[大佬]运动控制1.运动控制选型配置要点

随着自动化及驱动技术的发展，特别是伺服驱动系统的普及，运动控制技术在生产机械中的作用越来越大，一方面可以简化机械设计，例如通过电子齿轮同步可以替代原来的机械齿轮传动，采用电子凸轮同步可以替代原来的机械凸轮机构，采用全伺服驱动在一定程度上能够降低由于机械磨损导致的精度损失；另一方面可以实现柔性化生产，即在不更换机械结构的情况下，通过不同的工艺程序及配方控制实现不同种类的生产任务。

图1典型运动控制应用案例

如图1所示，这是一条典型运动控制应用案例的生产线，包括多个加工单元，从功能上看，用到了卷绕的放卷功能、带有浮动辊的张力控制、冲压定长送料功能、同步功能（飞锯、轮切）、理料单元、输送皮带控制、转运机械手等功能。常见的运动控制功能有以下几种，如图2所示：

图2运动控制功能

一、机器方案系统分析与论证

如何才能设计出一个既能满足工艺需求，又灵活好用的机器呢？我们可以下几个维度入手，进行系统分析、论证和实施：

1、了解机器的基本信息：

1）、行业->工厂->车间->产线->设备。是把什么原料加工成什么产品。

2）、机器有哪些部分组成，相互关系是什么？

3）、 机器在客户中是什么水平，在行业中是什么水平？同行业现状及发展趋势是什么？

2、落实机器控制指标及整体功能：

1）、 整体机器控制要求，例如：节拍，产量，速度，精度，KPI等。

2）、 要实现整体功能，各部分的控制功能要求是什么？结合工艺及控制要求，提炼机器的控制功能。例如：动/静态响应，PID调节精度，控制响应时间，数据采样和存取精度/速度，控制算法准确度，标准化及数字化接口（行业标准，通讯接口）等。

3、方案分析：

1）、 什么产品的功能可以实现机器的控制要求，如何计算得到的？主要是控制难点上。

2）、如果有不同方案，他们之间的对比，优劣分析。

3）、如有原型机，控制原理是什么，替代方案是什么，技术上如何替代的？

4、控制实现：

1）、什么产品功能对控制难点是如何实现的。

2）、实现的结果是否能验证前期的分析？如果有差异，在哪？为什么？

3）、关键信息，例如：选型分析和计算；控制要点和功能；调试曲线和数据记录；

4）、遇到的关键问题和解决办法。

5、其它：

1）、对机器有什么优化建议（机械优化，增减检测点，精度要求优化等）？为什么？

2）、如果要进一步提高控制精度或生产效率，其瓶颈是什么？

3）、 市场的前景及客户反馈。

二、选型配置要点

在对机器进行整体分析和论证后，首先要做的就是方案选型配置阶段，选型的步骤一般是从机械系统开始->工艺曲线（节拍）->电机（编码器）->驱动器->运动控制器。其中机械负载的转动惯量，机械系统的刚性，运行节拍，减速机最佳减速比，电机转动惯量匹配，编码器精度与分辨率，驱动系统设计与选型，运动控制器的通讯与扫描时间对整个系统的实现至关重要。

1、使用环境，供电系统检查：

需要考虑的因素：海拔、环境温度、灰尘、湿度等；电网类型、变压器容量、接地类型、谐波要求、电压及电压波动、频率等。

选型注意事项：根据以上因素，选择相应的产品系列并考虑降容及进线选件等。

2、负载类型及工艺需求：

需要考虑的因素：负载机械机构、传动方式及相关机械参数（负载质量/转动惯量），减速比，运行周期（加速度、减速度、最高运行速度及节拍）。

选型注意事项：根据以上参数核算负载转动惯量、负载峰值转矩和有效转矩、峰值制动功率和平均制动功率。

3、转动惯量计算方法：

1）、根据飞轮惯量(即飞轮矩)GD2估算转动惯量，适用于根据实测的速度加速曲线与实际转矩曲线推算系统总的转动惯量。

两者间的关系为：

旋转运动公式：T-Tf ≈（GD2/374.5）*dn/dt ；

J=mr2=(G/g)*(D/2)2=GD2/4g ；GD2=374.5*(TL-Tf)*dt/dn

m：系统转动部分的质量，单位：KG；r：系统转动部分的回转半径，单位：米；

G：系统转动部分的重力，单位：牛；D：系统转动部分的回转直径，单位：米；

g：重力加速度，9.8kgm2；TL:实测加速扭矩，单位：NM；Tf :实测匀速扭矩，单位：NM；

dn/dt：速度变化率，单位：rpm/s。

2）、线性运动系统负载转动惯量计算公式：

动能定理的公式：EK=mV2/2=JLω2/2 ；ω= 2π/T=2πf=2πn/60

JL=91.2*m*(V/n)2

m：负载质量，单位：KG；V：负载最大线速度，单位：m/s；

n：负载最大线速度对应的转速，单位：rpm；ω:角速度，单位：rad/s 。

4、惯量匹配

1）、功率变化率 ：

电机的基本功能就是将输入的电功率快速的转换为机械功率输出，功率转换的越快，伺服电机的快速性越好。

功率转换的快速性用功率变化率（dP/dt）来衡量：

由T=J·dω/dt ；

P=T·ω ---> dP/dt=d(T·ω)/dt=T·dω/dt=T·T/J =T2/J

电机以峰值转矩Tp进行加、减速运动时的功率变化率最大：

(dP/dt)max=Tp2/Jm ；其中Jm 为电机惯量。

2）、惯量匹配：

伺服系统要求电机能快速跟踪指令的变化，对于一个定位运动，就要求以最短的时间到达目标位置，换一种说法，就是在驱动负载的定位过程中，以最大的功率变化率将输入功率转换为输出功率。

