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摘 要:卷接机组采用传统的齿轮、皮带传动方式,造成传动链长、设备耗损、传动误差、机器噪音都很大。对卷烟机组中的伺服控制的实施方案、传动系统的流程、工作和控制原理等进行分析,为控制系统的方案设计提供参考。
关键词:传动系统 伺服控制 系统流程
中图分类号:TS433 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0094-01
1 前言
交流伺服系统的控制理论是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段,与传统的控制方法相比,具有其独到之处。首先,它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架,不依赖于控制对象的数学模型,只按实际效果进行控制;其次,在复杂的系统中,智能控制器具有非线性特征,有分层信息处理和决策的功能。同时,利用计算机控制的便利,可以根据当前状态切换控制器的结构,用变结构的方法改善系统的性能。
交流伺服系统的研究和应用,已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能,动、静态特性良好,其研究与应用必将带动其相关产业的迅猛发展,因此,在卷接机组中应用交流伺服系统,使机械结构更简便,减少系统的传动误差,降低机器噪音,提高机器柔性,为改善烟支规格提供了极大的方便。
2 实施方案
传统的卷烟机组中的控制系统几个主要大的问题如下。
（1）换向器的换向电流、电压有极限值,使用上受限制。此外,电枢及换向器的直径一般都较大,使电机的转动惯量大,系统的快速性,调速性能难以更进一步的提高。（2）直流电机配置的机械换向器、电刷等,必然有换向火花,其应用环境受到限制,同时需经常清洁整流子,更换电刷,其安全性、可维护性差。（3）监控部分的电路板易老化,系统控制精度不高,容易产生提升烟丝不均匀的现象。（4）速度控制器对电机的电压信号进行频率识别过程中,当频率超过速度控制器设置的极限时,发出故障信号,电机停止工作。另外,控制系统的辅助控制命令来自机身上的光电开关、限位开关及供丝机的时钟处理卡等,发生故障后,不便查找与排除,也不便于系统参数的调整与调试,影响系统的可靠性。
采用交流伺服驱动系统代替原结构,采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元全面取代以模拟电子器件为主的电路板控制,降低系统功耗,提高系统的响应速度,降低运行噪音,从而使卷接机组不仅有效避免长短烟的出现,也可避免由于传动系统速度波动而造成的烟支空头等缺陷。具体实施方案分三步:
(1）中央控制器的多目标控制 取消刀盘/蜘蛛手齿轮箱、布带轮齿轮箱和吸丝带、钢印、盘纸加速、针辊、劈刀、接装机主驱动传动八个齿轮箱,采用伺服电机独立驱动,采用中央控制模块实现多目标优化控制。各电机的运行由伺服系统的中央控制模块和PLC控制。在使用过程中,根据需要设置参数,如控制方式设定（位置控制/速度控制/转矩控制方式或组合方式）、增益设定（位置环增益、速度环增益、速度环积分时间常数）、速度指令输入增益设定等。
(2）控制要求分类提出 根据卷烟机组的实现功能主要将控制要求分三类1.无位置要求,仅要求速度同步,如盘纸加速、吸丝带、针辊和后身的陡角提丝带;2.有位置要求,调整比较方便,如劈刀、钢印和刀头;3.有位置要求,调整不方便,如布带轮和接装机主驱动。
(3）位置控制器寻找位置同步的方法 当机械位置调整适当后,通过程序将反映该位置所对应的脉冲数保存到位置控制器中。断电时,无论与刀头相对位置是否改变,控制器所记忆的位置数据不会改变也不会丢失。再次上电时,位置控制器将在机器最初转动的几圈内寻找所记忆的位置,一旦电机寻找到自己的位置就停下来,以便同刀盘再次转过同步位置时一起运动。
3 交流伺服系统设计
3.1 伺服系统结构
交流伺服系统主要由一个电源模块、一个中央控制单元模块、八个伺服驱动模块和八台伺服电机组成。由于闭环控制的需要,选用分辨率较高的正弦增量编码器,其分辨率为96000脉冲/转。选用的电机中,针辊电机用磁感应编码器,其它的都用光电编码器。
3.2 伺服系统流程
