FANUC系統的雙電機串聯控制

（南京汽車集團有限公司，江蘇 南京 210061）

FANUC系統的雙電機串聯控制

孫蘭芳

（南京汽車集團有限公司，江蘇 南京 210061）

介紹了雙電機的兩種控制方式：同步控制和串聯控制，著重分析了FANUC系統串聯控制的原理、速度補償以及相關參數的設定。通過預載轉矩值設定和調整，有效地消除齒輪的間隙。

串聯控制；預載功能；速度反饋和補償

一、概述

本機床是一臺凸輪軸凸輪磨床，機床有兩個加工位，一用一上料，提高了機床利用率。

機床使用的是FANUC 16i系統，一共有7根伺服軸：砂輪頭進給軸X1，兩個工件主軸C1，C2，兩個內部機械手W1，W2，砂輪頭平移Z1方向是由Z1和VS組成的串聯軸。如圖1所示。

圖1 機床各軸示意圖

二、控制方式

在數控系統中，經常使用兩臺電機聯動虛擬為一個坐標軸，這兩個電機常采用同步控制或串聯控制。下面簡單介紹這兩種控制方式的工作原理，并分析本機床使用的控制方式。

1.同步控制和串聯控制

（1）同步控制（Synchronous Control）。同步控制是以同樣的位置指令同時送給主軸（main）和從軸（slave），保持主從軸同步。如圖2所示。

①為保持運動的均勻，需要兩個電機同步驅動。例如大跨距龍門機床的龍門直線移動、GROB加工中心垂直滑臺。

圖2 同步控制示例

②為保持加工時不扭搓工件，作旋轉運動時必須同步。如曲軸Boehringer、曲軸磨床的雙頭工件夾持架。

（2）串聯控制（Tandem Control）。當一個伺服電機軸轉矩不夠用，又不便于更換更大的伺服電機時，可用同樣的轉矩指令同時送給主軸（main）和副軸（sub），在下列情況時，選用串聯控制：一個驅動電機轉矩不夠，可用兩個較小的驅動電機代替；兩個較小的驅動電機的慣量或體積，比一個較大的驅動電機小；機械具有“反施”（back feed）的能力，也就是說具有“互為主、副軸”的性能。串聯控制示例如圖3所示。

圖3 串聯控制示例

2.本機床選用的控制方式

本磨床Z1軸，需要的大的轉矩適合使用兩個電機的串聯控制方式。

Z1軸使用是齒輪齒條傳動，為了減少傳動間隙，可以加一個固定的預載轉矩到主、副電機的轉矩指令上。其相反方向的轉矩可以一直維持主、副電機的張力，去除齒輪、齒條傳動間隙。

三、串聯控制轉矩分析

圖4 移動中轉矩變化模式圖

由圖4可知，在主軸上設定+Pre的預載轉矩，在副軸上設定-Pre預載轉矩，使主軸和副軸總處在保持張力的狀態。

軸由停止、加速、勻速、減速，再到停止的運動過程中，從轉矩變化來看，在加、減速過程中需要轉矩時，兩臺電機就會產生相同方向的轉矩，工作在負載分享模式下。在停止中不需要轉矩時，通過預載，使其相互處在保持張力的狀態工作在防反向間隙方式下，消除反向間隙。

由上述分析可知，按照軸的運動狀態，兩臺電機可以在負載分享模式和防反向間隙兩種工作方式下切換。

四、串聯控制框圖（圖5）

通常串聯控制中進行位置控制的僅限主軸，副軸僅進行轉矩控制，副軸的速度不進行控制，但為了保持系統穩定，常通過速度反饋平均功能和衰減補償來實現副周速度控制。

（1）速度反饋平均值功能及速度控制

如果副軸速度不控制，當機械具有較大的間隙時，副軸會在齒輪等齒隙間產生振動而導致運行不穩定，且機械會發生大的沖擊。為了防止這種現象發生，通過對副軸進行速度控制，即把主、副電機速度的平均值作為速度反饋值來控制。

（2）衰減補償

為了提高串聯控制的穩定性，若主軸和副軸存在速度差，則在副軸端或主、副軸兩端進行轉矩補償，以消除主副軸的速度差，特別是在控制彈簧剛性較低的機床系統中產生振動時具有效果。

