第3章 基于三菱QD75运动控制单元的压力限制保护技术开发

本章介绍了基于三菱QD75运动控制单元的伺服压力机压力控制的一种新方法，比较了不同的压力控制方案及使用情况，对压力机作压力控制时出现的问题提出了实用的解决方法。

3.1 压力机控制系统的构成及压力控制要求

某厂家的大型压力机为了实现精确的位置控制要求采用伺服系统控制，经过综合技术经济指标的比较，采用三菱QPLC作为主控系统。该控制系统构成如下：CPU为Q06HCPU；基板为Q35B；电源单元为Q61P；运动控制单元为QD75MH1；输入单元为QX41；输出单元为QY42；触摸屏为GT1585；伺服驱动器为MR-J3-22KB4；伺服电动机为HA-LP22K1M4。

基于QD75定位单元构成的运动控制系统有丰富的运动控制功能，能够执行多轴插补运行和多轴同时起动运行，即使对于单轴的伺服系统而言，也有精确的点对点控制和连续运动控制和手轮操作，很适合压力机的运动控制。

除了精确的位置控制，由于是大型压力机，所以客户还要求进行压力控制，一方面是生产工艺的要求，另一方面是设备安全的要求。要求对于不同的工件进行不同的压力控制，可以在操作屏上方便地进行设定压力控制值。这是压力机特殊的工作要求。

3.2 压力机工作压力与伺服电动机转矩的关系

压力机工作压力计算以做功相等为原则。压力机的机械传动结构一般是伺服电动机→减速器→丝杠→工作滑块。所以工作滑块以“额定工作压力”移动丝杠一个“螺距”所做的功应该等于伺服电动机以“额定转矩”带动减速器所做的功。即

PL=2πRFi

式中 T——电动机转矩（N·m）；

F——电动机工作扭力（N）；

R——电动机轴半径（m）；

P——压力机公称压力（kN）；

L——丝杠螺距（mm）；

i——减速比。

由于

T=RF

2πTi=PL

则

T=PL/2πi

P=2πTi/L

由此可知，压力机工作压力与电动机转矩成正比，只要能够控制电动机转矩，就能够控制“压力机工作压力”。因此，对压力机工作压力的控制就转换为对电动机转矩的控制。

3.3 实时转矩控制方案

3.3.1 实时转矩值的读取

在三菱伺服驱动器MR-J3中，其硬件带有模拟输出接口，通过参数设置，可以使其输出代表“转矩值”的模拟信号。所以，实时转矩控制方案是：实时读取“转矩值”（模拟信号），将该模拟信号送入PLC的A-D模块，进行A-D转换后，与预先设定的数值进行比较，如果实际转矩值达到设定的限制值，就发出停机信号。

图3-1 MR-J3伺服系统的“转矩输出信号”

如图3-1所示，通过设置参数PC14=0002，在MO1-LG输出转矩值。其比例关系是+/-8V——最大转矩。最大转矩对应模拟输出电压为8V，将模拟信号送入控制系统处理，控制系统使用的A-D转换模块的转换率是10V转换为数字2000，则8V转换为数字1600。

3.3.2 实际自动工作状态转矩值测试

在自动工作模式下以不同的速度运行设定的工作距离，测量的转矩数据见表3-1。

表3-1 自动运行时实际测量的转矩数据

从表3-1中的测试数据看，伺服电动机工作转矩在144%～235%范围内未出现报警，而自动工作状态是压力机正常工作状态，所以这组数据有实际意义。

3.3.3 实时转矩控制的PLC程序

在PLC程序中，如果设置120%转矩为安全工作状态，对其经过A-D转换后存放在D500中，则停机信号程序如图3-2所示。

图3-2 停机信号程序

在实际应用中，这种转矩控制方式从“转矩到达限制值”到停机信号发出的这一时间段由于受到PLC程序扫描周期的影响和机械惯性的作用，在停机之前，压力继续上升，可能对机械及工件造成损坏，未能够达到压力控制的效果，所以放弃了。

