伺服电机在点阵式自动喷标机中的应用
2003/11/24 0:00:00
摘要：介绍了伺服电机在点阵式自动喷标机中的应用，选型和位置控制理论，并对其位置环和速度环进行了分析，给出了相应的参数设置和调节后的曲线。
关键词：位置控制，转动惯量，PI控制
The application of servo motor in dot-matrix Jet Printing Machine
WEI Ai-yu ,LIU Yuan-kai ,XU Ai-quan ,XIANG Zhan-qin
(Institute of Manufacturing Engineering, Zhejiang university , Hangzhou 310027)
Abstract: This paper introduces the application of servo motor in dot-matrix Jet Printing Machine. We pay attention to discuss the selection of the servo motor and the position control theory, analyze the position loop and velocity loop . At last we give the calculator of related parameters and regulated graph.
Key words: position control, moment of inertia ,PI control
1 前言
在钢铁行业中，为了实现质量管理和质量跟踪，产品进入市场必须在产品表面按一定格式写上标号,如石油套管要求以美国石油学会标准API SPEC 5CT进行标号。浙江大学生产工程研究所开发了点阵式钢管喷标机，并在国内钢管生产企业投入使用，取得很好的效果。喷标要达到的主要技术指标如下：
1）字迹清楚，附着力强，点径1mm～2mm；
2）喷字大小连续可调：9mm×7mm～48mm×32mm（高×宽）；
3）喷标速度对标准字体36mm×12mm，可在0到80米/分钟之间调节。
2 系统设计
为了保证系统的可靠性，采用模块化设计，分为喷头、喷头控制系统、伺服运动控制系统，附属机构等。系统以PLC为核心，协调整个工作过程。本文着重介绍伺服运动控制系统的设计及实现。
该伺服运动控制系统的工作原理是：步进梁将钢管搬上台架，PLC检测到钢管到位后，由PLC伺服定位模块发送控制脉冲，经过信号转换卡转换后传送到伺服放大器，然后伺服放大器经过位置控制后控制伺服电机，带动小车和喷头运动，把上位机发送过来的字符喷印在钢管表面上，喷印完成以后，将数据写入数据库。
在本系统中，由于喷印要求定位精度高、快速，并且启动频繁，我们选择用交流伺服电机驱动喷印小车。其闭环控制系统对执行情况进行实时检测，将信息及时反馈到控制端，因此中间环节及外界扰动影响比较小，精度相对要高很多，而它附带的数字化伺服软件能够很好地满足要求，而且内设位置环可和多种上位控制机相配接。
本系统中伺服电机的选取和控制方式的选择是关键问题。
3 伺服电机的选取
3.1惯量匹配
由于伺服电机的运行性能依赖于负载和电机惯量的匹配，为了满足系统灵敏性和稳定性的要求，负载惯量JL应限制在电机惯量JM的15倍之内。等效转动惯量算法如下：
4 伺服电机的控制
伺服电机的运行性能不仅依赖于所带的负载，而且跟控制方式、控制脉冲密切相关。
4.1 位置控制模式
MR-JS-200A伺服放大器提供了位置控制模式、速度模式、转矩模式、位置/速度、位置/转矩、速度/转矩等运行模式。喷标机的主要任务是定位喷标位置，达到规定的精度要求。因此我们设定位置控制模式来控制伺服电机。
当伺服电机带动负载从一点运动到另一点时，为了保证运动的平稳和准确定位，在起动和停止时要进行加减速控制。
本系统的位置控制模式中，为了保证每次喷印距离的准确性，采用了伺服电机的位置斜坡功能，对位置指令加减速时间常数进行了设定，控制伺服电机的起调时间。通过此功能使同步编码器发出指令后，即使是在伺服电机处于运行时启动，同步运行也可以平稳地开始。还由于采用闭环控制，编码器随时可以检测脉冲的差值，返回到输入端，参与系统的控制，使定位准确，精度高。位置指令采用阶跃输入时的运行图如图3所示。
为了保证每次喷印距离不变，不产生累积误差，系统采用了原点定位的功能。在每次开机工作时，需要进行一次原点定位，保证了每批钢管的喷标位置一样。根据所设的位置控制原理，电机在碰到原点定位的传感器后，减速运行，等待PLC检测到编码器返回的零点脉冲，再转动一转第二次检测到这个脉冲后，在原点停止，定位成功。然后开始喷印循环操作。
（6）实际调试的结果
根据现场的调试，系统达到较好性能的参数结果如下：Kp=13，Kv＝691，Ti=70。实际调试设定开始喷印点在1100mm，喷印字符长度150mm，则理想反喷起始点为1250mm。实际调试PLC程序得到的反喷距离：低速20m/min为1250.08mm，中速40m/min为1250.09mm，高速80m/min为1250.092mm。其重复精度达到了0.1mm。
5 结束语
钢管喷标机已经在工业现场使用，根据上述的理论设计的喷标小车起动、停止平稳，噪声小，正反两次喷印出来的字的重合度很好，字体的重复位置精度可以达到0.1mm。实际喷印效果如图5所示。（注：图中钢管上的色条带是拍摄时反光所致，非实际喷印效果。）
参考文献：
1．三菱通用交流伺服系统伺服放大器技术资料集 2001
2．胡国清 机电控制工程理论与应用基础[M] 北京:机械工业出版社 1997.9
3．杨渝钦 控制电机[M] 天津大学 1996
关键词：位置控制，转动惯量，PI控制
The application of servo motor in dot-matrix Jet Printing Machine
WEI Ai-yu ,LIU Yuan-kai ,XU Ai-quan ,XIANG Zhan-qin
(Institute of Manufacturing Engineering, Zhejiang university , Hangzhou 310027)
Abstract: This paper introduces the application of servo motor in dot-matrix Jet Printing Machine. We pay attention to discuss the selection of the servo motor and the position control theory, analyze the position loop and velocity loop . At last we give the calculator of related parameters and regulated graph.
