一種復合式超精研機電動機變速控制方式

楊守鎮，康正坡，武魁，王長峰

(洛陽軸研科技股份有限公司 a.精機公司；b.精軸公司，河南 洛陽 471039)

在滾動軸承專用內、外圈及滾子超精研機加工過程中，要求對工件進行連續的2步超精：第1步為工件低轉速，油石高速在工件表面振蕩拋光，改善微觀形狀；第2步為工件高轉速，油石低速在工件表面振蕩拋光，改善表面粗糙度。工件轉速和油石振蕩頻率要能夠根據工件尺寸方便地隨時調整，因此，對超精研機用電動機的調速控制方法提出了更高的要求。

1 傳統電動機變速控制方法

在變頻器出現之前，要實現電動機隨意調速是一件困難的事情。純機械式的如齒輪箱變速，只能做固定變速，成本高、不可靠且維修困難。后來出現的交流電動機+滑差調速器調速缺點也較多(電壓輸出為非線性，速度控制不穩定等)。變頻器出現以后，無級變頻調速成為可能，而且隨著技術的發展，成本已大大降低。主要的變頻調速控制方法如下。

(1)變頻器+電位器調速。外部電位器通過改變變頻器電壓實現變速，具有很好的線性關系，但缺點是不夠直觀，而且變速只能手動調節。但其性價比高，在半自動機床上仍有較多應用。

(2)PLC+變頻器+觸摸屏通信方式調速。該變速控制方法是主流的超精機控制方式之一，如圖1所示。用PLC或者其他邏輯控制裝置在運行中將頻率數值寫入變頻器，進行變頻調速(可變速)，一般還需要配備觸摸屏進行轉速的設置及加工過程的顯示。此控制方法的缺點是：運轉過程中向變頻器傳送頻率信號時一旦受到通信干擾，變頻器很容易死機，從而使機床的運行陷入癱瘓。

① 通過觸摸屏向PLC中寫設置頻率 ；② 機床運行中PLC向變頻器1寫頻率；③ 變頻器1控制電動機1改變轉速；④機床運行中PLC向變頻器2寫頻率；⑤ 變頻器2控制電動機2改變轉速

(3)PLC+模擬量+變頻器+觸摸屏方式調速。該變速控制方法是另一種流行的控制方式，如圖2所示。邏輯控制器發出的頻率信號通過D/A轉換裝置變為模擬量，再用模擬量控制變頻器的輸出頻率；需配備觸摸屏，設置2段的轉速。此方法因為需要在電動機運行中一直傳送頻率模擬信號，同樣會受到通信干擾，但變頻器不會因為干擾而陷入癱瘓。缺點是：對于轉速穩定性要求高的情況，沒有較好的辦法避免干擾，因為變頻器本身就會產生強磁場干擾；而且多變頻器控制時需要多個D/A輸出模塊，成本也較高。

① 通過觸摸屏向PLC中寫設置頻率；② PLC中的頻率數字轉換為模擬量； ③ 機床運行中D/A向變頻器1寫頻率；④變頻器1控制電動機1改變轉速；⑤機床運行中D/A向變頻器2寫頻率；⑥變頻器2控制電動機2改變轉速

2 復合式控制原理

2.1 MODBUS通信的特點

MODBUS通信是一種基于RS-485接口的開放式通信協議，廣泛應用于多種電氣設備中，在滿足這一通信協議的各種元器件之間可以自由共享數據而不必用戶發送通信命令。現在多數變頻器、PLC和觸摸屏都支持這一通信協議，復合式控制即是基于這一種通信協議而產生的。

2.2 變頻器的多段速控制

為了調速方便，變頻器標準配置有多段速功能，通過外部接線導通變頻器內部軟開關激活某一段或幾段多段速，設定相關的參數可以方便地使變頻器輸出多段頻率。然而設置參數必須在變頻器上進行，給機床的操作帶來不便，除非固定使用某幾段速度，因此，很少用多段速進行調速。

