Система позиционирования высокой точности с преобразователем частоты Toshiba VF-AS3

26.04.2019

Возможности системы позиционирования ПЧ VF-AS3

Преобразователь частоты VF-AS3 Toshiba позволяет осуществлять контроль положения для таких применений, как
управление высокоточными обрабатывающими станками, поворотными столами, складским оборудованием, перемоточными станками.

Контроль позиционирования с помощью частотника VF-AS3
Контроль позиционирования с помощью частотного преобразователя VF-AS3

Если сравнивать ПЧ VF-AS3 Toshiba и Schneider Electric Altivar ATV930 в продукции Schneider Electric не найдется приводов с возможностью позиционирования, которые представлены в этом обзоре. У приводов VF-AS3 (в отличии от Altivar) также есть небольшой встроенный ПЛК, возможность подчиненного управления другими 10 частотниками (Master follower control), перераспределение нагрузки на несколько двигателей.

Сравнение Toshiba VF-AS3 и Schneider Electric Altivar ATV930
Сравнение Toshiba VF-AS3 и Schneider Electric Altivar ATV930

Для намоточных и перемоточных станков доступны 2 встроенных ПИД-регулятора для регулирования скорости и контроля позиции регулятора натяжения.

Функция позиционирования имеет несколько важных возможностей работы

  1. Блокировка вращения вала при остановках (Servo Lock).
  2. Остановка в нулевом (заданном) положении (Zero positioning). Остановка вблизи заданной точки при получении сигнала с датчиков с включением ПИД-регулятора.
  3. Импульсный вход (Pulse train input) для движения по шагам. Остановка после отключения командных импульсов.
  4. От точки к точке (Point to point). Остановка в заданных положениях.
  5. Ориентация (Orientation). Точная установка угла поворота вала шпинделя и т.п.

Таблица выбора контроля позиционирования

Электродвигатель Привод Функция позиционирования
Датчик Значение параметра Pt [F015] Опция Нулевое положение Импульсный вход От точки к точке Ориентация
Асинхронный Синхронный
Без датчика не поддерживается 6 не требуется Да не поддерживается не поддерживается не поддерживается
Энкодер 10, 11 12 не требуется Да не поддерживается Да не поддерживается
10, 11 12 VEC008Z Да Да Да Да
Резольвер 10, 11 12 VEC010Z Да Да Да Да
Система позиционирования с помощью частотного преобразователя VF-AS3
Система позиционирования с помощью частотного преобразователя VF-AS3

Подключение энкодера к частотному преобразователю

Схема подключения энкодера к частотному преобразователю VF-AS3 без опций

На представленной ниже схеме питание энкодера осуществляется от встроенного источника ПЧ. Если используется энкодер на 5 В или 12 В, необходимо предусмотреть соответствующий внешний источник питания.

Схема подключения энкодера к частотнику AS3 Toshiba
Схема подключения энкодера к частотному преобразователю AS3 Toshiba

Нужно помнить об ограничении на скорость обработки входов S4/S5 (максимум 30000 имп./сек). В случае применения 1000-пульсного инкрементального энкодера с 4-х полюсным двигателем, максимальная скорость вращения ротора для этой функции составит 30000 имп. в сек/ {1000 имп. / (4пол./2)} = 60 Гц.

Схема подключения энкодера к частотному преобразователю
VF-AS3 с опцией VEC008Z

Опциональный модуль VEC008Z позволяет подключать инкрементальный энкодер с контрольной точкой (Фаза Z). Доступные варианты питания энкодера (клеммы PGVC и PGCC): 5В, 12 В и 24 В.

Контроль позиционирования с помощью энкодера с импульсного входа частотника
Схема подключения энкодера частотного преобразователя с опцией VEC008Z

Функция блокировки вращения вала Servo lock при остановках двигателя

Как и при работе сервопривода, параметры частотника AS3 позволяют вам управлять двигателем при частоте вращения 0 Гц, просто подавая сигнал работы вперед или назад. Эти параметры используются для удержания остановившегося двигателя. Использование этого функционала возможно только при наличии энкодера на двигателе.

Обязательным условием работы этой функции является задание параметра Pt[F015] = 11 (векторный контроль с обратной связью от энкодера) и задание стартовой частоты в параметре [F240] = 0 (Гц).

