全自動端子壓著機上交流伺服電機的應用研究

張舟

摘 要：全自動端子壓著機是用于剝皮、切斷、端子壓著等線束加工的一種機電一體化機械設備，具有運行平穩、加工精度及效率高等優點。文章主要研究全自動壓著機上交流伺服機的具體應用，并通過伺服驅動器軟件與伺服電機回原點控制方式的優化以提升全自動端子壓著機的運行穩定性。

關鍵詞：全自動端子壓著機；交流伺服電機；應用

中圖分類號：TM383.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0108-02

全自動端子壓著機運行安全可靠、加工精度與效率高、噪音小，線束剝皮精度高達0.01 ms，且每條線束加工平均用時不到1 s，是近年來用于線束專斷加工的重要機械設備[1]。而在全自動端子壓著機的運行加工中，執行電機起著十分關鍵的作用，以下介紹全自動端子壓著機上交流伺服機的應用。

1 交流伺服電機簡介

過去，對調速性能要求較高的場合主要使用調速系統為直流電動機，但是直流電動機具有轉子慣量大、轉向器與電刷易磨損等缺點[2]。與直流電動機相比，交流伺服電機轉子慣量較小、輸出功率高出20%～70%、速度響應性能較優、運行平穩且精度高，同時交流伺服電機采用變換控制系統，可通過驅動器直接將信號反饋到電機編碼器中，采樣效率與質量較高，內部由速度環與位置環構成，因此不易出現過沖或者丟步等問題，具有穩定可靠的控制性能。因此近年來全自動端子壓著機的系統執行電機主要選擇交流伺服電機。

1.1 交流伺服系統

交流伺服系統主要由電源、傳感器件、集成上位機、伺服電動機、驅動控制電路觸摸屏、數據總線、驅動控制電路等組成，如圖1所示。伺服電動機為整個系統的執行元件，主要作用是將電能轉化為機械能；交流伺服中傳感器件的種類較多，常見的有測速發電機、旋轉變壓器、磁性編碼器、光電編碼器、霍爾元件、自整角機等[3]。

以MR-J2S交流伺服電機（日本三菱公司生產）為例，其系統組成及其性能具有多種優點：①配套編碼器為絕對位置編碼器，分辨率大131072脈沖/轉，CPU性能極高，因此能夠極大地提高交流伺服機的響應性；②具備了RS-422與RS-232串行的通信功能，在裝置伺服設置軟件后就可在個人計算機上進行狀態顯示、試運行、增益調整以及參數設置等多種操作；③具有較強的適應性，電機各類型編碼器均能夠支持BAS模式，另加電池到伺服放大器上之后可組成絕對位置系統，適應不同的控制需求；④當原點進行回歸設置后，并不需要再次進行發生警報器的原點回歸設置就能夠恢復正常工作，因此可提高加工的效率；⑤具備機械性能分析、自動調節等多種功能，能夠實現增益搜索、抑制機械振動等功能，不僅操作方便，還能夠自動尋找最佳的增益值。

1.2 電機控制系統

交流伺服電機分有異步型與同步型兩類，前者的控制系統較為簡單；后者結構較為復雜，由電機驅動、電源管理、人機交互、伺服電機、信號處理控制、信號調理采集以及通訊等幾大模塊組成。電機驅動采取IGBT，可通過對IGBT的關斷與導通進行改變以進行電機運作的控制。同時為了更好地進行電機力矩的精確控制以及過載運作的保護，應做好電機電流以及三相電流的實時監測，由AD進行反饋信息轉換并輸入主控芯片，以更好地控制電機的運作。

以前端加工的流程為例：①將線束切斷后需將倒退搬送夾一段距離并旋轉12 °到達剝皮臺位置，然后根據預先設置好的剝皮長度進行搬送夾前進操作；②在線束上切入剝皮刀，然后倒退搬送夾開始剝皮；③將搬送夾旋轉20 °至剝皮檢出裝置，進行芯線檢測，確認檢出后繼續將搬送夾送至壓著臺；④完成壓著操作后將搬送夾退回起點然后開起，最后經送線滾軸按設定長度給出電線。前端加工流程的機械控制，如圖2所示。

2 全自動端子壓著機上交流伺服電機的應用

2.1 參數設置

MR-J2S需設置的參數主要包括脈沖方式、加速時間、電子齒輪等，利用FX2N-1PG控制伺服電機，這一過程需注意脈沖方式的設置應同FX2N-1PG所應用的脈沖方式相一致，以免造成錯誤。

