張建新，張玉安

山東中煙工業(yè)公司青島卷煙廠，山東青島 266000

伺服驅(qū)動技術(shù)在GD包裝機上的應用

張建新，張玉安

山東中煙工業(yè)公司青島卷煙廠，山東青島 266000

隨著電子技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，交流伺服技術(shù)不斷地應用于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)當中，使原有設(shè)備得到了技術(shù)上升級，大大的促進了工業(yè)生產(chǎn)的進步。GD包裝機金拉線直流電機的改造，就是很好利用了伺服驅(qū)動技術(shù)，用先進的伺服控制器和同步型伺服電機對原機的直流電機及直流控制系統(tǒng)進行了改造，大大減少了系統(tǒng)的維護工作量，同時降低了故障率，提高了有效作業(yè)率。

直流電機；交流伺服控制器；伺服控制電機

0 引言

GD包裝機包括X1、X2包裝機，設(shè)備的拉線驅(qū)動裝置都是采用的是直流電機，山東中煙工業(yè)公司青島卷煙廠大部分直流電機已使用5年以上，已進入老化期，故障率比較高，影響正常的生產(chǎn)，急需進行設(shè)備的技術(shù)升級。隨著電子技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，交流伺服技術(shù)在工業(yè)得到廣泛的應用，筆者所在車間采用了伺服驅(qū)動裝置對原直流電機進行了改造。

1 改造方案

采用了德國倫茨公司先進的伺服控制器和同步型伺服電機對原機的直流電機及直流控制系統(tǒng)進行了改造，利用原機的速度命令信號作為伺服控制器的基準信號，同時利用原機的線性傳感器送給原機控制系統(tǒng)的頻率信號，經(jīng)F/V變換后送給伺服控制器作為速度調(diào)整信號，兩者共同作用使電機的轉(zhuǎn)速符合設(shè)備所需的速度，同時利用檢測斷線的接近開關(guān)提供斷線檢測和系統(tǒng)報警功能。

圖1 控制方框圖

2 伺服驅(qū)動技術(shù)的工作原理

交流伺服技術(shù)是一種閉環(huán)控制技術(shù)，其控制原理是在傳統(tǒng)的三環(huán)PID控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，吸收了各種現(xiàn)代運動控制理論的復合控制方案。針對機械行業(yè)的發(fā)展需求，隨著電子齒輪，電子凸輪，多軸位置綁定等運動控制軟件功能得到完善。通過伺服系統(tǒng)內(nèi)嵌某些高速的PLC功能，可以完成各種高速、高精度的控制要求。LENZE伺服系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋方式進行速度控制。它跟隨電機一起旋轉(zhuǎn)，變壓器感應電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁通變化，使產(chǎn)生的電壓信號與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)保持一致。相當于一種以電動機為動力的發(fā)電機，反饋信號描述了當前電機的運轉(zhuǎn)情況。該信號反饋至控制器后，經(jīng)過增益等處理，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速信號，這時該信號描述的是電機當前實際轉(zhuǎn)速，并將它與給定速度信號形成的負反饋進行比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過處理形成加速度信號傳送到下個環(huán)節(jié)。如果兩者之間差值為零，表明當前轉(zhuǎn)速與給定值相同，不需要加速度，電機輸出轉(zhuǎn)矩等于當前負載力矩，速度保持不變。如果兩者產(chǎn)生正差值，表明實際轉(zhuǎn)速小于給定轉(zhuǎn)速，控制器將差值轉(zhuǎn)換為加速度信號，使電機產(chǎn)生正向大于負載力矩的轉(zhuǎn)矩，使電機逐漸加速，同時繼續(xù)比較給定速度和實際速度之間的差值，直到兩者相等為止。如果兩者產(chǎn)生負差值，情況與上述相反，控制系統(tǒng)調(diào)整電機到兩者差值為0后停止調(diào)整。

按照伺服傳動系統(tǒng)的原理，電機控制過程中可以選擇不同的控制環(huán)節(jié)來達到不同的工藝要求，如：速度控制環(huán)節(jié)、相位控制環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)等。本伺服系統(tǒng)中應用到速度控制環(huán)節(jié)，就是前面提到的利用速度的實際值與給定值比較，得出的差值做反饋補償。如圖2所示，1為給定轉(zhuǎn)速信號，2為實際轉(zhuǎn)速信號。

圖2 轉(zhuǎn)速調(diào)整過程圖

3 交流伺服控制器原理和特點

本系統(tǒng)采用的是德國LENZE公司的9300系列交流伺服控制器，用于替代原機的直流電機的控制器。高性能9300系列伺服控制器以及與之相適配的交流伺服電機，構(gòu)成了完美的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可完成精確定位、復雜輪廓加工、角度和速度同步、收放卷控制等復雜的伺服控制任務(wù)。

伺服驅(qū)動器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下，在驅(qū)動器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)都進行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運算，在功能上也比傳統(tǒng)的變頻器強大很多，最主要的一點是可以進行精確的位置控制。通過上位控制器發(fā)送的脈沖序列來控制速度和位置，驅(qū)動器內(nèi)部的算法和更快更精確的計算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)越于變頻器。

