介紹交流位置伺服系統在貨架冷彎機組在線預沖孔裝置中的在線調試過程及應用動態(tài)性能分析方法的基本原理，給出了該配置系統位置伺服系統動態(tài)響應曲線、動態(tài)性能分析及其主要技術指標的實現程度。 1 引言 貨架冷彎機組在線預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、產品一次合格率及貨架鋼結構的穩(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的調整、廢次品的產生、工人的勞動強度、企業(yè)生產經營成本的控制等；控制精度的高低直接影響到貨架產品的技術含量的提升、裝配精度的控制、貨架系統的設計規(guī)劃與穩(wěn)定性等，由于國內物流業(yè)的快速發(fā)展，往往要求貨架冷彎生產線要實現高速度、高精度位置控制的要求。據此, 我們結合在線調試交流位置伺服系統動態(tài)性能分析及在線調試經驗，討論通過交流位置伺服系統動態(tài)性能分析實現位置驅動在線調試的主要原理和作用。 交流位置伺服系統選用的交流三相永磁同步電動機由于其轉矩慣性比大, 在接近于零的低速區(qū)仍能保持穩(wěn)定的額定轉矩和控制性能, 目前在精密的位置控制系統中得到了普遍使用。貨架冷彎機組在線預沖孔裝置的伺服系統帶負載運行時存在一個系統與負載動態(tài)匹配的問題，貨架冷彎機組在設計時會考慮使用多板厚同規(guī)格的系列產品、或通過不同的冷彎工藝在一條生產線上生產不同規(guī)格尺寸的貨架產品，故交流位置伺服系統的負載的大小和性質會發(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, 這種變化將使系統的性能特別是動態(tài)性能變壞, 使運動出現振蕩、超調甚至于不能穩(wěn)定運行。事實上, 在調試現場無法確切地得到系統所帶負載的動態(tài)性能指標和伺服系統在線帶負載時的動態(tài)性能指標, 在調試過程中, 無法對系統進行動態(tài)性能分析與測定, 往往憑經驗由人工進行調試工作，其調試過程相當困難，調試周期也長，一般只能憑感覺調到系統運動部件“能動不發(fā)生故障即可”為止, 這種調試很難使系統達到理想狀態(tài)；調試現場也需要配合相當的人力進行相關數據的收集整理、數據分析處理等，也易造成相當高的調試廢料，在調試過程中還存在相當的未知影響因素等。 2 主要伺服裝置系統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沖孔伺服定尺送料裝置伺服系統本身有一套高精度的反饋信號測試裝置和控制器，且構成閉環(huán)位置反饋控制系統。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組成的上位機設置相應的計數脈沖數或長度轉化值，并由與上導料輥相聯的角編碼器被動測量反饋信號相協調（由程序設定），PLC中選配的伺服定位模塊驅動伺服單元和伺服電機動作，實現沖壓板料的可調整、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，并經控制器內部4倍頻電子齒輪實現軟控制，從而進一步提高了系統控制精度。 3 交流位置伺服系統的動態(tài)性能及動態(tài)性能指標 一般來說伺服系統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備的加工時間決定于交流位置伺服系統的運動節(jié)拍，控制定位精度及交流位置伺服系統的動態(tài)性能等，其動態(tài)性能一般可由系統在單位階躍輸入信號作用下的時間響應曲線來描述。貨架冷彎機組中的伺服系統的控制要求很高, 它不允許有任何振蕩和超調, 否則會造成貨架組件的側立面孔位誤差大，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，增加生產經營成本。只能以如圖二（交流位置伺服系統的動態(tài)性能圖示）所示以多種調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的單調變化模式，不希望出現標示為2或3的振蕩波形，標示為4的調整模式會形成不到位故障或伺服系統隨動誤差大、調節(jié)時間延長等現象，影響系統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、調節(jié)時間ts和超調量σ%。其中上升時間tr反映了系統的動態(tài)靈敏度和系統過渡過程的快速性; 調節(jié)時間ts又稱過渡過程時間, 是衡量系統快速性的主要指標; 超調量σ%是反映在系統過度過程進行得是否平穩(wěn)的指標。 系統的動態(tài)性能指標與系統參數存在相互對應關系。