基于交流伺服驅動的一種自動化軸對中方法研究及應用

摘要：針對企業中電機、發動機測試過程中對中安裝勞動強度高且效率低下的問題，探討了一種全閉環伺服控制驅動的半自動化軸對中方法。基于該對中方法設計制造了一種適用于微型、小型電機測試的設備，在此設備上反復進行被測試電機的對中安裝試驗，驗證了這種對中安裝方案對降低勞動強度、提高工作效率的有效性。

關鍵詞：軸心對中；交流伺服驅動；全閉環控制；試驗裝置

中圖分類號：TP791 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0055-03

在電機、發動機制造企業中，成品電機或發動機作出廠試驗，定型產品作定期的型式試驗抽檢，均會碰到在試驗室試驗臺架上安裝被測產品的問題。以電機產品檢測為例，按傳統操作方法，檢驗人員先安裝好負載機，然后借助夾具固定安裝被測電機及傳感器，由于必須將電機軸與負載機軸對中或將傳感器軸與負載機軸對中達到一定精度（有些情況下對中精度要求還非常高），安裝過程中便會不斷的人工調節電機、傳感器的位置，特別是在夾具制造偏差較大時，調節過程反復多次也不能達到目的，還需不斷塞墊薄銅片來彌補誤差，這個過程既費時又費力，但效果往往還不好，遇到小批量多品種試驗時情況尤為嚴重，操作人員苦不堪言。

一個自然的想法是：能否將此對中安調過程電動化甚至于自動化呢？目前電動化的由按鈕點動操控的試驗裝置已經在一些企業試用中，然而自動化的尚沒有。本文探討了一種基于伺服電動機驅動的軸對中自動化方案，對于其中中低精度大范圍輸運對中的方案在一款適用于微型、小型電機批量測試的試驗設備上予以實現。如圖1、2所示。

1 基于PMSM伺服驅動的一種自動化軸對中定位方法

以電伺服驅動實現軸心自動對中，可以采用的方案和策略很多，我們設計了一種電機試驗的裝置，如圖3為示意圖。該裝置主體基于一種三坐標定位安裝試驗臺架，該臺架具有三個方向的移動自由度，每個方向都采用滾珠絲桿滑臺傳動以及手輪和閉環伺服驅動控制的方式，以“PC+運動控制板卡”作為上位控制器完成系統的驅動控制及監控。基于這種裝置系統，我們引入一種半自動化的對中定位方式，以下對此做詳細討論。

基于以上設計的試驗裝置，實際使用時，可先將負載機（如磁粉制動器）安裝固定，以負載機軸心為目標點，當人工測定了目標坐標以后（可以只測定其X、Z坐標，而軸向---即Y向待對準后，軸裝上聯軸器，與負載機軸相連），將臺架上的被測對象自動運送至相應位置，由于被測試安裝對象處于隨機位置，需“遠距離”輸送，如采用常用的半閉環伺服驅動方式（即與驅動伺服電機軸端連接的旋轉編碼器反饋既用于速度環也用于位置環），傳動鏈上較大的誤差得不到有效補償與克服，因而我們采用全閉環的伺服驅動方式，在X、Z軸方向安裝光柵尺，單軸系統構造如圖4所示。末端位置檢測傳感器我們采用了光柵尺，光柵尺用于測量被測設備軸心的絕對位置，光柵尺檢測信號作為位置信號反饋到PC機構成位置閉環。這種輸運對中方法對大多數電機、發動機的測試安裝來講精度已經足夠。

大范圍輸送的運動方式是點到點的運動，板卡實施點位控制，其特點是運動控制僅僅對終點位置有要求，與運動的中間過程即運動軌跡無關，沿各個方向的運動之間無關聯，即各軸可以獨立控制運行（當然實用中也可以采用多軸聯動插補的方式），但需要高定位精度和穩定性。當把期望坐標和期望速度輸入控制器（控制板卡）后，運動控制器（控制板卡）會對到目標的運動從總體上進行規劃。因為輸送對路徑沒有特別要求，所以運動控制器的作用是在運動的加、減速段采用不同的控制策略。在加速段，為了使系統能平穩地加速到設定速度，提高系統增益和加大加速度；在減速段，為了使系統在目標點及時停下而不產生過沖，采用S曲線作為減速過渡曲線。大范圍傳輸的控制原理如圖5，圖中Xd和Yd是期望到達的位置坐標，X和Y是光柵尺測得的坐標將反饋給控制板卡。當實測坐標不是期望坐標時，系統發出運動脈沖，繼續運動到預定位置為止。圖中的PI控制算法在伺服驅動器上實現，PID控制算法在運動控制板卡上實現。