系统采用工控机作为上位机,实现全面数据采集和处理,进行数据分析和计算。通过工控机预留的以太网卡,将机组信息与车间和工厂信息系统实现数据共享。工控机与PLC功能独立,减少相互制约,方便后期的电控升级,为简化布线,选用PLC模块和采用总线技术。由触摸屏实现网络间的通讯并提供较好的人机界面和方便的数据调整功能。
3.3 基本工作原理
本机组中的交流伺服系统主要由无刷电机、伺服驱动器等部分组成,伺服驱动器与伺服电机一起构成具有自动控制调节功能的执行单元,定位精确,且具有高转矩特性和同步跟踪性能。交流伺服系统是一个多闭环控制系统,由位置环、力矩环、速度环构成多环系统,每个环路都由伺服系统自身的任务计算机进行控制,并利用数字量和数学模型保证控制系统的精度。伺服驱动系统采用速度环和位置环嵌套的闭环控制。增量式编码器构造简单,易于掌握,平均寿命长,分辨率高,实际应用较多。驱动器对电机编码器反馈信号进行采样,用速度跟踪的方式来实现旧系统中齿轮啮合功能;利用编程软件设定正常运行需要的各种动作参数,从而达到机组正常运转的目的。接线端（X54）的RTI,RT2连接电机热敏电阻（约170?）,通过正温度系数的电热调节器（PTC热敏电阻）监测电机温度,对电机进行热防护。如果电机温度超过上限,熔断器切断辅助驱动装置的电源,发出停机警报信息,信号显示在显示屏上。
伺服驱动器受到连续变化的速度指令信号时,将此信号与实际速度反馈信号进行比较,产生差值;速度控制器将差值放大,并求出输出量,该信号与实际位置进行比较,经处理后,作为脉宽调制发生器的调制信号,同时在基波的作用下生成脉宽可调的脉冲序列开关信号,实现对伺服电机定子电枢电流的相位控制和幅度调节。另外,开关信号加至大功率器件的驱动器后,功率器件按一定顺序依次导通,输出脉宽可调的交变电压,用以驱动伺服电机。在速度控制器和电流调节器的连续作用下,定子电枢电流的幅度和频率因此得到了连续控制,达到控制电机转速和转矩的目的。
4 结语
根据卷烟机组中的实现要求,对卷烟机组的伺服控制的实施方案、传动系统的流程、工作和控制原理等进行设计分析,可以实现多台电机的角度和速度的同步控制任务,对完成烟条的无偏差精确定位,有效避免长短烟的出现,烟支空头等问题[5],应该能够得到有效地解决。
参考文献
[1] YJ17-YJ27卷接机组编写组.YJ17-YJ27卷接机组[M].北京:中国科学技术出版社,2000.
[2] 赵彩虹.卷烟机组中交流伺服控制系统的设计[D].重庆:重庆大学自动化学院,2006.
关键词:传动系统 伺服控制 系统流程
中图分类号:TS433 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0094-01
1 前言
交流伺服系统的控制理论是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段,与传统的控制方法相比,具有其独到之处。首先,它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架,不依赖于控制对象的数学模型,只按实际效果进行控制;其次,在复杂的系统中,智能控制器具有非线性特征,有分层信息处理和决策的功能。同时,利用计算机控制的便利,可以根据当前状态切换控制器的结构,用变结构的方法改善系统的性能。
交流伺服系统的研究和应用,已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能,动、静态特性良好,其研究与应用必将带动其相关产业的迅猛发展,因此,在卷接机组中应用交流伺服系统,使机械结构更简便,减少系统的传动误差,降低机器噪音,提高机器柔性,为改善烟支规格提供了极大的方便。
2 实施方案
传统的卷烟机组中的控制系统几个主要大的问题如下。
（1）换向器的换向电流、电压有极限值,使用上受限制。此外,电枢及换向器的直径一般都较大,使电机的转动惯量大,系统的快速性,调速性能难以更进一步的提高。（2）直流电机配置的机械换向器、电刷等,必然有换向火花,其应用环境受到限制,同时需经常清洁整流子,更换电刷,其安全性、可维护性差。（3）监控部分的电路板易老化,系统控制精度不高,容易产生提升烟丝不均匀的现象。（4）速度控制器对电机的电压信号进行频率识别过程中,当频率超过速度控制器设置的极限时,发出故障信号,电机停止工作。另外,控制系统的辅助控制命令来自机身上的光电开关、限位开关及供丝机的时钟处理卡等,发生故障后,不便查找与排除,也不便于系统参数的调整与调试,影响系统的可靠性。
