伺服驱动技术在GD包装机上的应用
2010-09-23张建新张玉安
张建新，张玉安
山东中烟工业公司青岛卷烟厂，山东青岛 266000
伺服驱动技术在GD包装机上的应用
张建新，张玉安
山东中烟工业公司青岛卷烟厂，山东青岛 266000
随着电子技术的不断进步与发展，交流伺服技术不断地应用于工业企业生产当中，使原有设备得到了技术上升级，大大的促进了工业生产的进步。GD包装机金拉线直流电机的改造，就是很好利用了伺服驱动技术，用先进的伺服控制器和同步型伺服电机对原机的直流电机及直流控制系统进行了改造，大大减少了系统的维护工作量，同时降低了故障率，提高了有效作业率。
直流电机；交流伺服控制器；伺服控制电机
0 引言
GD包装机包括X1、X2包装机，设备的拉线驱动装置都是采用的是直流电机，山东中烟工业公司青岛卷烟厂大部分直流电机已使用5年以上，已进入老化期，故障率比较高，影响正常的生产，急需进行设备的技术升级。随着电子技术的不断进步与发展，交流伺服技术在工业得到广泛的应用，笔者所在车间采用了伺服驱动装置对原直流电机进行了改造。
1 改造方案
采用了德国伦茨公司先进的伺服控制器和同步型伺服电机对原机的直流电机及直流控制系统进行了改造，利用原机的速度命令信号作为伺服控制器的基准信号，同时利用原机的线性传感器送给原机控制系统的频率信号，经F/V变换后送给伺服控制器作为速度调整信号，两者共同作用使电机的转速符合设备所需的速度，同时利用检测断线的接近开关提供断线检测和系统报警功能。
图1 控制方框图
2 伺服驱动技术的工作原理
交流伺服技术是一种闭环控制技术，其控制原理是在传统的三环PID控制理论的基础上发展而来，吸收了各种现代运动控制理论的复合控制方案。针对机械行业的发展需求，随着电子齿轮，电子凸轮，多轴位置绑定等运动控制软件功能得到完善。通过伺服系统内嵌某些高速的PLC功能，可以完成各种高速、高精度的控制要求。LENZE伺服系统采用旋转变压器的反馈方式进行速度控制。它跟随电机一起旋转，变压器感应电机转子旋转产生的磁通变化，使产生的电压信号与转子转角的正弦函数保持一致。相当于一种以电动机为动力的发电机，反馈信号描述了当前电机的运转情况。该信号反馈至控制器后，经过增益等处理，转换为转速信号，这时该信号描述的是电机当前实际转速，并将它与给定速度信号形成的负反馈进行比较，产生的差值经过处理形成加速度信号传送到下个环节。如果两者之间差值为零，表明当前转速与给定值相同，不需要加速度，电机输出转矩等于当前负载力矩，速度保持不变。如果两者产生正差值，表明实际转速小于给定转速，控制器将差值转换为加速度信号，使电机产生正向大于负载力矩的转矩，使电机逐渐加速，同时继续比较给定速度和实际速度之间的差值，直到两者相等为止。如果两者产生负差值，情况与上述相反，控制系统调整电机到两者差值为0后停止调整。
按照伺服传动系统的原理，电机控制过程中可以选择不同的控制环节来达到不同的工艺要求，如：速度控制环节、相位控制环节、转矩控制环节等。本伺服系统中应用到速度控制环节，就是前面提到的利用速度的实际值与给定值比较，得出的差值做反馈补偿。如图2所示，1为给定转速信号，2为实际转速信号。
图2 转速调整过程图
3 交流伺服控制器原理和特点
本系统采用的是德国LENZE公司的9300系列交流伺服控制器，用于替代原机的直流电机的控制器。高性能9300系列伺服控制器以及与之相适配的交流伺服电机，构成了完美的交流伺服驱动系统，可完成精确定位、复杂轮廓加工、角度和速度同步、收放卷控制等复杂的伺服控制任务。
伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的变频器强大很多，最主要的一点是可以进行精确的位置控制。通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置，驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。
9300 伺服控制器的主要特性：
1）功率范围：370kW～75kW；
2）主电压范围：3×320…… 528V；
3）用于同步和异步电机的矢量控制；
4）内置系统总线（CAN）易于连接不同的总线系统，如：Interbus-S， Profibus；
5）内置过程控制器，制动逻辑，5 个PLC 兼容数字输入，其中2 个具有中断优先权；
6）接各种反馈：旋变，增量型编码器，sin/cos编码器(相对和绝对)，绝对值编码器；
