基于Galil卡的交流伺服电机转矩控制系统设计

1、基于Galil卡的交流伺服电机转矩控制系统设计    摘要：介绍了基于Galil 运动控制卡实现交流伺服电机转矩模式控制的一种方案。通过硬件平台的搭建和软件程序的编写，实现由Galil 运动控制卡向伺服驱动器发送指令，控制伺服电机以力矩模式运动的目的。该系统在PC 机上采用LABVIEW 编程，通过GALIL 卡自带端口与LABVIEW 实现通信，完成控制。该方案在精密导轨矫直机中得以应用，并且控制过程简单方便，满足矫直机中工件夹紧的需求。关键词： Galil 运动控制卡；伺服电机；力矩模式控制中图分类号：请查阅中国图书馆分类法THE SERVO MOT

2、OR TORQUE CONTROL SYSTEMDESIGN BASED ON GALIL CARDZHANG Weiwei, LU Hong(School of Mechanical and Electronic Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan430070)Abstract: This paper introduces a mode control scheme to achieve servo motor torque control, whichis based on the Galil motion control ca

3、rd. Through the hardware platform constructed and softwareprograms written, this system can realize this goal of sending commands from Galil motion card toservo driver and controlling the servo motor to move under the torque mode. This system completescontrol by using LabVIEW to program on PC, it co

4、mmunicates with Galil card through the card ownport. This scheme has been applied in the Precision rail straightening machine, and the process wassimple and convenient, the result was meeting the straightening machine work holding needs.Key words: Galil motion control card; servo motor; torque mode

5、control0 引言伺服系统在现代工业、国防、空间技术、日常生活等各个领域中都有广泛的应用，已成为其中一个不可缺少的组成部分。随着交流伺服技术的发展和价格的下降，以前凡用直流伺服系统、步进电动机伺服系统的地方，都可以采用交流伺服控制系统，并且成为未来的一个发展方向1。现将其中的交流伺服电机转矩控制模式加以介绍，包括硬件的连接和软件的编写，为以后GALIL 卡交流伺服电机控制系统的应用提供依据。1 转矩控制系统的选择交流伺服电机控制系统在工业自动化领域的运动控制中起到了一个十分重要的作用。随着应用场合的不同，对交流伺服电动的控制性能要求也不尽相同。在实际应用中，交流伺服电动机的控制形式主要有：

6、转矩控制/电流控制；速度控制；位置控制2。在一些应用场合中， 有些负载只需要交流伺服电动机提供必要的紧固力，并根据需要的紧固力的大小来决定伺服电动机的转矩控制和转矩限制，而对伺服电动机的速度和位置是没有要求的，这时就需要采用转矩控制形式。现在本文从硬件连接与软件编写方面详细介绍转矩控制形式的设计。2 硬件的连接本系统硬件由研为工控机，GALIL DMC-2163 控制卡，及ICM-20105D 端口板，伺服驱动器SGDV-5R5A01A，和伺服电机SGMJV-08AAA61 等构成。硬件连接如下图所示:PC机GALILDMC-2163 ICM-20105D 伺服驱动器伺服电机220V

7、交流24V直流220V交流图1 硬件连接示意图在硬件连接中，包括信号线路连接和动力线路连接。信号线路为：GALIL DMC-2163 通过一根网线与PC 机实现互联与通信。ICM-20105D 是为DMC-2163 运动控制卡配套设计的信号接口板。ICM-20105D 直接通过DIN96 插接在DMC-21x3 控制卡上，并可通过螺钉锁紧。伺服驱动器SGDV-5R5A01A 通过CN1 连接端口与ICM-20105D 上运动控制-反馈接口JX 相连，同时伺服驱动器通过CN2 连接端口与伺服电机编码器相连3。动力线路是为以上硬件装置提供动力。GALIL DMC-2163 需要24V 直流电源提供

8、信号动力，ICM20105D 与控制卡插接，不需要另外提供电源。伺服驱动器连接220V 交流电源，通过动力线与伺服电机相连，为伺服电机提供动力。在本系统中，硬件实物连接如图所示：电机控制模式的不同主要是由于运动控制卡与伺服驱动器之间的连线的不同。在本系统中，主要反映在ICM-20105D 与伺服驱动器SGDV-5R5A01A 之间的接线，在二者之间，通过不同的接线端来区分不同的控制模式。其中转矩模式的接线引脚为： 表1 转矩模式接线JX CN1 信号 备注11 A+ 33 A+4 A- 34 A-12 B+ 35 B+5 B- 36 B-13 Z+ 19 C+6 Z- 20 C-双绞

9、线位置反馈信号14 COMMAND 5 T-REF10 GND 6 SG双绞线转矩指令信号1 V+ 47 +24VIN2 ENABLE+ 40 S-ON9、7ENABLE-、V-(两引脚短接，不用连接至驱动器)使能信号通过所示引脚定义与相连方式，完成转矩模式控制接线。在单轴伺服控制系统模块中伺服电机及其驱动器是主要的执行部件，完成运动控制。下位机通过数据线向运动控制器发送位置或速度命令、设定PID 调节参数，并从运动控制器中读取速度、加速度等数值。运动控制器根据控制命令可自动生成电机的速度曲线，并实时接收电机的位置反馈信号，对其进行PID 调节，以保证最终运动目标的运动精确性4。3 电机的参数

