引言

伺服和運動控制技術(shù)作為數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它產(chǎn)業(yè)機械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在伺服與運動控制產(chǎn)品領(lǐng)域，多樣化一直是個鮮明的特點，包括從直流伺服驅(qū)動技術(shù)到交流伺服驅(qū)動技術(shù)，從模擬化到全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，從單軸伺服到多軸伺服，從單機化到總線產(chǎn)品。

眾所周知，先進的伺服運動控制技術(shù)與解決方案的應(yīng)用正是提升機器設(shè)備性能與檔次及市場競爭力的一個重要途徑。值此本文將介紹新型ac伺服電動機/驅(qū)動器技術(shù)特征與應(yīng)用，并對網(wǎng)絡(luò)化伺服控制的系統(tǒng)集成方案作分析。

ac伺服電機/驅(qū)動器技術(shù)特征--超小巧外形與高性能高功能的組合

為此將從特點、系統(tǒng)構(gòu)成、種類、伺服電動機／驅(qū)動器組合、位置控制單元和伺服中繼單元電纜組合與ac伺服驅(qū)動器規(guī)格及ac伺服電機規(guī)格連接等作說明，值此以omron（歐姆龍）的smartstep2系列為例作說明。

高性能、簡單化

該ac伺服電動機/驅(qū)動器解決了從設(shè)計到安裝與調(diào)整啟動及運行到維護各階段的技術(shù)問題。特別是提供了整個裝置的開發(fā)平臺，從而使plc的控制可通過功能塊變得更加簡單。而針對包括plc在內(nèi)的元器件的連接與設(shè)定及編程的fa（工廠自動化）統(tǒng)合工具包（cx-one型），能使這伺服系統(tǒng)從設(shè)計到維護實現(xiàn)了整體管理，見圖1所示紅箭頭回繞圈，cx-one是針對包括plc在內(nèi)器件的連接、設(shè)定、編程的fa統(tǒng)合工具包。

工廠自動化統(tǒng)合工具包（cx-one型），能使這伺服系統(tǒng)從設(shè)計到維護實現(xiàn)了整體管理，圖1中紅箭頭所示的參數(shù)設(shè)定／編程的環(huán)節(jié)。使用了靈巧的（功能塊）程序庫使編程更簡單，而數(shù)據(jù)編輯／監(jiān)控環(huán)節(jié)，利用運動控制工具包（cx-drver型）可進行伺服電機的參數(shù)編輯、監(jiān)控和保存，其報警／維護環(huán)節(jié)中的數(shù)控單元可對驅(qū)動器的異常監(jiān)視更簡單。而圖1中的ac伺服電動機/驅(qū)動器smartstep2系列又可利用fa統(tǒng)合工具的運動控制工具包對驅(qū)動器迸行維。

主要特征

靈巧、簡單

因ac伺服電動機可為多軸運行，因此要求驅(qū)動器更小，從而使控制柜設(shè)置面積得到大幅削減。如今超小型的ac伺服電機/驅(qū)動器更加小巧了，與同類產(chǎn)品相比設(shè)置面積削減了52％，可以為控制柜的節(jié)省空間進一步作出貢獻。而它和小型plc配合，也希望驅(qū)動器能更小。尤其ac伺服電動機/驅(qū)動器的高度僅為120mm，可以與小型plc安裝在相同的管道間，這樣可以使管道間距窄小化，從而實現(xiàn)控制柜的空間大大節(jié)省。通過實時自動調(diào)諧來設(shè)定最佳增益。即承載了實時自動調(diào)諧功能，從而可實時推算設(shè)備的負載慣量，并根據(jù)其結(jié)果來自動設(shè)定最佳增益，從而使調(diào)整變得更簡單，

高功能

作以下說明：可以高速定位／移動。這是其指令脈沖頻率可以達到500kpps的高速度，是同類以往產(chǎn)品的2倍，因此可以在高速下進行高精度控制，達到了縮短了間歇時間之目的；通過控制器能接收來自驅(qū)動器的反饋脈沖，并能在上位確認當前位置，這樣達到了通過反饋脈沖監(jiān)視裝置定位有無異常之目的，圖2為高速下進行高精度控制示意圖。

它有保持2種轉(zhuǎn)矩限制值的功能，在擠壓成型、部件插入等應(yīng)用中，可以切換轉(zhuǎn)矩使用，達到了希望能改變推動力使用之目的；通過適應(yīng)濾波器來降低機械振動。它能自動檢測振動頻率，消除振動，即使共振頻率發(fā)生變化也能實時自動追蹤，可以降低傳送帶等剛性較低的機械振動，達到了希望能降低機械振動之目的。它能對各種各樣的應(yīng)用來切換指令控制模式，就是說它可以在位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制模式間切換使用。尤為突出的是在壓機、張力、擠出等應(yīng)用中有出色表現(xiàn)。