7）多驱动器间直流母线连接可交换能量，散热器分离设计4个PLC 兼容输出。
4 伺服电机的结构特点
伺服电机采用了LENZE公司的同步型伺服电机，具有高动态响应和高精度传动的特点。伺服电机的材料，结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机，当驱动器输出的电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源的变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机。
伺服电机本身带有高精度的旋转变压器，系统利用旋转变压器做为反馈器件，采用电流-速度-相位环的控制技术，可以非常精确地跟踪主传动系统的微小的变化。
图3 旋转变压器的接线图
5 电气控制接线路的分析
图4 电气控制原理图
1）动力线如下：
电源线接端子L1 L2 L3
电机线接端U V W
2）X7端子是旋转变压器与伺服控制器的接口，具体的对于关系（见图3）。
3） X5：控制端子如下：
28 控制器有效；
E2 控制伺服电机右转（使能）；
A1 24V直流电源；
A3 伺服器准备好；
39 数字输入输出公共地；
7 内部地（GND）。
4）X6速度信号设定如下：
1，2 输入主速度电压设定。
6 系统的安装和调试
6.1 系统的安装步骤
1）整个安装过程必须在停机、断电情况下进行；
2）先把自制固定板条安装在机柜相应部位（水平向）；
3）再把伺服大致水平向摆在所安装位置，（其中380V接线端口朝向右侧）；
4）把F/V模块装在伺服下面空起的卡轨上；
5）再把三相保护开关装在右侧机柜内空起卡轨处；
6）把已做好的电机电源线缆及反馈电缆，从电机到本伺服经过桥架线盒穿过；
7）把伺服的L1、L2、L3及PE和U、V、W及PE接好之后方可把伺服固定在自制在固定板条上。否则，接线不便。其他线可按接线表一一接好；
8）各线连接好后通电，然后压下金拉线调节杆，电机应转动，否则，应再次检查线连接是否正确；
9）电机转动正常后再次断电，把过渡法兰盘和锥形齿轮与电机配装。注意，锥形齿轮不应装过高，应尽量靠近法兰盘安装锁紧；
10）用手转动电机轴，感觉是否轻松，若转不动或用力不均匀可能锥形轮装得过高，调整后再试，直至用手能轻松转动。
6.2 系统的参数设定
1）该系统连接好后，加电调试，设定C0086 为109；
2）设定C0005为1010；
3）设定C0011为2000；
4）设定C0114/04 为0；
5）设定C0117/01为1001；
6）设定C0118/01为0。
6.3 系统的调试步骤
1）当机器未启动时，再次确认频压转化器中心抽头电压为4V，即F/V转换模块输出约为0V；
2）用手逐渐压下金拉线调节杆，电机应该逆时针转动，金拉线调节杆抬至一定高度，电机应该停转。否则，应该调整F/V及C0026，使电机正常停转；
3）机器正常工作时，观察金拉线运转情况。当大卷时跟踪速度匹配，小卷时跟踪速度不匹配，表现为金拉线调节杆下压较低，则增大C0011参数值。当小卷时跟踪速度匹配，大卷时跟踪速度不匹配，表现为金拉线调节杆摆动，并且经常激发GD拉线故障报警，则适当减小C0011参数值；
4）正常工作时，观察伺服器操作面板转速显示，正常时，误差值显示应为2%左右，如果其值较大，如显示10%，则再次调整电机椎齿轮安装高度，减小其装配高度，直至其显示正常；
5）机器正常工作时，金拉线调节杆位置可以调节下面位移传感器或者频压模块电位器达到理想工作位置；
6）调信号发生器输出信号为2KHz，调整F/V模块电位器中心抽头为4V。然后调C0026，使电机停转；
7）设定C0003为1，保存所有参数。
7 结论
自从金拉线直流电机改造以后，伺服控制器和伺服控制电机运行稳定，控制精确，延长了系统的使用寿命、大大减少了系统的维护工作量，同时降低了故障率，提高了有效作业率，保证了小包金拉线的包装质量，取得了良好的经济效益。
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[2]戴梅萼，史嘉权.微型计算机技术及应用[M].清华大学出版社.
[3]舒志兵主编.交流伺服运动控制系统[M].清华大学出版社.
[4]寇宝泉主编.交流伺服电机及控制技术[M].机械工业出版社.
TM921.54
A
1674-6708（2010）32-0177-02
张建新，工程师，研究方向：工业自动化控制 张玉安，工程师，研究方向：工业自动化控制