10、设定转矩控制是向伺服单元输入模拟量指令形式的转矩指令，利用与输入电压成正比的转矩来控制伺服电机运行的方法。参数值的不同决定了模式的不同。硬件连接完成后，开始调试电机并对电机参数进行设定。所选用的电机为SGMJV-08AAA61：首先通过Pn000 值的设定选择控制方式。将Pn000 的值设定为n.2,其含义是选择转矩控制（模拟量指令）的控制方式。其次通过Pn400 值的设定来决定输入增益。因为伺服控制器最大的输入电压为DC±12V,且Pn400 的设定范围为10100，单位为0.1V/额定转矩，故设定Pn400 的值为100。然后调整指令偏置量。因为在使用转矩控制时，即使模拟量指令为

11、0V，伺服电机也有可能微速旋转。这是因为上位装置及外部回路的指令电压发生了mV 单位的微小偏差。这种微小偏差被称为“偏置”。需要使用偏置量的调整功能来消除偏置量。最后对速度进行限值。伺服电机在转矩控制时，将控制伺服电机输出指令的转矩，但不控制电机的转速。因此，若输入大于机械侧转矩的转矩指令，则电机转速会大幅度上升。这种情况下，必须通过参数设置对转速进行限制。方法为将参数Pn002 的值设定为n. 0,其含义是通过Pn407 设定的值作为速度限制值。Pn407 的设定范围为010000，单位min-1,出厂设定为10000，由于SGMJV-08AAA61的额定转速为3000 min-1，最高转速

12、为6000 min-1，故将Pn407 的值设为6000。完成参数设定，电机调试后，将电机安装到矫直机机架上的指定位置。4 软件的编写在软件的编写过程中，首先利用GALIL 卡中内置命令编写电机以转矩模式运动的命令 程序，然后通过端口，实现LABVIEW 与GALIL 卡通信后，将命令程序编译成LABVIEW电机控制程序，实现人机友好交互，便于非技术人员操作。首先是转矩大小的确定。因为矫直机在夹紧过程中，夹紧电机要夹住工件并将其在辊道上拖动，所以，夹头夹紧工件在拖动的过程中所产生的静摩擦力要大于工件与辊道之间的滚动摩擦力。伺服电机SGMJV-08AAA61 的额定转矩为2.39N*M

13、，瞬时最大转矩为8.36N*M，在机械传动结构中，选择滚珠丝杠的直径为D=20mm，导程L=4mm，输送效率为90%，若电机以额定转矩输出，则根据公式可计算出推力：2 r 90% 1 FL = F (4-1)r 1 T = F (4-2)其中F 为推力（夹紧力），F1 为扭力，计算得出：F = 3377.07N其中夹头与工件之间的摩擦系数为 = 0.15,N = F = 3377.07N ，在拖动过程中所产生的静摩擦力为：f = N = 0.15×3377.07 = 506.56N (4-3)辊道与工件之间的接触面均为钢质材料，硬度很大，故滚动摩擦力很小。根据以上计算，并根据转矩增益

14、的设定，可确定输入电压值为：U=7V。输出转矩为：T 1.67N *M107 2.39 =×=其次是电机的进给速度的确定。因为伺服电机SGMJV-08AAA61，是串行编码器规格：13 位增量型编码器（标准），编码器脉冲数为2048P/R。同时因夹紧电机要满足在时间t=3s内完成行程S=42mm，由此可计算出电机转速：3.5r / s 210r / min4 342 = =×=L T S (4-4)进而可计算出发送脉冲的速度为：7168count / s60210 2048 =×故进给速度为JG=7168count/s。最后根据GALIL 卡内置运动命令，编写电机

15、运动程序。GALIL 卡中内置了一套控制命令，其中包括通信，输入/输出接口，零位，电机运动，错误输出等。根据控制电机运动的命令与编辑程序的格式，编写程序如下：#TABLE 程序开始标签TLA=7 限制A 轴的平均转矩输出为1.67N*M (电压值为7V)TKA=9.98 提供电压的峰值（即为力矩的峰值）JG 7168count/s 进给速度BG A 开始运动AS A 等A 轴运动完成TT A 返回A 轴力矩值（电压形式）EN 程序完成应用GALIL 卡自带的动态链接库，利用LABVIEW 编写与GALIL 卡相连的端口，将内置命令程序编译成LABVIEW 控制程序，目的是为了将电机控制嵌入到整

16、个矫直机控制 流程中，完成矫直的逻辑控制。图3 电机控制子程序图4 电机控制程序如上图所示，在程序中利用DMC Cmd 子VI 调用GALIL 卡中的动态链接库，将控制指令通过其子VI 发送到GALIL 卡，实现用LabVIEW 程序控制伺服电机5。5 结论硬件上GALIL 卡通过一根网线与PC 机互联，软件上通过GalilTools 程序， 在PC 机上安装此程序并运行，实现连接。完成连接后，打开LabVIEW 控制程序，输入参数值并运行，实现电机运动。实践证明，这个方案提供的交流伺服控制系统可以精确控制电机实现夹紧运动，利用LabVIEW 编写的程序便于非技术人员操作，同时还可以将其嵌入到整个矫直机控制流程中。在其他应用到转矩控制电机的场合，也可实现移植操