新型ac伺服电动机/驱动器技术的特征与应用浅析

引言

伺服和运动控制技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在国内外普遍受到关注。在伺服与运动控制产品领域，多样化一直是个鲜明的特点，包括从直流伺服驱动技术到交流伺服驱动技术，从模拟化到全数字化、智能化、网络化，从单轴伺服到多轴伺服，从单机化到总线产品。

众所周知，先进的伺服运动控制技术与解决方案的应用正是提升机器设备性能与档次及市场竞争力的一个重要途径。值此本文将介绍新型ac伺服电动机/驱动器技术特征与应用，并对网络化伺服控制的系统集成方案作分析。

ac伺服电机/驱动器技术特征--超小巧外形与高性能高功能的组合

为此将从特点、系统构成、种类、伺服电动机／驱动器组合、位置控制单元和伺服中继单元电缆组合与ac伺服驱动器规格及ac伺服电机规格连接等作说明，值此以omron（欧姆龙）的smartstep2系列为例作说明。

高性能、简单化

该ac伺服电动机/驱动器解决了从设计到安装与调整启动及运行到维护各阶段的技术问题。特别是提供了整个装置的开发平台，从而使plc的控制可通过功能块变得更加简单。而针对包括plc在内的元器件的连接与设定及编程的fa（工厂自动化）统合工具包（cx-one型），能使这伺服系统从设计到维护实现了整体管理，见图1所示红箭头回绕圈，cx-one是针对包括plc在内器件的连接、设定、编程的fa统合工具包。

工厂自动化统合工具包（cx-one型），能使这伺服系统从设计到维护实现了整体管理，图1中红箭头所示的参数设定／编程的环节。使用了灵巧的（功能块）程序库使编程更简单，而数据编辑／监控环节，利用运动控制工具包（cx-drver型）可进行伺服电机的参数编辑、监控和保存，其报警／维护环节中的数控单元可对驱动器的异常监视更简单。而图1中的ac伺服电动机/驱动器smartstep2系列又可利用fa统合工具的运动控制工具包对驱动器迸行维。

主要特征

灵巧、简单

因ac伺服电动机可为多轴运行，因此要求驱动器更小，从而使控制柜设置面积得到大幅削减。如今超小型的ac伺服电机/驱动器更加小巧了，与同类产品相比设置面积削减了52％，可以为控制柜的节省空间进一步作出贡献。而它和小型plc配合，也希望驱动器能更小。尤其ac伺服电动机/驱动器的高度仅为120mm，可以与小型plc安装在相同的管道间，这样可以使管道间距窄小化，从而实现控制柜的空间大大节省。通过实时自动调谐来设定最佳增益。即承载了实时自动调谐功能，从而可实时推算设备的负载惯量，并根据其结果来自动设定最佳增益，从而使调整变得更简单，

高功能

作以下说明：可以高速定位／移动。这是其指令脉冲频率可以达到500kpps的高速度，是同类以往产品的2倍，因此可以在高速下进行高精度控制，达到了缩短了间歇时间之目的；通过控制器能接收来自驱动器的反馈脉冲，并能在上位确认当前位置，这样达到了通过反馈脉冲监视装置定位有无异常之目的，图2为高速下进行高精度控制示意图。

它有保持2种转矩限制值的功能，在挤压成型、部件插入等应用中，可以切换转矩使用，达到了希望能改变推动力使用之目的；通过适应滤波器来降低机械振动。它能自动检测振动频率，消除振动，即使共振频率发生变化也能实时自动追踪，可以降低传送带等刚性较低的机械振动，达到了希望能降低机械振动之目的。它能对各种各样的应用来切换指令控制模式，就是说它可以在位置控制、速度控制、转矩控制模式间切换使用。尤为突出的是在压机、张力、挤出等应用中有出色表现。

上述ac伺服电动机/驱动器的技术特征分析充分反映了它从设计→安装→调整启动→运行→维护各阶段的高性能简单化。

驱动器种类

通用输入型、脉冲串输入型，其功能如下：

电源规格分为acl00v、ac200v。而电机容量又分单相、单相／三相与三相。而接口指令形态分为脉冲串、模拟量及高速伺服通信的运动网络。其控制模式分位置控制，速度控制及转矩控制。而控制模式切换又分为模式切换。其调谐功能又有陷波控制、自动调谐与实时自动调谐等三种。而驱动器功能可实现转矩限制、编码器输出内部设定速度。

对功能的说明

其脉冲串是一种针对伺服而言，是将速度及移动量通过脉冲串输入的一种方式，而转矩控制是调节旋转力的控制，在零件压入、成型、螺丝紧固等用途上非常有效；而最佳增益功能，由于位置控制时的实时自动调谐设定是自动设定的，因此在一定模式的动作反复输入后，可以自动实现适当的刚性设定。

模拟量是一种针对伺服，将速度及移动量以模拟量来输入的方式；而指令控制模式切换，可以在位置、速度、转矩控制中，选择2种控制模式切换使用；其绝对值输出是指控制器通电后，控制器读取驱动时绝对位置的数据，以实现恢复到绝对位置。

