电伺服折弯机的同步控制及仿真研究

　　0　前言

　　折弯机作为板料成形行业的重要技术载体,其发展历程主要经历了3个阶段:传统机械式、液压驱动式和电机直接驱动式。根据国内外折弯机的现状,传统机械式的折弯机几乎被行业淘汰,液压缸驱动的数控折弯机占绝大优势,电机直接驱动式的折弯机20世纪90年代开始研制,但发展和应用速度相对比较缓慢。随着集成技术和控制技术的成熟,数控折弯机日益出现了由液压驱动式向机械式回归,这种回归不是简单的传统机械传动替代液压驱动,而是将先进的高精密直接驱动单元应用于折弯机,结合先进的控制系统,塑造了新一代的数控板料折弯机。

　　作者主要针对折弯机的传动机构,提出了一种基于矢量控制的DSP变频调速的伺服电机带动精密滚珠丝杆直接驱动滑块的传动方案,建立了以伺服电机为控制对象的系统数学模型,并进行了基于MATLAB /SIMULINK环境下的系统模型仿真研究。

　　1　电伺服折弯机工作原理及同步控制系统

　　1·1　折弯机的原理

　　如图1和2所示,系统有3根控制轴X、Y1、Y2。X轴为后挡料架轴,由一台步进电机驱动。Y1、Y2轴为折弯机滑块左右两侧轴,由两台三相交流伺服电机带动滚珠丝杆直接驱动折弯机的滑块。折弯机工作时,首先工业计算机发出X轴的位置量指令,通过调整后挡料架轴,把工件定位夹紧。再根据工件折弯的角度,控制系统自动计算出板料折弯的边长,转化为Y轴的位置进给量。然后计算机发出指令调整上模位置,控制Y1、Y2轴的进给量和下降到下模的深度,进行折弯。折弯完成后计算机发出返回指令,滑块快速返回。不断重复上述的步骤,通过调整X、Y1、Y2轴的进给量,可以折弯出不同的角度板材。

　　1·2　折弯机的同步控制

　　在电机同步位置控制系统中,一般采用主从结构和并行结构两种方式。主从结构即是系统分有主动轴和从动轴,从动轴的运动规律是依据主动轴的运动规律变化而变化。两驱动电机接受同一位置指令,同时系统实时检测主从轴的位置,计算偏差,通过不断调整从动轴的电机转速指令,实现从动轴与主动轴同步。并行结构是主从轴驱动电机同时接收独立的控制指令,并在规定控制的误差范围内按照各自的运动规律运动。由于主从结构容易产生较大的累积定位误差,长期运行会引起两轴共振。而并行结构中,两种结构独立驱动,互为主从,在一定的控制策略下,系统具有较强的抗干扰能力,因此,作者提出的折弯机同步采用了并行结构形式。如图3和4所示,折弯机滑块两侧的伺服电机,由同一台DSP进行控制。首先,在DSP中设定位置给定值和位置控制误差范围,DSP通过串行通讯接口SCI接收工控机的位置指令,通过优化算法优化位置指令,再由两路的D/A输出位置指令,经过两路的矢量控制变频器和伺服驱动器来独立驱动伺服电机。与此同时,折弯机滑块左右两侧的外挂位置光栅尺,实时测量滑块的位置,由正交编码脉冲QEP接口反馈给DSP。DSP计算出两侧的位置偏差,通过模糊PID控制器的在线调整及串行口进行位置误差补偿,确保滑块两侧的位置偏差在任何时刻都处于设定的控制误差范围内,从而实现了左右控制轴的同步。