通用型交流變頻調速器的伺服功能及應用

5 簡(jiǎn)易伺服應用實(shí)例

1)變頻器簡(jiǎn)易伺服功能在電主軸上的應用

電主軸是數控機床的重要部件，傳統機床主軸是通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)主軸旋轉而工作的。電主軸是電動(dòng)機內裝式主軸單元的簡(jiǎn)稱(chēng)。其主要特點(diǎn)是將電動(dòng)機置于主軸內部，通過(guò)驅動(dòng)電源直接驅動(dòng)主軸進(jìn)行工作，實(shí)現了電動(dòng)機、主軸的一體化功能。它具有結構緊湊，機械效率高，噪聲低，振動(dòng)小，精度高，運行平穩，沒(méi)有沖擊等特點(diǎn)，能夠使主軸軸承壽命得到延長(cháng)。通過(guò)型號A機床專(zhuān)用變頻器內置的機床專(zhuān)用功能，可完成動(dòng)態(tài)高精度同步跟蹤、分度、準停及零速鎖定等功能，方便了用戶(hù)的使用，同時(shí)還可進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的位置控制，很好控制動(dòng)態(tài)位置精度，可控制在4個(gè)脈沖之內，穩態(tài)位置精度可控制在一個(gè)脈沖之內。其優(yōu)異的性能、豐富的功能完全能夠滿(mǎn)足數控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。

交流伺服主軸驅動(dòng)系統由主軸控制器、主軸驅動(dòng)單元、主軸電動(dòng)機和檢測主軸速度與位置的編碼器4 部分組成，主要完成閉環(huán)速度控制。主軸驅動(dòng)單元的位置控制與速度控制均由內部的高速信號處理器及控制系統實(shí)現，其原理框圖如圖3所示。圖3中計算機數控系統(CNC)向主軸驅動(dòng)單元發(fā)出速度指令或位置指令，驅動(dòng)單元根據該指令執行相應的速度與位置控制。與此同時(shí)，CNC 控制器也接收來(lái)自于主軸電動(dòng)機編碼器的分頻輸出(或終端傳感器的輸出信號)來(lái)對其指令進(jìn)行校正，當然，此信號也用于系統過(guò)程偏差的檢測，如速度偏差檢測等。

圖3 電主軸驅動(dòng)原理框圖

為方便起見(jiàn)，現以一實(shí)際的電主軸系統為例進(jìn)行描述。在該系統中，C N C 控制器采用的是臺灣某品牌主軸控制器，驅動(dòng)器使用A型號高性能機床專(zhuān)用版本變頻器，電動(dòng)機出廠(chǎng)配置2048RPM 差分增量式編碼器。整個(gè)系統接線(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 基于A(yíng)型號變頻器簡(jiǎn)易伺服功能的電主軸接線(xiàn)框圖

主軸控制器通過(guò)PA + /PA -和PB+ /PB -正交脈沖信號向變頻器發(fā)出速度和位置信號，同時(shí)也包含方向信號。變頻器工作在伺服模式，既接收主軸控制器脈沖給定，又接收來(lái)自電動(dòng)機的編碼器反饋信號，同時(shí)對編碼器信號進(jìn)行分頻，反饋到主軸控制器。無(wú)論是速度同步跟蹤還是零速鎖定，整個(gè)系統邏輯都非常簡(jiǎn)單，只需要將變頻器設置為伺服模式，調試主要工作是根據電動(dòng)機的特性曲線(xiàn)來(lái)調整變頻器相關(guān)參數，以獲得驅動(dòng)系統的最佳性能。

2)變頻器簡(jiǎn)易伺服功能在油電驅動(dòng)技術(shù)中的應用

油壓驅動(dòng)技術(shù)是目前射出成型機使用最廣泛的驅動(dòng)控制方式，具有功率重量比大、壓力和流量控制佳、壽命長(cháng)及易維護等優(yōu)點(diǎn);而交流伺服電機驅動(dòng)技術(shù)則具有響應快、精度高、恒轉矩等優(yōu)點(diǎn)。某品牌B型號油電伺服驅動(dòng)器利用交流伺服電機驅動(dòng)的油壓系統，將伺服驅動(dòng)技術(shù)、電機技術(shù)與油壓技術(shù)結合，且以精確的壓力與流量控制，消除高壓節流的能源損耗，將射出成型機油壓驅動(dòng)技術(shù)再度創(chuàng )新。

伺服驅動(dòng)器從射出成型機控制器獲得壓力機流量命令后，與實(shí)際壓力和轉速反饋進(jìn)行PID運算，計算出最適合的控制量來(lái)驅動(dòng)伺服電機與油泵，因此控制系統響應快、重復精度高，系統結構如圖5所示。

