浅论位置交流伺服系统在货架冷弯机组中的动态性能调试

摘　要(Abstract) 　　介绍交流位置伺服系统在货架冷弯机组在线预冲孔装置中的在线调试过程及应用动态性能分析方法的基本原理，给出了该配置系统位置伺服系统动态响应曲线、动态性能分析及其主要技术指标的实现程度。 关键词(Keywords) 位置伺服系统 动态性能分析 在线调试 货架冷弯机组 1、引言 　　1.1货架冷弯机组在线预冲孔装置的运动性能及控制精度对整线的运动速度匹配、产品一次合格率及货架钢结构的稳定性与安装性的影响相当大；运动性能的稳定程度直接影响到货架整线配置性能和参数的调整、废次品的产生、工人的劳动强度、企业生产经营成本的控制等；控制精度的高低直接影响到货架产品的技术含量的提升、装配精度的控制、货架系统的设计规划与稳定性等，由于国内物流业的快速发展，往往要求货架冷弯生产线要实现高速度、高精度位置控制的要求。据此, 我们结合在线调试交流位置伺服系统动态性能分析及在线调试经验，讨论通过交流位置伺服系统动态性能分析实现位置驱动在线调试的主要原理和作用。 　　1.2交流位置伺服系统选用的交流三相永磁同步电动机由于其转矩惯性比大, 在接近于零的低速区仍能保持稳定的额定转矩和控制性能, 目前在精密的位置控制系统中得到了普遍使用。货架冷弯机组在线预冲孔装置的伺服系统带负载运行时存在系统与负载动态匹配的问题，货架冷弯机组在设计时会考虑使用多板厚同规格的系列产品、或通过不同的冷弯工艺在一条生产线上生产不同规格尺寸的货架产品，故交流位置伺服系统的负载的大小和性质会发生多种变化，甚至相同规格卷料的更换也会造成负载的不稳定与变化, 这种变化将使系统的性能特别是动态性能变坏, 使运动出现振荡、超调甚至于不能稳定运行。事实上, 在调试现场无法确切地得到系统所带负载的动态性能指标和伺服系统在线带负载时的动态性能指标, 在调试过程中, 无法对系统进行动态性能分析与测定, 往往凭经验由人工进行调试工作，其调试过程相当困难，调试周期也长，一般只能凭感觉调到系统运动部件“能动不发生故障即可”为止, 这种调试很难使系统达到理想状态；调试现场也需要配合相当的人力进行相关数据的收集整理、数据分析处理等，也易造成相当高的调试废料，在调试过程中还存在相当的未知影响因素等。 2、主要伺服装置系统的基本组成及工作原理 　　2.1货架冷弯机组在线预冲孔伺服定尺送料装置伺服系统本身有一套高精度的反馈信号测试装置和控制器，且构成闭环位置反馈控制系统。其基本电气控制原理见图一；具体的每模送料步距量值的大小PLC组成的上位机设置相应的计数脉冲数或长度转化值，并由与上导料辊相联的角编码器被动测量反馈信号相协调（由程序设定），PLC中选配的伺服定位模块驱动伺服单元和伺服电机动作，实现冲压板料的可调整、高精度、无积累误差的一定步距的送料冲压，累积误差由程序中设置的误差补偿算法或人工在线修正等手段处理，基本定位由SIMENS公司定位模块SIMATIC S7-300 FM 354、YASKAWA公司伺服系统SDGB-03ADG、伺服电机SGMG-3DA、OMRON公司位置检测脉冲编码器组成；采用分辨率为2000p/r的外置编码器进行长度位置反馈定位控制，并经控制器内部4倍频电子齿轮实现软控制，从而进一步提高了系统控制精度。 3、交流位置伺服系统的动态性能及动态性能指标 　　3.1一般来说伺服系统本身只是一个运动执行元件，货架冷弯机组中的伺服定长送料为断续送料模式，其送料的长度与配套设备的加工时间决定于交流位置伺服系统的运动节拍，控制定位精度及交流位置伺服系统的动态性能等，其动态性能一般可由系统在单位阶跃输入信号作用下的时间响应曲线来描述。货架冷弯机组中的伺服系统的控制要求很高, 它不允许有任何振荡和超调, 否则会造成货架组件的側立面孔位误差大，孔位分布不均匀，严重影响货架的装配精度和使用性能，降低成品率，增加生产经营成本。只能以如图二（交流位置伺服系统的动态性能图示）所示以多种调整变化的形式逐渐到达定位点，我们希望获得图中标示为1的单调变化模式，不希望出现标示为2或3的振荡波形，标示为4的调整模式会形成不到位故障或伺服系统随动误差大、调节时间延长等现象，影响系统的速度匹配和控制精度等。图示出的常用的动态性能指标有: 上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%。其中上升时间tr反映了系统的动态灵敏度和系统过渡过程的快速性; 调节时间ts又称过渡过程时间, 是衡量系统快速性的主要指标; 超调量σ%是反映在系统过度过程进行得是否平稳的指标。 　　3.2系统的动态性能指标与系统参数存在相互对应关系。