陷波控制功能可根据振动频率自动设定滤波器来抑制振动。当inc增量型输出时，从控制器接通，电源一直保持原点位置开始的方式。

位置控制是指移动到目标位置，移动完成后使其停留在目标位置的一种控制方式；而自动调谐是指电机根据驱动器自动生成的指令模式运行，并根据当时所需的转矩推选出负载惯量，自动设定恰当的增益。

适应滤波器可实时自动调谐，实时推算机器的负载惯量，并根据其结果自动设定最佳增益。而速度控制是改变速度、转数的一种控制方式，在诸如打磨石旋转、溶接速度、传送速度等用途上非常有效；其转矩限制功能可通过限制电动机输出转矩的功能，该功能可以在第1转矩限制／第2转矩限制间切换使用。

ac伺服电动机/驱动器应用实例

ac伺服电动/驱动器超小型、高功能伺服，而且简单，又可轻而易举的高精度定位。应对各种用途的功能和丰富的伺服种类，可实现最佳组合，可在滚珠丝杠、传送带等方面应用。

应用案例

在部件压入、压机、螺丝紧固上的应用，见图3所示。其可编程控制器，用sysmac cj系列），位置控制单元用cj1w-ncf71型。

图3可编程控制器plc的高速脉冲来控制伺服电机，即接收2mhz的脉冲，实现且自动调谐高级功能。

在绕卷、进给控制上的应用示意图，见图4所示。

交流伺服电动机位置驱动监控系统中的上位机与伺服驱动器间的通信实现

交流伺服电动机驱动器由于其应用简便和性能可靠，已广泛的应用在数控机床与工业位置传动装置中。市场上新型的交流伺服电动机驱动器都具有符合rs485协议的串行通信接口，计算机可利用这一接口电路与驱动器之间实现串行通信，向驱动器发出相应的位置运行指令和速度运行指令，控制伺服电机的运行，并及时反馈电机的运行数据，供计算机分析．由于这种方法控制的稳定性好、精度高、传输距离远、可双向交流控制信息、线路简单、很有发展前景。

上位机与伺服驱动器间的通信设计方案

现在工业用伺服驱动器通常都配置了rs485通信接口，利用该接口通过编制相应的驱动程序即可以实现上位机与伺服驱动器的信息交互。

rs485串行通信：工业rs485通信采用2线双绞传输方式，即数据d+和数据d—，这种数据差动传输方式可以有效地消除干扰的影响。另外，rs485通信为1：n方式，1台主控机（上位机）可级连多达16台被控机（伺服驱动器）。

rs485通信规则：采用选择／查询方式，被控机（伺服驱动器）常处于等待主机选择或查询状态。伺服驱动器在待机状态时，符合编号的被控机（伺服驱动器）接收到主机的帧信号，判断为正常接收信号后，对帧信号处理。

通信的连接：在主控机端为rs232／rs485转换接口，而被控机端为rs485通信口。在主控机和被控机之间用2线双绞屏蔽电缆连接，在被控机末端加终端电阻。

高速伺服通信的运动网络的应用

伺服系统是机电产品中的重要环节，随着计算机技术的进展，交流伺服系统在经过广泛运用的前景下正向着网络化控制方向发展。值此有必要介绍对新型ac伺服电机/驱动器的高速伺服通信运动网络技术的应用作介绍。

基于独立数字运动控制器的网络伺服系统的集成

独立性的数字运动控制器的网络伺服系统就是在运动控制时，脱离计算机或工控机的通讯操作控制，直接把控制程序和要运行的程序下载到运动控制器本身所带的闪存里面。有设备的外围触发信号触发程序就开始运行。值此是基于以omron公司的以smartstep2驱动器与r88m-g伺服电机为例的的网络伺服系统的系统集成的结构示意框图，见图5所示。

上位计算机通过支持tcp／ip协议的网络通讯适配卡（100m）获得对以太网总线的支持，负责对整个系统的运行和工作状态进行监视管理。上位计算完成任务规划后，由第三方软件完成用户应用程序开发，根据tcp／ip协议通过以太网将生成的程序指令传送给嵌入式多轴运动控制器。

在图5的网络伺服运动控制系统中，控制器不断产生更新的位置命令（运动曲线），通过现场总线下传给驱动器，在总线节点解释指令后将转化为数宇脉冲信号，以控制交流伺服电动机，完成定位。在一个多轴系统中，一个控制器可以控制多个电机驱动器。伺服电动机是主要的执行部件，完成具体动作。图5中运动控制器可用fqm1-mm22型多轴运动控制器，也可用mc260这些控制器采用工业专用的32位，120hhz～150hhz的最新微处理技术，融合最新的控制理论及其网络控制技术，可选用不同的控制器可控制1—24个轴。可以用0～±10v的模拟量电压输出和编码器反馈形成全闭环控制，来控制伺服电动机。也可以控制步进电动机，变频器，气动，液压伺服，或者是这几种的任意结合。

结语

众所周如，数控机床与工业自动化离不开伺服电机/驱动器动力源的智能化，尤其是当今处于网络化时代，除了动力装置的智能化外，还需网络化。而上述的新型ac伺服电动机/驱动器技术特征与应用介绍，比较理想能的解决了伺服电动机/驱动器从设计→-安装→调整启动→运行→维护众各阶段问题的智能化，它是工业自动化的工程设计人员一种较好的选择，也为工业自动化系统的研发拓宽了设计思路。