一種直線伺服電機實訓平臺的設計

何躍軍，李興貴

（1. 深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055；2. 東莞市典航自動化設備科技有限公司，廣東 東莞 523000）

直線電機與常見的旋轉電機相比，沒有傳動中間轉換機構，剛性高，定子、動子不接觸，行程不限等諸多優點[1-3]．隨著新型控制理論、永磁材料及加工技術，特別是現代電力電子技術的飛速發展，與傳統的傳動方式相比，其動態響應、速度、精度等方面的優勢越發明顯，在精密機床、機器人、半導體制造、電子元件的接插等同時對速度和精度有著較高要求的工業領域，不斷受到青睞[4-6]．但其應用過程中，對使用者的專業理論知識和綜合技能要求較高，一般較難掌握．基于此，本文設計了一款直線伺服電機實訓平臺，學生利用該平臺，能增強對直線電機的感知度，加深對直線電機原理的理解，迅速掌握直線電機常用的實操技能，滿足市場對高技能人才日益增長的技術需求．

1 實訓平臺硬件系統設計

1.1 結構設計

實訓平臺硬件原理框圖如圖1所示，三維結構圖如圖2所示．由電機本體及控制部件和控制對象兩大部分組成，采用上、下位機主從控制方式，上位機為PC機，利用與直線電機配套的監控軟件，監控下位機（伺服驅動器）運行．平臺采用模塊化設計，能實現電機位置、轉矩、速度以及組合等多種控制模式運行，具有設計新穎、價格低廉，易于分層次教學，學習上手快等優點．

圖1 實訓平臺硬件原理框圖

圖2 實訓平臺三維結構圖

1.2 平臺主要器件及應用

平臺下位機以匯川電氣推出的SV520PS2R8I直線伺服驅動器[7]為控制核心，上位機監控軟件采用匯川電氣驅動器配套軟件 inoServoshop，主控電機采用直驅式直線電機，電機型號為DH-Z-N12-23-C，驅動器輸入和輸出電壓分別為220V 和 0～240V，AC；輸入和輸出電流分別為4.0 A，2.8 A．電機主要額定參數見表1，系統主回路原理圖如圖3所示，它由單相220 V交流供電，L1，L2端子為驅動器主回路電源輸入端，L1C，L2C為驅動器控制回路電源輸入端．CN2為電機編碼器線纜．主回路報警保護原理如下：上位機監控軟件設置參數 H0406=11，使驅動器輸出口DO4為報警輸出功能，這樣當驅動器被觸發報警后，ALM+端（DO4端子）則立即響應，發出低電平，令繼電器RELAY得電，其常閉觸頭斷開，常開觸頭閉合，主控制回路輸入電源回斷開，指示燈3亮，完成系統報警保護．

表1 電機額定參數表

圖3 主回路電路原理圖

2 平臺控制對象功能設計

2.1 定位投彈機構

實訓過程中，為檢驗電機定位的準確性，除借助平臺上的刻度尺觀察外，為增加實訓的趣味性，還設計有定位投彈機構，其結構圖參看圖2和圖4，它由繼電器帶動的插銷，投彈管，投彈收集器等構成．當控制直線電機運行到設定的刻度位置時，使伺服驅動器I/O口驅動繼電器主線圈得電，控制插入投彈管內的插銷收縮，投彈管內鋼珠得以釋放，由投彈孔進入投彈收集箱，標志一次定位操作的完成．其后，控制繼電器線圈復位，插銷重新插入投彈管，為下次定位運行做準備．

圖4 投彈機構結構圖

2.2 撞塊與阻尼機構

撞塊及阻尼機構參看圖2和圖5．撞塊附著在電機本體上，隨電機作左右往復直線運動．當直線電機向右運行，電機上附著的撞塊，碰到前方撞針，由于撞針上的彈簧阻尼作用，則導致電機阻力矩改變，驅動器能通過反饋環節，自動調節電機力矩大小，以保持恒力矩運行．變化的力矩數值，可以通過上位機監控軟件觀察得到．設計該機構的目的，是用來展示直線電機處于轉矩運行模式中，電機遇不同阻力矩時，電機轉矩自動調節狀況．

圖5 撞塊與阻尼機構結構圖

3 實訓項目設計

3.1 方案設計

本實訓項目圍繞直線伺服電機最常用的4種運行模式的應用展開,學生通過完成4種模式相應的實訓項目，掌握直線電機的原理和熟悉直線電機的使用．例如通過位置模式項目實訓，掌握電機的精準定位方法；通過速度模式實訓，掌握電機的多速運行步驟；而通過轉矩模式實訓，則掌握電機的張力控制技巧．各實訓項目名稱與功能見表2．實訓項目中，電機位置、速度或轉矩等狀態參數，均可通過上位機調試軟件界面監測，方便使用者監控系統運行．