2.3 復合式控制

研究超精機調速裝置的特點發現，參數的設置與機床的運行大多數時間不是同步的，完全可以分開實現，而兩者單獨實現時就可以利用MODBUS通信和多段速控制的優點。如果選用都支持MODBUS的觸摸屏和變頻器，那么參數的設置可以完全不用PLC，直接將多段頻率寫入變頻器。而在機床加工過程中又可以用多段速來進行速度的切換，將兩者的優點結合起來就可以實現機床電動機的轉速調整。利用該方法可以完全避免加工過程中的電磁干擾，使變頻器輸出穩定的多段頻率，從而保證超精研機工作在最佳狀態。

為了實現上述目的，采用復合式變速控制方案，如圖3所示。仍然采用變頻器作為調速裝置，利用變頻器自帶的MODBUS通信模塊與觸摸屏(帶MODBUS協議)進行通信，設置串行口頻率，多段速1(根據需要的頻率段數可以增加多段速2，3等)作為機床運行過程中的運行頻率。在機床運行過程中，用外部控制方式啟、停電動機，并在變速時用多段速開通的方式變速。

① 設定參數時向變頻器1寫頻率；② 變頻器1控制電動機1改變轉速； ③ 設定參數時向變頻器2寫頻率； ④ 變頻器2控制電動機2改變轉速

根據MODBUS通信的特性[1]，直接在觸摸屏上以變頻器的內存地址設置頻率輸入按鈕，避免了PLC編程向變頻器寫頻率的復雜程序，而且因為通信過程只發生在參數設置階段，加工過程中完全不受電磁干擾。

復合式變速控制方案降低了成本，對于流程簡單的超精機，如半自動超精研機，原程序的主要內容是控制電動機啟停和變速，完全可以省掉一個PLC；而且性能更加穩定，加工過程中不受電磁干擾，基本上不用考慮電磁屏蔽的問題。

3 應用實例

如圖3所示，選擇施耐德GXO3501觸摸屏作為控制裝置的邏輯主站和頻率發送裝置，易能EDS1000變頻器作為從站和頻率變送裝置，二者都支持MODBUS通信協議。設置步驟為：

(1)從變頻器手冊上查找到要通信的數據地址，如串口頻率和多段速的通信地址為2001H和021EH，變換為10進制地址為8193和542。

(2)進入觸摸屏編輯軟件[2]，設置變頻器的站號和通信口，本例中用觸摸屏COM2口作為與變頻器的通信口，變頻器站號設為ModbusRTU01，如圖4所示。

圖4 觸摸屏通信口設置

(3)在觸摸屏上建立通信變量，如串口頻率給定1和多段頻率1地址與步驟(1)中的地址對應，如圖5所示。

圖5 觸摸屏變量設置

(4)在觸摸屏上建立參數設置按鈕，變量采用步驟(3)中建立的變量，如圖6所示。

圖6 觸摸屏參數設置舉例

(5)設置變頻器參數。

F0.00 10；串行口給定

F0.02 1；端子運行命令控制，操作鍵盤STOP命令無效

F2.14 13；個位波特率，十位校驗模式。與觸摸屏上的設置對應，本例中波特率為9600BPS，偶校驗

F2.15 1；廣播地址

F2.16 0 s；通信超時檢出時間，根據通信狀況適當調整

F2.17 3 ms；應答延時，根據通信狀況適當調整

F4.00 001；設置變頻器為簡易PLC運行

F4.01 001；設置第1階段運行模式

F4.03 000；設置第2階段運行模式

F5.00 1；選擇輸入端子X1為多段速控制端子

4 結束語

利用變頻器的多段速控制和觸摸屏與變頻器的MODBUS通信，在參數設置階段寫入運行頻率和運行時間，在運行階段通過選擇多段速進行頻率切換，實現變速的同時避免了通信的干擾問題，較好地實現了超精研機的變速控制。