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EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器助力數(shù)控產(chǎn)業(yè)升級

時(shí)間:2014-10-27 15:03:11來源:陳光華 杜佳星 陳毅

導(dǎo)語:?國內(nèi)數(shù)控產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了20多年的時(shí)間,一直都采用脈沖或者模擬量控制的方式,隨著中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)水平的提升,對數(shù)控系統(tǒng)提出了新的要求,加工精度要求越來越高,加工效率要求的提升,而且需要系統(tǒng)維護(hù)簡潔,配線方便。

摘要:本文旨在介紹EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器在總線型數(shù)控上的應(yīng)用,同時(shí)為客戶提供一套完整的基于PowerLink總線的數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)解決方案。

1.前言

國內(nèi)數(shù)控產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走過了20多年的時(shí)間,一直都采用脈沖或者模擬量控制的方式,隨著中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)水平的提升,對數(shù)控系統(tǒng)提出了新的要求,加工精度要求越來越高,加工效率要求的提升,而且需要系統(tǒng)維護(hù)簡潔,配線方便。

只支持脈沖或者模擬量控制的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)面臨如下六大技術(shù)的挑戰(zhàn):

A.非總線型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜:

非總線型數(shù)控系統(tǒng),每個(gè)軸端子的硬件接口對應(yīng)一個(gè)伺服軸,如果數(shù)控系統(tǒng)需要采用8軸以上的配置,數(shù)控系統(tǒng)的軸端子的硬件接口設(shè)計(jì)將會(huì)非常復(fù)雜,所以,非總線型數(shù)控系統(tǒng)最高配置一般也就是8個(gè)軸,更多配置的軸更多采用總線設(shè)計(jì)的方案;

B.非總線型數(shù)控系統(tǒng)無法適應(yīng)高分辨率編碼器的發(fā)展:

為了達(dá)到更好的光潔度,伺服驅(qū)動(dòng)器都會(huì)采用高分辨率的編碼器,例如,邁信電氣的MAL/MSL伺服電機(jī)都可以選配23bit增量式編碼器/23bit絕對式編碼器,這樣單圈8,388,608脈沖的高分辨率編碼器的優(yōu)勢就得不到充分的發(fā)揮;如果伺服電機(jī)工作在3000rpm的速度下,每秒鐘的脈沖輸入將會(huì)是419,430,400。現(xiàn)有的脈沖輸入或者編碼器反饋接口,系統(tǒng)的輸出脈沖或者輸出編碼器將會(huì)是400M以上的頻率,這個(gè)是現(xiàn)有的高速脈沖4M輸入所不能實(shí)現(xiàn)的;

C.非總線型數(shù)控系統(tǒng)抗干擾能力差:

脈沖型接口由于接口器件的限制,在高速脈沖輸入時(shí),存在電氣系統(tǒng)存在干擾時(shí),容易丟失脈沖,導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確;模擬型接口存在接口設(shè)計(jì)復(fù)雜,溫度漂移,接口成本高等特點(diǎn);

D.非總線型系統(tǒng)的配線繁瑣

數(shù)控系統(tǒng)的脈沖型控制接口,一般都是15芯的接線端子,模擬量控制接口,需要更多芯的接線端子,對于多軸應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)的配線非常復(fù)雜,系統(tǒng)配線與安裝工作都會(huì)成為電氣控制系統(tǒng)的很大一部分工作;

E.非總線型系統(tǒng)的性能非常受制約

非總線型數(shù)控系統(tǒng),其控制接口只能傳遞位置信號或者速度信號與編碼器反饋信號,不能將數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算的速度前饋,轉(zhuǎn)矩前饋,電流前饋等前饋信息有效的傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器,不能有效的提高伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的響應(yīng)帶寬;