2.2 定位模塊與可編輯控制器的選擇

伺服電機的位置控制主要選擇FX2N-1PG（可由F3U擴展形成）作定位模塊，每組1PG均能夠利用伺服電機上的驅動放大器定量提供的脈沖完成一根獨立軸的準確定位。MR-J2S伺服放大器中選用的可編程邏輯控制器（PLC）為日本三菱公司最新研發制造的FX3U小型控制器，組要功能有：①輸出輸入擴展設備可與FX2N系列輸出輸入擴展設備相連接；②PLC設備可直接連線的輸出輸入點可達256點；③可進行RUN/STOP的遠程操作，極大促進了程序調試的便利；④內置RAM內存為64K步；⑤定位控制指令較豐富，能夠同時進行3根獨立軸的準確定位。

3 交流伺服電機的優化

3.1 軟件優化設計

交流伺服電機是由其驅動放大器所接受的脈沖數量決定電氣的位置，在確定滾珠絲桿與編碼器給量后，可對電子齒輪進行相應的參數設置，這樣一來，每接收到一個脈沖伺服電機就會就移動0.01 °或者0.01 mm[4]。交流伺服機定位模塊示意圖，如圖3所示。

如圖3中的1#伺服電機，可設置電機位置參數為100倍，首次定位至剝皮臺的位置參數則應對應設為12（12×100× 0.01 °=12 °），如果要在啟動單速定位前回到原點，則應將以原點為軸點旋轉8 °的位置作起始位置，即壓著臺與剝皮臺的絕對位置為53 °、20 °。可通過在FX2N-1PG中設置BFM25*以利用單速定位與絕對坐標想配合的方式進行伺服電機位置的控制，從而有效地防止累積誤差。在程序中可用FORM指令讀取伺服電機的當前位置信息并存入D100，然后再分別通各目標位置展開對比，對比結果一致才可與相對應的中間繼電器相接通，如能完成8 °定位表示M100接通，然后可繼續寫入20 °的定位數據，再完成20 °定位后繼續寫入53 °定位數據，以此循環。定位完成的標志位為M288，再完成每次定位之后都會自動連上，M258為啟動單速定位，每次完成定位后會有一段時間的延時然后再進入下一次的單速定位，但程序進行到最后時可采取調轉指令跳轉會第一次設置的定位執行處，達到程序循環的效果。

3.2 回原點優化設計

傳統交流伺服電機的回原點是由兩個位置開關或者一個較長的DOG開關完成伺服電機由高速運行減速到臨界速度v的，伺服電機以臨界速度停車后可以在每次完成定位后調回同一個位置，保證精確回原，如圖4所示。但是傳統控制方式需要電機爬行較長的一段距離才能回原，因此可以對伺服電機回原控制方式進行一定的優化設計，在確保精確回原的前提下提升回原的效率。可在FX2N-1PG系統定位模塊中將DOGG開關設為兩個目標參數，DOG開關調整為ON的時候伺服電機便開始減速，然后調至OFF時立即停車，如圖4（1）所示。其原理是發出回原點指令之后，伺服電機以高速v1回到原點，接受到近原點信號時DOG開關自動調為ON并開始減速，達到指定停車點時調為OFF則伺服電機會立即停止，無需經過爬行。這樣不僅能夠確保交流伺服電機回原點的高效性與精確性，還具有極高的穩定性，相較于傳統回原點具有明顯的優勢。

4 結 語

交流伺服電機具有穩定性高、振動小、精度高等多種優點，隨著工業控制技術、電子技術以及電力技術的發展，交流伺服電機也得到了良好地發展，并逐漸替代直流電動機成為現代數控機床的主要交流伺服驅動方式。在全自動端子壓著機線束加工中應用交流伺服電機能夠有效地提高加工的效率與精度，工業使用性極強。

參考文獻：

[1] 李泳龍.永宏PLC在全自動端子壓著機上的應用[J].PLC&FA，2013，（8）.

[2] 范淑琴，趙升噸，陳超，等.交流伺服電機直驅液壓機傳動系統研究綜 述[J].精密成形工程，2015，（2）.

[3] 張航.基于神經網絡的交流伺服電機控制系統[J].中國新通信，2016，（1）.

[4] 宋春宇，李陟升.交流伺服電機在全自動端子壓著機上的應用[J].電機 與控制應用，2011，（6）.