上述ac伺服電動機/驅(qū)動器的技術(shù)特征分析充分反映了它從設(shè)計→安裝→調(diào)整啟動→運行→維護各階段的高性能簡單化。

驅(qū)動器種類

通用輸入型、脈沖串輸入型，其功能如下：

電源規(guī)格分為acl00v、ac200v。而電機容量又分單相、單相／三相與三相。而接口指令形態(tài)分為脈沖串、模擬量及高速伺服通信的運動網(wǎng)絡(luò)。其控制模式分位置控制，速度控制及轉(zhuǎn)矩控制。而控制模式切換又分為模式切換。其調(diào)諧功能又有陷波控制、自動調(diào)諧與實時自動調(diào)諧等三種。而驅(qū)動器功能可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩限制、編碼器輸出內(nèi)部設(shè)定速度。

對功能的說明

其脈沖串是一種針對伺服而言，是將速度及移動量通過脈沖串輸入的一種方式，而轉(zhuǎn)矩控制是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)力的控制，在零件壓入、成型、螺絲緊固等用途上非常有效；而最佳增益功能，由于位置控制時的實時自動調(diào)諧設(shè)定是自動設(shè)定的，因此在一定模式的動作反復(fù)輸入后，可以自動實現(xiàn)適當?shù)膭傂栽O(shè)定。

模擬量是一種針對伺服，將速度及移動量以模擬量來輸入的方式；而指令控制模式切換，可以在位置、速度、轉(zhuǎn)矩控制中，選擇2種控制模式切換使用；其絕對值輸出是指控制器通電后，控制器讀取驅(qū)動時絕對位置的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)恢復(fù)到絕對位置。

陷波控制功能可根據(jù)振動頻率自動設(shè)定濾波器來抑制振動。當inc增量型輸出時，從控制器接通，電源一直保持原點位置開始的方式。

位置控制是指移動到目標位置，移動完成后使其停留在目標位置的一種控制方式；而自動調(diào)諧是指電機根據(jù)驅(qū)動器自動生成的指令模式運行，并根據(jù)當時所需的轉(zhuǎn)矩推選出負載慣量，自動設(shè)定恰當?shù)脑鲆妗?/p>

適應(yīng)濾波器可實時自動調(diào)諧，實時推算機器的負載慣量，并根據(jù)其結(jié)果自動設(shè)定最佳增益。而速度控制是改變速度、轉(zhuǎn)數(shù)的一種控制方式，在諸如打磨石旋轉(zhuǎn)、溶接速度、傳送速度等用途上非常有效；其轉(zhuǎn)矩限制功能可通過限制電動機輸出轉(zhuǎn)矩的功能，該功能可以在第1轉(zhuǎn)矩限制／第2轉(zhuǎn)矩限制間切換使用。

ac伺服電動機/驅(qū)動器應(yīng)用實例

ac伺服電動/驅(qū)動器超小型、高功能伺服，而且簡單，又可輕而易舉的高精度定位。應(yīng)對各種用途的功能和豐富的伺服種類，可實現(xiàn)最佳組合，可在滾珠絲杠、傳送帶等方面應(yīng)用。

應(yīng)用案例

在部件壓入、壓機、螺絲緊固上的應(yīng)用，見圖3所示。其可編程控制器，用sysmac cj系列），位置控制單元用cj1w-ncf71型。

圖3可編程控制器plc的高速脈沖來控制伺服電機，即接收2mhz的脈沖，實現(xiàn)且自動調(diào)諧高級功能。

在繞卷、進給控制上的應(yīng)用示意圖，見圖4所示。

交流伺服電動機位置驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)中的上位機與伺服驅(qū)動器間的通信實現(xiàn)

交流伺服電動機驅(qū)動器由于其應(yīng)用簡便和性能可靠，已廣泛的應(yīng)用在數(shù)控機床與工業(yè)位置傳動裝置中。市場上新型的交流伺服電動機驅(qū)動器都具有符合rs485協(xié)議的串行通信接口，計算機可利用這一接口電路與驅(qū)動器之間實現(xiàn)串行通信，向驅(qū)動器發(fā)出相應(yīng)的位置運行指令和速度運行指令，控制伺服電機的運行，并及時反饋電機的運行數(shù)據(jù)，供計算機分析．由于這種方法控制的穩(wěn)定性好、精度高、傳輸距離遠、可雙向交流控制信息、線路簡單、很有發(fā)展前景。

