基于交流伺服驱动的一种自动化轴对中方法研究及应用

摘要：针对企业中电机、发动机测试过程中对中安装劳动强度高且效率低下的问题，探讨了一种全闭环伺服控制驱动的半自动化轴对中方法。基于该对中方法设计制造了一种适用于微型、小型电机测试的设备，在此设备上反复进行被测试电机的对中安装试验，验证了这种对中安装方案对降低劳动强度、提高工作效率的有效性。

关键词：轴心对中；交流伺服驱动；全闭环控制；试验装置

中图分类号：TP791 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0055-03

在电机、发动机制造企业中，成品电机或发动机作出厂试验，定型产品作定期的型式试验抽检，均会碰到在试验室试验台架上安装被测产品的问题。以电机产品检测为例，按传统操作方法，检验人员先安装好负载机，然后借助夹具固定安装被测电机及传感器，由于必须将电机轴与负载机轴对中或将传感器轴与负载机轴对中达到一定精度（有些情况下对中精度要求还非常高），安装过程中便会不断的人工调节电机、传感器的位置，特别是在夹具制造偏差较大时，调节过程反复多次也不能达到目的，还需不断塞垫薄铜片来弥补误差，这个过程既费时又费力，但效果往往还不好，遇到小批量多品种试验时情况尤为严重，操作人员苦不堪言。

一个自然的想法是：能否将此对中安调过程电动化甚至于自动化呢？目前电动化的由按钮点动操控的试验装置已经在一些企业试用中，然而自动化的尚没有。本文探讨了一种基于伺服电动机驱动的轴对中自动化方案，对于其中中低精度大范围输运对中的方案在一款适用于微型、小型电机批量测试的试验设备上予以实现。如图1、2所示。

1 基于PMSM伺服驱动的一种自动化轴对中定位方法

以电伺服驱动实现轴心自动对中，可以采用的方案和策略很多，我们设计了一种电机试验的装置，如图3为示意图。该装置主体基于一种三坐标定位安装试验台架，该台架具有三个方向的移动自由度，每个方向都采用滚珠丝杆滑台传动以及手轮和闭环伺服驱动控制的方式，以“PC+运动控制板卡”作为上位控制器完成系统的驱动控制及监控。基于这种装置系统，我们引入一种半自动化的对中定位方式，以下对此做详细讨论。

基于以上设计的试验装置，实际使用时，可先将负载机（如磁粉制动器）安装固定，以负载机轴心为目标点，当人工测定了目标坐标以后（可以只测定其X、Z坐标，而轴向---即Y向待对准后，轴装上联轴器，与负载机轴相连），将台架上的被测对象自动运送至相应位置，由于被测试安装对象处于随机位置，需“远距离”输送，如采用常用的半闭环伺服驱动方式（即与驱动伺服电机轴端连接的旋转编码器反馈既用于速度环也用于位置环），传动链上较大的误差得不到有效补偿与克服，因而我们采用全闭环的伺服驱动方式，在X、Z轴方向安装光栅尺，单轴系统构造如图4所示。末端位置检测传感器我们采用了光栅尺，光栅尺用于测量被测设备轴心的绝对位置，光栅尺检测信号作为位置信号反馈到PC机构成位置闭环。这种输运对中方法对大多数电机、发动机的测试安装来讲精度已经足够。

大范围输送的运动方式是点到点的运动，板卡实施点位控制，其特点是运动控制仅仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关，沿各个方向的运动之间无关联，即各轴可以独立控制运行（当然实用中也可以采用多轴联动插补的方式），但需要高定位精度和稳定性。当把期望坐标和期望速度输入控制器（控制板卡）后，运动控制器（控制板卡）会对到目标的运动从总体上进行规划。因为输送对路径没有特别要求，所以运动控制器的作用是在运动的加、减速段采用不同的控制策略。在加速段，为了使系统能平稳地加速到设定速度，提高系统增益和加大加速度；在减速段，为了使系统在目标点及时停下而不产生过冲，采用S曲线作为减速过渡曲线。大范围传输的控制原理如图5，图中Xd和Yd是期望到达的位置坐标，X和Y是光栅尺测得的坐标将反馈给控制板卡。当实测坐标不是期望坐标时，系统发出运动脉冲，继续运动到预定位置为止。图中的PI控制算法在伺服驱动器上实现，PID控制算法在运动控制板卡上实现。