Key words: position control, moment of inertia ,PI control
1 前言
在钢铁行业中，为了实现质量管理和质量跟踪，产品进入市场必须在产品表面按一定格式写上标号,如石油套管要求以美国石油学会标准API SPEC 5CT进行标号。浙江大学生产工程研究所开发了点阵式钢管喷标机，并在国内钢管生产企业投入使用，取得很好的效果。喷标要达到的主要技术指标如下：
1）字迹清楚，附着力强，点径1mm～2mm；
2）喷字大小连续可调：9mm×7mm～48mm×32mm（高×宽）；
3）喷标速度对标准字体36mm×12mm，可在0到80米/分钟之间调节。
2 系统设计
为了保证系统的可靠性，采用模块化设计，分为喷头、喷头控制系统、伺服运动控制系统，附属机构等。系统以PLC为核心，协调整个工作过程。本文着重介绍伺服运动控制系统的设计及实现。
该伺服运动控制系统的工作原理是：步进梁将钢管搬上台架，PLC检测到钢管到位后，由PLC伺服定位模块发送控制脉冲，经过信号转换卡转换后传送到伺服放大器，然后伺服放大器经过位置控制后控制伺服电机，带动小车和喷头运动，把上位机发送过来的字符喷印在钢管表面上，喷印完成以后，将数据写入数据库。
在本系统中，由于喷印要求定位精度高、快速，并且启动频繁，我们选择用交流伺服电机驱动喷印小车。其闭环控制系统对执行情况进行实时检测，将信息及时反馈到控制端，因此中间环节及外界扰动影响比较小，精度相对要高很多，而它附带的数字化伺服软件能够很好地满足要求，而且内设位置环可和多种上位控制机相配接。
本系统中伺服电机的选取和控制方式的选择是关键问题。
3 伺服电机的选取
3.1惯量匹配
由于伺服电机的运行性能依赖于负载和电机惯量的匹配，为了满足系统灵敏性和稳定性的要求，负载惯量JL应限制在电机惯量JM的15倍之内。等效转动惯量算法如下：
4 伺服电机的控制
伺服电机的运行性能不仅依赖于所带的负载，而且跟控制方式、控制脉冲密切相关。
4.1 位置控制模式
MR-JS-200A伺服放大器提供了位置控制模式、速度模式、转矩模式、位置/速度、位置/转矩、速度/转矩等运行模式。喷标机的主要任务是定位喷标位置，达到规定的精度要求。因此我们设定位置控制模式来控制伺服电机。
当伺服电机带动负载从一点运动到另一点时，为了保证运动的平稳和准确定位，在起动和停止时要进行加减速控制。
本系统的位置控制模式中，为了保证每次喷印距离的准确性，采用了伺服电机的位置斜坡功能，对位置指令加减速时间常数进行了设定，控制伺服电机的起调时间。通过此功能使同步编码器发出指令后，即使是在伺服电机处于运行时启动，同步运行也可以平稳地开始。还由于采用闭环控制，编码器随时可以检测脉冲的差值，返回到输入端，参与系统的控制，使定位准确，精度高。位置指令采用阶跃输入时的运行图如图3所示。
为了保证每次喷印距离不变，不产生累积误差，系统采用了原点定位的功能。在每次开机工作时，需要进行一次原点定位，保证了每批钢管的喷标位置一样。根据所设的位置控制原理，电机在碰到原点定位的传感器后，减速运行，等待PLC检测到编码器返回的零点脉冲，再转动一转第二次检测到这个脉冲后，在原点停止，定位成功。然后开始喷印循环操作。
（6）实际调试的结果
根据现场的调试，系统达到较好性能的参数结果如下：Kp=13，Kv＝691，Ti=70。实际调试设定开始喷印点在1100mm，喷印字符长度150mm，则理想反喷起始点为1250mm。实际调试PLC程序得到的反喷距离：低速20m/min为1250.08mm，中速40m/min为1250.09mm，高速80m/min为1250.092mm。其重复精度达到了0.1mm。
5 结束语
钢管喷标机已经在工业现场使用，根据上述的理论设计的喷标小车起动、停止平稳，噪声小，正反两次喷印出来的字的重合度很好，字体的重复位置精度可以达到0.1mm。实际喷印效果如图5所示。（注：图中钢管上的色条带是拍摄时反光所致，非实际喷印效果。）
参考文献：
1．三菱通用交流伺服系统伺服放大器技术资料集 2001
2．胡国清 机电控制工程理论与应用基础[M] 北京:机械工业出版社 1997.9
3．杨渝钦 控制电机[M] 天津大学 1996
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