凹版印刷機三電動機傳動控制系統(tǒng)的研究

陳佳棟，王軍，司飛飛

(南京林業(yè)大學 信息科學與技術(shù)學院，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，消費者對市場上產(chǎn)品的包裝有了更高的要求。因此，作為印刷產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)對印刷設(shè)備技術(shù)的要求也應(yīng)該有所提升。筆者所在單位有幾臺機械總軸式的凹版印刷機，年久失修，設(shè)備老化，機械零部件磨損較為嚴重，直接影響到最終的印刷速度以及套印精度，故對其進行局部的改造。而在凹版印刷控制系統(tǒng)中，張力控制是非常重要的一環(huán)，控制的好壞直接影響到最終產(chǎn)品的品質(zhì)以及生產(chǎn)效率的高低。

本文中改造的立足點在于由主變頻器控制兩個輔助變頻器，再由變頻器控制相應(yīng)的交流變頻電動機，使紙料張力前后保持基本一致，速度達到相對同步。這種控制方式的特點是:運行可靠、機械磨損小、控制精度高，操作簡便，故障少。

1 張力控制的方法

1.變頻器控制

本文的張力控制系統(tǒng)由變頻器統(tǒng)一調(diào)節(jié)控制，分別控制三個交流變頻電動機。根據(jù)電機學原理，交流電動機轉(zhuǎn)速公式為:

式中:n 為電動機轉(zhuǎn)速，n0為同步轉(zhuǎn)速，f 為電源頻率，p 為電動機磁極對數(shù)，s 為轉(zhuǎn)差率。由上式可知，當p 和轉(zhuǎn)差率s 不變時，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 與定子電源頻率f 成正比，連續(xù)改變異步電動機供電電源的頻率，則可連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。這就是變頻器的工作原理，即電動機的轉(zhuǎn)速和供電電源的頻率成正比。

2 恒轉(zhuǎn)矩控制

本文采用的是張力閉環(huán)恒定轉(zhuǎn)矩控制。

以下推導(dǎo)電動機功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系:

1)功率=扭力×速度，即:

2)轉(zhuǎn)矩(T)=扭力(F)×作用半徑(R)，即推導(dǎo)可得:

3)線速度

式中:n 為每分鐘轉(zhuǎn)速;n1為每秒鐘轉(zhuǎn)速。

將式(2)，(3)代入式(1)得:

由此可知，交流電動機轉(zhuǎn)矩和供電電源的頻率成反比，因此本文采用變頻器控制交流變頻電動機輸出恒定轉(zhuǎn)矩的張力閉環(huán)控制。

2 改進方案

結(jié)合設(shè)備現(xiàn)狀和改進的成本費用，改進方案確定如下:

1)張力檢測:擺輥式張力檢測方式(通過位置傳感器進行間接的張力檢測)。

2)執(zhí)行機構(gòu):交流變頻器和交流變頻電動機。

改進之前，生產(chǎn)線采用的是比較傳統(tǒng)的機械總軸式傳動機構(gòu)。改進之后，將放卷牽引和收卷牽引與主牽引傳動軸的機械傳動裝置拆除，新增兩個異步交流變頻電動機，與主牽引電動機構(gòu)成三電動機同步傳動機構(gòu)。改進后的三電動機傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 三電動機傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 中，位置傳感器實質(zhì)上是一個旋轉(zhuǎn)電位器，如圖2 所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)電位器

起先，調(diào)整氣壓閥使氣缸內(nèi)氣壓產(chǎn)生的作用力與料帶上的張力保持平衡。而當擺輥的實際位置處于非平衡位置時，擺輥帶動氣缸與此同時帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，大齒輪旋轉(zhuǎn)傳遞給小齒輪，小齒輪帶動旋轉(zhuǎn)電位器給出張力檢測信號，從而獲得張力的反饋模擬量。圖3 為擺輥的機械結(jié)構(gòu)圖。

圖3 擺輥機械結(jié)構(gòu)圖

擺輥在收、放卷過程中的平衡位置有個目標模擬量，如果擺輥實際位置在目標量左邊或者右邊時，PID 就進行調(diào)節(jié)，在開環(huán)頻率給定的基礎(chǔ)上疊加一個反饋量，調(diào)整變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令，從而進行糾偏，這樣基本上可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的恒定線速度控制。

