齿条传动系统的速度及定位控制设计

张晶亮

(中国煤炭科工集团 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

齿轮齿条传动是最常见的机械传动方式，是实现旋转运动和直线运动相互转换的传动方案，它具有运行噪声低、传动平稳、维修简单的优点[1]。同时，随着驱动技术的发展，伺服驱动及其控制系统在各行各业、各种形式的设备中应用会越来越广泛。两者的有效结合，可组成各式各样的机械伺服驱动系统。本文主要介绍三菱MR-JR4伺服控制系统，并根据工艺要求，设计了速度和位置双重控制方案。

1 系统总体设计

1.1 系统简介

如图1所示，设备主体运动部件为沿轨道做往返运动的移动舱，其具有质量大、往返行程固定、电动机驱动扭矩大、速度缓慢等特点。但在安全方面，若其过行程，则会产生倾覆的危险，故除了需要在机械方面设置过行程保护装置外，在电气方面亦需设置限位保护功能。

1-移动座舱骨架;2-侧轮组;3-主立架子轨道框架;4-制动装置

1.2 驱动系统构成

设备驱动系统主要由伺服电动机、减速器、齿轮、齿条组成，如图2所示。

1.3 控制方式设计思路

伺服系统有速度控制、力矩控制、位置控制3种控制方式[2]。在精密直线、环行行走设备中，由于齿条与驱动齿轮的精密配合，加上伺服控制系统的优越性能，通过脉冲控制能进行准确的定位和速度控制。但在大扭矩齿条直线行走传动系统中，齿条和驱动齿轮的齿牙尺寸较大，其配合误差相对也较大，通过单一的脉冲控制来进行准确的定位和速度控制存在一定的误差和难度。从安全工艺要求方面考虑，需要设置多重的限位保护来降低风险，提高设备的安全性能。因此，提出以下设计思路：

1-移动座舱柜架;2-齿条;3-减速器;4-齿轮;5-伺服电动机;6-主立架框架

1) 利用伺服控制系统脉冲控制实现内部速度控制和位置控制。

2) 在可编程控制器(PLC)端设置外部到位行程开关，形成对内部位置控制的补充。

3) 利用伺服控制系统的正反转形成末端控制功能，提供第一道限位保护功能。

4) 在PLC端设置极限保护行程开关，实现设备断电保护的限位保护功能。

通过以上外部限位开关、内部位置及速度控制结合的方式，实现精确定位、速度控制、安全保护功能。系统控制框图如图3所示。

图3 系统控制框图

2 控制系统设计与相关计算

2.1 硬件组成

系统硬件主要由三菱可编程控制器(PLC)FX3U、伺服控制器MR-JR4、伺服电动机HG-JR和P+F电感式接近开关NBN12-18GM组成。其中FX3U-20SSC-H定位模块采用第三代伺服控制网络总线配合三菱FR-JR4通信，可以轻松构建伺服电动机的绝对位置系统，减少外部接线[3]。

2.2 基本原理

1) 内部速度、位置控制。控制系统中，交流伺服电动机的控制绕组通常是与伺服放大器的输出端相连接的，控制电信号通过放大器放大后加到控制绕组中，进而控制伺服电动机的转速和绝对位置[4]。

2) 伺服控制器转速设定。伺服控制器转速由PLC编程设定的脉冲输出频率f以及伺服控制器参数设置的电子齿轮比CMX/CDV共同确定，进而由伺服控制器输出信号到伺服电动机控制绕组，控制电动机按设定速度运转。根据电动机转速(每秒脉冲数)、机械齿轮尺寸、减速器减速比、行程计算电子齿轮比，计算所需脉冲数，在PLC中编程，并根据PLC数据存储器范围确定定位范围，设定定位数据倍率，实现内部位置控制。

2.3 系统计算

1) 电子齿轮比计算。设备设计线性速度v，齿轮周长c、减速器减速比i。

齿轮每秒转数

n1=v/C

(1)

电动机每秒转数

n2=i·n1=i·v/C

(2)

PLC程序设定以其最大输出频率f输出脉冲给伺服控制器，则电动机每转需要脉冲数(PLS)为

x=f/n2=f·C/ (i·v)

(3)

伺服电动机分辨率为Pt(PLS/REV，每转额定脉冲数)，则伺服控制器设置电子齿轮比为

CMX/CDV=Pt/x=i·v·Pt/(f·C)

(4)

式中：CMX电子齿轮指令脉冲倍率分子，CDV为电子齿轮指令脉冲倍率分母，两者取最接近的整数。

2) 脉冲数计算。设备行程s，线性速度为v。

单行程运行时间

t=s/v

(5)

单行程需要脉冲数

y=t·f

(6)

实际运行过程中，因大尺寸齿轮和齿条存在配合误差相对较大，理论计算需要脉冲数与实际需要脉冲数存在一定的误差。所以，需要在理论计算的基础上进行多次往返运行，确定行程线性误差，折算成脉冲数，采集样本，取其平均值与理论值相加作为最终设定脉冲数。

2.4 其他控制

1) 外部位置控制。当设定固定的脉冲数后，为了预防在往返过程中因累积误差造成的过行程，设置外部限位开关，一旦脉冲数未全部输出完毕，而行程开关动作，则由PLC程序将脉冲归零，停止脉冲输出，伺服电动机停止转动。

2) 安全保护。为了防止因伺服电动机不受内部速度、位置控制或外部位置控制等原因引起故障，造成电动机失控，在PLC侧和伺服放大器侧设计正反转限位的限位开关，一旦开关动作，即切断伺服电动机输出或关断系统电源。

3 软件设计

3.1 程序组成

整个控制系统的控制部分由三菱可编程控制器FX3U作为控制核心，设计有多种脉冲输出指令和定位指令，使定位控制的程序编制十分简易、方便[5]。本设备利用MRLSOFT软件编制控制程序，整个控制程序主要由速度设定程序、加减速时间设定程序、JOG运行程序、正转定位控制程序、反转定位控制程序、外部位置控制程序、外部极限限位控制程序及其他辅助程序组成。

3.2 程序主要指令介绍

1) MOV U0G7 K4M0:读取FX3U-20SSC-H端子信息；

2) DMOVP K100 U0G14018，DMOVP K110 U0G14020:设定加减速时间；

3) DMOV D500 U0G500:设定运行速度；

4) DMOV U0G0 D0:设定位置信息；

5) MOV K4M20 U0G518:设置运行操作指令。

4 结论

通过内、外部速度控制和位置控制的有效结合，以及外部双重限位保护，成功地实现了位置的精确定位，降低了设备倾覆的危险，保证稳定、安全运行。