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1、41切纸机交流伺服传动系统软件设计1 绪论1.1 课题背景切纸机是一种纸张加工设备，它广泛应用于印刷业、包装业，特种行业和加工业等十多个相关行业，并已经逐渐成为这些行业不可缺少的关键设备。其控制效果主要体现在裁切精度、精度保持性、质量稳定性、操作方便性及安全性等方面。随着媒体和包装等行业的发展，切纸机销量已占印刷机械年总销量的5.5%，年销售额已达20多亿人民币，目前它是印刷行业中，除了小型平版印刷机之外年销量最大的印刷机械产品。至2005年底，全国印刷企业估计超过10万家。而且大部分的是切印小产品，如商标、不干胶切片、卡片等，采用切纸机对其加工更是投入少，收效快的一种选择。不难预见，高精度切
2、纸机未来的发展有着十足的后劲1。1.2 切纸机的发展历程切纸机经历了从机械式切纸到液压式、数显式、微机程控式、裁切生产线等技术含量越来越高的几个变化阶段。随着印刷行业的技术进步，印刷机的速度越来越快，对切纸机提出了更高效率、更高质量的要求。（1）普通式机械切纸机普通机械切纸机的电气结构简单，较耐用，生产厂家较多，售价也低，固在市场上使用的仍然很多。但其缺点也多，例如：电气结构简单，加工精度不够，推纸器定位精度低，裁切纸张的一致性不好,生产效率低,废品率高，生产时推纸器定位必须依靠肉眼看标尺定位，还需停下电机再扳动手轮才能进行微调校准，最后再落刀裁切，整个操作过程繁琐复杂，要求切纸工全神贯注，想
3、要熟练使用必须经历长时间磨练。有的厂家因效率低，不得不多购几台切纸机，不但造成资金浪费，还增加了场地、人员等开支。（2）数字显示切纸机数字显示切纸机的最大改进就是将推纸器的位置尺寸通过位置传感器以数字显示出来，一目了然，但推纸器的定位仍需手动调整，效率偏低。（3）微机程控切纸机微机程控切纸机采用信号记忆存储装置或微处理机存储指令程序，其推纸机的前进，后退和定位都由电脑自动完成，而且根据不同的裁切要求，可以编写不同的裁切程序，并长期保存，需要时可随时调用。该切纸机的裁切精度、速度和效率都有了很大提高。（4）裁切生产线裁切生产线主要的特点是将原来由人工完成的闯纸、堆垛、清除纸边等与裁切无关的动作由
4、一系列辅助设备(纸堆抬升装置、闯纸装置、卸纸装置等)来完成，将各个操作工序联结在一起，编制入自动控制程序，使整个生产过程自动化，除了极大地降低了操作人员的劳动强度之外，还大大地提高了生产效率2。1.3 国内外切纸机现状比较国内切纸机机械的水平与国外有相当的差距。切纸车速低，造纸行业生产效率难以提高;切纸过程中裁纸不均，分切造成浪费，使纸产品质量下降，影响产品的出口。虽然国外切纸机机械的水平高，但是进口产品的价格居高不下，国内众多小型造纸企业难以接受。即使是对大型企业而言，大量购进进口设备也是巨额的投资。因此在市场对纸业技术装备水平和投资成本提出更高要求的情况下，需要加快改变国内切纸机机械行业落
5、后状况，在引进技术的基础上，消化吸收和开发经济实用的先进切纸装备，以适应造纸工业发展3。不过随着现场总线的交流变频传动控制、伺服控制以及可实现全数字化设定、计算与控制的采用，国内切纸机水平得到很大提高，其稳定性，可靠性、成套性和自动化程度越来越高，生产效率也大幅提高。国外切纸机的精度和自动化程度已经很高，不过成本也非常高，我们可以学习其先进的技术来发展自己的产品。因此，设计一种面向国际水平，结构合理，尤其控制精度高的新一代高速高精度切纸机至关重要。1.4 课题意义切纸机械是造纸业的灵魂，而造纸工业在整个国民经济中占有重要的地位。切纸机有较好的市场前景，主要表现在三个方面:(1)造纸厂现配备的切
