G.D121粗刺輥驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化改造

黨杰 楊德志 馬興田

摘要：G.D121卷煙機粗刺輥的主要功能是將落絲槽內(nèi)的煙絲供至拋絲帶，粗刺輥的速度與主機速度成正比以保證單位時間內(nèi)的供絲量相等，原機采用直流電機控制板與直流測速電機構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于直流調(diào)速電機存在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護工作量大、故障率高等缺點，且在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的機械設(shè)備的精度。于是我們利用目前先進的伺服驅(qū)動和控制技術(shù)，對該系統(tǒng)進行了改造和控制優(yōu)化，有效地降低了該系統(tǒng)的故障，提高了設(shè)備效率。

關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；同步電機；伺服控制

1 引言

粗刺輥是G.D121卷煙機當(dāng)中煙絲供給的重要一環(huán)，其驅(qū)動系統(tǒng)是由直流驅(qū)動板和直流調(diào)速電機組成的半閉環(huán)系統(tǒng)。

直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能。在相當(dāng)長時期內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。盡管如此，直流調(diào)速系統(tǒng)卻解決不了直流電機本身的換向問題和在惡劣環(huán)境下的不適用問題，這就限制了直流拖動系統(tǒng)進一步發(fā)展的問題。并且隨著設(shè)備老化，直流電機維護工作量大及故障率高等缺點不斷暴露，嚴重影響了設(shè)備運行效率。

而隨著交流調(diào)速系統(tǒng)的不斷發(fā)展，目前，交流調(diào)速系統(tǒng)已具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動態(tài)響應(yīng)、高工作效率等優(yōu)異性能，其靜、動態(tài)特性均可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。

交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，還具有以下優(yōu)點。

1.容量大

2.轉(zhuǎn)速高且耐高壓

3.交流電機的體積、重量、價格比同等容量的直流電機小，且結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟可靠、慣性小。

4.交流電動機環(huán)境適應(yīng)性強，堅固耐用，可以在十分惡劣的環(huán)境下使用。

5.高性能、高精度的新型交流拖動系統(tǒng)已達到同直流拖動系統(tǒng)一樣的性能指標。

6.交流調(diào)速系統(tǒng)能顯著的節(jié)能。

從各個方面看，交流調(diào)速系統(tǒng)最終將取代直流調(diào)速系統(tǒng)。

2 原機直流調(diào)速系統(tǒng)簡介

2.1原機工作狀況

原G.D公司直流系統(tǒng)已運行十多年了，總結(jié)起來有如下不足。

1.采用直流電機調(diào)速功耗大、易發(fā)熱，由于直流電機本身的結(jié)構(gòu)，維修困難。

2.啟動或運行時，由于速度不均衡，啟動轉(zhuǎn)矩小，使煙支不飽滿，造成跑跳現(xiàn)象，不僅造成浪費，還給操作者的操作帶來不便。

3.給電氣維修人員帶來如下困難：

①、需經(jīng)常檢查碳刷，清潔碳粉；

②、A455控制板無顯示狀態(tài)的裝置，不易判別故障；

③、無工作狀態(tài)顯示；

④、控制接口位于整機的底板插槽內(nèi)，不易測量；

⑤、啟動時力矩不足。

2.2原機的控制方式

G.D121原機采用的是一套直流脈寬調(diào)制調(diào)速的半閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)，如下圖所示：

為了順利完成改造，我們對原機粗刺輥的驅(qū)動系統(tǒng)進行了深入的研究。驅(qū)動粗刺輥的直流電機由驅(qū)動板A455驅(qū)動，驅(qū)動板電源由PSR直流電源背板供給；起停及速度信號由外部輸入至驅(qū)動板；驅(qū)動板本身帶有自診斷功能，自診斷主要是判斷板件供電是否正常、內(nèi)部或外部是否短路、是否超溫等。直流電機帶有速度傳感器及霍爾電流傳感器，能夠?qū)㈦姍C速度及電流反饋至驅(qū)動板。根據(jù)上述分析，我們可將整個粗刺輥的伺服控制過程繪制如下圖：

如上圖所示，原機直流伺服系統(tǒng)采用兩環(huán)控制，電流環(huán)和速度環(huán)，即我們常說的半閉環(huán)伺服控制。電流環(huán)給定和“電流環(huán)的反饋”值進行比較后的差值在電流環(huán)內(nèi)做PID調(diào)節(jié)輸出給電機，“電流環(huán)的輸出”就是電機電流，電流反饋是通過驅(qū)動器內(nèi)部安裝在每相的霍爾元件反饋給電流環(huán)的；速度環(huán)的輸入就是外部輸入的速度頻率信號，速度設(shè)定和速度反饋值進行比較后的差值在速度環(huán)（速度調(diào)解）做PID調(diào)節(jié)后輸出給電流環(huán)。速度環(huán)的反饋來自于電機自身的測速計。

2.3原機直流電機參數(shù)及接口模式

1.電機參數(shù)

2.原機接口模式

①、準備完成信號DOK

②、運轉(zhuǎn)使能信號RUN

③、頻率給定信號REF

3 伺服系統(tǒng)的選擇及分析

3.1伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)化

原機直流伺服系統(tǒng)采用的是不帶位置環(huán)的半閉環(huán)控制方式，這就造成了其控制精度不高，為此，我們將該系統(tǒng)優(yōu)化，如下圖所示：