圖5 油電伺服驅動(dòng)系統

傳統的注塑機使用油壓系統，其用電占注塑機的75%以上，在注塑機運行中，開(kāi)模、射出、保壓、關(guān)模等過(guò)程需要不同的壓力和流量。當需求超過(guò)設定的流量及壓力時(shí)，會(huì )由溢流閥或比例閥來(lái)調整壓力流量，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為高壓節流，其所造成的能量損失高達40%-75%?；贐型號變頻器伺服功能的油電驅動(dòng)接線(xiàn)框圖如圖6所示。

圖6 基于B型號變頻器伺服功能的油電驅動(dòng)接線(xiàn)框圖

3)變頻器簡(jiǎn)易伺服功能在提花機中的應用

現有提花機龍頭動(dòng)力傳動(dòng)系統大部分都是一個(gè)異步電機帶一個(gè)龍頭，通過(guò)機械傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)提花主軸電機。由于只有一個(gè)異步電機拖動(dòng)打緯軸和提花龍頭，使得異步電機需要很大的扭矩，那么電機的功耗就會(huì )上升，而且由于帶動(dòng)兩個(gè)負載，異步電機的壽命會(huì )大大縮短。而在改用永磁同步電機的情況下，制造噪音大幅降低，提花編織效率提高了，簡(jiǎn)化機械結構，降低了安裝成本和維護成本，因此，把永磁同步伺服電機應用到提花機伺服控制系統中已經(jīng)成為現實(shí)的需要。

提花機龍頭伺服電控系統包括主軸伺服驅動(dòng)系統、HMI參數設置面板、伺服電機，實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 提花機龍頭伺服電控系統實(shí)物圖

提花機龍頭伺服電控系統提供了龍頭部分的整體解決方案，傳動(dòng)采用高精度的交流伺服系統，克服傳統機械傳動(dòng)結構的不足，安裝方便，維護工作量小，并且有一定的節能效果;龍頭伺服電機采用自然冷卻或水冷方式，更加適合紡織行業(yè)較惡劣的工作環(huán)境;由于整個(gè)系統采用了高運算速度和高精度的伺服系統，使得提花機龍頭伺服系統具有提花編織效率提高，可方便手動(dòng)調整電子提花系統參數，簡(jiǎn)化機械結構，降低安裝成本和維護成本等特點(diǎn)。

采用上海某公司自主研發(fā)的C型號伺服驅動(dòng)器搭建的提花機龍頭伺服電控系統整體構架如圖8所示，該驅動(dòng)器是以DSP為核心的程序控制器，運算速度非?？?，配合旋變控制板，抗干擾能力強、位置跟蹤精確。采用該系統主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 取消織機與提花機之間的機械傳動(dòng)桿，簡(jiǎn)化機械結構，降低了安裝成本和維護成本;2) 織造噪音大幅降低;3) 提高提花編織效率;4) 比傳統機械傳動(dòng)系統省電10%~20%;5) 可方便手動(dòng)調整電子提花系統參數，省時(shí)省力;6) 規格齊全、可滿(mǎn)足不同類(lèi)型提花機的功率需求，可適用于噴水、劍桿和噴氣織機。

圖8 提花機龍頭伺服系統架構

提花龍頭伺服系統是紡織機行業(yè)內較為先進(jìn)的設備之一，可同時(shí)滿(mǎn)足國內劍桿織機、噴氣織機、噴水織機以及提花機等通用型織機主軸伺服系統，使紡織機械的自動(dòng)化程度取得了較大的進(jìn)步，在提升企業(yè)技術(shù)水平，穩定產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率等方面具有重大作用。這些年，隨著(zhù)國內紡織行業(yè)的迅猛發(fā)展，用伺服電機帶動(dòng)提花龍頭替代傳統機械傳動(dòng)的方式肯定會(huì )得到廣泛應用。

6 結論

高端變頻技術(shù)在不斷發(fā)展，配合機電時(shí)間常數小的電機也能完成伺服的精確定位跟蹤，特別是在大功率場(chǎng)合，伺服本身的功能就是精確快速定位跟蹤，變頻器做到這個(gè)程度就是伺服了。從企業(yè)的發(fā)展來(lái)看，變頻器廠(chǎng)家推出伺服產(chǎn)品，無(wú)論是在技術(shù)基礎還是在銷(xiāo)售渠道都占據一定的優(yōu)勢，已經(jīng)成為越來(lái)越多的變頻器廠(chǎng)家的發(fā)展方向，目前已有多個(gè)品牌的通用變頻器已開(kāi)發(fā)出了簡(jiǎn)易伺服功能，而且推廣應用較快。然而，通用變頻器的簡(jiǎn)易伺服功能與專(zhuān)用伺服驅動(dòng)器相比，在性能和功能方面還有一定的差距，因此通用變頻器的伺服功能通常應用于一些對于伺服性能要求不高的場(chǎng)合，而一些高端應用則需要使用專(zhuān)用伺服驅動(dòng)器。