谢子方，金文静，王文婷

(宁波安信数控技术有限公司，浙江宁波315801)

随着自动化行业的不断发展，自动门系统发展迅速，在电梯、数控机床和注塑机等领域得到了广泛的应用。

目前国内外各种注塑机大都采用交流异步电机、减速机和变频器组成的自动门系统。交流异步电机配变频器解决方案有着成本低的优势，但也存在着能耗高、控制性能差、缺乏安全性的缺点，在关门过程中即使有人卡在门里面也无法自动停止，容易造成人员伤亡和电机烧毁事故，存在安全隐患。近几年交流伺服电机的大批量使用，使其成本不断降低，它在自动门机系统的应用成为今后自动门发展的方向[1]。由于伺服电机有着良好的控制性能，能够实现柔性无冲击开关门，在关门途中如果有人卡住了能够自动检知并停止关门，保证了人员的安全，对于提高自动门的安全性具有重要意义[2]。

1 系统组成及工作原理

该伺服自动门系统主要由交流永磁同步伺服电机、伺服驱动器、减速器、行程开关、皮带、定滑轮和动滑轮等组成。

该伺服电机内置了磁编码器[3]，运动过程中能够实时反馈运行的距离，但是断电后又会丢失当前的位置信息，所以在关门到底位置装了一个行程开关，作为基准零位位置，每次通电后的首次动作都需要先关门到碰到行程开关位置归零位。注塑机控制器界面可以设置开门距离的大小，其数值通过一个IO 点发脉冲信号给伺服驱动器，脉宽代表设定的开门距离。脉冲周期为1 s，开门最大距离为4 000 mm，脉宽为设定距离相应的百分比。比如设定开门距离为40 mm则脉宽为0.01 s，设定为4 000 mm 则脉宽为1 s。

系统采用的设备主要参数见表1。

表1 系统设备参数

2 运动控制算法

传统的异步电机自动门系统由于没有编码器无法反馈当前位置，其运行速度只有2 挡，快速和慢速。启动和停止前一段距离为慢速挡，中间段为快速挡，两挡速度的切换通过行程开关来控制，其速度的变换存在突变，冲击问题严重，对减速器、皮带轮和电机的使用寿命都会产生不良影响。文中所述的伺服自动门系统由于电机内置编码器，可以实时反馈当前位置信息，故采用先进的S形加减速控制算法，在运行过程中通过加速度的均匀变化实现速度的平滑过渡，减少了过冲和冲击，提高了系统的柔性和使用寿命。

2.1 S曲线加减速算法[4－6]

正常情况下S形曲线加减速的运行过程可分为7段:加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段，如图1所示。

图1 S型加减速曲线

图中vs为起始速度，ve为终点速度，vc为指令速度，vmax为系统运行的最大速度。图中符号说明如下:

t为时间坐标;

tk(k=1，2，…，7)为各个阶段的过渡点时刻;

vi(i=1，2，…，7)为各个阶段的过渡点时刻的速度;

τk(k=1，2，…，7)为局部时间坐标，表示以各个阶段的起始点作为零点的时间，τk=t－tk－1;

Tk(k=1，2，…，7)为各个阶段的持续运行时间;

A、D为加速度;J1，J3，J5，J7为加加速度;L为整个运行长度。

一般情况下电机的正向和反向的驱动能力是一致的，因此可以假设电机正向和反向最大加速度相等，即Amax=Dmax，并认为:电机加速度曲线从0 达到最大值和从最大值到0 所用的时间相等，此时间定为系统的一个特性时间常数tm，tm越大柔性越大，加减速时间越长;tm小冲击大，加减速时间短;tm=0时，S曲线退化为直线。根据假设有:

从而:

tm的计算公式为:

成立的前提条件是:运行过程中最大加速度能达到。若这个条件不成立，则式(1)由下式代替:

这样，只需要确定3个最基本的系统参数:系统最大速度vmax、最大加速度Amax、加加速度J 便可确定整个运行过程。通过上述假设，可以得到加加速度、加速度、速度和位移等的计算公式。

加加速度Jerk 公式如下:

根据图1和式(4)，可以将加速度a(t)、进给速度v(t)和位移s(t)表示为:

通过推导，加速度a(t)、进给速度v(t)和位移s(t)计算公式为:

由此可得匀加速段运行时间为:

匀速段的运行时间为:

匀减速段运行时间为:

加速区长度为:

减速区长度为:

2.2 系统实际运行情况分析

该伺服自动门系统安装在海天MA系列1 000 t的注塑机上运行，与同样规格的使用KEB 异步电机的自动门作比较，情况见表2。

表2 运行情况对比

由表2可见:该伺服自动门相比传统的使用异步电机的自动门在功能、安全性和性能上更加具有优势。实际运行中，伺服自动门开关门速度过渡平滑，冲击明显小于传统自动门。关门中测试卡住物体堵转时，能自动停止输出，避免了传统自动门堵转时输出电流增大容易烧毁现象，提高了安全性。

3 结束语

伺服自动门与传统的自动门相比，具有功能强、可靠性高、结构紧凑、质量轻、冲击小、使用寿命长和安全性好等优点，是自动门系统的发展趋势，在将来的大中型注塑机中将被广泛应用。

【1】张霞，荣祖兰.客车电动车门防夹控制系统设计研究[J].制造业自动化，2011，33(3):67－70.

【2】崔启明.动车组自动门控制系统的研究[D].长春:吉林大学，2009.

【3】邓之江.一种电动门电机用磁编码器:中国，201020144410.0[P].2010－11－17.

【4】ERKORKMAZ Kaan，ALTINTAS Yusuf.High Speed CNC System Design:Part I:Jerk Limited Trajectory Generation and Quintic Spline Interpolation[J].International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2001，41(2):1323－1345.

【5】郭新贵，李从心.S曲线加减速算法研究[J].机床与液压，2002(5):60－62.

【6】李晓辉，邬义杰，冷洪滨.S曲线加减速控制新方法的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2007(10):50－53.