如上圖所示，新的控制系統(tǒng)增加了位置環(huán)，位置環(huán)的輸入就是外部的脈沖，外部的脈沖經(jīng)過平滑濾波處理和電子齒輪計算后作為“位置環(huán)的設(shè)定”，設(shè)定值和來自編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過偏差計數(shù)器的計算后的數(shù)值在經(jīng)過位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)后輸出給速度環(huán)。

3.2電機的選型

近年來，隨著高性能永磁材料技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及矢量控制理論、自動控制理論研究的不斷深入，永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。由于其調(diào)速性能優(yōu)越，克服了直流伺服電動機機械式換向器和電刷帶來的一系列限制，結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠；且體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)動慣量小、過載能力強。

永磁同步電機是由繞線式同步電機發(fā)展而來，它用永磁體代替了電勵磁，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)與電刷。

3.3驅(qū)動器的設(shè)計

根據(jù)對粗刺輥組件的分析，我們發(fā)現(xiàn)粗刺輥負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此我們認為粗刺輥為恒轉(zhuǎn)矩負載。恒轉(zhuǎn)矩負載的特點是當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，要求轉(zhuǎn)矩保持恒定，即使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，電動機的電流也基本不變，基本保持恒定。由于粗刺輥負責(zé)卷煙機煙絲的供給，單位時間內(nèi)的供絲量要求平穩(wěn)，與主機機速相匹配，因此要求粗刺輥低速啟動時保證有良好的啟動轉(zhuǎn)矩及快速的動態(tài)響應(yīng)。

能夠滿足以上要求的最理想的控制方式就是矢量控制，眾所周知，直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動、靜態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在于，作為控制對象的他勵直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩能夠很容易的進行控制。以產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子交流電Ia、Ib、Ic通過三相變兩相的變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流Im、It。因此，我們可以模仿直流電機的控制策略，得到直流電機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，就能控制交流電機了，由于進行坐標變換的是磁動勢的空間矢量，所以我們把這樣的控制方式稱為矢量控制。

我們選擇麥格米特SV-Master伺服驅(qū)動器，本驅(qū)動器為新一代一體化矢量控制平臺，采用了先進的一體化解決方案，實現(xiàn)了同步，電機驅(qū)動與異步電機驅(qū)動的一體化；轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、位置控制的一體化，內(nèi)置PG接口及強大的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、簡易伺服功能，其主要技術(shù)指標如下：

過載能力：150%額定電流1分鐘，200%額定電流0.5秒鐘

控制方式：帶PG磁通矢量控制

最大輸出頻率：650Hz

調(diào)速范圍：1：1000（帶PG磁通矢量控制）

速度控制精度：±0.02%（帶PG磁通矢量控制）

速度波動<±0.1%（帶PG磁通矢量控制）

定位精度<±1線脈沖

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)<5ms（帶PG磁通矢量控制）

起動轉(zhuǎn)矩：0Hz 200%（帶PG磁通矢量控制）

頻率設(shè)定方式：端子脈沖

3.4旋變接口板的設(shè)計

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密角度傳感元件，在位置伺服系統(tǒng)中，完成軸角位移信息的檢測功能。由于它是模擬電磁元件，在計算機控制的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，就需要一定的接口電路，以實現(xiàn)模擬信號到控制系統(tǒng)數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

旋變接口板接收旋轉(zhuǎn)變壓器定子邊的正、余弦輸出信號和一個同步參考信號，將轉(zhuǎn)子位置信號仿1024線增量式編碼器輸出，且電機正轉(zhuǎn)時，A相超前B相。通過旋變接口板的處理，伺服器能夠接收電機反饋的速度及位置信號。

除此之外，旋變接口板還應(yīng)具有信號濾波功能并連續(xù)可調(diào)；Z脈沖和U、V、W信號使能；電流閉環(huán)自動計算并且增益可調(diào)，即PID功能可調(diào)，同時需加入了瞬停不停功能。

根據(jù)以上要求，我們對旋變接口板進行了設(shè)計并將其裝入伺服器，對電機進行旋轉(zhuǎn)自整定，根據(jù)電機穩(wěn)態(tài)校正電路，經(jīng)自學(xué)習(xí)后，我們得到：

定子電阻R1=2.712Ω

定子漏感抗X11=11.5Ω

轉(zhuǎn)子電阻R2=79Ω

護感抗Xm=11.5Ω

空載電流Io=0.1A

自整定成功后，設(shè)置給定命令端口X1為端子給定方式，頻率給定端口為Pulse給定方式；X8最大脈沖為3KHz，最小給定量為67%（即2KHz），DOK設(shè)定為15，即準備狀態(tài)。

4總結(jié)

經(jīng)過幾個月的試運行，粗刺輥電機電流為0.6A，做到了煙絲飽滿、開機無跑條斷紙現(xiàn)象，提高了卷煙機設(shè)備效率及產(chǎn)品質(zhì)量，減少了浪費。

通過本次改造，筆者對交直流伺服控制有了更深的認識和理解，但也發(fā)現(xiàn)了自身的不足，文中必有不妥之處，還望各位專家、讀者見諒并給予指正。

參考文獻：

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