在系统调试时, 完全可通过对系统动态性能的这些指标进行在线软件测试、相关数据分析得到系统参数应调试的值, 如：SIMATIC STEP 7软件针对SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模块的DB1200中的参数和数据进行调节，实现控制精度、运行速度等的优化配置以及在线伺服系统的监测，系统分析关键参数的走势，如运动超调量的变化、速度及电流值的变化，从而调节使伺服系统达到理想状态。 4交流位置伺服性能特性对货架组件加工精度的影响 　　4.1货架冷弯机组位置伺服系统主要采用位置闭环采样控制体系，由于现代数控系统位置采样控制周期很短，驱动死区和数字化控制死区很小，机械传动刚度引起的误差也可以控制得很小，基本不存在定位控制误差，但一定存在一个跟随误差，该误差与外在驱动负载的波动存在一定程度的关联，必然导致理论控制精度与实际位置上的偏差；从伺服模块的监控软件中可以发现理论的控制精度可达到0.01mm，而实际测量波动范围可达到：±0.3mm，一般控制规律为：其加工误差与进给速度的平方成正比，与系统增益的平方成反比，实际调试中可实现伺服电机最高运行速度在70M/min下的稳定运行，而产品实际孔位控制精度σ达到±0.15mm等要求。 5交流位置伺服系统动态性能与在线调试过程的实现 　　 5.1要实现交流位置伺服系统的动态性能在线调试, 首先先确认伺服系统运动执行元件对上位机的指令偏差情况，可采用指令偏差的自动或手动模式进行调整，适当优化伺服控制器和伺服电机的配合参数，如：速度指令调整增益、速度环路增益等增益参数的调整，然后进行SIMATIC S7-300上位机及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模块伺服控制参数的设定和调整，主要完成以下工作： 　　1、实时采集数据, 即测试带载系统的动态性能参数, 如实际速度、实际位置参数等,主要是通过一些专用的参数单元、计算及监控软件，通过使用这些工具和手段进行有关参数的设定、监控、波形显示、I/O检查监控、在线调整、运动参数的获取与处理等。 　　2、辅助作图, 把这些参数用曲线形式表示出来, 如画成速度响应曲线、位置响应曲线等; 　　3、求出系统的动态性能指标, 如: 上升时间tr、调节时间ts和超调量σ%等。 　　4、根据系统动态性能指标的走势，重新制订交流位置伺服系统的动态性能在线调试方案， 　　5.2事实上可以实现伺服定位控制稳定在编码器一个角脉冲波动范围上并稳定实现运动控制。如：我公司选用的编码器为4000p/r，测量辊周长为300mm，货架组件的孔位控制精度理论上可实现±0.075mm，考虑到冷弯卷料的表面平整度等其它因素的影响，其实际孔位控制精度要低些；根据从生产现场采集到的数据分析，实际孔位控制精度σ达到±0.15mm，且误差基本符合正态分布规律，从根本上也保证了总长度上的累积误差最小，基本稳定在6σ以内。 6交流位置伺服系统的动态性能分析 　　6.1在对货架冷弯机组位置伺服系统进行动态性能在线调试时，不同的动态响应曲线(例如位置响应曲线和速度响应曲线), 对动态性能指标的要求有很大的差别。由于冷弯机组的设备特性和货架产品的多品种、多规格，其实际机组的负载特性比较复杂，很多情况下的位置响应曲线中上升时间tr和调节时间ts可以长一些, 考虑到不能有超调, 并尽量使超调量σ%＝0。因此在调试位置环的调节器参数前, 分析位置响应曲线的动态性能指标时, 其重点是超调量σ%, 只有在保证位置响应曲线没有超调的情况下, 才再来考虑位置响应的快速性, 即再考虑把上升时间tr和调节时间ts适当调短；实际调试过程中对某些参数还是有取舍的。 　　6.2速度响应曲线中, 当起动或加速时, 为了加快过渡过程, 输入信号为所允许的最大电压, 使上升时间tr和调节时间ts尽量短一些, 一般情况下, 允许速度有超调, 只要超调量σ%不超过一定的百分比即可, 因为伺服控制单元（如：SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模块）选取的是同一个绝对坐标系，不存在复位后的脉冲丢失现象，会在下一个伺服送料指令中进行补偿运算。然后根据现场的实际测量反馈数据和表格、图形等，制定出合理的动态响应曲线和伺服系统的调整运行时间，以实现货架冷弯机组整线的速度匹配等。 　　6.3系统的机械控制精度对电气系统的控制精度存在一定的影响,可通过电气上的通电保持和实际的转矩平衡、适当的机械定位抱闸及加工原料的平整度等方面进行综合控制以缩短系统的在线调试时间和周期，并根据具体产品进行参数优化和性能分析，以提高系统的广泛适应性。 7结束语 　　 　　对伺服系统进行有效的动态性能分析和在线调试, 定位精度可以达到该系统能够达到的最高精度: 实测的电气定位误差最大值仅为编码器脉冲信号的1个跳变，极大地提高了系统工作的可靠性，采用有效的动态性能分析可以缩短调试周期和降低调试成本。 参考文献 1 郭庆鼎，王成元.《交流伺服系统.》 北京：机械工业出版社，1998 2 罗