卿湘運, 陸 聰

(1.華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200237;2.上海安規(guī)機電設(shè)備有限公司,上海 201612)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計,至2021年全球工業(yè)機器人運營庫存已接近350萬臺,中國工業(yè)機器人累計運營庫存數(shù)量為115萬臺。盡管受全球疫情影響,2021年中國工業(yè)機器人全年累計產(chǎn)量仍達到36.6萬臺,新增裝機量達21萬臺。工信部《十四五機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出我國到2025年機器人產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入年均增長超過25%,到2035年我國機器人產(chǎn)業(yè)綜合實力達到國際領(lǐng)先水平。作為工業(yè)機器人的核心部件,伺服系統(tǒng)是影響工業(yè)機器人工作性能的主要因素。工業(yè)機器人用伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、起動轉(zhuǎn)矩慣量比大、調(diào)速范圍寬、伺服電機體積小、軸向尺寸短,能頻繁的正反向以及加減速運行等特點,特別在機器人仿生關(guān)節(jié)和機械手臂領(lǐng)域,新型多自由度電機具有控制精度和效率明顯提高、體積和質(zhì)量大幅度減小等特點[1],對于任何一種新型號機器人伺服系統(tǒng)來說這些性能指標(biāo)的測試都是一項基礎(chǔ)工作。設(shè)計新型實用的伺服系統(tǒng)性能測試和分析平臺,不僅能為標(biāo)準(zhǔn)化國產(chǎn)交流伺服系統(tǒng)提供參考意見,還能為其伺服系統(tǒng)生成廠家提供測試和分析的具體手段[2]。

目前已有一些基于對拖式測功機的伺服系統(tǒng)性能測試或變速器測試的方案設(shè)計,文獻[3]設(shè)計了基于西門子可編程控制器(PLC)S7-300和Sinamics S120系列變頻器的三相異步電機型式加載系統(tǒng),提出的方案在某知名電機廠得以應(yīng)用;文獻[4]設(shè)計了基于西門子1215C型PLC的超聲電機測試系統(tǒng),完成超聲電機機械特性測試、自動加減載測試、帶負(fù)載啟動特性測試和手動測試。文獻[5-8]給出了基于西門子可編程控制器S7-1200和S120系列變頻器的伺服電機及系統(tǒng)特性性能測試設(shè)計,介紹了系統(tǒng)的設(shè)計思路與軟硬件結(jié)構(gòu),所設(shè)計的系統(tǒng)已投入實際檢測應(yīng)用;文獻[9]利用Visual Studio 2019開發(fā)環(huán)境中的C#編程語言開發(fā)了電機綜合測試系統(tǒng)采集分析軟件;文獻[10]介紹了基于S120變頻器的汽車變速器加載試驗臺的系統(tǒng)原理和設(shè)計過程。文獻[11]基于西門子S120變頻器的叉車門架動態(tài)加載系統(tǒng),使用伺服電機加減速機和鏈輪鏈條的方式進行叉車門架動態(tài)閉環(huán)PID加載?？梢钥闯?對于具有高控制精度和短響應(yīng)時間要求的高性能測功機加載系統(tǒng),考慮到系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性,目前電機性能測試加載系統(tǒng)一般采用西門子S120變頻器。

本文主要介紹基于西門子S7-1500 PLC和S120系列變頻器的機器人用伺服系統(tǒng)性能測試對拖式測功機中加載系統(tǒng)的設(shè)計,并在西門子新一代軟件開發(fā)框架TIA博途軟件中編程實現(xiàn)了加載系統(tǒng)的軟件開發(fā)。加載系統(tǒng)主要為被測伺服電機轉(zhuǎn)軸上提供連續(xù)變化或突變的轉(zhuǎn)矩負(fù)載,同時為了滿足相關(guān)交流伺服系統(tǒng)性能測試的國家標(biāo)準(zhǔn)和機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,加載系統(tǒng)也以速度控制和位置控制的方式拖動被測電機完成相關(guān)性能指標(biāo)測試。本文在給出了測功機平臺及S120驅(qū)動系統(tǒng)硬件組態(tài)與配置的基礎(chǔ)上,進一步對加載系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制進行了研究,在開發(fā)的產(chǎn)品中進行了測試與長時間運行驗證。