上位機與伺服驅(qū)動器間的通信設(shè)計方案

現(xiàn)在工業(yè)用伺服驅(qū)動器通常都配置了rs485通信接口，利用該接口通過編制相應(yīng)的驅(qū)動程序即可以實現(xiàn)上位機與伺服驅(qū)動器的信息交互。

rs485串行通信：工業(yè)rs485通信采用2線雙絞傳輸方式，即數(shù)據(jù)d+和數(shù)據(jù)d—，這種數(shù)據(jù)差動傳輸方式可以有效地消除干擾的影響。另外，rs485通信為1：n方式，1臺主控機（上位機）可級連多達16臺被控機（伺服驅(qū)動器）。

rs485通信規(guī)則：采用選擇／查詢方式，被控機（伺服驅(qū)動器）常處于等待主機選擇或查詢狀態(tài)。伺服驅(qū)動器在待機狀態(tài)時，符合編號的被控機（伺服驅(qū)動器）接收到主機的幀信號，判斷為正常接收信號后，對幀信號處理。

通信的連接：在主控機端為rs232／rs485轉(zhuǎn)換接口，而被控機端為rs485通信口。在主控機和被控機之間用2線雙絞屏蔽電纜連接，在被控機末端加終端電阻。

高速伺服通信的運動網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

伺服系統(tǒng)是機電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，隨著計算機技術(shù)的進展，交流伺服系統(tǒng)在經(jīng)過廣泛運用的前景下正向著網(wǎng)絡(luò)化控制方向發(fā)展。值此有必要介紹對新型ac伺服電機/驅(qū)動器的高速伺服通信運動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用作介紹。

基于獨立數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的集成

獨立性的數(shù)字運動控制器的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)就是在運動控制時，脫離計算機或工控機的通訊操作控制，直接把控制程序和要運行的程序下載到運動控制器本身所帶的閃存里面。有設(shè)備的外圍觸發(fā)信號觸發(fā)程序就開始運行。值此是基于以omron公司的以smartstep2驅(qū)動器與r88m-g伺服電機為例的的網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)示意框圖，見圖5所示。

上位計算機通過支持tcp／ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊適配卡（100m）獲得對以太網(wǎng)總線的支持，負責對整個系統(tǒng)的運行和工作狀態(tài)進行監(jiān)視管理。上位計算完成任務(wù)規(guī)劃后，由第三方軟件完成用戶應(yīng)用程序開發(fā)，根據(jù)tcp／ip協(xié)議通過以太網(wǎng)將生成的程序指令傳送給嵌入式多軸運動控制器。

在圖5的網(wǎng)絡(luò)伺服運動控制系統(tǒng)中，控制器不斷產(chǎn)生更新的位置命令（運動曲線），通過現(xiàn)場總線下傳給驅(qū)動器，在總線節(jié)點解釋指令后將轉(zhuǎn)化為數(shù)宇脈沖信號，以控制交流伺服電動機，完成定位。在一個多軸系統(tǒng)中，一個控制器可以控制多個電機驅(qū)動器。伺服電動機是主要的執(zhí)行部件，完成具體動作。圖5中運動控制器可用fqm1-mm22型多軸運動控制器，也可用mc260這些控制器采用工業(yè)專用的32位，120hhz～150hhz的最新微處理技術(shù)，融合最新的控制理論及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可選用不同的控制器可控制1—24個軸?？梢杂?～±10v的模擬量電壓輸出和編碼器反饋形成全閉環(huán)控制，來控制伺服電動機。也可以控制步進電動機，變頻器，氣動，液壓伺服，或者是這幾種的任意結(jié)合。

結(jié)語

眾所周如，數(shù)控機床與工業(yè)自動化離不開伺服電機/驅(qū)動器動力源的智能化，尤其是當今處于網(wǎng)絡(luò)化時代，除了動力裝置的智能化外，還需網(wǎng)絡(luò)化。而上述的新型ac伺服電動機/驅(qū)動器技術(shù)特征與應(yīng)用介紹，比較理想能的解決了伺服電動機/驅(qū)動器從設(shè)計→-安裝→調(diào)整啟動→運行→維護眾各階段問題的智能化，它是工業(yè)自動化的工程設(shè)計人員一種較好的選擇，也為工業(yè)自動化系統(tǒng)的研發(fā)拓寬了設(shè)計思路。