西門子S120伺服驅動器在彈性磨盤半自動成型機中的應用

呂麗平　賈偉娜

（鄭州升達經貿管理學院信息工程系，河南　鄭州　451191）

西門子S120伺服驅動器在彈性磨盤半自動成型機中的應用

呂麗平賈偉娜

（鄭州升達經貿管理學院信息工程系，河南鄭州451191）

本文提出一種采用西門子S120伺服驅動器設計彈性磨盤半自動成型機的技術方案，重點分析采用Starter調試軟件提供的伯德圖及伺服驅動器S120中集成的數字濾波器功能，在保證系統穩定性的前提下，將伺服電機的電流環、速度環及位置環的比例、積分時間閉環參數調整到最佳值，從而實現設備工藝對定位精度及高動態響應的要求。

彈性磨盤；伺服驅動器；伯德圖；數字濾波器

彈性磨盤是磨具的一種，也稱百頁輪，又稱平面砂布輪、百頁片，英文名稱“Flap Discs”。彈性磨盤是金屬和非金屬表面處理的最佳研磨產品。

彈性磨盤以鋼紙或輕金屬基體，將一定的幾何尺寸的棕剛玉或鋯剛玉砂布塊呈扇形（每塊砂布在托盤平面的粘結夾角為10°～30°）疊加排列粘結在基體上而制成的盤式涂附磨具，在角向磨光機上使用，可以和樹脂鈸形砂輪直接互換。其具有較強的彈性，較高的抗拉、抗彎強度，自銳性好、磨削量大、效率高，適用于焊接及沖壓飛邊的打磨，采用鋯剛玉制造的磨盤，對不銹鋼焊縫的打磨具有較高的性能價格比。

彈性磨盤一般有36頁、56頁、72頁、80頁等幾個種類，粒度一般在40#～320#，材質有棕剛玉、鋯剛玉、碳化硅等，可用于造船、汽車、航空、機械、儀表、橋梁及建筑行業以及家具的金屬和非金屬材料的各種型面除銹、除漆、除毛刺、打磨焊縫。

彈性磨盤半自動成型機是集打膠、涂膠、切片、置片和成型于一體，只需要1位操作員操作，即可生產100～180不同規格的百葉輪，單片最快5s即可完成。與早期需要多人操作的成型機相比，具有自動化程度高、效率高、性價比明顯等優點。選用相應的配件可以生產100 （10.16cm）、115（11.43cm）、125（12.70cm）、150（15.24cm）、180（17.78cm）和T27、T29等不同規格的百葉輪；適用于彈性磨盤的成批生產。

1　設備及工藝介紹

1.1設備功能介紹

彈性磨盤半自動成型機設備中各主要組成部分的功能如下。

1.1.1打膠部分。該部分主要完成膠料混合攪拌功能，完成的混合膠料供涂膠機使用。

1.1.2涂膠部分。該部分完成基盤的涂膠功能，由供料電機從打膠設備將膠料輸送到涂膠嘴，基盤電機帶動基盤勻速旋轉，完成360°旋轉，將膠料均勻地涂到基盤上。

1.1.3六工位切換轉盤。該部分由1臺電機驅動，在切片完成后實現工位切換。

1.1.4送料、切片、擺片部分。送料、切片、擺片部分為該設備的關鍵部分，送料和擺片分別由伺服電機驅動完成定位；伺服電機完成砂帶定長送料，送料的同時擺片電機完成固定角度旋轉，送料完成后通過高速氣缸帶動刀片進行切片操作，切片完成后由氣缸后位的接近開關信號觸發下一次送料操作，直到完成一個循環。

1.1.5預整形部分。擺片完成的百頁輪經過工位切換到達預整形工序，在該部分完成預整形工藝。

1.2工藝流程圖

彈性磨盤半自動成型機設備的工藝流程圖如圖1所示。彈性磨盤半自動成型機由打膠、涂膠、工位切換、送料、切片、擺片、預整形及砂帶供料部分等組成，百頁輪上料和下料部分需要1位操作人員手動操作。

圖1　工藝流程圖

2　控制系統構成及完成的功能

彈性磨盤半自動成型機設備控制系統網絡拓撲圖，平面砂布輪半自動成型機控制系統由以下幾部分組成：系統采用西門子S7-1200作為中央控制器，驅動部分采用SINAMICS S120伺服驅動器及1FK伺服電機；S7-1200通過PROFINET通訊與S120進行數據通訊，通訊報文采用111報文，S120驅動器采用MDI定位方式完成送料電機及擺片電機的定位功能，利用S120提供的伯德圖的功能完成控制系統的優化，以實現定位精度及高動態響應的要求；上位監控采用西門子KTP系列觸摸屏，主要完成切片長度、片數的設定功能。

3　設備關鍵工藝及實現方案

彈性磨盤設備性能指標為：切片精度為±0.2mm，切片長度為16～22mm；生產速度為600件/h。

該設備對切片精度和生產速度要求有非常高，因此對送料的電機的動態響應和定位精度要求非常高。以切片長度17mm、切片數量72片為例，72個切片循環要求在5s內完成，折算到每片的時間是70ms，由于切刀是由高速氣缸帶動，去掉高速氣缸的時間，送料電機需要在不大于20ms時間內完成送料動作。

該項目的難點在于如何優化調整伺服驅動器和伺服電機，將控制系統的動態響應調整到最佳，以完成定位精度和高動態響應的工藝要求，為了實現工藝要求必須將伺服電機的電流環、速度環及位置環的比例、積分時間閉環參數調整到最佳值。