6、纸机大都是八、九十年代购入，那时国产的切纸机主要是机械式的，这一大批设备需要逐步更新换代。(2)我国印刷品消费水平与世界发达国家和世界平均水平都还有着相当大的差距，切纸机市场的增长是必然趋势。(3)现有国产切纸设备的速度一般为60m/min以下，在切纸机械向高速、自动化的发展趋势下，有必要开发新一代的高速切纸机械增强企业的竞争。本课题将通过对切纸机不同分部的传动工艺过程分析，综合切纸机传动特点，分析切纸机长度与减速比之间的关系，确定机械设计减速比参数和切纸机传动技术方案。本设计可以使切纸长度误差做到正负0.5mm以内，可以达到国际先进水平，控制系统具有可靠性高、控制精度高、稳定性好、性价比高等
7、优点。2 切纸机结构分析及传动要求分析2.1 切纸机的典型结构切纸机按其工作原理可分为闸刀式和回转式(刀辊式)两类。闸刀式切纸机用于将大尺寸平张纸切成较小尺寸的纸页，回转式切纸机用于将卷筒纸切成规格的平张纸。由于回转式切纸机的送纸和切纸装置仅作连续运动，其结构较简单、生产能力高，且能同时裁切3种不同的长宽规格，因此回转式切纸机得到了广泛的应用。回转式切纸机按横切机构的不同又分为单刀辊式切纸机和双刀辊式切纸机。单刀辊式切纸机的横切装置有1把转动辊刀和1个固定底刀来剪切纸幅，双刀辊式切纸机的横切装置则有2把同步旋转的辊刀剪切纸幅。本文将着重介绍双刀辊式切纸机的结构、特点及传动方案4。2.1.1 双
8、刀切纸机的组成部分普通双刀切纸机一般由4部分组成，其工作过程如图2-1所示:（a）由退纸架和张力检测装置等组成的恒张力退纸部分;（b）由导辊、纵切、送纸、横切、传动等组成的切纸部分;（c）由高速带、低速带、压纸带及其附件等组成使纸张形成搭接状态的输纸部分;（d）由拍纸装置、液压控制的升降台等组成的接纸部分。图2-1 双刀切纸机结构图2.1.2 切纸机的切纸部分（1）纵切装置纵切装置通常采用剪切式结构，它主要由38对直径为180200 mm的上下回刀组成。装有可拆卸碗形圆刀的下刀轴借送纸辊的下辊，通过同步齿形带来带动旋转;装在杆臂上的碟形上圆刀由下圆刀带动旋转，上圆刀采用气动加压和抬刀，上下刀之
9、间的作用力靠气压大小来调节，且可通过齿轮齿条沿横向移动，以适应不同切宽的要求;下圆刀的周速一般比纸幅速度快10%15%以取得光滑整齐的切口。考虑到每46个月要磨刀1次，下刀轴操作侧设有快速连接机构，以便下刀的拆换和安装。装设纵切刀的对数取决于纸幅的宽度，纵切刀付的安装位置则要按照切纸的宽度规格确定。（2）横切装置横切装置由2把装在刀辊上的同步旋转的转刀组成。转刀在刀辊上的安装方式有径向装刀和切向装刀2种。径向装刀结构的转刀装在刀辊的半径方向上，而切向装刀的结构则在大致与刀辊外圆成切线的方向上装设转刀。底刀与转刀间的间隙应小于切纸厚度以保证切口光洁平滑，它可用间距75100mm的顶压螺钉来调节。
10、在切向装刀结构中，转刀通过沿刀辊切向方向的移动来改变刀隙的，其刀间隙变动值比转刀的移动量小12倍，同时还可沿径向调节刀片，比刀隙变动值和转刀移动量相等的径向装刀结构更容易进行刀隙的精确调节，且切向装刀时，切纸的切削力在刀片平面的方向上，在刀片中产生压应力;而径向装刀时，切削力与刀片的方向垂直，在刀片中产生弯曲应力，易造成刀片的变形和损坏。横切刀片由厚1420mm、宽70120mm、长度比纸幅宽度长100150mm的钢板制成，目前均采用复合结构，刀体为普通碳素钢，而刀刃用耐磨性好且高硬度(5862HRC)的优质工具钢制造。这种刀片的优点是刀刃耐磨而刀体韧性好，能承受冲击负荷。横切刀辊的轴承座一般
11、固定在底刀座上，其操作侧用螺杆传动实现往复移动，以便在切纸长度变化时，改变横切装置的偏移值，(切纸长度大时增大偏移值，切纸长度小时，减小偏移值)，实现切纸方正度的调节。为方便控制，在操作侧还设有方正度调节指示器，显示偏移值5。2.2 切纸机的传动要求分析2.2.1 切纸机的工艺及操作要求分析横切系统是切纸机系统中最重要的一个生产环节，生产工艺对其的要求主要有两条：一是保证剪切的精度，二是刀刃切纸时的速度必须与纸前进的速度同步(线速度相等)，因此这是一个典型的速度与位置双跟踪的高精度定长剪切系统，由于送纸的速度是随时变化的，要求剪切的纸板的长度规格也是变化的，因此对控制系统提出了较高的要求，这主
