研控伺服驱动器在数控弹簧机上的应用

一、引言

近年来，交流伺服驱动系统的应用越来越广泛。交流伺服系统的性能日渐提高，价格日趋合理。与步进驱动系统相比，伺服驱动系统自带编码器，可以反馈位置信号，精度更高，不存在丢步的现象；伺服驱动为恒转矩控制，步进驱动为恒功率控制，随着转速升高，步进电机输出的扭力迅速衰减，伺服驱动不存在上述情况，在0到额的转速之间，都可以输出额定扭矩，因此伺服驱动可以应用于高速场合。

二、应用环境

某工厂生产数字弹簧机设备，采用步进驱动系统，加工速度最大为150个工件/分钟。为了提高加工速度，与深圳市研控科技有限公司合作，采用研控公司的交流伺服驱动系统改造现有设备。试验机型为两轴电脑压簧机，改造后参数如表1所示： 线径 Φ0.15~1.0mm

外径 Φ20mm
最大送线速度 150m/min
最大送线长度 无限
加工速度 500工件/min
送线指令 ±0.1~±9999.99
凸轮指令 ±0.1°~±359.9°

改造前，加工速度只有150工件/分钟，改造后的加工速度达到了500工件/分钟，速度提高330%以上，而由改造带来的总成本的增加不足1%，极大的提高了产品的性价比。

三、伺服驱动系统选型

原设备使用的是研控YKA2811MA细分步进驱动器和YK110HB115-06A步进电机。步进电机参数如表2所示：

要替代现有电机，首先替换后电机的转矩要达到现有电机的水平。由上表中数据可知，步进电机的保持转矩为21N.m，但是不必选择额定转矩为21N.m的交流伺服电机替代步进电机。步进电机的保持转矩是电机转速为0时的转矩，是步进电机能够达到的最大转矩，随着转速的升高，步进电机输出的扭矩将衰减，步进电机矩频曲线如图2所示。而交流伺服电机的特性是在0到额定转速之间，电机的扭矩恒定不变。设备的实际负载小于6N.m。

其次，选型速度。设备由共有两轴——切刀轴和送线轴。切刀轴通过凸轮带动切刀，每转一周，加工一个工件，切刀轴转速在500r/min左右；送线轴每转送线长度为144mm，要达到150m/min的送线速度，要求送线轴电机转速为1042r/min。

另外，惯量选型。负载惯量与电机惯量的比值称为惯量比。惯量比的大小影响系统的起停性能。设备工作状态为频繁起停，每加工一个工件就有一个启动停止过程。当加工速度达到最大值时，电机每分钟起停500次。为了获得良好的起停性能，惯量比应选择小一些，本次选择在3：1左右。

根据以上规则，选择驱动器型号YKPSDD_10A5D，电机参数如表3所示。由于司伺服电机带有光电编码器，所以电机长度有所增加。编码器精度为2500线，驱动器内部经过4倍频，使得伺服的脉冲当量为0.036°，是步进电机的50倍。
表3：

单纯从力矩的角度上讲，原步进电机转速达到1200r/min时，转矩仍在6N.m左右，满足驱动的要求，但是步进电机的加速能力不行。当加工速度为500工件/分钟时，电机启动停止的时间非常短暂，没有足够的时间给步进电机加速到1000r/min，出现丢步的现象，而伺服电机却可以成功的完成加速。

四、参数调节

按说明书正确接线。为了测试连线是否存在故障，首先进入测试模式运行。研控伺服提供两种测试模式，可以分别测试位置控制模式和速度控制模式。经过测试，确认机械连接和电气连接正常。下一步将连接上位机运行。上位机完成对两轴的运动状态的计算，将运动状态以脉冲的形式传输到伺服驱动器，由伺服驱动器驱动伺服电机执行上位机的运算结果。弹簧机的控制系统框图如图3所示：

以100工件/分钟的速度运行，运行正常。继续增加加工速度，当加工速度达到370工件/分钟时，出现倒线的现象，即转子位置超过了停止位置，然后向后退回，这是由于驱动器刚性不够，需要调节参数，改善性能。对系统性能影响较大的几个参数为位置比例增益、速度积分时间常数、位置比例增益、位置前馈增益。

(1) [速度比例增益](参数PA-5)的设定值，在不发生振荡的条件下，尽量设定得较大。设定值越大，刚性越强，但是设定过大，可能会产生振荡。一般情况下，负载惯量越大，[速度比例增益]的设定值应越大。

(2) [速度积分时间常数](参数PA-6)的设定值，根据给定的条件，尽量设置得较大。[速度积分时间常数]设定的太大时，响应速度将会提高，但是容易产生振荡。所以在不发生振荡的条件下，尽量设置的较大。[速度积分时间常数]设定的太大时，在负载变动的时候，速度将变动较大。一般情况下，负载惯量越大，[速度积分时间常数]的设定值应越小。

(3) [位置比例增益](参数PA-9)的设定值，在稳定范围内，尽量设置得较大。[位置比例增益]设置得太大时，位置指令的跟踪特性好，滞后误差小，但是在停止定位时，容易产生振荡。

(4) 如果要求位置跟踪特性特别高时，可以增加[位置前馈增益]设定值。但如果太大，会引起超调。
根据以上调节规律，将速度比例增益从52增大到80，问题解决，一直到500工件/分钟的加工速度，没有出现倒线的现象。

五、结论

得益于研控交流伺服驱动器针对不同场合预置了不同参数，整个参数调试的过程简化了很多。弹簧机的送线轴工作在频繁启停的状态，对交流伺服来说，这是一种严苛的工作环境。研控伺服在弹簧机上的成功应用，充分证明了研控产品的优良品质。(end)