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| 伺服控制系统中的若干问题研究 1.定位控制中的计算问题 定位控制通常利用伺服驱动器的位置（Pt）模式进行控制，通过PLC的高速脉冲输出端子向伺服驱动器发送脉冲，脉冲个数与电机的角位移成正比，脉冲的频率与电机转速成正比。在定位控制中，需要根据要求的机械移动位移、速度、加减速度来计算PLC运动控制指令的相关脉冲参数。计算过程中，需要确定机械传动结构的传动比、编码器的分辨率、伺服驱动器的电子齿轮比等参数。 机械位移与脉冲个数的对应关系为： 机械移动速度与脉冲频率的对应关系为： 已知初速度V1、末速度V2、加减速距离S，需要计算加减速度a（用脉冲频率的变化率表示）时，较为简便的一种方法是先将位移和速度转换为脉冲个数和脉冲频率，然后根据如下公式计算出脉冲频率的变化率a。 也可以根据此公式计算出用速度的变化率表示的加减速度，然后转换为用脉冲频率变化率表示的加减速度。 2.伺服系统方案的确定 在实际工程中，使用伺服电机作为执行元件时有两种控制方案。第一种是半闭环控制，即利用编码器反馈脉冲给伺服驱动器，这种方案的优点是检测电机的角位移较为方便，造价较低，缺点是只能通过反馈的伺服电机的角位移间接地计算机械位移，如果机械传动结构出现问题，会导致伺服电机角位移与机械位移之间的线性关系不再成立。而在实际情况下，存在很多影响这种线性关系的因素，比如机械传动结构的间隙和打滑会引入非线性因素，使得根据伺服电机的位移计算出的机械位移与实际位移量存在偏差，并且这种偏差会随着系统的运行而积累，最终影响系统的控制精度。使用这种方案时，需要利用PLC的高速脉冲发送指令，并结合脉冲发送个数寄存器的使用，来实现特定的运动控制要求。第二种是全闭环控制，即利用光栅尺等检测元件将传动链末端的机械位移转换为脉冲信号反馈给PLC，这种方案的优点是能够克服整个传动链引入的误差，精度非常高，缺点是光栅尺的价格较高，且安装和维修更复杂。使用这种方案时，要求PLC具有高速计数器，在PLC程序中通过比较高速计数器的计数值来判断机械结构的实际位置，并且要注意根据光栅尺所反馈的脉冲类型来对PLC进行选型。这两种方案都要求PLC具有脉冲输出端子以发送定位脉冲，且要根据伺服驱动器所能接收的脉冲信号是差分信号还是单端信号以及系统的速度要求对应的脉冲最高频率来确定PLC的型号。 应根据系统的控制要求合理地选择伺服驱动器的工作模式。如果是对电机转矩有明确要求的场合（比如恒张力控制），应该选择转矩模式，通过模拟电压或者内部转矩缓存器命令进行控制。对于要求精确调速的场合，应该选择速度模式，通过模拟电压或者内部速度缓存器命令进行控制。对于多段速控制，为了避免模拟电压输入端子上的干扰信号造成电机在零速附近缓动，可以采用Sz模式（速度选择信号全为0时为零速）。在速度模式下，可以利用S型平滑命令产生器以使速度的切换更为平顺。对于要求精确定位控制的场合，应该选择位置模式，通过脉冲信号或者内部位置缓存器命令来精确控制伺服电机的转动角度。对于分时控制不同物理量的场合，应采用混合控制模式。 3.伺服电机的选型 在伺服系统中，伺服电机的选型是整个系统设计的关键。需要根据系统的工作环境、负载转矩的大小、控制精度的要求、安装位置等因素来选择满足系统要求的伺服电机。比如说，无尘工作环境不能选用直流伺服电机，因为直流伺服电机的换向器在电机运行时会产生粉末。此外，编码器的类型也是伺服电机选型中的一个重要因素。绝对式编码器能将电机转轴的实际位置转换为唯一的数字码，且在系统断电重启后无需回原点操作，但是结构更为复杂，通常用于对精度要求很高的数控机床系统中。