F.非總線型系統(tǒng)的診斷能力有限

非總線型數(shù)控系統(tǒng),其控制接口可以傳遞有限的伺服驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)信號,數(shù)量非常有限,對于伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電流,內(nèi)部轉(zhuǎn)矩,內(nèi)部溫度,等等信號傳遞信息非常有限,不適合系統(tǒng)的在線診斷以及故障預(yù)維護(hù)。

總而言之,總線型數(shù)控系統(tǒng)是必然。POWERLINK是一項(xiàng)開源技術(shù),是工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一,在已建立的全球性標(biāo)準(zhǔn)Ethernet基礎(chǔ)上提供了卓越的性能和實(shí)時(shí)性。POWERLINK技術(shù)以100Mbps的通訊速率、最小100μs的循環(huán)周期、小于1μs的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng),將MC、CNC和機(jī)器人等通用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。

2.EP3E產(chǎn)品簡介

EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器是最新一代支持POWERLINK總線的伺服產(chǎn)品,電壓等級涵蓋220V與380V,功率等級涵蓋100w到7.5kw,可以支持多種高精度增量式編碼器與絕對式編碼器,包括23bit邁信增量式編碼器,17bit/23bit多摩川絕對式編碼器,17bit/20bit尼康絕對式編碼器,非常適合用于高精度運(yùn)動(dòng)控制。

EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器支持邁信MSL/MAL的伺服電機(jī),通過配套MSL/MAL低齒槽轉(zhuǎn)矩的,速度環(huán)響應(yīng)可以達(dá)到1.6kHz。配套邁信電氣的MSL/MAL伺服電機(jī),EP3E可以滿足CNC市場高速高精加工的要求。

圖片1EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器圖片

EP3E是國內(nèi)首家通過EPSG組織的一致性測試的POWERLINK伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品,因此可以很好的與國內(nèi)各大廠家的具有POWERLINK接口的CNC控制器進(jìn)行配合;同時(shí),EP3E內(nèi)置的電流環(huán),速度環(huán),以及位置環(huán)的控制周期分別為50us,100us,100us,支持實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線的抖動(dòng)同步調(diào)整技術(shù),可以充分滿足MC,CNC,robotics對于動(dòng)態(tài)響應(yīng)和同步性的要求。

EP3E產(chǎn)品支持的工作模式,ProfilepositionMode,HomingMode,CyclicSynchronousVelocityMode,CyclicSynchronousPositionMode,InterpolatedPositionMode等模式。

3.EP3E對數(shù)控行業(yè)產(chǎn)業(yè)的提升

3.1伺服通信周期減小,數(shù)控插補(bǔ)周期減小

圖2高性能的POWERLINK提高插補(bǔ)性能

POWERLINK高性能的通訊方式,可以提高插補(bǔ)周期的性能,降低插補(bǔ)周期的時(shí)間,可以將待加工的曲面或者曲線的輪廓描敘的更加精確,精度更高。

EP3E可以接受100us的通訊周期的位置更新,可以達(dá)到

3.2伺服通信抖動(dòng)降低,伺服同步性能提高

圖3EP3E伺服電流環(huán)POWERLINK總線同步抖動(dòng)為50ns

圖中右邊兩個(gè)信號為,伺服1,伺服2同時(shí)進(jìn)入電流環(huán)控制的抖動(dòng)時(shí)間差為50ns,EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器電流環(huán)與POWERLINK同步幀的同步抖動(dòng)時(shí)間在50ns以內(nèi),EP3E完全滿足高性能插補(bǔ)對插補(bǔ)低抖動(dòng)的要求。

3.3伺服位置環(huán)均勻細(xì)分?jǐn)?shù)控插補(bǔ)周期數(shù)據(jù)

EP3E的電流環(huán)控制周期為50us,速度環(huán)與位置環(huán)為100us,而通訊周期一般為400us的倍數(shù),或者,500us的倍數(shù),EP3E可以采用位置連續(xù),速度連續(xù),加速度連續(xù)等三種方式,通過位置環(huán)來細(xì)分通訊周期的位置數(shù)據(jù)給定。

