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实现平滑运动控制的策略

作者:www.cechina.cn2014.06.02阅读 4378

        使用新型无电池自动导引车让产量翻倍
        SuperiorControls公司为无电池自动导引车(AGV)增加了控制功能和生产执行系统(MES),在不增加占地面积或者操作人员的前提下使装配线的产量加倍。大型越野车制造企业对于现有的装配线有三个目标:
        1、在不增加装配流水线占地面积和作业人员的前提下极大地提升产量;
        2、装配流水线便于升级以应对未来的更改和发展;
        3、在合理的范围内引入自动化,保留必要的手动作业环节。
        新型的装配流水线使用无电池自动导引车(AGV)取代传统的链条驱动的装配流水线传送带。在设计新生产线时,需要考虑投资回报率。在能够体现经济效益的地方引入自动化作业,而在那些自动化作业并无明显经济效益的地方仍旧保留手动作业环节。用户希望在不增加作业人员或者占地面积的前提下,新的流水线能使产量加倍。用户采用了投资回报率方法进行评价,并最终选定了感应供电式智能传送带,这种方法要求在平整的车间地板上开浅槽排布数据和通讯电缆。正是由于采用了这种集软件、控制和MES于一体的传送带类型,所以对流水线轨道和过程工艺的更改得以顺利实施,使生产中断最小化。


 自动导引车能够将各种不同的系统整合在一起。图片来源:SuperiorControls

        美国很多用户都安装了这种无电池的AGV流水线,世界其他地方也在对这种流水线的适用性进行评价。
        采用无电池AGV,用户可以获得的好处包括:
        1.灵活机动可升级:90%的投资为地上设备投资,对生产的影响降至最低。无需雇佣上百名技术人员安装成千磅的金属设施,流水线改造仅仅通过软件和控制升级就可以实现,对车间的改动微乎其微。
        2.异步索引:无电池的AGV在工作完成之后可以从一个站点转移到另一个站点,并非绑定于特定站点,这提升了效率。
        3.无链条路径:使用多种装配路径来管理不同的作业时间,无需频繁连接或者空跑或者详细指定传输方法。这节省了时间,而且在某些领域能够提升产量,例如车辆无需保持等待状态以进入试车间或者无需空跑。
        4.全作业人员准入:由于没有链条、转柄和轨道www.cechina.cn,在作业期间工作人员可以全方位进入车辆。如果必须要进行人工操作,那么这一特征就很重要,因为它能够提升安全性、效率并改善人体工程学特性。
        5.更安全的作业环境:平坦的车间、没有凹陷、链条和障碍物以为没有相应的绊倒危险。无电池AGV可以感知路径上的障碍物并立刻停止。
        6.智能生产:根据用户的需求,MES模型可以包括误差验证、追踪、视觉监视、配套、排序和工厂信息系统。
        7.用户自定义AGV:每一个AGV都经过用户自定义设计,能够配备工具和电缆。如图所示的应用场合,测试电缆能够跟随AGV一同移动,所以在测试过程中如果需要连接某一种类的车辆,那么实现起来非常迅速。AGV的设计可以兼容多种类型的车辆甚至是未来车辆。


据SuperiorControls公司称,相比于更加传统的移动流水线,如果使用无电池的AGV,装配流水线可以运行得更加快速。感应电力传输技术可应用于传送较重的负载。

