伺服驅(qū)動技術(shù)在GD包裝機(jī)上的應(yīng)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

伺服驅(qū)動技術(shù)在GD包裝機(jī)上的應(yīng)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(jìn)步與發(fā)展，交流伺服技術(shù)不斷地應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，使原有設(shè)備得到了技術(shù)上升級，大大的促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步。GD包裝機(jī)金拉線直流電機(jī)的改造，就是很好利用了伺服驅(qū)動技術(shù)，用先進(jìn)的伺服控制器和同步型伺服電機(jī)對原機(jī)的直流電機(jī)及直流控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，大大減少了系統(tǒng)的維護(hù)工作量，同時降低了故障率，提高了有效作業(yè)率。

直流電機(jī)；交流伺服控制器；伺服控制電機(jī)

0 引言

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

1 改造方案

采用了德國倫茨公司先進(jìn)的伺服控制器和同步型伺服電機(jī)對原機(jī)的直流電機(jī)及直流控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，利用原機(jī)的速度命令信號作為伺服控制器的基準(zhǔn)信號，同時利用原機(jī)的線性傳感器送給原機(jī)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(jī)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(yùn)動控制理論的復(fù)合控制方案。針對機(jī)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(yùn)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(jìn)行速度控制。它跟隨電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，變壓器感應(yīng)電機(jī)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(dāng)于一種以電動機(jī)為動力的發(fā)電機(jī)，反饋信號描述了當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)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(jī)當(dāng)前實際轉(zhuǎn)速，并將它與給定速度信號形成的負(fù)反饋進(jìn)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(dāng)前轉(zhuǎn)速與給定值相同，不需要加速度，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等于當(dāng)前負(fù)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(jī)產(chǎn)生正向大于負(fù)載力矩的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)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(fù)差值，情況與上述相反，控制系統(tǒng)調(diào)整電機(jī)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(jī)控制過程中可以選擇不同的控制環(huán)節(jié)來達(dá)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(yīng)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(bǔ)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(diǎn)

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(jī)的直流電機(jī)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(jī)，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(fù)雜輪廓加工、角度和速度同步、收放卷控制等復(fù)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(jìn)行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運(yùn)算，在功能上也比傳統(tǒng)的變頻器強(qiáng)大很多，最主要的一點(diǎn)是可以進(jìn)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(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

伺服電機(jī)采用了LENZE公司的同步型伺服電機(jī)，具有高動態(tài)響應(yīng)和高精度傳動的特點(diǎn)。伺服電機(jī)的材料，結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動的交流電機(jī)，當(dāng)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(jī)就能根據(jù)電源的變化產(chǎn)生響應(yīng)的動作變化，響應(yīng)特性和抗過載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動的交流電機(jī)。

伺服電機(jī)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(jī)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(jī)右轉(zhuǎn)（使能）；

A1 24V直流電源；

A3 伺服器準(zhǔn)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(jī)、斷電情況下進(jìn)行；

2）先把自制固定板條安裝在機(jī)柜相應(yīng)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(hù)開關(guān)裝在右側(cè)機(jī)柜內(nèi)空起卡軌處；

6）把已做好的電機(jī)電源線纜及反饋電纜，從電機(jī)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(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動，否則，應(yīng)再次檢查線連接是否正確；

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

10）用手轉(zhuǎn)動電機(jī)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(dāng)機(jī)器未啟動時，再次確認(rèn)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(jī)應(yīng)該逆時針轉(zhuǎn)動，金拉線調(diào)節(jié)桿抬至一定高度，電機(jī)應(yīng)該停轉(zhuǎn)。否則，應(yīng)該調(diào)整F/V及C0026，使電機(jī)正常停轉(zhuǎn)；

3）機(jī)器正常工作時，觀察金拉線運(yùn)轉(zhuǎn)情況。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)為2%左右，如果其值較大，如顯示10%，則再次調(diào)整電機(jī)椎齒輪安裝高度，減小其裝配高度，直至其顯示正常；

5）機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)改造以后，伺服控制器和伺服控制電機(jī)運(yùn)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(hù)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(jì)效益。

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[4]寇寶泉主編.交流伺服電機(jī)及控制技術(shù)[M].機(jī)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