旭, 蒙 臻

(杭州電子科技大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310018)

創新是一個國家的核心競爭力之一,作為國家科研力量的后備軍,大學生的創新能力就顯得尤為重要[1]。機電結合的實驗教學環節對于工科類的學生尤其是機械專業的學生創新能力的培養起著不可忽視的作用。然而目前教學以及科研方面的培訓上都存在著實驗教學平臺學科關聯度低、專業性差、實驗鍛煉目的難以實現的問題[2-3],起不到培養學生深度創新能力的目的。本文針對深入培養大學生創新能力的需要,結合同步驅動與電伺服驅動[4-6]在現代機電一體化技術中的高端應用,創新設計了一種基于工業PLC的雙電動機電伺服同步驅動教學實驗系統。該設計以工業PLC自動控制技術為基礎[7-8],結合精密檢測傳感技術[9-10]與機電傳動控制相關[11-12]等方面的知識,最終實現以機械相關知識為基礎,多學科綜合性聯合實驗教學目的。同步控制理論、閉環控制理論、單通道電伺服控制實驗和雙電伺服同步驅動實驗部分的加入,實現了自動化控制理論、機電一體化技術和同步驅動理論有機結合。該教學實驗系統更加自動化和精細化,具備了創新性和進階性,可以極大地鍛煉學生思考、嘗試和努力解決實際工程問題的能力,從而達到學生自主創新實踐能力的培養要求。

1 實驗系統工作原理與性能指標

1.1 實驗系統工作原理

實驗系統的整體架構如圖1所示,主要由2件單電動機電伺服驅動機構、同步溜板滑臺、模擬刀具、帶孔工件、底座和PLC電氣控制柜構成。

實驗臺的具體工作原理如下所述：

(1) 單電動機電伺服驅動系統工作原理如圖2所示,首先PLC控制器的高速輸出端向伺服驅動器發送指令脈沖；然后伺服驅動器根據脈沖的頻率和數量,驅動伺服電動機旋轉對應的位移；同時伺服電動機后端自帶的編碼器可以對輸出的位移反饋至伺服驅動器,以實現電動機的精確定位,這是伺服電動機自己的內閉環控制機構。此外,在每一絲桿另一端增設旋轉編碼器,可以獲得滑臺更高精度的位置,因為伺服電動機的輸出軸經過聯軸節后,會存在一定的傳動誤差。這種經過絲桿編碼器進行位置反饋精確定位的方式就是伺服電機的外閉環控制。

圖1 實驗系統總體結構示意圖

圖2 雙電動機電伺服驅動系統控制原理圖

(2) 雙電動機電伺服同步驅動系統工作原理見圖2,首先在每一個控制周期內,必須要以絲桿1位置y1(t)為基準,計算同步誤差eS(t)=y2(t)-y1(t)=e2(t)-e1(t),一旦同步誤差|eS(t)|≥em(em為一設定值)時,系統驅動將強制停止,以保證驅動過程的安全；然后,采用“等同式”同步控制策略,PLC控制器的2件高速輸出端分別向2件伺服驅動器發送同一指令脈沖；接著,2件伺服驅動器根據各自收到的脈沖頻率和數量,驅動2件伺服電動機，旋轉對應的位移；同時,2件伺服電動機后端自帶的編碼器將各自向對應的伺服驅動器反饋位置；此外,2件絲桿編碼器將滑臺位置反饋至PLC控制器,以實現系統同步驅動的性能評價和控制參數調整。這就是“等同式”同步控制方法。

1.2 實驗系統的具體性能指標

本文設計的實驗系統的主要性能指標如下：

(1) 額定負載：50 kg；

(2) 同步驅動行程：0～600 mm；

(3) 同步驅動速度最大速度：300 mm/s；

(4) 加減速時間：0.5～5 s；

(5) 單電動機驅動機構穩態位移誤差:≤0.02 mm；

(6) 雙電動機驅動機構同步位移誤差:≤0.1 mm。

2 實驗系統電伺服驅動機構應用設計

單電動機電伺服驅動機構,即電伺服驅動絲桿滑臺,是本實驗臺的核心部件,是在普通電動機絲桿滑臺的基礎上,附加增量式光電旋轉編碼器構成。詳細的電伺服驅動絲桿滑機構結構見圖3。各元件的相關參數見表1?；_與4件滑塊和驅動絲母固定。這樣,伺服電動機通過聯軸器1驅動絲桿旋轉,從而帶動滑臺實現直線運動。此外,旋轉編碼器安裝在絲桿軸的另一端,與絲桿通過聯軸器1相連接,以實現對滑臺實際位移的測量。