9300 伺服控制器的主要特性：

1）功率范圍：370kW～75kW；

2）主電壓范圍：3×320…… 528V；

3）用于同步和異步電機的矢量控制；

4）內(nèi)置系統(tǒng)總線（CAN）易于連接不同的總線系統(tǒng)，如：Interbus-S， Profibus；

5）內(nèi)置過程控制器，制動邏輯，5 個PLC 兼容數(shù)字輸入，其中2 個具有中斷優(yōu)先權(quán)；

6）接各種反饋：旋變，增量型編碼器，sin/cos編碼器(相對和絕對)，絕對值編碼器；

7）多驅(qū)動器間直流母線連接可交換能量，散熱器分離設(shè)計4個PLC 兼容輸出。

4 伺服電機的結(jié)構(gòu)特點

伺服電機采用了LENZE公司的同步型伺服電機，具有高動態(tài)響應和高精度傳動的特點。伺服電機的材料，結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠遠高于變頻器驅(qū)動的交流電機，當驅(qū)動器輸出的電流、電壓、頻率變化很快的電源時，伺服電機就能根據(jù)電源的變化產(chǎn)生響應的動作變化，響應特性和抗過載能力遠遠高于變頻器驅(qū)動的交流電機。

伺服電機本身帶有高精度的旋轉(zhuǎn)變壓器，系統(tǒng)利用旋轉(zhuǎn)變壓器做為反饋器件，采用電流-速度-相位環(huán)的控制技術(shù)，可以非常精確地跟蹤主傳動系統(tǒng)的微小的變化。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器的接線圖

5 電氣控制接線路的分析

圖4 電氣控制原理圖

1）動力線如下：

電源線接端子L1 L2 L3

電機線接端U V W

2）X7端子是旋轉(zhuǎn)變壓器與伺服控制器的接口，具體的對于關(guān)系（見圖3）。

3） X5：控制端子如下：

28 控制器有效；

E2 控制伺服電機右轉(zhuǎn)（使能）；

A1 24V直流電源；

A3 伺服器準備好；

39 數(shù)字輸入輸出公共地；

7 內(nèi)部地（GND）。

4）X6速度信號設(shè)定如下：

1，2 輸入主速度電壓設(shè)定。

6 系統(tǒng)的安裝和調(diào)試

6.1 系統(tǒng)的安裝步驟

1）整個安裝過程必須在停機、斷電情況下進行；

2）先把自制固定板條安裝在機柜相應部位（水平向）；

3）再把伺服大致水平向擺在所安裝位置，（其中380V接線端口朝向右側(cè)）；

4）把F/V模塊裝在伺服下面空起的卡軌上；

5）再把三相保護開關(guān)裝在右側(cè)機柜內(nèi)空起卡軌處；

6）把已做好的電機電源線纜及反饋電纜，從電機到本伺服經(jīng)過橋架線盒穿過；

7）把伺服的L1、L2、L3及PE和U、V、W及PE接好之后方可把伺服固定在自制在固定板條上。否則，接線不便。其他線可按接線表一一接好；

8）各線連接好后通電，然后壓下金拉線調(diào)節(jié)桿，電機應轉(zhuǎn)動，否則，應再次檢查線連接是否正確；

9）電機轉(zhuǎn)動正常后再次斷電，把過渡法蘭盤和錐形齒輪與電機配裝。注意，錐形齒輪不應裝過高，應盡量靠近法蘭盤安裝鎖緊；

10）用手轉(zhuǎn)動電機軸，感覺是否輕松，若轉(zhuǎn)不動或用力不均勻可能錐形輪裝得過高，調(diào)整后再試，直至用手能輕松轉(zhuǎn)動。

6.2 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定

1）該系統(tǒng)連接好后，加電調(diào)試，設(shè)定C0086 為109；

2）設(shè)定C0005為1010；

3）設(shè)定C0011為2000；

4）設(shè)定C0114/04 為0；

5）設(shè)定C0117/01為1001；

6）設(shè)定C0118/01為0。

6.3 系統(tǒng)的調(diào)試步驟

1）當機器未啟動時，再次確認頻壓轉(zhuǎn)化器中心抽頭電壓為4V，即F/V轉(zhuǎn)換模塊輸出約為0V；

2）用手逐漸壓下金拉線調(diào)節(jié)桿，電機應該逆時針轉(zhuǎn)動，金拉線調(diào)節(jié)桿抬至一定高度，電機應該停轉(zhuǎn)。否則，應該調(diào)整F/V及C0026，使電機正常停轉(zhuǎn)；

3）機器正常工作時，觀察金拉線運轉(zhuǎn)情況。當大卷時跟蹤速度匹配，小卷時跟蹤速度不匹配，表現(xiàn)為金拉線調(diào)節(jié)桿下壓較低，則增大C0011參數(shù)值。當小卷時跟蹤速度匹配，大卷時跟蹤速度不匹配，表現(xiàn)為金拉線調(diào)節(jié)桿擺動，并且經(jīng)常激發(fā)GD拉線故障報警，則適當減小C0011參數(shù)值；

4）正常工作時，觀察伺服器操作面板轉(zhuǎn)速顯示，正常時，誤差值顯示應為2%左右，如果其值較大，如顯示10%，則再次調(diào)整電機椎齒輪安裝高度，減小其裝配高度，直至其顯示正常；

5）機器正常工作時，金拉線調(diào)節(jié)桿位置可以調(diào)節(jié)下面位移傳感器或者頻壓模塊電位器達到理想工作位置；

6）調(diào)信號發(fā)生器輸出信號為2KHz，調(diào)整F/V模塊電位器中心抽頭為4V。然后調(diào)C0026，使電機停轉(zhuǎn)；

7）設(shè)定C0003為1，保存所有參數(shù)。

7 結(jié)論

自從金拉線直流電機改造以后，伺服控制器和伺服控制電機運行穩(wěn)定，控制精確，延長了系統(tǒng)的使用壽命、大大減少了系統(tǒng)的維護工作量，同時降低了故障率，提高了有效作業(yè)率，保證了小包金拉線的包裝質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟效益。

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[4]寇寶泉主編.交流伺服電機及控制技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.

TM921.54

A

1674-6708（2010）32-0177-02

張建新，工程師，研究方向：工業(yè)自動化控制 張玉安，工程師，研究方向：工業(yè)自動化控制