1 機器人用伺服系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)

服務(wù)于機器人用伺服系統(tǒng)性能測試的測功機平臺示意圖如圖1所示。為了可靠測試伺服系統(tǒng)在高速和低速運行時的性能,設(shè)計了高速和低速兩個臺架,高速臺架加載電機為新一代西門子1PH8系列交流異步電機,低速臺架為西門子SFM系列永磁同步伺服電機,低速臺架配有減速器。電參數(shù)測量裝置由橫河功率分析儀構(gòu)成,能夠獲得被測電機的電壓、電流、功率因數(shù)、輸入和輸出功率等參數(shù)。溫度測量裝置在負(fù)載和溫升及過載等試驗時記錄溫度參數(shù),Ksitler轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及其儀表記錄實際作用在被試電機軸上的各種轉(zhuǎn)矩上,其值應(yīng)跟蹤加載系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)矩值。由于被測伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速高,加載轉(zhuǎn)矩大,對被測電機、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和加載電機之間的機械連接需要有足夠的同軸度和機械穩(wěn)定性[12],所以系統(tǒng)配有激光對中儀,以便在伺服系統(tǒng)測試前進行聯(lián)軸器對中。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖

選用西門子S7-1500系列PLC作為加載系統(tǒng)的核心控制器,工業(yè)控制計算機即上位機根據(jù)機器人用伺服系統(tǒng)性能測試要求發(fā)送各種工藝命令如定轉(zhuǎn)速控制、閉環(huán)定轉(zhuǎn)矩加載和閉環(huán)定輸入輸出功率加載等給PLC,PLC根據(jù)接收的工藝命令設(shè)計控制算法,下發(fā)命令給加載系統(tǒng)S120伺服驅(qū)動器,驅(qū)動加載電機運行完成各項性能測試。PLC也將加載系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)、故障和報警狀態(tài)信息等通過以太網(wǎng)返回給上位機。上位機同時根據(jù)測試需求從所連接的傳感器自動采集試驗數(shù)據(jù),根據(jù)試驗要求處理和保存數(shù)據(jù),繪制曲線并生成相關(guān)試驗報告。測試系統(tǒng)現(xiàn)場如圖2所示。由于這種測試框架在目前的測功機中較常采用,所以本文主要介紹加載系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

圖2 測試系統(tǒng)現(xiàn)場圖

2 基于西門子S7-1500 PLC和S120變頻器的加載系統(tǒng)硬件設(shè)計

本加載系統(tǒng)硬件部分由以下幾個部分構(gòu)成:

(1) S7-1500 CPU模塊與點對點通信模塊。本系統(tǒng)采用西門子新一代SIMATIC PLC產(chǎn)品1513-1 PN,CPU模塊響應(yīng)時間短[13],位指令執(zhí)行時間最短只需1 ns,集成運動控制功能、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口和PROFINET接口等,可以使用LAD、STL和SCL等編程語言,因此能夠方便地實現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。本系統(tǒng)PLC、驅(qū)動控制單元與上位機之間的通信如圖3所示。除了采用MODBUS TCP/IP協(xié)議與上位機通信用以發(fā)送驅(qū)動器運行信息之外,還配置一塊點對點(P2P)通信模塊,使用RS232協(xié)議接收上位機的工藝命令和用于閉環(huán)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)矩傳感器數(shù)據(jù)。PLC通過PRIFINET IO實現(xiàn)與驅(qū)動控制單元的實時通信。

圖3 測試系統(tǒng)通信圖

(2) 驅(qū)動控制單元。本系統(tǒng)采用CU320-2 PN作為系統(tǒng)的多個單軸電機模塊的控制單元,其與整流模塊單元、單軸電機模塊、伺服電機以及編碼器的組態(tài)如圖4所示,使用DRIVE-CLiQ布線。驅(qū)動控制單元提供驅(qū)動功能和工藝功能,驅(qū)動器的閉環(huán)控制都在此單元中實現(xiàn),負(fù)責(zé)所有驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制以及位置伺服控制[14]。在本系統(tǒng)中,高速臺架加載系統(tǒng)主要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制,低速臺架還要實現(xiàn)位置控制功能。

