介紹交流位置伺服系統(tǒng)在貨架冷彎機組在線預(yù)沖孔裝置中的在線調(diào)試過程及應(yīng)用動態(tài)性能分析方法的基本原理，給出了該配置系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)曲線、動態(tài)性能分析及其主要技術(shù)指標的實現(xiàn)程度。 1 引言 貨架冷彎機組在線預(yù)沖孔裝置的運動性能及控制精度對整線的運動速度的匹配、產(chǎn)品一次合格率及貨架鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安裝性的影響相當大；運動性能的穩(wěn)定程度直接影響到貨架整線配置性能和參數(shù)的調(diào)整、廢次品的產(chǎn)生、工人的勞動強度、企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營成本的控制等；控制精度的高低直接影響到貨架產(chǎn)品的技術(shù)含量的提升、裝配精度的控制、貨架系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃與穩(wěn)定性等，由于國內(nèi)物流業(yè)的快速發(fā)展，往往要求貨架冷彎生產(chǎn)線要實現(xiàn)高速度、高精度位置控制的要求。據(jù)此, 我們結(jié)合在線調(diào)試交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能分析及在線調(diào)試經(jīng)驗，討論通過交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能分析實現(xiàn)位置驅(qū)動在線調(diào)試的主要原理和作用。 交流位置伺服系統(tǒng)選用的交流三相永磁同步電動機由于其轉(zhuǎn)矩慣性比大, 在接近于零的低速區(qū)仍能保持穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)矩和控制性能, 目前在精密的位置控制系統(tǒng)中得到了普遍使用。貨架冷彎機組在線預(yù)沖孔裝置的伺服系統(tǒng)帶負載運行時存在一個系統(tǒng)與負載動態(tài)匹配的問題，貨架冷彎機組在設(shè)計時會考慮使用多板厚同規(guī)格的系列產(chǎn)品、或通過不同的冷彎工藝在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)不同規(guī)格尺寸的貨架產(chǎn)品，故交流位置伺服系統(tǒng)的負載的大小和性質(zhì)會發(fā)生多種變化，甚至相同規(guī)格卷料的更換其所帶負載也不穩(wěn)定并發(fā)生變化, 這種變化將使系統(tǒng)的性能特別是動態(tài)性能變壞, 使運動出現(xiàn)振蕩、超調(diào)甚至于不能穩(wěn)定運行。事實上, 在調(diào)試現(xiàn)場無法確切地得到系統(tǒng)所帶負載的動態(tài)性能指標和伺服系統(tǒng)在線帶負載時的動態(tài)性能指標, 在調(diào)試過程中, 無法對系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析與測定, 往往憑經(jīng)驗由人工進行調(diào)試工作，其調(diào)試過程相當困難，調(diào)試周期也長，一般只能憑感覺調(diào)到系統(tǒng)運動部件“能動不發(fā)生故障即可”為止, 這種調(diào)試很難使系統(tǒng)達到理想狀態(tài)；調(diào)試現(xiàn)場也需要配合相當?shù)娜肆M行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集整理、數(shù)據(jù)分析處理等，也易造成相當高的調(diào)試廢料，在調(diào)試過程中還存在相當?shù)奈粗绊懸蛩氐取? 2 主要伺服裝置系統(tǒng)的基本組成及工作原理 圖1 伺服定長送料電氣控制原理圖 貨架冷彎機組在線預(yù)沖孔伺服定尺送料裝置伺服系統(tǒng)本身有一套高精度的反饋信號測試裝置和控制器，且構(gòu)成閉環(huán)位置反饋控制系統(tǒng)。其基本電氣控制原理見圖1；具體的每模送料步距量值的大小PLC組成的上位機設(shè)置相應(yīng)的計數(shù)脈沖數(shù)或長度轉(zhuǎn)化值，并由與上導(dǎo)料輥相聯(lián)的角編碼器被動測量反饋信號相協(xié)調(diào)（由程序設(shè)定），PLC中選配的伺服定位模塊驅(qū)動伺服單元和伺服電機動作，實現(xiàn)沖壓板料的可調(diào)整、高精度、無積累誤差的一定步距的送料沖壓，累積誤差由程序中設(shè)置的誤差補償算法或人工在線修正等手段處理，基本定位由SIEMENS公司定位模塊SIMATIC S7-300 FM 354、YASKAWA公司伺服系統(tǒng)SDGB-03ADG、伺服電機SGMG-3DA、OMRON公司位置檢測脈沖編碼器組成；采用分辨率為2000p/r的外置編碼器進行長度位置反饋定位控制，并經(jīng)控制器內(nèi)部4倍頻電子齒輪實現(xiàn)軟控制，從而進一步提高了系統(tǒng)控制精度。 