采用交流伺服驱动系统代替原结构,采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（DSP）的伺服控制单元全面取代以模拟电子器件为主的电路板控制,降低系统功耗,提高系统的响应速度,降低运行噪音,从而使卷接机组不仅有效避免长短烟的出现,也可避免由于传动系统速度波动而造成的烟支空头等缺陷。具体实施方案分三步:
(1）中央控制器的多目标控制 取消刀盘/蜘蛛手齿轮箱、布带轮齿轮箱和吸丝带、钢印、盘纸加速、针辊、劈刀、接装机主驱动传动八个齿轮箱,采用伺服电机独立驱动,采用中央控制模块实现多目标优化控制。各电机的运行由伺服系统的中央控制模块和PLC控制。在使用过程中,根据需要设置参数,如控制方式设定（位置控制/速度控制/转矩控制方式或组合方式）、增益设定（位置环增益、速度环增益、速度环积分时间常数）、速度指令输入增益设定等。
(2）控制要求分类提出 根据卷烟机组的实现功能主要将控制要求分三类1.无位置要求,仅要求速度同步,如盘纸加速、吸丝带、针辊和后身的陡角提丝带;2.有位置要求,调整比较方便,如劈刀、钢印和刀头;3.有位置要求,调整不方便,如布带轮和接装机主驱动。
(3）位置控制器寻找位置同步的方法 当机械位置调整适当后,通过程序将反映该位置所对应的脉冲数保存到位置控制器中。断电时,无论与刀头相对位置是否改变,控制器所记忆的位置数据不会改变也不会丢失。再次上电时,位置控制器将在机器最初转动的几圈内寻找所记忆的位置,一旦电机寻找到自己的位置就停下来,以便同刀盘再次转过同步位置时一起运动。
3 交流伺服系统设计
3.1 伺服系统结构
交流伺服系统主要由一个电源模块、一个中央控制单元模块、八个伺服驱动模块和八台伺服电机组成。由于闭环控制的需要,选用分辨率较高的正弦增量编码器,其分辨率为96000脉冲/转。选用的电机中,针辊电机用磁感应编码器,其它的都用光电编码器。
3.2 伺服系统流程
系统采用工控机作为上位机,实现全面数据采集和处理,进行数据分析和计算。通过工控机预留的以太网卡,将机组信息与车间和工厂信息系统实现数据共享。工控机与PLC功能独立,减少相互制约,方便后期的电控升级,为简化布线,选用PLC模块和采用总线技术。由触摸屏实现网络间的通讯并提供较好的人机界面和方便的数据调整功能。
3.3 基本工作原理
本机组中的交流伺服系统主要由无刷电机、伺服驱动器等部分组成,伺服驱动器与伺服电机一起构成具有自动控制调节功能的执行单元,定位精确,且具有高转矩特性和同步跟踪性能。交流伺服系统是一个多闭环控制系统,由位置环、力矩环、速度环构成多环系统,每个环路都由伺服系统自身的任务计算机进行控制,并利用数字量和数学模型保证控制系统的精度。伺服驱动系统采用速度环和位置环嵌套的闭环控制。增量式编码器构造简单,易于掌握,平均寿命长,分辨率高,实际应用较多。驱动器对电机编码器反馈信号进行采样,用速度跟踪的方式来实现旧系统中齿轮啮合功能;利用编程软件设定正常运行需要的各种动作参数,从而达到机组正常运转的目的。接线端（X54）的RTI,RT2连接电机热敏电阻（约170?）,通过正温度系数的电热调节器（PTC热敏电阻）监测电机温度,对电机进行热防护。如果电机温度超过上限,熔断器切断辅助驱动装置的电源,发出停机警报信息,信号显示在显示屏上。
伺服驱动器受到连续变化的速度指令信号时,将此信号与实际速度反馈信号进行比较,产生差值;速度控制器将差值放大,并求出输出量,该信号与实际位置进行比较,经处理后,作为脉宽调制发生器的调制信号,同时在基波的作用下生成脉宽可调的脉冲序列开关信号,实现对伺服电机定子电枢电流的相位控制和幅度调节。另外,开关信号加至大功率器件的驱动器后,功率器件按一定顺序依次导通,输出脉宽可调的交变电压,用以驱动伺服电机。在速度控制器和电流调节器的连续作用下,定子电枢电流的幅度和频率因此得到了连续控制,达到控制电机转速和转矩的目的。
4 结语
根据卷烟机组中的实现要求,对卷烟机组的伺服控制的实施方案、传动系统的流程、工作和控制原理等进行设计分析,可以实现多台电机的角度和速度的同步控制任务,对完成烟条的无偏差精确定位,有效避免长短烟的出现,烟支空头等问题[5],应该能够得到有效地解决。
参考文献
[1] YJ17-YJ27卷接机组编写组.YJ17-YJ27卷接机组[M].北京:中国科学技术出版社,2000.
[2] 赵彩虹.卷烟机组中交流伺服控制系统的设计[D].重庆:重庆大学自动化学院,2006.