圖3 單電動機電伺服驅動機構結構示意圖

元件名稱型號主要性能伺服電動機EMCA-C2060460框架,400 W絲桿絲母1 605行程800 mm直線滑塊HGH30CA載荷100 kg直線滑軌MGW12長度1 000 mm光電編碼器E6B2-CWZ6C增量式,1 000 p/r聯軸器1SRJ-C48-L70連接絲桿與電動機聯軸器2TYPICAL-10-14連接絲桿與編碼器

3 實驗系統電氣控制設計

3.1 電氣系統設計

3.1.1 實驗系統配電原理設計

根據實驗系統工作要求,系統的配電系統如圖4所示,主要由2件伺服電動機供電回路和開關電源相關供電回路組成。伺服電動機供電回路主要向2件伺服驅動器供電。開關電源供電回路主要為PLC電源模塊、數字輸入模塊、數字輸出模塊與上位監測計算機供電。系統配電設計主要體現實驗系統的總功率消耗和主要用電器分布。

圖4 實驗配電系統原理

3.1.2 伺服電動機的控制回路設計

實驗系統主要機電驅動元件由兩件伺服電動機構成。每一臺伺服電動機的控制回路如圖5所示,由強電和弱電回路組成。強電回路經由空氣開關QF1連接伺服驅動器R、S、T端子,伺服驅動器輸出U、V、W端子連接伺服電動機繞組,主要負責伺服電動機電流放大驅動。弱電回路主要由控制供電回路、編碼器回路和控制信號回路組成。其中,伺服驅動器供電回路由空氣開關QF2連接伺服驅動器L1C和L2C端子實現；編碼器回路由伺服驅動器CN2接口與伺服電機的編碼器連接而成；控制回路由伺服驅動器通過CN1接口與PLC的FM353定位模塊連接而成,主要完成控制脈沖,以及電動機方向和使能信號的傳輸。

圖5 伺服電動機的控制回路原理圖

3.1.3 PLC系統硬件設計

實驗系統涉及的信號通信原理如圖6所示,主要由上位工控機、CP5611卡、PLC控制器,2件單軸伺服驅動器、2件伺服電動機和2件旋轉編碼器組成。PLC系統配置見表2。

圖6 實驗系統通信原理圖

元件名稱型號主要性能通信卡CP5611CPU與監控電腦通信CPU1315-2DP作為DP主站DISM321采集編碼器數據定位模塊FM353伺服電動機控制伺服驅動器ASDAB2400W,220VACCPU2CPU22416點DI,16點DO

PLC系統的具體通信過程描述：上位監控計算機通過CP5611卡與PLC系統的CPU315-2DP進行通信,完成驅動位置實時數據的采集；PLC系統的CPU315-2DP通過FM353脈沖發生模塊與2件單軸伺服驅動器接口CN1通信,實現脈沖控制信號的傳達；單軸伺服驅動器通過其位置接口CN2與伺服電動機編碼器進行通信,反饋相應的位置。CPU315-2DP作為主站通過Profibus- DP總線與從站CPU224通信,以完成相關的數字量控制工作；CPU315-2DP通過CP5611通信卡實現與上位監控計算機通信,實現控制程序下載和系統驅動過程數據交流。

3.2 PLC控制軟件設計

基于西門子S7-300PLC編程STEP7軟件平臺,根據實驗系統的工作原理,雙電動機電伺服同步驅動過程PLC程序原理如圖7所示。該控制軟件主要由主程序OB1塊和定時中斷OB35塊組成。

圖7 實驗系統PLC程序原理圖

主程序OB1模塊主要可以分為單電動機驅動控制和雙電動機同步驅動控制兩大部分,其核心是2個伺服電動機各自的功能模塊FB1和FB2。在單電動機驅動工況下,由FB1塊(背景數據塊DB11)和FB2塊(背景數據塊DB12)構成點動控制模式,完成單個電動機的點動運行參數設置和運行控制；由FB1塊(背景數據塊DB21)和FB2塊(背景數據塊DB22)構成分段控制模式,完成單個電動機的固定距離分段運行參數設置和運行控制。在雙電動機驅動工況下,由FB1塊(背景數據塊DB31)和FB2塊(背景數據塊DB32)構成點動控制模式,完成雙電動機的點動同步運行參數設置和運行控制；由FB1塊(背景數據塊DB41)和FB2塊(背景數據塊DB42)構成分段控制模式,完成雙電動機的固定距離分段同步運行參數設置和運行控制。