3 交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能及動態(tài)性能指標 一般來說伺服系統(tǒng)本身只是一個運動執(zhí)行元件，貨架冷彎機組中的伺服定長送料為斷續(xù)送料模式，其送料的長度與配套設(shè)備的加工時間決定于交流位置伺服系統(tǒng)的運動節(jié)拍，控制定位精度及交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能等，其動態(tài)性能一般可由系統(tǒng)在單位階躍輸入信號作用下的時間響應(yīng)曲線來描述。貨架冷彎機組中的伺服系統(tǒng)的控制要求很高, 它不允許有任何振蕩和超調(diào), 否則會造成貨架組件的側(cè)立面孔位誤差大，孔位分布不均勻，嚴重影響貨架的裝配精度和使用性能，降低成品率，增加生產(chǎn)經(jīng)營成本。只能以如圖二（交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能圖示）所示以多種調(diào)整變化的形式逐漸到達定位點，我們希望獲得圖中標示為1的單調(diào)變化模式，不希望出現(xiàn)標示為2或3的振蕩波形，標示為4的調(diào)整模式會形成不到位故障或伺服系統(tǒng)隨動誤差大、調(diào)節(jié)時間延長等現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的速度匹配和控制精度等。圖示出的常用的動態(tài)性能指標有: 上升時間tr、調(diào)節(jié)時間ts和超調(diào)量σ%。其中上升時間tr反映了系統(tǒng)的動態(tài)靈敏度和系統(tǒng)過渡過程的快速性; 調(diào)節(jié)時間ts又稱過渡過程時間, 是衡量系統(tǒng)快速性的主要指標; 超調(diào)量σ%是反映在系統(tǒng)過度過程進行得是否平穩(wěn)的指標。 系統(tǒng)的動態(tài)性能指標與系統(tǒng)參數(shù)存在相互對應(yīng)關(guān)系。在系統(tǒng)調(diào)試時, 完全可通過對系統(tǒng)動態(tài)性能的這些指標進行在線軟件測試、相關(guān)數(shù)據(jù)分析得到系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)調(diào)試的值, 如：SIMATIC STEP 7軟件針對SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊的DB1200中的參數(shù)和數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)控制精度、運行速度等的優(yōu)化配置以及在線伺服系統(tǒng)的監(jiān)測，系統(tǒng)分析關(guān)鍵參數(shù)的走勢，如運動超調(diào)量的變化、速度及電流值的變化，從而調(diào)節(jié)使伺服系統(tǒng)達到理想狀態(tài)。 圖2 交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能圖示 4 交流位置伺服性能特性對貨架組件加工精度的影響 貨架冷彎機組位置伺服系統(tǒng)主要采用位置閉環(huán)采樣控制體系，由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)位置采樣控制周期很短，驅(qū)動死區(qū)和數(shù)字化控制死區(qū)很小，機械傳動剛度引起的誤差也可以控制得很小，基本不存在定位控制誤差，但一定存在一個跟隨誤差，該誤差與外在驅(qū)動負載的波動存在一定程度的關(guān)聯(lián)，必然導(dǎo)致理論控制精度與實際位置上的偏差；從伺服模塊的監(jiān)控軟件從可以發(fā)現(xiàn)理論的控制精度可達到0.1mm，而實際測量波動范圍可達到：±0.3mm，一般控制規(guī)律為：其加工誤差與進給速度的平方成正比，與系統(tǒng)增益的平方成反比，實際調(diào)試中可實現(xiàn)伺服電機最高運行速度在70M/min下的穩(wěn)定運行，而產(chǎn)品實際孔位控制精度σ達到±0.15mm等要求。 