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一、引言

上海玉菱鋁塑管包裝有限公司的1臺(tái)鋁塑管切割機(jī)是1998年投產(chǎn)運(yùn)行的，其控制系統(tǒng)是通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)，這種控制模式已經(jīng)落后，整個(gè)系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：

• 參數(shù)的調(diào)整和整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試難度大；
• 繼電器控制，故障率高，維護(hù)困難，嚴(yán)重制約著生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行；
• 產(chǎn)品的廢品率高。

上海理工大學(xué)數(shù)控?cái)?shù)顯實(shí)驗(yàn)室受其委托，對(duì)其設(shè)備進(jìn)行全數(shù)字化技術(shù)改造，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低產(chǎn)品的廢品率。

二、系統(tǒng)概況

整個(gè)系統(tǒng)的核心是全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入、輸出信號(hào)通過PLC與觸摸屏的通信，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)鋁塑管的準(zhǔn)確切割（切割誤差小于0.2mm）。其系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

三、系統(tǒng)設(shè)備配置

根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，選擇控制系統(tǒng)的元器件：

1、伺服系統(tǒng)器件的選擇

選用松下大型MINAS V系列的全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器MDD203AIV（其主要性能指標(biāo)：適配電機(jī)的額定功率為2000W，電源電壓為3相220V，編碼器類型為2500P/R，與驅(qū)動(dòng)器配套使用的交流伺服電機(jī)為MDM202A1。

2、主控系統(tǒng)器件的選擇

選用松下FPO系列化產(chǎn)品C16T（NPN 型，輸入與輸出均為8個(gè)點(diǎn)）

3、人機(jī)交互界面的選擇

選用我國(guó)臺(tái)灣的HITECH人機(jī)觸摸屏（配有強(qiáng)大的功能軟件ADP3）。

四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心器件是FPOC16T，其輸入信號(hào)包括：交流伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)（編碼器零位脈沖輸出，報(bào)警輸出）、色標(biāo)傳感器信號(hào)和變頻器報(bào)警信號(hào)。其輸出信號(hào)包括：交流伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)（脈沖輸入信號(hào)，脈沖方向輸入信號(hào)）、變頻器啟動(dòng)信號(hào)及頻率設(shè)定選擇信號(hào)、高頻焊接信號(hào)。PLC的I/O（輸入與輸出）信號(hào)分配如圖2所示。

圖2 PLC 輸入和輸出信號(hào)分配

可見，控制系統(tǒng)的核心任務(wù)是完成交流伺服驅(qū)動(dòng)器信號(hào)的控制。

五、交流伺服驅(qū)動(dòng)器主控回路設(shè)計(jì)

1、主回路

主回路中驅(qū)動(dòng)器上的U,V,W 及E號(hào)端子與伺服電機(jī)主回路航空插頭的A,B,C及D號(hào)端子必須按次序一一對(duì)應(yīng)地連接，否則有可能使驅(qū)動(dòng)器或伺服電機(jī)造成損害。交流伺服驅(qū)動(dòng)器接線端子如圖3所示。

圖3 交流伺服驅(qū)動(dòng)器接線端子

2、控制回路

(1) 聯(lián)接器CN I/F信號(hào)線（50 針）：作為外部控制信號(hào)的輸入/輸出。其注意事項(xiàng)是：

• 用24V，d.c.的電源，作為控制信號(hào)的供電。
• 伺服驅(qū)動(dòng)器與其它設(shè)備間的連線應(yīng)盡量短（3m以內(nèi)）。
• 控制線與電源線應(yīng)盡量隔開（大于30cm），并且不要將它們捆在一起或放在同一接線槽內(nèi)。
• 對(duì)于CN I/F 信號(hào)線應(yīng)采用雙絞屏蔽線，并且將屏蔽線與驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)地（GND）連在一起。