定時中斷OB35模塊是同步控制關鍵模塊,提供1～10 ms的定時中斷。功能塊FB4(背景數據塊DB4)用于記錄雙電動機同步驅動過程中2個絲桿的位移數據,供監控系統查詢、繪制實驗結果和同步性能評價。此外,還有絲桿位置讀取和同步誤差判斷報警模塊,主要是對eS(t)的處理和系統安全保護。

3.3 監控軟件系統設計

利用Borland C++ builder 6軟件編程程序,根據實驗系統的工作原理,雙電動機電伺服同步驅動過程的監控軟件界面如圖7所示。該監控軟件,主要有通信設置模塊、單電動機調試模塊和雙電動機調試模塊模塊。

PLC通信設置模塊基于CP5611通信卡和通信動態連接庫函數,主要用于測試PLC與上位工控機的通信連接,將控制程序下載到PLC和讀取PLC采樣的數據等功能。

單電動機調試模塊主要用于測試2個單電動機電伺服驅動機構的“點動回零”“點動運行”和“區間定位”操作,可實現初始位置讀取、目標位置設定、指令曲線(加速度和速度)調整、速度曲線和定位誤差作圖與評價等功能。

雙電動機調試模塊的監控界面如圖8所示,主要用于測試雙電動機電伺服同步驅動機構“點動回零”“點動運行”和“區間定位”操作,生成同步驅動指令位置曲線(加速度和速度),以及控制參數調整、速度曲線和同步誤差作圖與評價等功能。

圖8 雙電動機電伺服同步驅動系統監控界面

4 實驗設計

實際雙電動機電伺服同步驅動教學實驗系統實物見圖9,占地僅有2.5 m2,根據其組成與特點,可以安排如下的基礎型和進階型教學實驗：

(1) 機電傳動控制實驗。本實驗屬于基礎型實驗,通過對伺服電動機點動的控制,認識基礎電氣控制元器件，例如開關電源、熔斷器、電磁繼電器、空氣開關,以及最為基礎的電氣連接附件。應用機電傳動技術知識繪制伺服電動機控制回路圖,讓學生理論與實際操作相結合,提高學生實際工程能力。

(2) 伺服電動機PLC編程控制實驗。本實驗屬于基礎型實驗,通過使用西門子PLC編程軟件STEP7,設計編寫實現單伺服驅動機構精密定位的程序,并進行相關的實驗驗證。這類實驗可以培養學生的實際編程能力和邏輯思維能力,領悟PLC獨特的編程思想和執行過程。

圖9 雙電動機電伺服同步驅動系統實物圖

(3) 光電旋轉編碼器實驗。本實驗屬于基礎型實驗,通過對不同位移量下的旋轉編碼器輸出信號的直觀觀測,了解旋轉編碼器的工作原理與檢測方式,使學生對高精密檢測技術有較為詳細的了解。

(4) 精密傳動實驗。本實驗屬于進階型實驗,通過“內閉環”和“外閉環”控制下滑臺定位位置誤差以及“回零”位置誤差的觀測,讓學生理解機電傳動過程中誤差的產生原理和精密傳動的原理。

(5) Profibus-DP總線實驗。本實驗屬于進階型實驗,通過S7-300PLC作為通信主站,實現與作為從站的S7-200PLC的組態通信,加深學生對現場總線技術編址和控制信息傳輸原理的理解,體會總線通信與現場總線控制技術的便捷與創新性。

(6) 雙電動機電伺服同步驅動實驗。本實驗屬于高階型實驗,通過對雙電動機電伺服同步驅動控制算法結構框圖的理解,根據同步性能評價,自行編寫雙電動機控制、控制參數調整和報警處理程序,并進行相應的控制實驗,深入體會影響同步驅動誤差和同步驅動速度的因素,極大地挑戰學生的創新實踐能力。

5 結語

本文提出的雙電動機電伺服同步驅動系統與一般教學實驗設備性能相比,具有結構緊湊和機電一體化技術集成度高的特點,同時還具有以下幾個方面的特色與創新之處：

(1) 實驗系統配置了同步控制技術、閉環控制技術、電伺服驅動技術、位移傳感技術、機電傳動控制技術、現場總線技術和PLC控制技術,能有效地滿足不同高等院校機械和自動化學科多專業的基礎型單項教學實驗任務。

(2) 實驗系統集電伺服驅動機構、電氣元件、PLC硬件、PLC控制軟件和上位監控軟件與一體,功能完備,并且實訓參數和難易程度可以根據教學目標設定、調整，能有效滿足大學生進階型培養所需的實驗設備要求。

(3) 實驗系統融合同步控制理論、閉環控制算法、高精度位移傳感器和現場總線技術,充分體現了現代機電一體化設備與控制技術水平,保證了教學實驗系統的先進性與創新性。