Для получения этого режима любой цифровой вход (F110…F124) программируется на число 70(71). Режим SRVL (Servo lock) ON. Лучше назначать эту функцию входу RES [F113], который обычно используется для остановки двигателя.

Имейте в виду, эти параметры не предназначены для контроля положения ротора, потому что когда нагрузка превышает мощность удержания двигателя, то двигатель будет вращаться.

Блокировка вращения вала двигателя во время остановки с помощью частотника AS3 Toshiba
Блокировка вращения вала двигателя во время остановки с помощью частотного преобразователя AS3 Toshiba

Для удержания вала двигателя функция блокировки создает стартовое усилие более 150%. При этом снижается уровень тепловой защиты, как и в случае работы на низкой скорости.

Поэтому необходимо тщательно настроить следующие параметры:

  • OLM [F017]. Выбор характеристик теплозащиты.
  • tHrA [F031]. Ток тепловой перегрузки двигателя.
  • [F606]. Предел частоты снижения перегрузки двигателя.
  • [F607]. Время перегрузки двигателя.

Остановка в строго заданном положении (Zero positioning) с использованием датчиков.

Простое позиционирование в заданное датчиком положение с уточнением с помощью ПИД-регулятора в режиме управления с датчиком скорости (энкодером) или без датчика скорости при использовании синхронного двигателя.

Когда параметр Pt [F015] = 10 (контроль с обратной связью от энкодера) или Pt [F015] = 11 (векторный контроль с обратной связью от энкодера) или Pt [F015] = 6 (контроль без обратной связи для синхронных двигателей), то позиционирование осуществляется сигналом на клемме цифрового входа [F110…F124] = 72(73) (SIMP/Simple positioning – Простое позиционирование). Т.е. при достижении датчика, подключенного к клемме с настройкой 72 привод AS3 включит режим приближения к этому датчику.

Позиционирование заканчивается если номер импульса энкодера находится в пределах значения заданного диапазона отклонения от нуля. Этот диапазон настраивается с помощью параметра [F381] (диапазон завершения простого позиционирования). После остановки позиционирования на выходные клеммы FL_, R1_, R2_ может быть выведен сигнал с помощью назначения числа 118 (119) (Сигнал завершения позиционирования) в соответствующие параметры [F130, F132…F134, F137…F138].

Подключение датчиков к частотному преобразователю AS3 Toshiba для точного позиционирования
Подключение датчиков к частотному преобразователю AS3 Toshiba для точного позиционирования

Важно также настроить ПИД-регулятор на задачу позиционирования. Он настраивается в параметре [F359] = 3 (положительное ПИД-регулирование при позиционировании) или [F359] = 13 (отрицательное ПИД-регулирование при позиционировании). ПИД-регулятор не включается пока не поступит сигнал с датчика на входную клемму с настройкой 72.

Схема задания параметров внутреннего ПИД-регулятора позиционирования
Схема задания параметров внутреннего ПИД-регулятора позиционирования

Типичный процесс позиционирования показан на диаграмме ниже. Кнопка на клемме F привода запускает двигатель со предустановленной скоростью 1, задаваемой от контроллера с помощью запрограммированного входа S1. При достижении датчика S2 запускается пониженная скорость двигателя (контроллер захватывает этот режим), предназначенная для подготовки к точному позиционированию. При достижении датчика S3 запускается процесс позиционирования (контроллер тоже захватывает этот режим), который состоит в том, чтобы с помощью возвратно-поступательных движений вернуть механизм к точке получения сигнала от датчика S3 с заданной погрешностью (диапазон остановки).

Важно! Выполнение поиска положения остановки в высокоскоростном режиме может вызвать отключение по токовой перегрузке, отключение по перенапряжению и т. д. Всегда старайтесь перейти к низкоскоростному режиму и только потом включите сигнал позиционирования.

Простое позиционирование механизма с помощью частотника AS3 Toshiba
Простое позиционирование механизма с помощью частотного преобразователя AS3 Toshiba

Теперь важно настроить следующие параметры для этого режима.