圖4 驅(qū)動單元組態(tài)

(3) 電源模塊。本系統(tǒng)采用書本型非調(diào)節(jié)型回饋整流單元SLM,將交流整流為直流,且將兩個單機電機模塊即逆變單元連接到該整流模塊的直流母線上,加載電機在加載試驗時工作于回饋制動狀態(tài),其能量通過直流母線回饋到電網(wǎng)。

(4) 電機模塊。兩個單機電機模塊分別為1PH8交流異步電機和SFM永磁同步伺服電機的功率單元,由整流模塊的直流母線供電,通過DRIVE-CLiQ與驅(qū)動控制單元相連。

(5) 加載電機與編碼器。為實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與位置閉環(huán)控制,所選用的西門子電機均配套編碼器,即圖4中的E。編碼器也通過DRIVE-CLiQ與對應(yīng)的電機模塊相連。

3 基于西門子PLC和S120變頻器的加載系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機根據(jù)機器人用伺服系統(tǒng)測試要求向PLC發(fā)送轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和位置控制工藝命令,如定速度加載、快速定轉(zhuǎn)矩加載、閉環(huán)定轉(zhuǎn)矩加載、閉環(huán)定輸入輸出功率加載與位置控制等。PLC根據(jù)接收到的工藝指令與工藝參數(shù),結(jié)合上位機傳送的傳感器數(shù)據(jù),將每道工藝用西門子的函數(shù)(FC)實現(xiàn),各函數(shù)對驅(qū)動控制單元發(fā)送控制指令和在線修改驅(qū)動單元參數(shù)。系統(tǒng)組態(tài)、軟件編程和電機調(diào)試均在西門子TIA博途軟件中實現(xiàn)。TIA博途軟件采用新型、統(tǒng)一的軟件框架,為全集成自動化的實現(xiàn)提供了統(tǒng)一的工程平臺[15]。本系統(tǒng)PLC編程中用到的函數(shù)(FC)與函數(shù)塊(FB)大部分用結(jié)構(gòu)化編程語言SCL實現(xiàn),便于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算與控制邏輯,組織塊(OB)則用傳統(tǒng)的梯形圖(LAD)實現(xiàn)。每道工藝含六個狀態(tài),其狀態(tài)流程圖如圖5所示。首先對將要執(zhí)行的工藝計算初始參數(shù),如加減速斜率和加載轉(zhuǎn)矩步長等;然后給驅(qū)動單元上電,如為加載運行進行閉環(huán)控制,將轉(zhuǎn)矩傳感器上轉(zhuǎn)矩值調(diào)節(jié)至0轉(zhuǎn)矩附近,在接到運行指令后驅(qū)動單元開始運行,在運行中收到新的工藝指令則修改工藝參數(shù)繼續(xù)運行。如果需暫停,則驅(qū)動器暫停,但保持工藝參數(shù)不變,等待繼續(xù)運行指令,工藝執(zhí)行完畢則退出此工藝,并清除所有工藝參數(shù)。