12、要取决于两个方面的因素：一是控制系统要有足够精确与快速的运算能力;二是刀辊驱动系统要有良好的动静态跟随特性。因此需采用速度链控制。切纸机的速度链控制工作原理为：在切纸机分布式传动中，由于各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例，且在车速调整过程中，应满足只影响本级和本级以后的各传动点，而不影响前面各传动的速度，这样每传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构，即为速度链。一般来说速度链可分为两类：（a）摸拟式速度链：这种速度链在分布式切纸机直流传动中应用较多。其车速度调整均为模拟量。优点是：a、线路简单；b、成本低。缺点是：a、操作不便，调整车速时不易掌握调整量的大小
13、；b、易干扰，在车间里由于各种干扰源的存在，模拟量的传送易受干扰，影响系统精度。（b）数字式速度链：数字式速度链根据操作又可分为按键式和触摸屏式，根椐控制器又可分为速度链控制器式、电动电位器式、PLC控制式、工业控制计算机式，但无论是哪一种方式都具有操作方便、准确、抗干扰力强等优点。特别是通信技术的应用，更是降低了线路的复杂性，使得系统更灵活。速度链结构：速度链结构要求可以形成分支子链，切纸机速度链结构是以主链为主的多分支结构。本系统的控制采用PLC全数字速度链控制，在控制现场设置OP操作台对8个传动点进行控制，由PLC对这些操作信号进行处理，并把各传动点的信号发送给对应的变频器和伺服单元去执
14、行,可以对各传动点实现全部控制功能。具体控制功能如下：1） 起动/停止：用于控制本分部电机的起停控制。2） 单动/联动：对于要求负荷分配各传动点的单动/联动控制。3） 紧急停车：紧急停车功能。当切纸纸机运行过程中出现意外事故，威胁到设备安全及人身安全时才可使用。4）切长设定：设置切纸长度。5）切长校准：当实际切纸长度与设定切长出现偏差时，调节传动点速度，进行切长校准。2.2.2 切纸机机械减速比设计及其对切纸精度的影响普通双刀切纸机工作过程如图2-2所示，原纸卷经过弧形辊之后进入纵切机构，纵切机构对纸页按照生产所需要的规格进行纵向切割，分切后的纸页在经过1号送纸辊后，一部分下行进入1号切刀切纸
15、，一部分到达2号送纸辊，进入2号切刀切纸6。（1）送纸辊机械减速比设计设切纸机工作最大车速为Vmax m/ min，舒展辊、1#送纸辊、2#送纸辊要求与车速同步，所以最大工作速度就是最大车速Vmax。1#与2#送纸辊辊径相同，所以减速比相同，设送纸辊机械减速比为i， 直径为D， 电机采用四极电机，转速为n0=1500r/min，则:图2-2 切纸机传动分布示意图 （2-1） （2）切纸刀机械减速比设计设切纸长度为L，切纸刀每旋转一圈，切一张纸。纸页经过切纸刀的速度就是送纸辊送纸速度V，设切纸刀电机转速为n，减速比为i，则切刀每分钟切纸页数量为： （2-2） （2-3）所以切纸刀减速比为： （2
16、-4）切纸长度是变化的，长度在之间。根据式2-4，可以得出（3）切纸刀减速比对切纸精度的影响切纸机精度的主要因素取决于切纸刀的速度控制精度，速度给定从宏观上是连续的给定量，但是在微观上是阶跃变化的，取决于A/D精度或设计精度。如ABB变频器采用通讯给定的精度为1/10000，那么这就是切纸刀的速度控制给定精度。设给定转速精度为，根据式2-2，每分钟切纸数量变化为： （2-5）则切纸精度为： （2-6）由于mm，LL,由式2-5，式2-6可以推出： （2-7）由此可以得出，切纸机精度与切纸机工作速度V、切长L、减速比i及传动精度有关系，减速比越大越有利于提高切纸精度。另外，一般切纸机工作在最小切