2 大范围输送对准方案的工程实现及上位机控制软件设计

在绝大多数情况下负载机与被测电机的轴对中，只需要测定负载机轴心坐标，由伺服滑台直接将电机送到位进行初步对中即能达到要求，这种对中安装方法具有广泛应用背景及重要的实际价值。为此，与相关企业合作，我们按试验系统设计方案实际完成了试验装置的样机制造和安装调试，并基于板卡完成了输运对中应用软件的二次开发，设备实物如图6。

系统采用研华工控机（IPC-7132）及雷泰DMC5480四轴运动控制卡作上位控制器，试验台架的X、Y、Z各轴均以台达伺服电机及驱动器作为驱动单元，其中Z轴伺服电机为1000W，型号为ECMA-C-0910ES，配套驱动器型号为ASD-B2-1021，各轴工作台装光栅尺（KA-300-5041A-370-9-3）检测反馈位置信号到上位机运动控制板卡完成数据采集与显示。另外，用于对被测试电机加载的磁粉制动器（FZ50.J/Y）以及用于检测速度、转矩的传感器（ZJ-20A）均安装在Z轴升降平台上。

当运动控制板卡以速度接线模式与伺服驱动器连接，伺服驱动器与电机设置在速度控制模式，系统就搭建成三环串级全闭环控制结构，其中电流、速度闭环控制调节由驱动器完成，位置外环控制调节由上位控制器完成。另外，在win7环境下用C# 语言基于板卡库函数编制了一套应用软件，能对三轴设定运动控制参数，能实现直线插补、圆弧插补、单轴控制，能实时采集各轴位置信号并实现时间、位移数据列表和相应的图形曲线显示。输运对中程序框图如图7。以重力荷载扰动显著的Z轴为对象进行单轴测试，其点位控制的数据采集显示、位移曲线显示及界面功能显示如图8。

3 结语

本文讨论的对中安装方案，严格讲是半自动化的，因为它依赖于人工测定目标轴心坐标，这样做一是效率还不够高，二是人工检测过程中无论采取何种方式误差总是较大，并且该误差为在控制闭环以外的输入误差，不能补偿。为进一步提高效率，减少误差，提高对中精度，作为以上方案的自然发展和提升，可以进行全自动的对中安装系统的研制。如此，就需要添加新的传感器系统，试验系统必须完成从任意随机位置（被测电机位置）起始向目标（负载机轴心）的自动搜索，这就需要对搜索算法和轨迹进行设计和规划，涉及一种基于DMC5480板卡的专用软件程序开发。

参考文献

[1]吴牮.电气传动技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2017.

[2]蒋君侠，陈琪.三坐标定位器系统动态特性分析和实验[J].计算机集成制造系统，2009，15（5）：1004-1009.

[3]吳牮，张进春.一种三轴自动定位安装系统的动态特性研究[J].西南大学学报（自然科学版），2016，（10）：176-184.

[4]曾孟雄，赵千惠.基于PMSM的三环数控交流伺服系统[J].组合机床与自动化加工技术，2012，（5）：45-48.

[5]郭庆鼎，王成元.交流伺服系统[M].北京：机械工业出版社，1994.

[6]郑子文.超精密机床伺服控制技术研究[D].国防科学技术大学，2001.

[7]李庆涛，徐德，刘云.基于PLC的大范围运动与高精度对准控制[J].制造业自动化，2007，29（6）：48-52，67.

[8]李正，吉锤.光栅检测位移量的专用车床闭环控制系统[J].电气自动化，1998，（6）30-32.