圖5 加載系統(tǒng)狀態(tài)流程圖

下面介紹軟件編程中幾個重要的注意事項。

(1) PLC與電源模塊和電機模塊的通信報文。選用合適的報文便于PLC發(fā)送控制字并讀取驅(qū)動單元狀態(tài)字,同時由于TIA博途軟件中包含面向SINAMCS變頻控制的驅(qū)動功能塊,因此電源模塊選用370報文,便于使用SINA_INFEED功能塊。高速臺架的電機模塊選用352報文,此報文可向PLC返回西門子電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、報警和故障的信息,將接收報文中的兩個保留字設(shè)為轉(zhuǎn)矩設(shè)定值,然后S7-1500調(diào)用系統(tǒng)功能塊“DPRT_DAT”讀取高速臺架電機模塊數(shù)據(jù),調(diào)用系統(tǒng)功能塊“DPWR_DAT”將數(shù)據(jù)寫入此電機模塊。低速臺架的電機模塊因要實現(xiàn)位置功能,故選用111報文,便于使用SINA_POS功能塊。由于111報文主要面向位置控制,而低速臺架也要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制功能,因此需要擴充此報文。驅(qū)動單元接收PLC指令的報文擴充4個字,其中兩個字為轉(zhuǎn)速設(shè)定值,另兩個字為轉(zhuǎn)矩設(shè)定值,驅(qū)動單元向PLC發(fā)送信息的報文擴充2個字,分別為轉(zhuǎn)速實際值和轉(zhuǎn)矩實際值。通過此報文選取和擴充設(shè)計,既能滿足本系統(tǒng)的功能要求,又能最大程度地利用TIA中的功能塊。

(2) 通過BICO技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與位置控制模式的切換及轉(zhuǎn)矩設(shè)定。S120中的BICO互聯(lián)技術(shù)可以對驅(qū)動設(shè)備功能進行控制,從而滿足各種應(yīng)用的要求。因此,在高速臺架中,轉(zhuǎn)速控制與轉(zhuǎn)矩控制模式的切換通過改變命令參數(shù)P1501來實現(xiàn),將P1501與r2090.8進行BICO互聯(lián),而r2090.8對應(yīng)352報文中控制字的STW1.8位,因此通過PLC在線修改STW1.8位的值,即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制模式的切換。S120中的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值為命令參數(shù)P1503,此參數(shù)與352接收報文中的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值進行BICO互聯(lián),即可在線設(shè)定轉(zhuǎn)矩值。

對于低速臺架要實現(xiàn)三個模式之間的切換更為復(fù)雜。本系統(tǒng)將111報文中的STW1.12位(r2090.12)與命令參數(shù)P2550互聯(lián),實現(xiàn)位置控制激活;STW1.14(r2090.14)與命令參數(shù)P1142互聯(lián),實現(xiàn)速度控制激活;STW1.15(r2090.15)與命令參數(shù)P1501互聯(lián),實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩控制切換。位置控制模式與速度控制模式切換需要屏蔽一些位置控制參數(shù),防止驅(qū)動報故障信息。轉(zhuǎn)速設(shè)定命令參數(shù)P1155和轉(zhuǎn)矩設(shè)定命令參數(shù)P1503則通過BICO與驅(qū)動單元接受報文擴充字互聯(lián),驅(qū)動單元報文發(fā)送擴充字則與轉(zhuǎn)速實際值和轉(zhuǎn)矩實際值互聯(lián)。同時需要適當(dāng)修改SINA_POS功能塊源代碼,實現(xiàn)三個控制模式之間的切換。

(3) S120參數(shù)的在線修改。在系統(tǒng)運行時,通過驅(qū)動功能庫中的SINA_PARA_S功能塊在線修改S120驅(qū)動單元的加減速時間、最大轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩上下限值。

(4) 捕捉再啟動。在進行性能測試時,被測電機經(jīng)常先運行,處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),加載系統(tǒng)驅(qū)動單元在上電后,通過設(shè)定參數(shù)P1200來激活“捕捉再啟動”功能,將加載系統(tǒng)逆變單元自行切換到正在旋轉(zhuǎn)的加載電機上,可以避免整個測試裝置在初始加載時發(fā)生劇烈抖動。

除了以上事項,軟件編程最核心的任務(wù)是轉(zhuǎn)矩加載閉環(huán)控制。西門子驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部計算的轉(zhuǎn)矩值經(jīng)過閉環(huán)調(diào)節(jié)跟蹤加載系統(tǒng)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩給定值,而轉(zhuǎn)矩傳感器測得的真實轉(zhuǎn)矩值與此給定值常存在偏差,因此需要設(shè)計閉環(huán)控制算法。其反饋為轉(zhuǎn)矩傳感器的測量值,使得此測量值快速跟蹤上位機的轉(zhuǎn)矩給定值,消除穩(wěn)態(tài)誤差。