17、长上的时间都比较短，可以充分利用调速系统可以超过额定转速的特点，适当选择减速比。2.3 切纸机的传动控制特性分析2.3.1 送纸辊与切刀之间的控制设D为送纸辊的直径，i1、i2分别为送纸辊、切纸刀的减速比，n1、n2分别为送纸辊、切纸刀的电机转速，由式2-1、式2-3可以得到： （为常数） （2-8）由式2-8可以看出，送纸辊、切纸刀之间是速度比例控制方式，改变速度比例系数就可以改变切纸长度。根据式2-8可以得出 （2-9）切纸绝对误差不变，传动系统的速度比例控制精度是在切长L为最小值时要求最高，若L =0.5mm,L=1300mm，则切纸机控制要求要达到0.038。所以控制要求、比例控制精度
18、高于造纸机。2.3.2 传送带的控制特性由1#、2#切刀切好的纸页落在1#传送带上，为了保证纸页不碰撞、重叠，纸页之间应该有一定的间距，也就是说1#传送带线速度应该高于纸页速度。2#传送带连接接纸台，切好的纸张在接纸台上形成纸垛。为了保证纸垛的良好形态，纸张速度要适中速度变化小，所以要求2#传送带在车速低时速度大于车速，当速度高时要求速度低，纸页就会重叠打结。(1) 1#传送带控制特性设切纸机工作速度为，1#传送带工作速度为，纸页在传送带上的间距为X，根据式2-3可以得出 （2-10）由此可以得出，1#传送带与切纸速度之间是速度比例控制方式，根据式2-10可以精确计算控制纸页在传送带上的间距。
19、一般间距控制范围在10%20%之间。(2) 2#传送带线控制特性设切纸机工作速度为V1，2#传送带工作速度为V3，纸页在传送带上的间距或打结重叠间距为X，根据式2-3可以得出 （2-11）由此可以得出，传送带与切纸速度之间是速度比例控制方式，根据式2-10、2-11可以精确计算控制纸页在传送带上的间距。一般间距控制范围在10%30%之间。2.3.3 其它传动点控制特性弧形辊主要用来舒展纸页，使其平整，所以要求速度略高于纸页速度，是速差控制。纵切刀起切割作用，要求与纸页相对速度恒定，保证切纸的一致良好效果7。2.4 变频传动和伺服传动方案对比从传动产品的角度看，切纸机传动可以采用变频传动控制或交
20、流伺服控制，交流伺服控制的成本大大高于交流变频传动，下面就对这两种方案进行分析。2.4.1 变频调速方案分析目前，市场上一般高性能的矢量变频器说明书上都标有编码器闭环稳态精度为0.01%，编码器闭环动态精度为0.1%。变频器通讯数字给定精度一般为10000对应50Hz，所以给定精度为0.005Hz。如四极电机的额定同步转速为1500，稳态精度为0.01%，则在任意频率绝对误差为0.15转，动态精度绝对误差为1.5转，如果给定为1.5转，则稳态精度相对误差为10%，动态精度相对误差为100%。切纸机精度与送纸辊传动精度、切纸刀传动精度都有关系。由式2-7可以看出，切纸精度与切纸长度L、切刀传动绝
21、对误差成正比，与工作速度V成反比。所以只要其能够满足大切长低速度要求，则高速时一定可以满足要求。下面以3150/120切纸机为例进行分析。切纸机参数：净纸宽度3150mm，设计车速120m/min，最大工作车速120m/min，切纸长度530mm1380mm，送纸辊直径为400mm，送纸辊减速度比为16，切刀减速比为12，切纸精度0.5mm。我们分析工作速度为30m/min，切长为1300mm工作点。2.4.2 变频传动方案的切纸精度分析（1）切刀变频传动对切纸精度的分析：由式2-7可以得出稳态精度为 mm动态精度为 mm所以，稳态精度、动态精度都不满足切纸精度的要求。（2）送纸辊变频传动对切
