丹佛斯的伺服控制卡在位置随动系统的应用要点

摘要：本文旨在对丹麦丹佛斯公司生产的通用异步电动机同步控制器在多轴随动系统中的应用技术特点加以分析。 关键词：丹佛斯公司异步电动机伺服控制器 随动跟踪运行 Abstract:This article is introducing the SyncPos option of Danfoss on speed and position synchronizing controlling in multi-shaft application. Keywords: Positioning, SyncPos option 在多轴同步运行的控制系统中，主从运行方式是十分普遍的构造方式。主从运行又称为随动运行方式。既不论主轴以什么运动规律运行，从动轴都会以某一预先确定的跟踪方式跟踪主轴运行，且其正常运行时的动、稳态跟踪误差的最大值具有预先确定性。在现实应用中，人们可以通过变频调速器信号的简单配合便可实现多轴的同步运行。这种方式具有简单实用的特点，但是无论稳态运行，还是动态运行，其同步精度都十分粗糙。当应用系统对同步运行有较高的动、稳态要求时，人们首先会想到使用伺服控制器实现系统的要求。然而，伺服控制器的市场价格却常常使人们望而却步。特别是当系统容量较大时，人们更是难以承受高额的资金投入。本文介绍的丹麦丹佛斯公司生产的伺服控制卡（SyncPos Controller )在多轴同步控制运行方式下将使用户以较低的资金投入获得同步系统极高的稳态精度和较高的动态精度。 §1. SyncPos的系统构成及其随动系统构造概念 SyncPos 伺服控制卡是丹佛斯公司专门为其通用系列变频调速器VLT5000系列设计的、安装在其内部的专用辅助部件，专门用于处理机械系统的各种运动轨迹和控制功能。该部件除了具有完全可编程序能力外，其指令系统还包含了全部伺服控制所需的控制功能。此外，该系统具有独立的I/O系统，使其应用十分灵活方便。更为重要的是，SyncPos与VLT5000的数据及指令交换采用的是内部并行总线方式，具有极高的数据交换速度，从而保证了控制指令的“0延迟”执行。 SyncPos的运行过程采用速度（或相角）闭环方式，其执行部件可以是IEC规定的标准异步电机，也可以是其他类型的异步电机。其位置或相角检测则采用光电编码器加以实现。编码器可以是绝对位置型，也可以是增量型。SyncPos的最大脉冲接收频率为220kHz。使用增量型编码器时，SyncPos采用四分相脉冲qc（也称为细分脉冲）计数法，因而具有很高的测量精度。 用SyncPos构成的从动轴控制系统结构如图1.所示. 图中，主从轴使用的光电编码器可以具有相同的分辨率，也可以具有不同的分辨率。该构造方式是经典的主 同步控制时主从信号的连接 从方式，其主要特点是除了具有很高的运行精度外，还有系统结构简单，成本较低的优势。 §2. 用SyncPos 构造系统时的动、稳态精度的分析 图2. 所示的内容为双轴同步控制时，从动轴与主轴之间在运行过程中的速度关系。也可以将其理解为从动轴与主轴之间的位置关系。由图中所示波形可见，在主轴处于稳态运行，或者速度变化速率不大时，从动轴与主轴是处于同步状态的。而当主轴速度发生变化时，或者其速度变化的速率很大时，从动轴的实际角位置将首先滞后于主轴（产生实际运行误差），然后将以高于主轴 速率的变化追踪主轴的变化，从而达到位置跟踪的目的。这里需要讨论的是，上述这种动态误差究竟有多大？是否可以加以控制以约束其实际误差的绝对值？由于影响动态误差的因素较多，且现实生产中，很多时候难以获得这些因素的精确数据，因此，往往难以事先精确计算出系统运行误差的最大绝对值。为了解决实际使用中误差的可控性，SyncPos给出了十分方便于操作的误差控制方法，即PID参数的调试观测程序 Testrun。通过PID参数的反复修正并运行Testrun，可以容易地观察到PID参数的设置效果（见图3.）。以使实际运行速度和给定运行速度之间的误差减小到系统允许的范围内。图3. 中所给出的测试结果显示，受测试的系统的给定速度是每毫秒2.27个用户单位（2.27UU/ms），而PID 的实际运行结果是2.30个用户单位/每毫秒（2.30UU/ms），实际误差是0.03个用户单位/每毫秒。在该例中，一个用户单位等于编码器的一个细分脉冲，即1UU=1.00qc。用户单位可以是用户规定使用的任意其他测量单位。显然，如果你需要很高的运行精度，你就需要反复修正PID的设置数值并观测其运行效果，直至满意为止。 位置同步运行时受控轴的运行特性 PID的测试结果 §3. SyncPos 在位置跟踪系统的应用举例 位置跟踪的应用目的主要是获得从动轴与主轴之间相角的固定关系，即 q从 = k.q主 。式中k为比例系数。当k = 1时，主从轴之间的相角呈完全对应关系；当k < 1时，从动轴相角的变化将低于主轴；而当k > 1时，从动轴相角的变化将高于主轴的变化。 　　　齿轮加工过程的齿面磨削工艺过程可以说是一个典型的位置跟踪应用实例。 在这一应用中，工艺要求成型砂轮每转过一周，被磨削齿轮需转过一个齿距所对应的角度。系统的控制方式是,齿轮作为受控的从动轴跟随成型砂轮而运转。无论砂轮处于何种状态，作为工件的齿轮都必须严格保持与砂轮的角位置同步。齿轮的齿面的磨削 通常，在很多时候，上面提到的主从轴比例系数k往往并不是一个整数，甚至是一个循环小数，如果不加以解决，则会产生累积误差。SyncPos给出了很好的解决方法。即，实际应用时不必给出实际的数值，只需给出其比例关系即可，k = q从/q主. §4.小结 本文只讨论了使用SyncPos实现多轴主从随动运行的方法。该方法具有结构简单，实现容易，精度很高的特点。文章未涉及更高给定精度的虚拟主轴方式。