伺服电机驱动惯性负载JL的加速度、加速转矩计算如下：

负载的加速度（系统加速度）：

dω/dt= Tp /(Jm+JL)；

负载的加速转矩：

TL= JL·dω/dt= JL·Tp /(Jm+JL)；

负载的功率变化率：

dPL/dt=TL2/JL ---> dPL/dt = JL2·Tp2/(Jm+JL)2/ JL = JL·Tp2/(Jm+JL)2

从上式中可以看出：

根据极值定理，对应dPL/dt极值的JL值为使d(dPL/dt)/d(JL) = 0的值，得出：JL=Jm ，称为“惯量匹配”，惯量匹配时，负载的功率变化率最大，响应最快。

5、减速箱速比及电机转动惯量比确认:

1）、根据控制精度、负载等效扭矩、峰值扭矩及最高运行转速，确定减速机类型及最佳减速比i。

2）、在确定减速机速比后根据负载特性及转速要求选择合适的电机，并综合考虑使用环境、抱闸等因素。

3）、根据控制对象速度变化率，控制精度要求，校验电机转动惯量比k（k=JL/Jm）及驱动系统响应时间。

6、编码器分辨率选择：

可实现的精度除了机械传动精度外，主要取决于测量系统的分辨率与精度。

编码器应按每个所需的精度误差递送至少5-10个增量(低速分辨率)。

旋转编码器举例: 测量直径dm=200 mm ,精度e=0.1 mm,减速比i=1。

图3计算公式

7、驱动器选型：

1）、根据使用环境和供电系统要求选择相应的产品系列并考虑降容及进出线选件等。

2）、根据电机的负载特性、输出频率、考虑过载及降容系数选择合适的驱动器，并考虑制动功率等因素。

3）、根据实际需求选择其他附件，包括：电缆长度、是否柔性、是否带抱闸等。

4）、核对通讯方式、使用的控制功能、CU资源、授权情况。

8、控制器选型：

根据工艺需求核对CPU性能，可以通过TIA SelectionTool、Sizer等工具进行驱动选型及计算运动控制资源。

9、行业标准、程序架构、数字化接口、上位监控系统及网络规划等。

三、选型工具介绍

西门子提供了Sizer选型计算工具帮助大家快速进行选型计算及配置生成，借助Sizer工程配置工具可以轻松进行从机械系统（滚珠丝杠、旋转工作台、传送带、齿条齿轮传动、卷取机、横向切断机等如图4所示）、电机（标准感应电机,齿轮电机，感应伺服电机，同步伺服电机，力矩电机，线性电机）、驱动器（SINAMICS）到控制系统（SINUMERIK、SIMOTION、 SIMATIC）等完整驱动系统工程设计的工作流程。如果Sizer提供的机械系统模型能够匹配我们设计的机器系统，那么将负载参数输入到Sizer软件可以得到负载的转动惯量（具体可以参考：Sizer伺服驱动滚珠丝杠选型示例）。我们也可以手动计算的方式或者通过机械3D设计软件获得负载转动惯量。

图4 Sizer中常见机械系统

Sizer软件可以根据“梯形/三角形曲线”输入运行曲线的方式，通过指定运行距离，运行时间和加减速时间，由 Sizer 软件计算出运行速度和加减速度，如图5所示。

图5 Sizer运行曲线规划

对于不规则的运行曲线，Sizer也支持自定义曲线（根据时间间隔和速度），支持从Excel表格直接复制，如图6所示。

图6 Sizer自定义运行曲线规划

根据负载和运行曲线，Sizer软件可以帮助我们进行电机及驱动器数据检查，并可以计算CU的资源消耗，根据轴数及工艺计算运动控制器CPU资源占用情况，并最终导出项目报告和订货清单。

Sizer软件的下载地址、软件简介及选型示例如下：

1、Sizer软件的下载链接如下：

https://support.industry.siemens.com/cs/document/54992004/sizer-for-siemens-drives?dti=0&lc=en-CN

2、Sizer软件简介：

https://support.industry.siemens.com/cs/document/109777875/sizer-%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E7%AE%80%E4%BB%8B?dti=0&lc=zh-CN

3、SIZER伺服驱动滚珠丝杠选型示例：

https://support.industry.siemens.com/cs/document/109778896/sizer%E4%BC%BA%E6%9C%8D%E9%A9%B1%E5%8A%A8%E6%BB%9A%E7%8F%A0%E4%B8%9D%E6%9D%A0%E9%80%89%E5%9E%8B?dti=0&lc=zh-CN