3.4 转矩限制方案

3.4.1 作为控制指令的转矩限制指令

再仔细与厂家设计方探讨，厂家要求的功能是：为了保护机械设备及工件，必须根据加工工艺设定最大的工作压力，一旦机械工作压力到达最大值，必须使工作压力不超过该设定值，而且应该能够不停机设定，设定后立即生效。

仔细分析运动控制单元QD75的控制指令，在其控制指令中有“新转矩限制值”写入指令。在QD75中，“新转矩限制值”对应为Cd.22。Cd.22是存储“新转矩限制数据”。Cd.22在QD75的BFM中的地址——第1轴=1525。

在QD75中，为改变转矩限制值必须向Cd.22中写入新的数据。

在PLC程序中，有两种方法写入Cd.22。一种是TO指令，一种是智能指令。图3-3所示的PLC程序表示了这两种方法。D512是可以从触摸屏上设定的“转矩限制值”。

图3-3 设置“转矩限制指令”的PLC程序

在使用该指令时，最初“起动信号”使用的是脉冲信号，结果该指令不起作用，仔细查看资料，该指令的接通时间要求大于100ms，将起动信号改用常闭信号SM400后，该指令生效。

在连续工作中设置更改不同的“转矩限制值”，实际试压时（用压力测试仪测试）压力被限制在相应的级别，不再上升，而QD75本身并不报警，证明了转矩限制功能的有效。表3-2是实际测量的转矩限制值与压力的关系。

表3-2 实际测量的转矩限制值与压力的关系

3.4.2 使用转矩限制指令的若干问题

在进入转矩限制阶段后，实际位置与指令位置出现偏差。显然是在进入转矩限制阶段后，电动机轴被负载外力顶住不能运动，而指令脉冲照样发出，所以出现：“指令位置和实际位置不一致”。

在试压时出现下列异常现象：

1）在滑块向下做压力运动时，一直使“转矩限制”有效，压力就被限制在设定的级别上。

2）在滑块向上运行时，解除了转矩限制，使Cd.22=0，这时滑块突然向下运动，压力值增加到1600kN（原设置值500kN），反复多次均是同一动作。

在不解除“转矩限制”时，则没有上述现象。经过仔细观察和分析，结论如下：①在进入“转矩限制”状态后，滑块实际位置与指令位置出现偏差；②伺服系统的特性是一直要强制使实际位置等于指令位置，所以一旦转矩限制被解除，伺服电动机就运动到指令位置压制工件，产生很大的压力；如果不解除压力限制，则在滑块上升期间，设置较高运行速度时，会出现位置偏差报警（加速度越大，所需转矩就越大，而转矩又被限制住）。

因此，用户希望仅仅在工作阶段执行转矩限制。

对策之一是设置一计时器，在上升信号执行某一时间后（待到上升距离大于偏差距离后）再解除转矩限制。实际执行中，经过程序上的这样处理，获得了较好的效果。

对策之二是用上升的脉冲信号清除滞留脉冲。这是一种安全的做法。

3.4.3 报警

在进入“转矩限制状态”很短的时间后，系统出现“52”号报警。该报警是在伺服系统上出现的报警。其含义是：“位置偏差过大：指令位置与实际伺服电动机位置间的偏差超过3转”。

QD75本身并没有出现报警，而是伺服系统报警，这证明了QD75只限制转矩量级的解释。

QD75不足之处在于没有反映电流和转矩的标志信号。这样即使达到转矩时也没有信号使其停止，直到伺服系统发出报警后才停机，这不利于迅速停机。

3.5 结束语

在基于三菱QD75运动控制单元构成的运动伺服控制系统中，利用其特有的“转矩限制值改变指令”，可以随时限制伺服系统的工作压力，保护设备和工件，特别适合于不同的工件和加工工艺，而且可以将转矩限制值作为工艺条件的函数，对于冷挤压工艺具有重要意义。实际使用时要注意用上升的脉冲信号清除滞留脉冲，避免转矩突然增加造成对操作人员和设备的伤害。