4 加載閉環(huán)控制

4.1 加載閉環(huán)控制建模

如前所述,加載閉環(huán)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩反饋值應(yīng)為轉(zhuǎn)矩傳感器測量值,而不是驅(qū)動單元內(nèi)部計算得到的轉(zhuǎn)矩值。由于驅(qū)動單元內(nèi)部控制算法的詳細(xì)模型很難得到,因此用一個一階慣性系統(tǒng)對驅(qū)動單元內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩控制進行建模,其慣性時間常數(shù)τ1設(shè)為PLC發(fā)送轉(zhuǎn)矩控制指令至轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出的時間,約為0.03 s。驅(qū)動單元內(nèi)部計算得到的轉(zhuǎn)矩值與轉(zhuǎn)矩傳感器測量值的偏差作為轉(zhuǎn)矩擾動,主要為摩擦轉(zhuǎn)矩[16],包括電機本身的空載轉(zhuǎn)矩和傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩等,因此需要一個積分環(huán)節(jié)來消除穩(wěn)態(tài)誤差。同時,加載測試時一般要求轉(zhuǎn)矩超調(diào)值要盡可能小,有些測試場景甚至不允許出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩超調(diào),因此本設(shè)計使用轉(zhuǎn)矩微分負(fù)反饋控制方法,在階躍轉(zhuǎn)矩給定時,能有效減少轉(zhuǎn)矩輸出超調(diào)量。

圖6 加載閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

4.2 試驗結(jié)果

首先使用Simulink對轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)進行建模仿真,以檢驗建模和控制算法的可行性。當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩值從0.5 N·m以步長1 N·m增至4.5 N·m,轉(zhuǎn)矩擾動設(shè)為給定值的10%時,其仿真結(jié)果如圖7所示,轉(zhuǎn)矩?zé)o超調(diào),且能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩?zé)o靜差,轉(zhuǎn)矩上升時間很短。結(jié)果表明,使用轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器能消除轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差,加入轉(zhuǎn)矩微分負(fù)反饋能抑制突加轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)矩超調(diào)。圖8是實際運行結(jié)果,其加載方式與模擬加載一致,轉(zhuǎn)矩給定階躍變化時轉(zhuǎn)矩超調(diào)量很小,其后加載運行時轉(zhuǎn)矩能穩(wěn)定在給定值。

圖7 加載閉環(huán)控制系統(tǒng)模擬結(jié)果

圖8 實際加載閉環(huán)控制系統(tǒng)運行結(jié)果

5 結(jié) 語

所設(shè)計的加載系統(tǒng)已在上海某機器人伺服電機性能測試中心運行三年多,經(jīng)過大量在線調(diào)試和整定參數(shù)工作,該系統(tǒng)已為許多主流機器人用伺服系統(tǒng)廠商進行了實際檢測應(yīng)用。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件》、《永磁交流伺服電動機通用技術(shù)條件》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等進行溫升測試、過載試驗、負(fù)載試驗,T-N曲線測試、轉(zhuǎn)速波動、轉(zhuǎn)矩波動、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化的時間響應(yīng)等測試,各項測試性能指標(biāo)均滿足設(shè)計目標(biāo)。并與電機廠家自有的性能測試平臺進行比較,在抑制轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)矩超調(diào)方面性能表現(xiàn)更優(yōu)。詳細(xì)的加載性能量化指標(biāo),如轉(zhuǎn)矩控制精度和響應(yīng)時間等,依賴于加載轉(zhuǎn)矩給定值和電機運行速度等,此伺服電機性能測試中心也展開了類似文獻所述測試新能源汽車電機性能的測試項目[17],記錄和分析了測試結(jié)果,均滿足要求?，F(xiàn)正改進系統(tǒng),采用倍福TwinCAT3平臺與西門子S120變頻器實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集與通信的高性能伺服系統(tǒng)性能測試加載系統(tǒng)。