伺服電機(jī)在ZJ17卷接機(jī)組卷煙紙補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

戴團(tuán)結(jié)

摘 要：我司采用伺服系統(tǒng)替代ZJ17卷接機(jī)組原機(jī)的卷煙紙補(bǔ)償裝置，以提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。作為伺服控制系統(tǒng)的核心，伺服電機(jī)的選擇既要滿足給定負(fù)載需求，又要考慮其對伺服系統(tǒng)性能影響和設(shè)備結(jié)構(gòu)要求。本文通過計(jì)算轉(zhuǎn)矩和功率，分析電機(jī)對伺服系統(tǒng)性能的影響因素，進(jìn)而確定其型號(hào)，較為系統(tǒng)闡述了電機(jī)的選擇過程。

關(guān)鍵詞：卷煙紙補(bǔ)償裝置；伺服系統(tǒng)；伺服電機(jī)

ZJ17卷接機(jī)組使用過程中，由于原機(jī)卷煙紙補(bǔ)償裝置由齒輪箱傳動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)性差，我司與設(shè)備改造廠家合作開發(fā)替代的伺服系統(tǒng)。新系統(tǒng)由控制器接收編碼器的信號(hào)來跟蹤機(jī)器速度，并與傳感器信號(hào)進(jìn)行對比，然后根據(jù)要求對控制器編程，由伺服電機(jī)調(diào)節(jié)供紙輥轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)卷煙紙拉力平衡。

為了充分發(fā)揮伺服系統(tǒng)的性能，滿足技術(shù)改造的需要，對伺服系統(tǒng)的部件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)是非常重要的。而伺服電機(jī)是伺服控制系統(tǒng)的核心，伺服電機(jī)的選擇更是重中之重。以下簡要說明新系統(tǒng)伺服電機(jī)的選擇過程：

1 計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩

1、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算

由ZJ17卷接機(jī)組使用手冊查得，工作時(shí)盤紙張力F=3N。測量第一供紙輥直徑為63.66mm，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩

（1）

2、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

測量第一供紙輥和傳動(dòng)軸尺寸如圖1所示，

則當(dāng)負(fù)載繞其軸中心線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

（2）

其中：d為階梯軸各段的外徑，單位mm，

l為階梯軸各段的長度，單位mm。

由于系統(tǒng)要求0.2s至1s將第一供紙輥加速至2240 rpm，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大為

（3）

2 計(jì)算電機(jī)功率

1、負(fù)載功率

（4）

2、啟動(dòng)功率

（5）

3 分析電機(jī)對伺服系統(tǒng)性能的影響因素

只有對伺服控制系統(tǒng)主要部件的影響因素進(jìn)行全面分析，才能在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采取措施予以克服。伺服電機(jī)對伺服系統(tǒng)性能的主要影響是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和齒槽效應(yīng)。

伺服系統(tǒng)使用過程中，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不是恒定的，而是始終處于輕微波動(dòng)。電機(jī)低速工作時(shí)，由于定子繞組上的控制信號(hào)很小，輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)可能接近或超過控制信號(hào)，這時(shí)伺服系統(tǒng)輸出將會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，破壞運(yùn)行的平穩(wěn)性。

伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子鐵心的齒槽交替經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁場，變化的磁阻會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于電機(jī)軸的周期性力矩，這就是齒槽力矩。電機(jī)轉(zhuǎn)子和齒槽的結(jié)構(gòu)、氣隙的大小、磁場分布情況等都會(huì)影響齒槽力矩。齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)讓電機(jī)產(chǎn)生噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，影響了伺服控制系統(tǒng)的低速運(yùn)行穩(wěn)定性能和定位精度。

在ZJ17機(jī)組應(yīng)用的伺服電機(jī)工作時(shí)運(yùn)行速度為2240 rpm，而電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)振幅絕對值都不大，因而對系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。

4 電機(jī)選型

根據(jù)伺服電機(jī)選型的原則：

1、伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩>啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩>負(fù)載轉(zhuǎn)矩，

2、伺服電機(jī)功率 85%>負(fù)載功率，

3、伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)速>負(fù)載轉(zhuǎn)速，

加上ZJ17卷接機(jī)組需要伺服電機(jī)穩(wěn)定工作速度為2240rpm左右，故綜合考慮后選擇LENZE公司生產(chǎn)的型號(hào)為SCS-RS0B0的伺服電機(jī)。其參數(shù)如表1：

德國LENZE交流伺服電機(jī)以設(shè)計(jì)理論先進(jìn)、機(jī)械零件加工精密、電機(jī)檢測手段完善而聞名，而且該類型電機(jī)可以與該公司配套的伺服控制器配合，完美滿足工業(yè)機(jī)械對傳動(dòng)系統(tǒng)的各種要求。其中所選系列交流無刷伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵(lì)磁，扭矩選擇范圍在0.8～64 Nm，輸出功率在0.25～10kW之間，輸出轉(zhuǎn)速選擇范圍為3000～4000rpm，封裝防塵為5級(jí)，防水等級(jí)為4級(jí)。

該電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、高質(zhì)量的磁鐵材料，特制形狀的磁極，能極大提高功率密度，減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并提高效率。

2、最小化的制動(dòng)扭矩可保證非常平滑的運(yùn)行特征，達(dá)到優(yōu)異的控制響應(yīng)。

3、堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)的軸承系統(tǒng)，高度的保護(hù)，確保在惡劣環(huán)境下也能可靠運(yùn)行。

5 總結(jié)

ZJ17卷接機(jī)組原來的卷煙紙補(bǔ)償裝置在啟動(dòng)和停止階段，齒輪之間都存在振動(dòng)、沖擊現(xiàn)象，傳動(dòng)的平穩(wěn)性較差。改進(jìn)后的伺服控制補(bǔ)償裝置轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，伺服電機(jī)加速和減速過程無振動(dòng)、沖擊現(xiàn)象，而且除了可在伺服控制器設(shè)定基本的加減速度外，還能通過PLC編程，設(shè)定附加加減速數(shù)值和斜率，有效消除啟動(dòng)、卷煙紙切換影響，保持盤紙張力的穩(wěn)定性。