伺服电机在ZJ17卷接机组卷烟纸补偿装置的应用

戴团结

摘 要：我司采用伺服系统替代ZJ17卷接机组原机的卷烟纸补偿装置，以提高设备运行稳定性。作为伺服控制系统的核心，伺服电机的选择既要满足给定负载需求，又要考虑其对伺服系统性能影响和设备结构要求。本文通过计算转矩和功率，分析电机对伺服系统性能的影响因素，进而确定其型号，较为系统阐述了电机的选择过程。

关键词：卷烟纸补偿装置；伺服系统；伺服电机

ZJ17卷接机组使用过程中，由于原机卷烟纸补偿装置由齿轮箱传动，运行平稳性差，我司与设备改造厂家合作开发替代的伺服系统。新系统由控制器接收编码器的信号来跟踪机器速度，并与传感器信号进行对比，然后根据要求对控制器编程，由伺服电机调节供纸辊转速，实现卷烟纸拉力平衡。

为了充分发挥伺服系统的性能，满足技术改造的需要，对伺服系统的部件进行选型设计是非常重要的。而伺服电机是伺服控制系统的核心，伺服电机的选择更是重中之重。以下简要说明新系统伺服电机的选择过程：

1 计算电机转矩

1、负载转矩计算

由ZJ17卷接机组使用手册查得，工作时盘纸张力F=3N。测量第一供纸辊直径为63.66mm，则负载转矩

（1）

2、启动转矩计算

测量第一供纸輥和传动轴尺寸如图1所示，

则当负载绕其轴中心线转动时，其转动惯量

（2）

其中：d为阶梯轴各段的外径，单位mm，

l为阶梯轴各段的长度，单位mm。

由于系统要求0.2s至1s将第一供纸辊加速至2240 rpm，则启动转矩最大为

（3）

2 计算电机功率

1、负载功率

（4）

2、启动功率

（5）

3 分析电机对伺服系统性能的影响因素

只有对伺服控制系统主要部件的影响因素进行全面分析，才能在系统设计过程中采取措施予以克服。伺服电机对伺服系统性能的主要影响是转矩波动和齿槽效应。

伺服系统使用过程中，电机的输出转矩不是恒定的，而是始终处于轻微波动。电机低速工作时，由于定子绕组上的控制信号很小，输出转矩波动所产生的扰动信号可能接近或超过控制信号，这时伺服系统输出将会产生波动，破坏运行的平稳性。

伺服电机旋转时，定子铁心的齿槽交替经过转子磁场，变化的磁阻会产生一个作用于电机轴的周期性力矩，这就是齿槽力矩。电机转子和齿槽的结构、气隙的大小、磁场分布情况等都会影响齿槽力矩。齿槽转矩会让电机产生噪声和转矩波动，影响了伺服控制系统的低速运行稳定性能和定位精度。

在ZJ17机组应用的伺服电机工作时运行速度为2240 rpm，而电机的输出转矩和齿槽转矩波动振幅绝对值都不大，因而对系统的影响可以忽略不计。

4 电机选型

根据伺服电机选型的原则：

1、伺服电机最大转矩>启动转矩，电机额定转矩>负载转矩，

2、伺服电机功率 85%>负载功率，

3、伺服电机最大转速>负载转速，

加上ZJ17卷接机组需要伺服电机稳定工作速度为2240rpm左右，故综合考虑后选择LENZE公司生产的型号为SCS-RS0B0的伺服电机。其参数如表1：

德国LENZE交流伺服电机以设计理论先进、机械零件加工精密、电机检测手段完善而闻名，而且该类型电机可以与该公司配套的伺服控制器配合，完美满足工业机械对传动系统的各种要求。其中所选系列交流无刷伺服电机，转子采用永磁体代替电励磁，扭矩选择范围在0.8～64 Nm，输出功率在0.25～10kW之间，输出转速选择范围为3000～4000rpm，封装防尘为5级，防水等级为4级。

该电机具有以下优点：

1、高质量的磁铁材料，特制形状的磁极，能极大提高功率密度，减少转动惯量，并提高效率。

2、最小化的制动扭矩可保证非常平滑的运行特征，达到优异的控制响应。

3、坚固的设计，加强的轴承系统，高度的保护，确保在恶劣环境下也能可靠运行。

5 总结

ZJ17卷接机组原来的卷烟纸补偿装置在启动和停止阶段，齿轮之间都存在振动、冲击现象，传动的平稳性较差。改进后的伺服控制补偿装置转速波动小，伺服电机加速和减速过程无振动、冲击现象，而且除了可在伺服控制器设定基本的加减速度外，还能通过PLC编程，设定附加加减速数值和斜率，有效消除启动、卷烟纸切换影响，保持盘纸张力的稳定性。