运动控制器对驱动器的控制方式有3种,即数字通信方式、模拟量方式、脉冲方式。
①数字通信方式:分辨率高,信号传输快速、可靠,可以实现高性能的灵活控制,需要通信协议。例如,西门子的Simotion与驱动器之间的数据交换采用基于Profibus或Profinet的Profidrive协议。还有其他一些欧系公司采用CAN总线的方式,日系安川公司推出了基于MECHATROLINK总线的驱动产品,通过以上的总线方式,实现了传动与运动控制器之间的数据传输控制,特别适合于需要各轴间的协调同步和插补控制的应用,除了实现机械所必需的转矩、位置、速度控制功能以外,还可实现要求精度极高的相位协调控制等。
②模拟量方式:分辨率低,信号可靠性与抗干扰性能差,但兼容性好。例如,西门子的运动控制器Simotion与第三方驱动器之间的控制可以通过模拟量的方式来实现。
③脉冲方式:可靠性高,快速性差,灵活性差。驱动对象为步进电机。
在系统选型配置过程中,运动控制器对驱动器的控制方式是设计者需要考虑的重要因素。通信是Zui稳定、快捷的控制方式,同时要考虑通信的传输速度。通信周期受通信速率与数据量大小的制约,以西门子的运动控制器Simotion为例,在传输速率为1.5Mbit/s的情况下,控制6个以上的轴时,系统的通信周期默认为3ms。同时,受通信周期的限制,运动控制器的插补周期与位置环采样周期通常为通信周期的整数倍。对于运动控制器来说,其插补周期与位置环采样周期是衡量系统性能的关键。
(5)机械传动
电机通常靠机械传动结构(如联轴器、齿轮箱、丝杠、传送带、机械凸轮等)与负载相接。这样,联轴器的刚性、齿轮间隙、传送带的松紧都会影响系统的控制精度。例如,对于直线移动的执行部件,电机通常靠同步皮带轮或者丝杠进行连接,同步皮带轮的啮合间隙或者丝杠螺母的滚珠与滚道间隙等,都会对直线运动位移精度造成影响。而对于机械凸轮,必须保证速度或加速度边界条件,才能使系统不至于产生机械谐振。
(6)负载
作为控制的Zui终对象,负载对系统性能的影响也不可忽略。负载的转动惯量的大小会影响系统的动态特性,如转动惯量大,其加速与停止过程中会要求系统的输出扭矩大,要求驱动器的驱动能力高。另外,负载与电机的转动惯量比也会影响系统的性能,转动惯量比越小,控制越容易,但电机的效率越低;惯量比大,会给系统的高频带来谐振点,从而增加控制难度。关于负载与电机惯量比的分配,可以参考BoschRexroth公司给出的“适配标准” :快速定位<2∶1,修正定位<5∶1,高速率变换<10∶1。
转动惯量
概念
转动惯量是表征刚体转动惯性大小、衡量刚体抵抗旋转运动的惯性的物理量。其地位相当于刚体平动中的质量,它与刚体的质量以及质量相对于转轴的分布有关。
物理意义
直接理解转动惯量比较抽象,但是我们可以用我们Zui常见、Zui直观的质量来做类比。
如果我们用同样的力在两个质量不同的物体上作用,质量重的那个物体速度变化慢。因此质量的物理意义为可以反映出物体平动状态下的惯性:质量越大,则惯性越大,即越难改变平动运动时它的运动状态(从静止开始,质量大的物体比质量小的物体更难被加速)。
同理,如果我们用同样的力矩(使物体平动的叫力,使物体转动的叫力矩)作用在物体上想让它转动,不同的物体转动的角速度变化(类似于平动中的加速度)的快慢也不同,影响角速度变化快慢的这个因素就是转动惯量。即转动惯量反映物体转动下的惯性:转动惯量大的物体角速度难于被改变。
公式
其中: 为刚体的转动惯量, 是每一个微元的质量, 为每一个微元到转轴的距离。
1、相同质量的物体,质量的分布(每一个微元距转轴的距离)如果不同,其转动惯量也不同。
2、质量分布均匀的物体,质量不同其转动惯量也不同。
平动和转动中物理量关系
(7)安装
待上述对象都得到确认后,现场装置的安装也会给整个系统带来新的问题,比如如何做好系统的接地,如何避免EMC干扰,使用合适的屏蔽电缆等,都是系统设计不可忽视的问题。例如,在编码器的电缆屏蔽层没有真正接地的情况下,反馈信号会夹杂着噪声,这种噪声对控制的精度有很大的影响,甚至会导致装置停机。
(8)系统的成套性
在整个运动控制系统的设计中,建议使用者尽可能采用同一厂家的产品,包括运动控制器、驱动器、伺服电机等,保证系统的成套性,因为这样能够避免如连线、配置、通信等方面的问题。单独购买各部件所带来的问题首先是连接顺序的复杂化,电机、驱动终端和反馈设备(包括编码器、分解器、霍尔传感器等)可以有多种不同的连接次序。采用同一供应商的电机和驱动器还有一个好处,就是能更好地安装、调试软件,并确保其兼容性 。另外,每一款电机的参数都不一致,与其匹配的驱动器都有其默认参数,从电机参数的识别方式来看,驱动器也有专有的识别方式。对于第三方电机,驱动器所能够识别的程序可能不够准确;而在精密的运动控制系统中,一个参数的差别可能会影响电机的驱动性能,从而影响控制精度。因此,建议用户尽量采用同一厂家的配套产品。
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