        8.无电池AGV和电池供电AGV的对比:无需准备冗余AGV以应对电池故障。无需充电站,没有电池安全问题也不用考虑应对方案。
        9.验货:无电池的AGV测试轨道可以在发货之前对AGV进行测试,缩短了用户现场的安装时间。
        合理配置变频器提升永磁电机能效
        由于永磁交流电机具有更高的效率,并且在不同的速度和扭矩区间上具有更高的潜在节能空间,它正在变速、高占空比运动控制应用获得长足发展。图1所示为3马力风扇应用中电机效率的例子,相比于传统的感应电机,采用高效永磁交流电机技术能够将效率提升5%-12%。永磁交流电机和感应电机的控制在变速应用领域都需要使用变频驱动技术。变频器配置和其他要点能够优化系统性能,最终决定电机应用的节能目标是否能够实现。
        无传感器控制
        在几年前,很多主要的变频器生产厂商为其低成本驱动引入了“无传感器”永磁交流电机控制能力。以前,永磁电机的使用仅限于伺服系统或者采用闭环反馈控制的特殊应用场合。永磁电机实际上被排除在风扇、泵和其他重负荷应用领域,因为闭环控制系统的成本较高且安装十分复杂。现在,由于变频器采用了无传感器PMAC控制算法,永磁电机的能效得以提高,使其能够在更多变速、高占空比应用领域中发挥所长。
        永磁交流电机无传感器控制的变频器配置比感应电机更加复杂。
        1.感应电机控制算法自开发以来已经经历了20年的发展;永磁交流电机的无传感器控制相对较新。
        2.相比于感应电机,来自于不同供应商的永磁交流电机具有更多的不同之处。
        感应电机的变频器配置已经趋于成熟:将电机铭牌上的特性输入变频器,运行自调整程序,然后感应电机就可以准备使用了。对于永磁交流电机控制工程网版权所有,需要使用更多的电机数据,包括一些铭牌上找不到的信息。永磁交流电机的性能对于不同的变频器可能差异很大,不同永磁交流电机无传感器控制算法和是否将合适的参数进行了正确的配置对于永磁交流电机的性能影响也较大。
        在为永磁交流电机选择变频器时,最好咨询变频器和电机生产厂家已获得技术建议。永磁交流电机生产厂家通常会列出推荐的“授权”变频器,为永磁交流电机设计选择这些变频器能够保证获得相应的效率和耐用性能。他们也有可能开发、优化并测试一些变频器配置,将永磁交流电机和预编程的变频器作为“打包解决方案”销售。
        永磁交流电机特性
        除了与感应电机类似的铭牌信息之外(额定功率、额定速度、额定频率、满负载电流和标称电压),永磁交流电机的绕组电感、绕组电阻和绕组反向电动势必须在变频器中仔细配置。
        适用于永磁交流电机的变频器的自动配置过程正在改进。很多生产厂商引入了自动调整程序,省去了一些手动变频器参数配置过程。如果永磁交流电机和变频器不是打包解决方案,那就必须要了解永磁交流电机的特性,并对变频器提供的特殊控制算法有所了解。在决定电机和驱动的组合是否能够满足运动应用的性能目标时,这一信息尤为重要。
        电机绕组电感
        永磁交流电机的设计主要有两种类型:表贴式(SPM)设计和内置永磁(IPM)设计。IPM电机的绕组电感随着转子角度的变化而变化。当转子位于正交轴线上时电机的绕组电感最大,此电感值被定义为交轴电感(Lq);当转子角度与轴线平行时绕组电感最小,这个电感值被定为直轴电感(Ld)。
        SPM电机的绕组电感几乎与定子位置无关(Ld ≈ Lq)。
        绕组电感和转子角度之间的关系被定义为“磁凸极性”(magnetic saliency),可以使用百分比表示((Lq – Ld) / Ld) * 100.0)。SPM电机具有可以忽略的凸极性;IPM电机的凸极性根据不同的设计可以从0到100%甚至更高。图2所示为20%凸极性的IPM电机的绕组电感。
        变频器控制策略对于IPM电机和SPM电机有所不同,特别是在选择合适电机启动算法时,在恒功率下维持电机速度的能力也有所不同。图3所示为电机的运行区间。为了实现变频器的精确配置,电感参数对于获得IPM电机和SPM电机的最优扭矩输出和最佳电机效率非常关键。
        电机启动和恒定功率
        在永磁交流电机转动之前必须先确定磁极位置,兼容永磁交流电机的变频器能够在电机启动算法中进行选择,进而达到不同的磁凸极性。选择了足够凸极性的IPM电机就能够确保变频器实现“高频介入”方法,将高频电压信号在短时间内施加到电机上CONTROL ENGINEERING China版权所有,由此产生的电流大小与转子的位置相关,通过测量电流的大小就能够在转轴并没有旋转的前提下获得转子位置信息。