2 大范圍輸送對準方案的工程實現及上位機控制軟件設計

在絕大多數情況下負載機與被測電機的軸對中，只需要測定負載機軸心坐標，由伺服滑臺直接將電機送到位進行初步對中即能達到要求，這種對中安裝方法具有廣泛應用背景及重要的實際價值。為此，與相關企業合作，我們按試驗系統設計方案實際完成了試驗裝置的樣機制造和安裝調試，并基于板卡完成了輸運對中應用軟件的二次開發，設備實物如圖6。

系統采用研華工控機（IPC-7132）及雷泰DMC5480四軸運動控制卡作上位控制器，試驗臺架的X、Y、Z各軸均以臺達伺服電機及驅動器作為驅動單元，其中Z軸伺服電機為1000W，型號為ECMA-C-0910ES，配套驅動器型號為ASD-B2-1021，各軸工作臺裝光柵尺（KA-300-5041A-370-9-3）檢測反饋位置信號到上位機運動控制板卡完成數據采集與顯示。另外，用于對被測試電機加載的磁粉制動器（FZ50.J/Y）以及用于檢測速度、轉矩的傳感器（ZJ-20A）均安裝在Z軸升降平臺上。

當運動控制板卡以速度接線模式與伺服驅動器連接，伺服驅動器與電機設置在速度控制模式，系統就搭建成三環串級全閉環控制結構，其中電流、速度閉環控制調節由驅動器完成，位置外環控制調節由上位控制器完成。另外，在win7環境下用C# 語言基于板卡庫函數編制了一套應用軟件，能對三軸設定運動控制參數，能實現直線插補、圓弧插補、單軸控制，能實時采集各軸位置信號并實現時間、位移數據列表和相應的圖形曲線顯示。輸運對中程序框圖如圖7。以重力荷載擾動顯著的Z軸為對象進行單軸測試，其點位控制的數據采集顯示、位移曲線顯示及界面功能顯示如圖8。

3 結語

本文討論的對中安裝方案，嚴格講是半自動化的，因為它依賴于人工測定目標軸心坐標，這樣做一是效率還不夠高，二是人工檢測過程中無論采取何種方式誤差總是較大，并且該誤差為在控制閉環以外的輸入誤差，不能補償。為進一步提高效率，減少誤差，提高對中精度，作為以上方案的自然發展和提升，可以進行全自動的對中安裝系統的研制。如此，就需要添加新的傳感器系統，試驗系統必須完成從任意隨機位置（被測電機位置）起始向目標（負載機軸心）的自動搜索，這就需要對搜索算法和軌跡進行設計和規劃，涉及一種基于DMC5480板卡的專用軟件程序開發。

參考文獻

[1]吳牮.電氣傳動技術[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2017.

[2]蔣君俠，陳琪.三坐標定位器系統動態特性分析和實驗[J].計算機集成制造系統，2009，15（5）：1004-1009.

[3]吳牮，張進春.一種三軸自動定位安裝系統的動態特性研究[J].西南大學學報（自然科學版），2016，（10）：176-184.

[4]曾孟雄，趙千惠.基于PMSM的三環數控交流伺服系統[J].組合機床與自動化加工技術，2012，（5）：45-48.

[5]郭慶鼎，王成元.交流伺服系統[M].北京：機械工業出版社，1994.

[6]鄭子文.超精密機床伺服控制技術研究[D].國防科學技術大學，2001.

[7]李慶濤，徐德，劉云.基于PLC的大范圍運動與高精度對準控制[J].制造業自動化，2007，29（6）：48-52，67.

[8]李正，吉錘.光柵檢測位移量的專用車床閉環控制系統[J].電氣自動化，1998，（6）30-32.