(2) 聯(lián)接器CN SIG信號(hào)線（20 針）：作為伺服電機(jī)編碼器的連接線。其注意事項(xiàng)是：

• 將屏蔽線同CN SIG的GND引腳相連，將電機(jī)屏蔽線同驅(qū)動(dòng)器屏蔽線相連接。
• 電纜線最長(zhǎng)的長(zhǎng)度為20m，若太長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)保證編碼器正常工作的輸出電壓（5V）會(huì)有損失，從而使編碼器不能正常工作。此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器在前面板上的PG電位器，調(diào)節(jié)PG可使起始電壓在4.75--5.25V之間。
• 同電源線（R，S及T）相隔距離應(yīng)盡量遠(yuǎn)（大于30cm），并且避免捆在一起或接在同一接線槽內(nèi)。

六、交流伺服驅(qū)動(dòng)器用戶參數(shù)設(shè)置

松下大型MINAS V系列的全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器MDD203AIV有一系列的參數(shù)，通過這些參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，用戶可以改變系統(tǒng)的性能和功能。調(diào)試前應(yīng)首先設(shè)置的參數(shù)有：

1、參數(shù)No.02：設(shè)置驅(qū)動(dòng)器控制方式為“0”———位置（脈沖）控制方式；

2、參數(shù)No.25：設(shè)置指令脈沖分/ 倍頻分子為“10000”；

3、參數(shù)No.26：設(shè)置指令脈沖分/ 倍頻分母為“1000”；

4、參數(shù)No.29：設(shè)置指令脈沖輸入方式為“3”——— 選擇脈沖串指令輸入及符號(hào)輸入。

注意：在位置控制方式時(shí)，通過對(duì)No.25及No.26參數(shù)的設(shè)置，可以很方便的與各種頻率的指令脈沖源相匹配，以達(dá)到用戶理想的控制分辨率（即：角度/脈沖）。因二者的值差異過大會(huì)造成控制精度下降，所以推薦設(shè) 置No.25/No.26（即：電子齒輪比）為：1/50< 電子齒輪比<20。

在生產(chǎn)線上安裝調(diào)試時(shí)，伺服電機(jī)在停止或運(yùn)行狀態(tài)中會(huì)發(fā)生振蕩和噪聲，即不能在負(fù)載條件下獲得最合適的響應(yīng)和穩(wěn)定性，此時(shí)需要進(jìn)行基本增益調(diào)整。在位置控制方式時(shí)，在工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行基本增益調(diào)整的用戶參數(shù)有：

1、設(shè)置參數(shù)No.03的值至較大值而不至于發(fā)生振蕩為止；

2、設(shè)置速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)參數(shù)No.04 較小值，其值越小，位置偏差值相減越快；

3、設(shè)置位置環(huán)增益參數(shù)No.20 較大而不發(fā)生振蕩為止；

4、設(shè)置參數(shù)No.21，將速度前饋系數(shù)設(shè)置為最?。?%）。

增益調(diào)整時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)：

1、增益的最優(yōu)值依負(fù)載而定，若負(fù)載變化，則需要重新調(diào)整。

2、若位置環(huán)增益過大，機(jī)械剛性較高，有可能導(dǎo)致振蕩。

3、若采用驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)而外加位置環(huán)單元，伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益會(huì)由于速度指令輸入增益參數(shù)的改變而改變。

4、若增益設(shè)置值過大，會(huì)引起振蕩，這時(shí)應(yīng)減小設(shè)置值從而停止振蕩。若不能停止振蕩，則關(guān)掉電源和伺服系統(tǒng)信號(hào)，然后再開啟電源將增益恢復(fù)到較小的值。

七、結(jié)束語

本自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)過合適的選型，認(rèn)真的硬件配置及完善的程序設(shè)計(jì)，完全滿足鋁塑管準(zhǔn)確切割的要求，該系統(tǒng)自2000年5月投入運(yùn)行至今，一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好，得到了用戶的好評(píng)。