图1所示为3马力风扇应用中的电机效率,相比于感应电机,NovaTorque公司的PremiumPlus+R型永磁交流电机的效率高出5%-12%。


图2所示为具有20%凸极性的IPM电机的电感。凸极性表征了绕组电感和转子角度之间的关系。

图3所示为电机的运行区间。对于IPM和SPM电机来说,为了获得最优的扭矩输出和电机效率,精确的变频器电感参数配置是至关重要的。

        SPM电机没有磁凸极性,因此需要另外一种方法来获得转子的初始位置。可以采用直流磁化或者类似方法是转子旋转到指定位置。针对不同的运动控制应用需要对磁极初始位置进行评估,对于大多数的风扇和电机应用,可以接受较小的初始反向旋转;而对于其他应用,例如传送带,初始反向旋转就无法接受了。
        大多数适用于永磁交流电机的变频器在恒功率运行区间内使用相位提前电机电流,使得电机的速度超过标称速度。这一工作区间通常有一定的电压限制;但是,通过采用相位提前技术,无需额外的电压,电机就可以以更高的速度运转。通常来说,电机电流的相位与反向电动势的相位相一致,进而导致最大扭矩。使电流相位提前会降低电机扭矩,然而,在恒功率运行区间内,出于电机发热的限制和对更高运转速度的需求,一定程度的扭矩降低是可以接受的。
        相比于传统的采用相位提前技术的SPM电机,IPM电机如果具备了足够的磁凸极性,采用相位提前算法的变频器能够使电机以更快的速度运转。可以想永磁交流电机和变频器生产厂家咨询电机驱动相位提前能力的相关信息和任何硬件上的限制,因为如果电机的运转速度超过标称速度,那么这些参数对于确保电机和变频器的可靠性至关重要。
        电机反电动势、频率和电流
        永磁交流电机产生正弦反电动势,电机反电动势的大小与电机旋转速度成正比。电机旋转时产生的反电势与速度的比值被定义为反电动势常数Ke。如果变频器没有按照永磁交流电机进行过预编程或者不具有自调整能力,否则Ke就需要被输入作为参数。某些变频器要求输入电机额定速度时的反电动势,而不是以常见的mV/rpm之类的单位输入Ke。
        永磁交流电机在非供电状态下的旋转会产生反电动势,非供电状态下的旋转会带来安全问题,需要给出警告或在电路上给出防护措施。
        变频器在直流总线电压上采用脉宽调制(PWM)的方法为电机提供三相正弦电流,PWM开关频率(有时指载波频率)通常是一个变频器的可配置变量,典型的选择在2-16kHz。较低的PWM开关频率允许变频器输出较高的额定电流,但是相应地会使电机产生更高的噪声,较高的PWM开关频率会降低变频器的额定输出能力,而电机的噪声等级也会得以降低。PWM开关频率也会影响变频器效率,采用传统IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率电子器件的3-10马力典型变频器,每1kHz的PWM开关频率会带来2-3W的电气损耗。
        对于任何PWM开关频率,电机效率本质上并未变化。在3马力系统中,变频器效率会由于升高了8kHz的开关频率而降低大约1%。必须在较低PWM开关频率所具有的较高效率和更高电机噪声之间找到平衡。永磁交流电机能够在更宽的速度和扭矩区间内提供较高的运行效率。为了获得最佳的部分负载效率,必须明确变频器的“最小电流”参数,如果知道了这个参数,那么就不要将这个参数设置得过高。使用不同的变频器,高效3马力永磁交流电机的效率和扭矩关系也不同。在部分负载状态下,选择合适的设置参数以适应应用的需求能够将电机效率提高5%-10%。
        节约需要关注细节
        永磁交流电机有可能带来比感应电机高得多的能源节约,但是,只有合适地选择并配置与永磁交流电机兼容的变频器才有可能实现效率提升并确保稳固的电机控制。
        运动轨迹和库文件简化了集成作业
        在选择运动应用的最佳标准、协议和解决方案时,从运动轨迹的角度着手不失为一个好方法。电气工程师和编程人员必须明确运动系统所必须完成的任务,然后才能构建适合的解决方案,帮助用户步入正轨。
        例如在安装CNC系统时,工程师不愿意使用CAM表格,他们会选择被长期作为标准语言的G代码。对于包装设备,系统设计人员愿意使用CAM表格,并在点到点运动中使用G代码,在金属加工和木材加工应用中也是如此,但是对于垂直成型/填充/密封设备通常不会如此。包装领域也有大量的通讯和编程标准,例如PLCopen(IEC 61131-3)和OMAC的PackML。机器人应用也有所不同。控制编程软件提供电子传动、凸轮系统、G代码和机器人运动指令,完成产品跟踪、产品定位、夹持和放置以及其他运动控制应用。
        工具和库文件适用于广泛的运动应用类型,所以工程师可以仅仅学习一种编程环境并在这种编程环境下工作,就能够应对很多工业领域以及多种设备类型,涵盖包装、塑料、可更替能源和娱乐工程,实现点到点运动、NC、CNC和机器人应用。由于自动化软件包含了几乎所有可能用到的运动控制设备和应用类型控制工程网版权所有,所以它能够简化多种运动技术(驱动器、执行机构、电机等等)和辅助器件的集成过程。多种软件驱动工具都能够和这些工业器件连接,对各种现场总线网络实施管理CONTROL ENGINEERING China版权所有,实现系统的无缝集成。
        如果使用了多核PC控制器,不管是简单的两轴运动还是十轴以上的复杂系统,都可以在一套硬件设备上通过拖动逻辑模块实现。它可以是一台机柜安装的工业PC,也可以是DIN导轨安装的嵌入式PC。后者的尺寸与PLC或者PAC类似,可以直接与I/O端子连接。


 Beckhoff TwinCAT软件的运动技术涵盖了电子传动、凸轮系统、G代码和机器人运动指令,以及产品跟踪、产品定位、夹持和放置以及其他运动控制应用。工具、库文件和驱动能够适应广泛的运动应用领域和不同设备类型,例如包装、塑料、可更替能源甚至娱乐工程。

        “一站式”的运动网络也帮了大忙,在所有工业以太网协议中,EtherCAT协议可以作为I/O现场总线也可以作为运动总线。EtherCAT技术组织(ETG)支持很多驱动器供应商,所以有很多可选的EtherCAT伺服驱动器。
        运动控制系统最好同时兼具系统开放性和标准性。对于所有的组件(控制器硬件、软件和网络),最好考虑那些能够快进快出的解决方案,这样才能搭建最好的、最标准的解决方案。
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