本文通過分析計算送料電機的傳遞函數，采用經典控制理論中的頻域分析法，借助STARTER調試軟件中提供的伯德圖及速度環的數字濾波器功能，力求在保證系統穩定性的前提下，調整比例、積分時間參數，提高系統的動態響應特性。

4　伺服系統優化

4.1自動優化功能

為了達到工藝要求的定位精度及動態響應特性，在要求精度不高的場合，可以采用S120集成的自動優化的方法對伺服電機進行優化。但在精度要求比較高的情況下，一般采用在自動優化的基礎上，配合適當手動優化，可以大大提高優化的效率。

自動優化主要分四步對軸進行優化：第一步是電機正轉機械慣量測，第二步是電機反轉機械慣量測量，第三步是電流閉環特性識別，第四步是速度環參數的自動優化。

4.2同步伺服電機電流環優化

該系統采用的是S120伺服驅動器及1FK系列伺服電機，由于西門子同步伺服電機在出廠前電流環已經調試好，所以電流環這一環節不需要進行優化，只需對速度環和位置環進行優化。電流環的帶寬一般要求在1 000Hz左右。

圖2　速度環的系統模型

圖3　速度環各環節的傳遞函數

4.3同步伺服電機速度環優化

使用過程中，需要重點調整速度環參數，在對電流環調整的基礎上，速度環的比例增益與積分時間是最關鍵的整定參數。優化的原則是在保證系統穩定的基礎上，將動態特性調整到最高。在自動優化的基礎上，對控制器參數進行手動調整。參考的依據是系統的伯德圖或是階躍響應。一般要保證速度環的帶寬在100～200Hz。

對于平面砂布輪半自動成型機機械系統的模型，異步電機通常是非線性、強耦合的多變量系統，相比之下，同步電機的模型更加簡單，同步伺服電機電流環模型的傳遞函數為：

式（1）中，τcurrent的大小取決于電機感抗的大小與轉動慣量［1］。

半自動成型機的送料電機與負載是剛性軸連接，屬于簡單的慣性系統，電機與負載可以看成一個整體，構成一個積分環節［2］。速度環的系統模型可以簡化為圖2，速度環各環節的傳遞函數如圖3所示。

速度環的閉環傳遞函數如下：

由此可以看出，對于屬于簡單的慣性環節系統平面砂布輪半自動成型機送料機械環節，速度環的閉環特性為二階系統，速度環控制器的參數影響其特征角頻率以及二階系統的阻尼，而二階系統的阻尼會影響其諧振的大小，系統的理想阻尼為0.707。

4.4位置環優化

在完成速度環和電流環優化以后，位置環的特性就會顯著改善，位置環由于只有比例調節器，沒有積分和微分。對于比例增益，可以從一個較小的值逐漸向大調整，直到滿足系統定位精度的要求。但有時為了獲得更好的加速效果和定位精度，還可以采用沖量（jerk）限制、前饋等方法［3］。

在提高軸的加速度時，軸起動和停止時會對設備有一個沖擊，這個沖擊會損害設備，采用沖量（jerk）限制時，加速度會漸進的增加和減少，通過jerk限制可以實現加速度和加速度的平緩變化，這樣在軸加速/減速階段可以減少對設備的沖擊［4］。

通過以上各環節的優化，可以得到系統的實際工藝曲線，從實際工藝曲線可以看到，電機完成17mm的切片長度需要的時間為16ms，很好地完成了工藝指標要求。

5　結語

實際應用證明，西門子S120伺服驅動器及1FK伺服電機具有調試簡單、定位精確、動態響應高等優點，特別是STARTER調試軟件中提供了伯德圖及數字濾波器等工具，方便對伺服系統進行優化，使其在半自動彈性磨盤成型機得到了成功的應用，實現了定位精度及高動態響應的工藝要求。

［1］Fang Sichen，Zhou Bo，Li Dan.A Novel Space-vector PWM Algorithm for PMSM Drive Systems［J］.Industrial Technology，2009（12）：1-5.

［2］林瑤瑤，仲崇權.伺服驅動器轉速控制技術［J］.電氣傳動，2014（3）：21-26.

［3］秦曉飛，王云寬，鄭軍，等.交流伺服系統振動魯棒M/T測速算法［J］.電機與控制學報，2010（14）：96-102.

［4］Nguyen Phung Quang，J?rg-Andreas Dittrich.Vector Control of Three-phase AC Machines：System Development in the Practice［M］.New York：Springer US，2008：17-58.

The Application of SIEMENS S120 Servo Drive Used in Semi-automatic Flap Discs Forming Machine

Lv LipingJia Weina
（Information Engineering Department，Zhengzhou Shengda University of Economics Business&Management，Zhengzhou Henan 451191）

This paper proposed a technical scheme of using SIEMENS S120 servo driver design of elastic disc semi automatic molding machine，focused on the analysis of digital filter function integrated Bode diagram and servo driver S120 provided by Starter debugging software，under the premise of ensuring the stability of the system，the current loop，the speed loop and the position loop of the servo motor were adjusted to the optimal value，to achieve the requirements of equipment technology for positioning accuracy and high dynamic response.

elastic disc；servo drive；Bode diagram；digital filter

TP29

A

1003-5168（2016）05-0085-03

2016-04-23

呂麗平（1979-），女，碩士，副教授，研究方向：智能控制及計算機應用；賈偉娜（1988-），女，碩士，助教，研究方向：信號與信息處理。