FANUC系统的双电机串联控制

（南京汽车集团有限公司，江苏 南京 210061）

FANUC系统的双电机串联控制

孙兰芳

（南京汽车集团有限公司，江苏 南京 210061）

介绍了双电机的两种控制方式：同步控制和串联控制，着重分析了FANUC系统串联控制的原理、速度补偿以及相关参数的设定。通过预载转矩值设定和调整，有效地消除齿轮的间隙。

串联控制；预载功能；速度反馈和补偿

一、概述

本机床是一台凸轮轴凸轮磨床，机床有两个加工位，一用一上料，提高了机床利用率。

机床使用的是FANUC 16i系统，一共有7根伺服轴：砂轮头进给轴X1，两个工件主轴C1，C2，两个内部机械手W1，W2，砂轮头平移Z1方向是由Z1和VS组成的串联轴。如图1所示。

图1 机床各轴示意图

二、控制方式

在数控系统中，经常使用两台电机联动虚拟为一个坐标轴，这两个电机常采用同步控制或串联控制。下面简单介绍这两种控制方式的工作原理，并分析本机床使用的控制方式。

1.同步控制和串联控制

（1）同步控制（Synchronous Control）。同步控制是以同样的位置指令同时送给主轴（main）和从轴（slave），保持主从轴同步。如图2所示。

①为保持运动的均匀，需要两个电机同步驱动。例如大跨距龙门机床的龙门直线移动、GROB加工中心垂直滑台。

图2 同步控制示例

②为保持加工时不扭搓工件，作旋转运动时必须同步。如曲轴Boehringer、曲轴磨床的双头工件夹持架。

（2）串联控制（Tandem Control）。当一个伺服电机轴转矩不够用，又不便于更换更大的伺服电机时，可用同样的转矩指令同时送给主轴（main）和副轴（sub），在下列情况时，选用串联控制：一个驱动电机转矩不够，可用两个较小的驱动电机代替；两个较小的驱动电机的惯量或体积，比一个较大的驱动电机小；机械具有“反施”（back feed）的能力，也就是说具有“互为主、副轴”的性能。串联控制示例如图3所示。

图3 串联控制示例

2.本机床选用的控制方式

本磨床Z1轴，需要的大的转矩适合使用两个电机的串联控制方式。

Z1轴使用是齿轮齿条传动，为了减少传动间隙，可以加一个固定的预载转矩到主、副电机的转矩指令上。其相反方向的转矩可以一直维持主、副电机的张力，去除齿轮、齿条传动间隙。

三、串联控制转矩分析

图4 移动中转矩变化模式图

由图4可知，在主轴上设定+Pre的预载转矩，在副轴上设定-Pre预载转矩，使主轴和副轴总处在保持张力的状态。

轴由停止、加速、匀速、减速，再到停止的运动过程中，从转矩变化来看，在加、减速过程中需要转矩时，两台电机就会产生相同方向的转矩，工作在负载分享模式下。在停止中不需要转矩时，通过预载，使其相互处在保持张力的状态工作在防反向间隙方式下，消除反向间隙。

由上述分析可知，按照轴的运动状态，两台电机可以在负载分享模式和防反向间隙两种工作方式下切换。

四、串联控制框图（图5）

通常串联控制中进行位置控制的仅限主轴，副轴仅进行转矩控制，副轴的速度不进行控制，但为了保持系统稳定，常通过速度反馈平均功能和衰减补偿来实现副周速度控制。

（1）速度反馈平均值功能及速度控制

如果副轴速度不控制，当机械具有较大的间隙时，副轴会在齿轮等齿隙间产生振动而导致运行不稳定，且机械会发生大的冲击。为了防止这种现象发生，通过对副轴进行速度控制，即把主、副电机速度的平均值作为速度反馈值来控制。

（2）衰减补偿

为了提高串联控制的稳定性，若主轴和副轴存在速度差，则在副轴端或主、副轴两端进行转矩补偿，以消除主副轴的速度差，特别是在控制弹簧刚性较低的机床系统中产生振动时具有效果。