表2 平臺實訓項目表

本實訓平臺特色之一是可以進行分層次項目化教學，供不同專業，不同學習階段的學生使用，以最大限度地提高設備使用效率．使用時，可分為兩個層級開展教學．

3.2 第一層級實訓設計

把平臺用于常規課程教學，可作為專業基礎課程《電機傳動》類課程中有關伺服電機原理的配套實訓平臺，考慮到課程課時有限，實訓時，可要求學生把主要精力放在直線電機的原理學習和4種運行模式的應用上．學生借助實訓指導書，手動設置參數，連線，操作各類按鈕，利用上位機和驅動器自身產生脈沖控制信號，控制電機進行，即可完成各類實訓項目，無需進行PLC編程運行．

3.3 第二層級實訓設計

除去手動控制運行外，還可利用PLC作為外部輸出脈沖信號，以編程方式，控制電機運行．這樣，即可把本實訓平臺作為一個綜合項目的控制對象，在高年學生或專業人員中，開展一些綜合性實訓或進行科研工作．例如，對于多位置模式，可采用脈沖指令控制模式，設置參數H0500=0，即由PLC提供外部脈沖，控制直線電機的運行．驅動器與PLC電路連接圖如圖6所示，為可靠起見，控制電路中，使用驅動器內部電源供電．

圖6 PLC控制電機運行控制回路接線圖

4 調試與應用

4.1 系統參數調試

不同實訓項目在開展前，都需要進行系統參數識別、整定和設置，以使電機各參數合理匹配，電機獲得最佳運行性能．參數識別和配置其流程圖如圖7所示．圖7的流程主要針對H00-伺服電機參數組；H08增益類參數組；H09自整定類參數組進行設置．其具體設置方法及注意事項闡明如下：

圖7 系統參數識別和配置流程圖

1）電機本體參數既可通過監控軟件設置向導進行設置，也可通過軟件后臺功能碼手動配置．設置時，切忌電機額定電流設置過大，將燒毀電機．

2）在第一次對驅動器和電機進行配置時，由于不清楚電機動力線標稱和驅動器相序是否匹配，因此需要執行軟件界面中UVW相序辨識功能，以使驅動器自動識別和匹配電機相序，確保電機正確運行．

3）磁極辨識的目的在于獲取電機動子初始位置的電角度值，以確保電機能正常運行．

4）JOG點動調試時，可規劃單段位置指令，反復執行以檢測系統的可靠性．

5）慣性辨識的目的在于獲得系統的慣量比，一個正確的慣量比，有助于系統快速完成調試．

6）得到正確的慣性比后，還需要進行系統增益參數調整，以確保電機能對上位機發出的控制指令，進行準確的跟蹤并迅速響應．增益參數調整可分自動增益調整和手動增益調整兩類．調試中，首先需行自動增益調整，即通過軟件向導式自動調整功能，根據電機參數、初始角識別、曲線軌跡，響應需求參數等，控制電機自動運行并學習出最優參數．如果自動增益調整沒達到預期效果，則還需要進行手動增益微調，以優化調整效果．

7）如果此時系統仍出現有較大的振動，則可利用監控軟件提供的陷波器功能，抑制振動．

系統慣性辨識，剛性調節，對于提高系統動態響應，抑制振動尤為關鍵．

4.2 電機主要運行參數設置

實訓中，電機主要運行參數的設置是根據電機不同運行模式的要求[7]，針對 H02-H07、H11-H12等參數組進行設定，以多位置模式實訓項目中，控制參數設置為例，其參數設置流程圖如圖8所示．通過設置多位置參數，即可控制電機按設置要求，進行分區段、定速、定位運行．

圖8 多位置模式參數設置流程圖

4.3 常見問題及處理

直線伺服驅動器自身設計有故障診斷系統．系統發生故障時，一般通過查看驅動器故障代碼，按驅動器說明書提示，解決處理．實訓調試過程中，常見問題及解決方案如下：

1）進行自整定模式參數調整時，如果電機出現大的噪聲，則首先檢查H0A故障組參數H0A13初始角度辨識方式選擇是否正確，其次調整剛性等級，以排除問題．

2）出現相序錯誤報警，則任意調換電機兩相接線即可．

3）出現動子超程，則需立即斷開使能按鈕，把動子拖至初始位置，檢查硬限位開關，然后重新上電即可．

5 結 論

本文從結構、功能、項目實施方案以及電機運行參數的設置和整定等多角度，對一種直線電機平臺的設計進行了闡明，教學實踐表明，該平臺的設計取得了理想的效果，各項性能指標和功能均已達到設計要求．利用該平臺開展分層次項目化教學，學生能深入掌握直線電機的原理，增強對伺服系統動態響應相關概念的感性認識，提高動手能力和操作技能．