ПараметрОписаниеВозможные значения
Pt [F015] Настройка V/f 6 (контроль без обратной связи для синхронных двигателей)
10 (контроль с обратной связью от энкодера)
11 (векторный контроль с обратной связью от энкодера)
F375Число импульсов на 1 оборот энкодера Например, 1024
F376Выбор типа датчика скоростиС опцией энкодера/резольвера или без опции
F377Обнаружение отключения датчика скорости1 (только для опций энкодера/резольвера)
F379Напряжение питания датчика скорости0 (5 В)
1 (12 В)
2 (24 В)
F381Диапазон завершения простого позиционирования Например, 100 импульсов
F240Частота старта0 Гц (обязательно для этого режима)
F241Частота запуска0 Гц (обязательно для этого режима)
F243Частота останова0 Гц (обязательно для этого режима)

Настройки ПИД-регулятора в основном сводятся к заданию следующих коэффициентов

  • [F362] – пропорциональный коэффициент
  • [F363] – интегральный коэффициент
  • [F364] – верхний предел изменения ПИД (для стабилизации регулирования) *
  • [F365] – нижний предел изменения ПИД (для стабилизации регулирования) *
  • [F366] – дифференциальный коэффициент

*Отклонение представляет собой текущую позицию, преобразованную в частоту, которая получается по следующей формуле:

Формула для точного позиционирования ПИД-регулятором

Возможные проблемы

Если во время замедления при ПИД-регулировании происходит отключение по перенапряжению, уменьшите значение [F362] (пропорциональный коэффициент усиления PID1). Время замедления станет больше.

Важно! Настройка [dEC] (время замедления 1) недопустима при простом позиционировании ПИД-регулятора.

Импульсный вход для позиционирования механизма по инкрементальному энкодеру или резольверу

Контроль позиционирования с помощью энкодера с импульсного входа частотника
Контроль позиционирования с помощью энкодера с импульсного входа частотного преобразователя

Алгоритм работы

  1. На импульсные входы (S4, S5) со смещением 90° подаются командные импульсы от управляющего устройства. Направление смещения +90° или -90° позволяет задавать направление вращения двигателя.
  2. На входы платы VEC008Z подаются импульсы с энкодера. Но это происходит с задержкой, потому что двигателю вначале необходимо стартовать.
  3. Разница между импульсами энкодера и командными импульсами называется импульсами понижения (droop pulses), которые хранятся в специальном счетчике отклонений частотного преобразователя. Импульсы понижения являются командой установки скорости вращения при управлении положением.
  4. Во время работы с постоянной скоростью в счетчике отклонений присутствует постоянная величина импульсов понижения. По мере того как скорость изменяется, количество импульсов понижения также изменяется.
  5. Когда ввод командного импульса прекращается, импульсы понижения в счетчике уменьшаются, а скорость двигателя замедляется, затем двигатель останавливается.
  6. Поскольку двигатель вращается с задержкой после подачи команды по количеству импульсов понижения, он останавливается немного позже поступления команды останова (прекращения командных импульсов). Это время задержки называется заданным временем останова.
Контроль позиционирования с помощью частотника VF-AS3 и энкодера/резольвера
Контроль позиционирования с помощью частотного преобразователя VF-AS3 и энкодера/резольвера

Настройка параметров частотника

При подключении опции датчика скорости (энкодера/резольвера) необходимо настроить следующие параметры частотного преобразователя:

ПараметрВозможное значениеОписание
[A510]2 или 32 – однофазный импульсный режим управления
3 – двухфазный (квадратурный) импульсный режим управления (2 серии импульсов со смещением)
[F146] / [F147]1/0 или 0/1
1/1
1/0 или 0/1 – для однофазного входа S4 или S5 соответственно
1/1 – для двухфазного входа с помощью клемм S4 и S5
[F114]178(179)Команда готовности к позиционному контролю (PSRDY) для входа S1
[F117]183(183)Функция движения вперед/назад по командным импульсам (PSCMD) для входа S4
[F118]182(183)Функция движения вперед/назад по командным импульсам (PSCMD) для входа S4

Схема подключения внешней аппаратуры к инвертору для движения по управляющим импульсам

Контроль позиционирования с помощью энкодера с импульсного входа ПЧ
Контроль позиционирования с помощью энкодера с импульсного входа ПЧ

На представленной выше схеме движение двигателя по шагам начинается с подачи сигнала на вход S1 (разрешение движения по импульсам) и затем на вход F (пуск). На импульсные входы (S4, S5) со смещением 90° подаются командные импульсы от управляющего устройства. Направление смещения +90° или -90° позволяет задавать направление вращения двигателя.

Для начального разгона двигателя необходимо подавать импульсы достаточно редко. Количество поданных импульсов задают позицию вала двигателя. В процессе торможения также необходимо увеличивать временные промежутки между импульсами.