五、機床配置

1.系統硬件連接圖（圖6）

機床系統配置了MAIN和Sub CPU，構成了兩個HEAD，HEAD1中按FSSB連接順序，分別是SDU1，IOU1，X1，Z1，VS，C1，W1，W2。

圖5 串聯控制框圖

圖6 系統連接圖

HEAD2中按FSSB連接順序，分別是SDU1、IOU1、C2。

SDU1為分離式檢測器的接口模塊；IOU1為FSSB輸入/輸出模塊；SVM1為單軸伺服放大器；SVM2為雙軸伺服放大器。

2.FSSB配置（HEAD1）（圖7）

圖7 HEAD1伺服放大器設置

六、系統參數設定

1.通用參數

（1）各軸軸名設定。

①程序軸名稱參數：No.1020（表1），軸名稱標注：No.3131（表2）。

表1

表2

②POSITION界面顯示的絕對坐標軸名設定參數：No.3132。POSTION界面如（圖8）所示。

圖8

（2）位置顯示。參數No.3115#0= 1，坐標中不顯示該軸位置。

（3）CNC控制軸數。參數No.1010，串聯軸副軸和PMC軸不計算在其中。

（4）伺服軸排列。參數No.1023，主軸設定奇數，副軸設定為相連的偶數，需將串聯的副軸分配在CNC控制軸的后面。若軸沒有配置，設定值為-128。

（5）電機旋轉方向。參數No.2022，從電機軸看按CCW方向旋轉，設定為111，按CW旋轉，設定為-111。

（6）位置反饋的設定。參數No.1815#1，是否使用分離式檢測器；參數No.1815#5，是否是絕對編碼器

2.串聯設定

（1）串聯功能設定。參數No.1817#6=1主副軸均進行設定。

（2）平均速度反饋（僅設定主軸）。參數No.2008#2=1，速度平均反饋功能有效。

（3）衰減補償（僅設定主軸）。參數No.2008#7=1，衰減補償主軸和副軸均有效，No.2008#7=0衰減補償僅副軸有效。

（4）衰減補償相位系數（僅設定副軸）。參數No.2036，設定范圍是51-512。

（5）預載轉矩的設定。預載值Preload在參數No.2087中設定。

七、預載轉矩

預載轉矩（Preload）的設定具體數值，與電機和伺服放大器有關。

本機床主軸Z1與副軸VS選用的電機和伺服如下：

電機型號：AIF 30/3000

伺服型號：AISV 160/160。

根據電機說明書，可知電機的轉矩常數：

Torque constant Kt=0.77Nm/Arms（有效值），

因此轉矩常數峰值：Kt=0.545 Nm/Ap，則1Nm對應的電流值即I=1.83 Ap，放大器的極限AISV 160/160為160 Ap，放大器最大電流對應的設定值為7 282，則1Nm對應的設定值×7 282=83。

在調試時，先選用1/4的Stall Torque（30Nm），即為1/4×30×83=623，確認停止中是否保持張力的狀態，若未在該狀態時，逐漸調大該值。在調試優化后，最后該值設為700。

主副軸旋轉方向一致時，PRELOAD設定方向相反，主副軸旋轉方向不同時，PRELOAD設定方向相同。

作為一個大概標準，PRELOAD設定一般設定為靜額定轉矩1/3的值。

主軸Z1與副軸VS在機床中設定的旋轉方向是一致的，則預載轉矩參數Z1：No.2087= 700，VS：No.2087= -700。

在尚未連接兩臺電機的狀態下，務須將預載轉矩設為0，否則主軸電機有可能在非常高的速度下旋轉，十分危險。

八、結語

雙電機串聯控制，在負載分享模式和防反向間隙兩種工作方式下切換，即可提供雙倍轉矩，又可消除反向間隙。為了保持系統的穩定，常會啟用速度反饋平均和衰減補償功能，并且施加合理的預載轉矩，消除反向間隙，有效的保證機床的精度。

[1] FANUC AC SERVO MOTORαiS/αiF/βiS PARAMETER MANUAL 2009.

[2] FANUC Series 16i/160i/160is-MODEL B MAINTENANCE MANUAL 2005.

[3] 梁任，方強.基于轉矩補償的雙電機驅動消隙控制系統[J].機電工程2010.

[4] 孫秀娥，苗松.FANUC串聯轉矩控制和簡易同步控制在數控機床上的應用[J].科技傳播2011.

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