在系統調試時, 完全可通過對系統動態(tài)性能的這些指標進行在線軟件測試、相關數據分析得到系統參數應調試的值, 如：SIMATIC STEP 7軟件針對SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊的DB1200中的參數和數據進行調節(jié)，實現控制精度、運行速度等的優(yōu)化配置以及在線伺服系統的監(jiān)測，系統分析關鍵參數的走勢，如運動超調量的變化、速度及電流值的變化，從而調節(jié)使伺服系統達到理想狀態(tài)。 圖2 交流位置伺服系統的動態(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主要采用位置閉環(huán)采樣控制體系，由于現代數控系統位置采樣控制周期很短，驅動死區(qū)和數字化控制死區(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，該誤差與外在驅動負載的波動存在一定程度的關聯，必然導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，與系統增益的平方成反比，實際調試中可實現伺服電機最高運行速度在70M/min下的穩(wěn)定運行，而產品實際孔位控制精度σ達到±0.15mm等要求。 5 交流位置伺服系統動態(tài)性能與在線調試過程的實現 要實現交流位置伺服系統的動態(tài)性能在線調試, 首先先確認伺服系統運動執(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整，適當優(yōu)化伺服控制器和伺服電機的配合參數，如：速度指令調整增益、速度環(huán)路增益等增益參數的調整，然后進行SIMATIC S7-300上位機及SIMATIC S7-300 FM 354 SERVO模塊伺服控制參數的設定和調整，主要完成以下工作： （1）實時采集數據, 即測試帶載系統的動態(tài)性能參數, 如實際速度、實際位置參數等,主要是通過一些專用的參數單元、計算及監(jiān)控軟件，通過使用這些工具和手段進行有關參數的設定、監(jiān)控、波形顯示、I/O檢查監(jiān)控、在線調整、運動參數的獲取與處理等。 （2）輔助作圖, 把這些參數用曲線形式表示出來, 如畫成速度響應曲線、位置響應曲線等; （3）求出系統的動態(tài)性能指標, 如: 上升時間tr、調節(jié)時間ts和超調量σ%等。 （4）根據系統動態(tài)性能指標的走勢，重新制訂交流位置伺服系統的動態(tài)性能在線調試方案， 事實上可以實現伺服定位控制穩(wěn)定在編碼器一個角脈沖波動范圍上 現運動控制。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±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；根據從生產現場采集到的數據分析，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。 6 交流位置伺服系統的動態(tài)性能分析 在對貨架冷彎機組位置伺服系統進行動態(tài)性能在線調試時，不同的動態(tài)響應曲線（例如位置響應曲線和速度響應曲線）, 對動態(tài)性能指標的要求有很大的差別。由于冷彎機組的設備特性和貨架產品的多品種、多規(guī)格，其實際機組的負載特性比較復雜，很多情況下的位置響應曲線中上升時間tr和調節(jié)時間ts可以長一些, 考慮到不能有超調, 并盡量使超調量σ%＝0。因此在調試位置環(huán)的調節(jié)器參數前, 分析位置響應曲線的動態(tài)性能指標時, 其重點是超調量σ%, 只有在保證位置響應曲線沒有超調的情況下, 才再來考慮位置響應的快速性, 即再考慮把上升時間tr和調節(jié)時間ts適當調短；實際調試過程中對某些參數還是有取舍的。 速度響應曲線中, 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和調節(jié)時間ts盡量短一些, 一般情況下, 允許速度有超調, 只要超調量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，不存在復位后的脈沖丟失現象，會在下一個伺服送料指令中進行補償運算。然后根據現場的實際測量反饋數據和表格、圖形等，制定出合理的動態(tài)響應曲線和伺服系統的調整運行時間，以實現貨架冷彎機組整線的速度匹配等。 7 結束語 對伺服系統進行有效的動態(tài)性能分析和在線調試, 定位精度可以達到該系統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，大大提高了系統工作的可靠性，采用有效的動態(tài)性能分析可以縮短調試周期和降低調試成本。