伺服電機在ZJ17卷接機組卷煙紙補償裝置的應用

戴團結

摘 要：我司采用伺服系統替代ZJ17卷接機組原機的卷煙紙補償裝置，以提高設備運行穩定性。作為伺服控制系統的核心，伺服電機的選擇既要滿足給定負載需求，又要考慮其對伺服系統性能影響和設備結構要求。本文通過計算轉矩和功率，分析電機對伺服系統性能的影響因素，進而確定其型號，較為系統闡述了電機的選擇過程。

關鍵詞：卷煙紙補償裝置；伺服系統；伺服電機

ZJ17卷接機組使用過程中，由于原機卷煙紙補償裝置由齒輪箱傳動，運行平穩性差，我司與設備改造廠家合作開發替代的伺服系統。新系統由控制器接收編碼器的信號來跟蹤機器速度，并與傳感器信號進行對比，然后根據要求對控制器編程，由伺服電機調節供紙輥轉速，實現卷煙紙拉力平衡。

為了充分發揮伺服系統的性能，滿足技術改造的需要，對伺服系統的部件進行選型設計是非常重要的。而伺服電機是伺服控制系統的核心，伺服電機的選擇更是重中之重。以下簡要說明新系統伺服電機的選擇過程：

1 計算電機轉矩

1、負載轉矩計算

由ZJ17卷接機組使用手冊查得，工作時盤紙張力F=3N。測量第一供紙輥直徑為63.66mm，則負載轉矩

（1）

2、啟動轉矩計算

測量第一供紙輥和傳動軸尺寸如圖1所示，

則當負載繞其軸中心線轉動時，其轉動慣量

（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。

由于系統要求0.2s至1s將第一供紙輥加速至2240 rpm，則啟動轉矩最大為

（3）

2 計算電機功率

1、負載功率

（4）

2、啟動功率

（5）

3 分析電機對伺服系統性能的影響因素

只有對伺服控制系統主要部件的影響因素進行全面分析，才能在系統設計過程中采取措施予以克服。伺服電機對伺服系統性能的主要影響是轉矩波動和齒槽效應。

伺服系統使用過程中，電機的輸出轉矩不是恒定的，而是始終處于輕微波動。電機低速工作時，由于定子繞組上的控制信號很小，輸出轉矩波動所產生的擾動信號可能接近或超過控制信號，這時伺服系統輸出將會產生波動，破壞運行的平穩性。

伺服電機旋轉時，定子鐵心的齒槽交替經過轉子磁場，變化的磁阻會產生一個作用于電機軸的周期性力矩，這就是齒槽力矩。電機轉子和齒槽的結構、氣隙的大小、磁場分布情況等都會影響齒槽力矩。齒槽轉矩會讓電機產生噪聲和轉矩波動，影響了伺服控制系統的低速運行穩定性能和定位精度。

在ZJ17機組應用的伺服電機工作時運行速度為2240 rpm，而電機的輸出轉矩和齒槽轉矩波動振幅絕對值都不大，因而對系統的影響可以忽略不計。

4 電機選型

根據伺服電機選型的原則：

1、伺服電機最大轉矩>啟動轉矩，電機額定轉矩>負載轉矩，

2、伺服電機功率 85%>負載功率，

3、伺服電機最大轉速>負載轉速，

加上ZJ17卷接機組需要伺服電機穩定工作速度為2240rpm左右，故綜合考慮后選擇LENZE公司生產的型號為SCS-RS0B0的伺服電機。其參數如表1：

德國LENZE交流伺服電機以設計理論先進、機械零件加工精密、電機檢測手段完善而聞名，而且該類型電機可以與該公司配套的伺服控制器配合，完美滿足工業機械對傳動系統的各種要求。其中所選系列交流無刷伺服電機，轉子采用永磁體代替電勵磁，扭矩選擇范圍在0.8～64 Nm，輸出功率在0.25～10kW之間，輸出轉速選擇范圍為3000～4000rpm，封裝防塵為5級，防水等級為4級。

該電機具有以下優點：

1、高質量的磁鐵材料，特制形狀的磁極，能極大提高功率密度，減少轉動慣量，并提高效率。

2、最小化的制動扭矩可保證非常平滑的運行特征，達到優異的控制響應。

3、堅固的設計，加強的軸承系統，高度的保護，確保在惡劣環境下也能可靠運行。

5 總結

ZJ17卷接機組原來的卷煙紙補償裝置在啟動和停止階段，齒輪之間都存在振動、沖擊現象，傳動的平穩性較差。改進后的伺服控制補償裝置轉速波動小，伺服電機加速和減速過程無振動、沖擊現象，而且除了可在伺服控制器設定基本的加減速度外，還能通過PLC編程，設定附加加減速數值和斜率，有效消除啟動、卷煙紙切換影響，保持盤紙張力的穩定性。