五、机床配置

1.系统硬件连接图（图6）

机床系统配置了MAIN和Sub CPU，构成了两个HEAD，HEAD1中按FSSB连接顺序，分别是SDU1，IOU1，X1，Z1，VS，C1，W1，W2。

图5 串联控制框图

图6 系统连接图

HEAD2中按FSSB连接顺序，分别是SDU1、IOU1、C2。

SDU1为分离式检测器的接口模块；IOU1为FSSB输入/输出模块；SVM1为单轴伺服放大器；SVM2为双轴伺服放大器。

2.FSSB配置（HEAD1）（图7）

图7 HEAD1伺服放大器设置

六、系统参数设定

1.通用参数

（1）各轴轴名设定。

①程序轴名称参数：No.1020（表1），轴名称标注：No.3131（表2）。

表1

表2

②POSITION界面显示的绝对坐标轴名设定参数：No.3132。POSTION界面如（图8）所示。

图8

（2）位置显示。参数No.3115#0= 1，坐标中不显示该轴位置。

（3）CNC控制轴数。参数No.1010，串联轴副轴和PMC轴不计算在其中。

（4）伺服轴排列。参数No.1023，主轴设定奇数，副轴设定为相连的偶数，需将串联的副轴分配在CNC控制轴的后面。若轴没有配置，设定值为-128。

（5）电机旋转方向。参数No.2022，从电机轴看按CCW方向旋转，设定为111，按CW旋转，设定为-111。

（6）位置反馈的设定。参数No.1815#1，是否使用分离式检测器；参数No.1815#5，是否是绝对编码器

2.串联设定

（1）串联功能设定。参数No.1817#6=1主副轴均进行设定。

（2）平均速度反馈（仅设定主轴）。参数No.2008#2=1，速度平均反馈功能有效。

（3）衰减补偿（仅设定主轴）。参数No.2008#7=1，衰减补偿主轴和副轴均有效，No.2008#7=0衰减补偿仅副轴有效。

（4）衰减补偿相位系数（仅设定副轴）。参数No.2036，设定范围是51-512。

（5）预载转矩的设定。预载值Preload在参数No.2087中设定。

七、预载转矩

预载转矩（Preload）的设定具体数值，与电机和伺服放大器有关。

本机床主轴Z1与副轴VS选用的电机和伺服如下：

电机型号：AIF 30/3000

伺服型号：AISV 160/160。

根据电机说明书，可知电机的转矩常数：

Torque constant Kt=0.77Nm/Arms（有效值），

因此转矩常数峰值：Kt=0.545 Nm/Ap，则1Nm对应的电流值即I=1.83 Ap，放大器的极限AISV 160/160为160 Ap，放大器最大电流对应的设定值为7 282，则1Nm对应的设定值×7 282=83。

在调试时，先选用1/4的Stall Torque（30Nm），即为1/4×30×83=623，确认停止中是否保持张力的状态，若未在该状态时，逐渐调大该值。在调试优化后，最后该值设为700。

主副轴旋转方向一致时，PRELOAD设定方向相反，主副轴旋转方向不同时，PRELOAD设定方向相同。

作为一个大概标准，PRELOAD设定一般设定为静额定转矩1/3的值。

主轴Z1与副轴VS在机床中设定的旋转方向是一致的，则预载转矩参数Z1：No.2087= 700，VS：No.2087= -700。

在尚未连接两台电机的状态下，务须将预载转矩设为0，否则主轴电机有可能在非常高的速度下旋转，十分危险。

八、结语

双电机串联控制，在负载分享模式和防反向间隙两种工作方式下切换，即可提供双倍转矩，又可消除反向间隙。为了保持系统的稳定，常会启用速度反馈平均和衰减补偿功能，并且施加合理的预载转矩，消除反向间隙，有效的保证机床的精度。

[1] FANUC AC SERVO MOTORαiS/αiF/βiS PARAMETER MANUAL 2009.

[2] FANUC Series 16i/160i/160is-MODEL B MAINTENANCE MANUAL 2005.

[3] 梁任，方强.基于转矩补偿的双电机驱动消隙控制系统[J].机电工程2010.

[4] 孙秀娥，苗松.FANUC串联转矩控制和简易同步控制在数控机床上的应用[J].科技传播2011.

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