Отключение сигналов производится в обратной последовательности. После прекращения подачи командных импульсов вначале снимается сигнал с входа F, затем с входа S1.

Отключение функции позиционирования по командным импульсам

Если функция позиционирования по командным импульсам больше не требуется необходимо выполнить очистку счетчиков импульсов.

Для очистки счетчика импульсов (позиции) задайте параметр [A537] = 0 (для очистки импульсом с OFF на ON на входе S4/S5) или [A537] = 1 (для очистки постоянным сигналом ON на входе S4/S5). Далее задайте для входов S4/S5 параметры [F117] / [F118] = 184(185) для перевода их в режим очистки и подайте соответствующий настроенному параметру [A537] сигнал на входы S4/S5.

От точки к точке. Остановка в заданных позициях.

Установите параметры для системы позиционирования, такие как количество импульсов, время разгона/торможения и предварительно установленную скорость работы между точками позиций.

Остановка в заданной позиции
Остановка в заданной позиции

Схема подключения внешней аппаратуры к инвертору для движения по заданным точкам

Контроль позиционирования с помощью энкодера и заданных точек
Контроль позиционирования с помощью энкодера и заданных точек

Функционирование этой схемы хорошо поясняется на представленной ниже временной диаграмме.

Диаграмма работы ПЧ в режиме перехода по позициям
Диаграмма работы ПЧ в режиме перехода по позициям

Вначале запускается контроль позиционирования сигналом на вход S5. Затем запускается двигатель сигналом на вход F. С помощью комбинаций ключей на входах S1 и S2 выбирается нужная позиция, к которой привод должен двигаться. При сигнале на вход S1 движение идет в прямом направлении к позиции 1. При добавлении сигнала S2 движение идет в прямом направлении к позиции 3. При исчезновении сигнала с входа S1 (сигнал S2 остается) движение идет в обратном направлении к позиции 2.

Визуальное отображение работы показано на диаграмме ниже. Для примера взят энкодер на 1024 позиций на 1 оборот. Т.е. 10 оборотов равны значению 10240, 40 оборотов равны значению 40960 и 100 оборотов равны значению 102400.

Диаграмма работы ПЧ в режиме перехода по позициям - подсчет импульсов
Диаграмма работы ПЧ в режиме перехода по позициям – подсчет импульсов

Настройка значений позиций 1, 2, 3 показана на временной диаграмме ниже. Значения задаются в сдвоенных параметрах [A544]+[A545] – позиция 1 (10240 импульсов = 10 оборотов), [A552]+[A553] – позиция 2, [A560]+[A561] – позиция 3. Параметры сдвоены для возможности ввода очень больших чисел – количества импульсов (позиций энкодера). Например, позиция 10240 разбивается на числа 1 и 0240 (по 4 цифры в каждый параметр), незначащие нули перед числом не опускаются.

Диаграмма работы ПЧ в режиме перехода по позициям - задание параметров позиций
Диаграмма работы ПЧ в режиме перехода по позициям – задание параметров позиций

Примечание 1. Задайте корректное время разгона и торможения для режима каждой позиции с помощью параметров [A547]+[A548], [A555]+[A564], [A563]+[A556]. См. ниже.

Диаграмма работы ПЧ в режиме перехода по позициям - задание времени разгона и торможения
Диаграмма работы ПЧ в режиме перехода по позициям – задание времени разгона и торможения

Примечание 2. С помощью параметров [A546], [A554], [A562] доступны настройки разгона/торможения по следующей таблице:

Значение параметраРежим работыШаблон разгона/торможенияЗнак
0Команда абсолютного позиционированияЛинейная характеристика Плюс
1Команда абсолютного позиционирования Линейная характеристика МИнус
2Команда абсолютного позиционирования S-образная характеристикаПлюс
3Команда абсолютного позиционирования S-образная характеристика Минус
4Команда увеличения позицииЛинейная характеристика Пллюс
5Команда увеличения позиции Линейная характеристика Минус
6Команда увеличения позиции S-образная характеристика Плюс
7Команда увеличения позиции S-образная характеристика Минус

В приведенном выше примере программируются только 3 позиции остановки. Всего же их существует 7 шт. Задаются они по аналогии с примером выше с помощью параметров из следующие таблицы.