5 交流位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能與在線調(diào)試過程的實現(xiàn) 要實現(xiàn)交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能在線調(diào)試, 首先先確認伺服系統(tǒng)運動執(zhí)行元件對上位機的指令偏差情況，可采用指令偏差的自動或手動模式進行調(diào)整，適當優(yōu)化伺服控制器和伺服電機的配合參數(shù)，如：速度指令調(diào)整增益、速度環(huán)路增益等增益參數(shù)的調(diào)整，然后進行SIMATIC S7-300上位機及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊伺服控制參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，主要完成以下工作： （1）實時采集數(shù)據(jù), 即測試帶載系統(tǒng)的動態(tài)性能參數(shù), 如實際速度、實際位置參數(shù)等,主要是通過一些專用的參數(shù)單元、計算及監(jiān)控軟件，通過使用這些工具和手段進行有關(guān)參數(shù)的設(shè)定、監(jiān)控、波形顯示、I/O檢查監(jiān)控、在線調(diào)整、運動參數(shù)的獲取與處理等。 （2）輔助作圖, 把這些參數(shù)用曲線形式表示出來, 如畫成速度響應(yīng)曲線、位置響應(yīng)曲線等; （3）求出系統(tǒng)的動態(tài)性能指標, 如: 上升時間tr、調(diào)節(jié)時間ts和超調(diào)量σ%等。 （4）根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)性能指標的走勢，重新制訂交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能在線調(diào)試方案， 事實上可以實現(xiàn)伺服定位控制穩(wěn)定在編碼器一個角脈沖波動范圍上 現(xiàn)運動控制。如：我公司選用的編碼器為4000p/r，測量輥周長為300mm，貨架組件的孔位控制精度理論上可實現(xiàn)±0.075mm，考慮到冷彎卷料的表面平整度等其它因素的影響，其實際孔位控制精度要低些；根據(jù)從生產(chǎn)現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)分析，實際孔位控制精度σ達到±0.15mm，且誤差基本符合正態(tài)分布規(guī)律，從根本上也保證了總長度上的累積誤差最小，基本穩(wěn)定在6σ以內(nèi)。 6 交流位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能分析 在對貨架冷彎機組位置伺服系統(tǒng)進行動態(tài)性能在線調(diào)試時，不同的動態(tài)響應(yīng)曲線（例如位置響應(yīng)曲線和速度響應(yīng)曲線）, 對動態(tài)性能指標的要求有很大的差別。由于冷彎機組的設(shè)備特性和貨架產(chǎn)品的多品種、多規(guī)格，其實際機組的負載特性比較復(fù)雜，很多情況下的位置響應(yīng)曲線中上升時間tr和調(diào)節(jié)時間ts可以長一些, 考慮到不能有超調(diào), 并盡量使超調(diào)量σ%＝0。因此在調(diào)試位置環(huán)的調(diào)節(jié)器參數(shù)前, 分析位置響應(yīng)曲線的動態(tài)性能指標時, 其重點是超調(diào)量σ%, 只有在保證位置響應(yīng)曲線沒有超調(diào)的情況下, 才再來考慮位置響應(yīng)的快速性, 即再考慮把上升時間tr和調(diào)節(jié)時間ts適當調(diào)短；實際調(diào)試過程中對某些參數(shù)還是有取舍的。 速度響應(yīng)曲線中, 當起動或加速時, 為了加快過渡過程, 輸入信號為所允許的最大電壓, 使上升時間tr和調(diào)節(jié)時間ts盡量短一些, 一般情況下, 允許速度有超調(diào), 只要超調(diào)量σ%不超過一定的百分比即可, 因為伺服控制單元（如：SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊）選取的是同一個絕對坐標系，不存在復(fù)位后的脈沖丟失現(xiàn)象，會在下一個伺服送料指令中進行補償運算。然后根據(jù)現(xiàn)場的實際測量反饋數(shù)據(jù)和表格、圖形等，制定出合理的動態(tài)響應(yīng)曲線和伺服系統(tǒng)的調(diào)整運行時間，以實現(xiàn)貨架冷彎機組整線的速度匹配等。 7 結(jié)束語 對伺服系統(tǒng)進行有效的動態(tài)性能分析和在線調(diào)試, 定位精度可以達到該系統(tǒng)能夠達到的最高精度: 實測的電氣定位誤差最大值僅為編碼器脈沖信號的1個跳變，大大提高了系統(tǒng)工作的可靠性，采用有效的動態(tài)性能分析可以縮短調(diào)試周期和降低調(diào)試成本。