圖3EP3E伺服支持線性插值,保持位置連續(xù)

圖3EP3E伺服支持二次插值,保持速度連續(xù)

圖3EP3E伺服支持三次插值,加速度連續(xù)

EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器具備三種模式:線性插值,二次插值,三次插值,默認(rèn)配置為三次樣條插值后給位置環(huán),提高驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的平滑;CNC與機(jī)器人行業(yè)對加工光潔度要求高,所以配合CNC與機(jī)器人控制器內(nèi)置的加減速與EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的三次樣條插值方法,可以達(dá)到最佳的加工效果。

4.EP3E系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

對于EP3E參數(shù)的配置主要有:

與POWERLINK相關(guān)的參數(shù)設(shè)置:

P300:POWERLINK站號,站號為1-254;

P304:0為普通模式,1為POWERLINK模式,使用POWERLINK設(shè)置為1;

P306:2為位置連續(xù)插值模式,1為速度連續(xù)插值模式,0為加速度連續(xù)插值模式,在CNC與機(jī)器人應(yīng)用中設(shè)置為2;

P307:0:接收增量位寬,1:接收絕對位置,與CNC設(shè)置一般為1;

P027、P028為齒輪比設(shè)置,二者乘積為編碼器分辨率時(shí)可保證較好的控制精度,對于17bits編碼器,可設(shè)置P027=8192,P028=16,對于23bit編碼器,可設(shè)置P027=8192,P028=1024。

5.系統(tǒng)組成

5.1系統(tǒng)硬件配置

基于POWERLINK總線的數(shù)控系統(tǒng)解決方案可以有效的解決:

A.數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜,硬件上面只要一個(gè)POWERLINK網(wǎng)口即可,支持一網(wǎng)到底的技術(shù),將IO端子,EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備全部掛接在網(wǎng)絡(luò)上;

B.數(shù)控系統(tǒng)支持多種POWERLINK報(bào)文,方便支持EP3E所支持的高精度高分辨率的編碼器,有效提高金屬加工的光潔度;

C.數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)抗干擾能力強(qiáng),同時(shí)POWERLINK支持網(wǎng)絡(luò)重發(fā)機(jī)制,有效提高數(shù)控系統(tǒng)與EP3E之間通訊的可靠性;

D.數(shù)控系統(tǒng)支持的POWERLINK總線是一網(wǎng)到底的技術(shù),非常方便EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器的安裝與配線;

E.數(shù)控系統(tǒng)通過POWERLINK報(bào)文,非常有效的速度前饋,轉(zhuǎn)矩前饋,電流前饋等前饋信息傳遞給EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器;

F.數(shù)控系統(tǒng)通過POWERLINK報(bào)文可以將EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電流,內(nèi)部轉(zhuǎn)矩,內(nèi)部溫度等等信息高效的傳遞;

5.2性能測試

通訊控制周期:

插補(bǔ)周期

通訊周期

控制軸數(shù)

總線抖動(dòng)

400us

400us

8軸

<100ns

500us

500us

10軸

<100ns

1000us

1000us

20軸

<100ns

2000us

2000us

40軸

<100ns

借助EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器與MSL/MAL的高性能伺服電機(jī),CNC系統(tǒng)可以達(dá)到周期更短的插補(bǔ)周期,整體加工精度更高,加工速度更高。

6.結(jié)束語

武漢邁信電氣致力于為國內(nèi)外數(shù)控廠商提供PowerLink總線伺服驅(qū)動(dòng)器,EP3E伺服驅(qū)動(dòng)器在性能與功能上能夠滿足高檔總線CNC系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)的要求,同時(shí),價(jià)格上也沒有國外伺服驅(qū)動(dòng)器那么高昂,從而實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)CNC系統(tǒng)整體解決方案的PowerLink總線化升級,提高了產(chǎn)品的加工精度與加工速度,提升了國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)解決方案的整體競爭力。

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