Номер точки Позиция (число импульсов) Шаблон разгона/торможения Максимальная скорость Время разгона Время торможения Код включения
Верхние 4 цифры Нижние 4 цифры Сигнал S1 Сигнал S2 Сигнал S3
1 A544 A545 A546 Sr1 A547 A548 X
2 A552 A553 A554 Sr2 A555 A556 X
3 A560 A561 A562 Sr3 A563 A564 X X
4 A568 A569 A570 Sr4 A571 A572 X
5 A576 A577 A578 Sr5 A579 A580 X X
6 A584 A585 A586 Sr6 A587 A588 X X
7 A592 A593 A594 Sr7 A595 A596 X X X

Тестовые настройки для 3 позиций остановки для вышестоящего примера можно представить в виде следующей таблицы.

Название параметраЗначениеОписаниеПояснение
Sr150 ГцЗаданная скорость 1Позиция остановки 1
Sr250 ГцЗаданная скорость 2Позиция остановки 2
Sr350 ГцЗаданная скорость 2Позиция остановки 2
F118178Функция входной клеммы S5Команда готовности к позиционному контролю (PSRDY) для входа S5
F3626Коэффициент пропорциональности ПИД-регулятора
F3751024Число импульсов энкодера на 1 оборот
F3761 или 11Использование опции датчика скорости VECxxxZ
F3790 (5 В)Напряжение питания энкодера
F46010Отклик контроля скорости
A5101Режим перемещения по нескольким позициям
A5441Верхние 4 цифры позиции останова 1Позиция задается числом импульсов датчика скорости
A545240Нижние 4 цифры позиции останова 1Позиция задается числом импульсов датчика скорости
A5462Шаблон разгона/торможения для 1 позиции2 это шаблон S-кривой
A5470,01 секВремя разгона для 1 позиции
A5480,01 секВремя торможения для 1 позиции
A5524Верхние 4 цифры позиции останова 2 Позиция задается числом импульсов датчика скорости
A553960Нижние 4 цифры позиции останова 2 Позиция задается числом импульсов датчика скорости
A5542Шаблон разгона/торможения для 2 позиции
A5550 секВремя разгона для 2 позиции
A5560 секВремя торможения для 2 позиции
A56010Верхние 4 цифры позиции останова 3 Позиция задается числом импульсов датчика скорости
A5612400Нижние 4 цифры позиции останова 3Позиция задается числом импульсов датчика скорости
A5622Шаблон разгона/торможения для 3 позиции
A5630 секВремя разгона для 3 позиции
A5640 секВремя торможения для 3 позиции

Коэффициент пропорциональности ПИД-регулятора [F362] рассчитывается примерно так: 500 · число пар полюсов двигателя/[F375](Число импульсов энкодера на 1 оборот)

Если для установления позиции требуется время в процессе управления позиционированием, увеличьте [F362] на 0,1. Если после установления позиции возникает вибрация, уменьшите [F362] на 0,1.

После остановки позиционирования на выходные клеммы FL_, R1_, R2_ может быть выведен сигнал завершения позиционирования при вводе соответствующие параметры [F130, F132…F134, F137…F138] числа 118 (119).

Ориентация. Точная установка угла поворота.

Преобразователь частоты VF-AS3 позволяет задать угол поворота вала двигателя.

Ориентация вала двигателя
Ориентация вала двигателя

Привод может регулировать положение остановки (управление ориентацией) с помощью датчика положения (энкодера), прикрепленного к валу машины. Когда включается команда сигнала ориентации во время работы на скорости, то производится торможение до «скорости поиска точки ориентации». После этого рассчитывается «расстояние до ориентационной остановки», и, наконец, финальная остановка в заданном положении. Затем вводится состояние сервоблокировки ориентации.

Ориентация начинается по сигналу поступившему на клемму цифрового входа [F110…F124] = 190(191) (ORTST/Orientation start – старт контроля ориентации).

Читать подробнее о настройке системы ориентации по заданному углу…

Преобразователь частоты вместо контроллера

Обычно функции позиционирования выполняются с помощью специальных модулей ПЛК. Понятно, что это дополнительные затраты как в стоимости, так и в пространстве для размещения в щите управления.

Компания СПИК СЗМА как единственный официальный дилер Toshiba предлагает купить для решения задач позиционирования частотники серии VF-AS3. Вы получаете максимально качественную техническую поддержку и гарантию долгой работы преобразователя частоты.