22、纸精度的分析：由式2-3得 （2-12）由式2-1、式2-12得 （2-13）工作速度为30m/min，切长为1300mm时稳态精度为：mm动态精度为：mm由上面的分析可以得出结论，送纸辊、切纸刀都采用变频控制的方案不能满足切纸精度的要求。需要注意的是，送纸辊精度的分析是在单纯变频控制时的精度分析。如果在送纸辊到切纸刀另加位置闭环，则该结论不成立。2.4.3 伺服方案分析交流伺服电机一般都采用高分辨率的编码器（13位、16位、17位），提高了位置控制精度，交流伺服一般控制精度都可以达到八千分之一转以上（13位编码器），其给定可以采用脉冲给定方式，给定脉冲频率一般为0450kHz，外部给定精度为
23、2/1000000，而且交流伺服内部还有倍频功能、可以进一步提高精度。所以在切纸机控制中完全可以忽略给定与控制精度对切纸精度的影响8。2.4.4 方案确定通过以上分析可以得出，采用变频传动控制的技术方案不能满足切纸机控制的要求，应该采用交流伺服传动的技术方案。3 切纸机传动控制系统方案分析3.1 传动方案分析3.1.1 控制系统结构切纸机基本控制系统结构如图3-1所示。切纸机的传动形式是分布控制,集中管理的形式,分两级进行控制。第一级是伺服控制单元对伺服电机的控制和变频器对交流电机的控制,在伺服控制单元对伺服电机的控制中,采用闭环控制, 变频控制采用PID闭环控制；第二控制级是PLC对伺服单元
24、和变频器进行控制,主要对它们的速度设定和调节，即在PLC内完成逻辑运算和模拟运算后,把信号送到单个传动点控制器，PLC同时接收伺服单元和变频器的工作状态和报警等信号。PLC与变频器之间采用RS-485通讯方式。图3-1 切纸机控制系统结构图切纸机传动由弧形辊、纵切刀、传送带、送纸辊和切刀（横切）组成，弧形辊主要作用是舒展纸页，防止起皱，所以其速度与纸页同步或略快；纵切刀一般需要比纸速快1.2倍左右；传送带主要是带动切好的成品纸页，形成纸垛。弧形辊、传送带、纵切刀控制要求比较低，可以采用变频传动控制方式，与主传动形成速度链式的速差控制，就能够满足要求。切纸机的送纸辊与切刀之间的控制实际上是高精度
25、的速比控制，我们只需要控制切长在误差范围之内就可以了。而不是像印刷机中需要精确位置控制。所以送纸辊和切纸刀的控制可以有两种控制方案：一种是送纸辊采用变频传动，切纸刀采用伺服传动，这种技术方案成本比较低，主要是充分利用交流伺服的功能，但是有许多公司伺服控制器并不支持；另外一种是送纸辊、切纸刀均采用伺服传动。本次设计采用的是送纸辊、切纸刀均采用伺服传动。OP是系统的操作台，操作台上设置触摸屏，控制人员可以通过它来实现对控制系统的时时调节，通过它控制人员可以和控制系统很容易的进行交流。它和PLC之间是通过9针通讯线进行连接通讯的。（1）主控配置切纸机传动系统共有8个传动点。其中弧形辊、纵切刀、1#传
26、送带和2#传送带都采用变频传动PID控制方式；1#切刀和2#切刀、1#送纸辊和2#送纸辊采用伺服控制。所以PLC配置必须满足这些数据通讯的需求。PLC对伺服单元和变频器进行控制,主要对它们的速度设定和校准，即在PLC内完成逻辑运算和模拟运算后,把信号送到单个传动点控制器，PLC同时接收伺服单元的工作状态反馈。PLC高速脉冲输出，对伺服进行给定，伺服单元选择位置模式来控制传动点电机的转速，PLC与变频器之间采用RS-485通讯方式，组成以触摸屏为操作终端的高速数字通讯网络系统。（2）系统操作与控制系统的控制采用PLC全数字速度链控制，在每一个操作台触摸屏上都设有对应传动点的：切长设定、切长校准、