增量式编码器只能检测电机转轴的相对位置，即通过反馈脉冲数来表示电机转轴距离上一个位置的角位移，所以需要建立定位控制的参考点（即原点），且在系统断电重启后需要重新回原点，其优点是结构简单，抗干扰能力强，能满足大部分场合的精度要求。 4.回原点 原点是定位控制坐标系的参考点，回原点是否准确，对于定位控制的精度有重要影响。具有运动控制功能的PLC都有相关的回原点指令。影响回原点精度的因素主要有回原点末端的爬行速度、控制系统的响应速度以及原点接近开关的精度。针对上述三个因素，要提高回原点精度，需要尽可能降低爬行速度，采用中断等方式提高系统的相应速度，以及选用高精度的接近开关来提供原点信号。如果PLC自带的回原点程序不能满足系统控制要求，用户也可以根据PLC的输入点资源自行设计相应的回原点程序。对于精度要求特别高的场合，可以利用Z相脉冲信号进行回原点。此时，如果Z相信号和原点信号过于接近，会导致有可能出现电机一圈对应的机械位移误差。为了避免这种情况，在确定原点接近开关位置时，应将其安装在两个Z相信号对应位置的中间位置。此外，在确定原点信号、原点辅助信号、限位信号对应的接近开关位置时，需要根据回原点的各段速度以及加减速度计算加减速距离，以验证接近开关位置是否合适。 5.脉冲当量与电子齿轮比 伺服控制系统的定位精度由其固有脉冲当量决定，即只与系统的硬件参数（机械传动比、编码器分辨率）有关，而与伺服驱动器的电子齿轮比无关。伺服电机所能转动的最小角度由编码器分辨率Pm决定，即360°/Pm。比如说，如果将电子齿轮比设为1/2，则伺服电机每接收到2个指令脉冲，会驱动伺服电机转动一个最小角度。 根据系统机械结构的不同，脉冲当量的单位分为μm/pls和deg/pls。获得伺服控制系统的脉冲当量有两种方法。对于机械传动结构参数（比如滚珠丝杠的螺距、齿轮组的减速比、滚筒的直径等）较容易获得的伺服控制系统，可以通过理论计算求取脉冲当量，计算公式如下。 对于通过理论计算求取脉冲当量较为困难的伺服控制系统，可以通过实验获得PLC发送的脉冲个数与对应的机械位移量，从而求得近似的脉冲当量。 电子齿轮比通常应用于两种情况。第一种情况是当系统的固有脉冲当量是取不尽的小数时，可以通过设定电子齿轮比来将系统的脉冲当量变为一个方便定位计算的数值，通常取为10-nμm/pls。第二种情况是当PLC输出最大脉冲频率仍然不能满足系统对电机的速度要求时，可以通过设定电子齿轮比来增大系统的脉冲当量。 6.编程中的注意事项 在使用伺服电机进行全闭环控制时，判断是否运动到某个位置，是通过判断高速计数器的计数值实现的。而高速计数器的值在每个扫描周期扫描到对应程序语句时是阶梯变化的，很难正好等于计算得到的脉冲个数。所以不能采用等于比较指令，而应采用HSC值≤计算值（在HSC值递减时，HSC值递增时反之）。 在定位点固定的情况下，适宜采用绝对位置移动指令，这样可以使程序更简洁清晰，并且可以避免采用相对位置移动指令引入的累计误差。在无需回原点的场合（比如脉冲段切换控制），适宜采用相对位置移动指令。 为了避免机械噪声和振动，应尽可能采用带有加减速的运动控制指令，并将加减速曲线设为S曲线。 7.差分信号与单端信号之间的转换 大部分PLC的脉冲输出端子和高速计数端子使用的是单端信号，而部分伺服驱动器和光栅尺使用的是差分信号，这就需要设法实现差分信号与单端信号之间的互相转换。设计转换电路时，需要考虑对干扰信号的有效滤除、脉冲信号的电平范围以及转换电路所能处理的脉冲频率范围。可以使用485通训芯片（比如SN75176）或者专用的差分/单端转换芯片（比如AM26LS31、AM26LS32），也可以利用光耦等器件自行设计相应转换电路。 |