3 方案實施

3.1 三電動機同步傳動控制

三電動機傳動控制系統(tǒng)電氣接線圖如圖3。

圖3 三電動機傳動控制接線圖

圖中，M2 和M3 是放卷牽引、收卷牽引變頻器控制的交流變頻電動機。速度的給定輸入到主牽引頻率源AI2中，用于調(diào)整收、放卷牽引變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩，反饋源AI1用于接收旋轉(zhuǎn)電位器的反饋信號，調(diào)整擺輥的位置。

M1 是主牽引變頻器控制的交流變頻電動機。AO1通過旋轉(zhuǎn)電位器RP1 的作用最終輸出+10 V 電壓，用于擺輥位置的及時反饋。由于局部調(diào)整的需要，設(shè)置了啟動DI1，加速DI2，減速DI3，點動DI4 等輸入端子。

3.2 PI 控制

工業(yè)控制中，比較常見的控制有PI，PD，PID 等控制。根據(jù)實際生產(chǎn)線的控制精度和響應(yīng)速度的需要，這里采用的是PI 控制。PI 控制中，比例環(huán)節(jié):即時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一產(chǎn)生，控制器立刻產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。但比例作用太強會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)量加大，動態(tài)響應(yīng)遲緩。

本文選用的是匯川MD320T 系列變頻器，其包含有PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，主要是針對變頻器相關(guān)的參數(shù)進行適當?shù)卦O(shè)置，以達到調(diào)整變頻器輸出恒定轉(zhuǎn)矩的目的。

PI 控制主要是通過對被控量的反饋信號與目標量信號的差量進行比例、積分運算，來調(diào)整變頻器的輸出頻率，構(gòu)成負反饋系統(tǒng)，使被控量穩(wěn)定在目標量上。控制基本原理框圖如圖5 所示。

圖5 比例積分分離PID 控制原理圖

3.3 變頻器參數(shù)的設(shè)定

表1 中的參數(shù)設(shè)置是整個傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分——PID 控制環(huán)節(jié)，主要是通過變頻器中PID 參數(shù)的設(shè)置進而對系統(tǒng)張力進行PID 控制。

表1 放卷牽引與收卷牽引變頻器PID 參數(shù)的設(shè)置

在MD320T 變頻器中，F(xiàn)A 組為PID 功能項。FA－00=0，即FA－01，由面板鍵盤數(shù)字設(shè)定PID 目標值。是通過PID 調(diào)節(jié)實現(xiàn)張力穩(wěn)定的，PID 調(diào)節(jié)的目標值(FA－00=0)是擺輥的中間點(FA－01=50%，也就相當于5 V，而電位器的+10 V 電源來自變頻器)。FA－02=0，AI1 為反饋源，通過此參數(shù)來選擇PID 反饋通道。FA－03 為反饋的設(shè)定，放卷牽引設(shè)為1，也就是正反饋，若放卷牽引張力減小，則變頻器輸出頻率減小。收卷牽引變頻器中設(shè)為0，也就是負反饋，若收卷牽引張力減小，則變頻器輸出頻率增大。比例增益P(FA－05):決定整個PID 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)強度，P 越大，調(diào)節(jié)強度越大。該參數(shù)為100 表示當PID 反饋量和給定量的偏差為100%時，PID 調(diào)節(jié)器對輸出頻率指令的調(diào)節(jié)幅度為最大頻率(忽略積分作用和微分作用)。積分時間I(FA－06):決定PID 調(diào)節(jié)器對PID反饋量和給定量的偏差進行積分調(diào)節(jié)的快慢。積分時間是指當PID 反饋量和給定量的偏差為100% 時，積分調(diào)節(jié)器(忽略比例作用和微分作用)經(jīng)過該時間連續(xù)調(diào)整，調(diào)整量達到最大頻率(F0－09)。積分時間越短調(diào)節(jié)強度越大。

其他部分的參數(shù)設(shè)定，這里不作贅述。

4 結(jié)語

凹版印刷機三電動機同步系統(tǒng)通過控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩來獲得恒張力控制，保證了各電動機工作在同步狀態(tài)，使張力保持穩(wěn)定。該系統(tǒng)既可以快速響應(yīng)，又可以解決換向容易燒壞電動機的問題，并且價格十分經(jīng)濟。改進方案實施后，經(jīng)過生產(chǎn)實踐的驗證，凹版印刷機的張力控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，張力控制精度提高，大幅度減少了張力控制方面的故障，降低了廢品率。這充分證明了文中提出的方案的合理性，為其他相似的電控系統(tǒng)的設(shè)計提供了一些技術(shù)方面的參考。

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