27、速度增加、速度减少、爬行/运行等操作按钮，由PLC对这些操作信号进行处理，并把各传动点的信号发送给对应的变频器和伺服单元去执行,可以对各传动点实现全部控制功能。具体控制功能如下：1）起动/停止：用于控制本分部电机的起停控制。2）单动/联动：对于要求负荷分配各传动点的单动/联动控制。3）紧急停车：紧急停车功能。当切纸纸机运行过程中出现意外事故，威胁到设备安全及人身安全时才可使用。4）切长设定：通过控制面板设定切长值。5）切长校准：当实际切纸长度与设定切长出现偏差时，PLC通过速度链调整送纸辊和切纸辊的速比，从而改变切纸长度。（3）故障显示等在变频器进线配电流互感器指示进线电流，在操作台上配直流电
28、压表指示变频器输出电流。这两者是不同的，不能互换。另外，在操作台触摸屏上还显示每一传动点的车速及工作电流，并具有运行、故障指示。这样就使现场布线和调试大大简化，可靠性也因此提高9。3.1.2 设备选型在切纸机控制中，切纸机的送纸辊与切刀之间的控制实际上是高精度的速比控制，对交流伺服采用位置指令作为给定输入，控制给定信号的频率就可以控制电机的速度。所以PLC要选择采用具有高速脉冲频率输出的PLC，最好选择专门用于伺服定位控制的PLC，如永宏FBS-44MN。变频器选择性能较好的ABB ACS800，伺服单元使用性价比较好的安川系列伺服控制器。3.2 切纸机的速度链设计在切纸机分布式传动中，由于各
29、相邻传动点之间的速度应保持一定的比例，且在车速调整过程中，应满足只影响本级和本级以后的各传动点，而不影响前面各传动的速度，这样每个传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构，即为速度链。切纸机传动控制过程中伺服单元给定采用脉波控制方式，PLC利用RS-485总线与变频器完成切纸机速度链控制。传动控制中心则是PLC，速度链控制由PLC内部软件来实现。3.2.1 速度链设计要求及结构设计（1）设计精度要求：速度链要求有一定的精度，也就是设定运行速度的给定精度。根据切纸机传动控制要求和实际经验，一般传动控制速度链精度应在0.0010.004%，与纸页的伸缩率有关。（2）速
30、度链结构：速度链结构要求可以形成分支子链，切纸机速度链结构是以主链为主的多分支结构。（3）速度链结构设计：速度链结构采用二叉树数据结构算法，用于完成传递功能。PLC内部有非常精确的传动变比，我们设计为精度为0.001%。相位环的调节附加在速度环控制之上，因此可以保证传动控制精度。首先对各传动点进行数字抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各传动点的受控节点编号。即任一传动点由其上一传动点确定其在速度链中的位置，填位置寄存器数值。该传动点速度给变频器和伺服单元后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，对该经点进行相应处理，直到该链完全处理完；再查
31、下一寄存器结点号，处理另一支链。故只须对位置寄存器初始化，即可构成任意分支速度链。3.2.2 速度链的算法实现依据切纸机传动系统的工艺特点，速度链的设计采用了调节变比的控制方法实现速度链功能。这样可以构成任意分支控制速度链控制系统。如图3-2所示，切纸机第一分部点作为速度链中的主节点，即它的速度就是整个纸机的工作车速，则其速度调节就调节了整个纸机车速。图3-2 速度链控制系统原理图在PLC内，我们检测到车速调节信号则改变车速单元值，1点处的速度就为第一台控制器的运行速度设定值，将其送第一台控制器执行，并送给第二台计算。第一分部的速度值乘以第二分部的变比b1/a则为第二台控制器的运行值。若第二分
32、部速度不满足运行要求，说明第二分部变比不合适，可通过操作第二分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调节b1即调整了变比，使其适应生产要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱，可以任意无级调速。图中就包含了调速操作指令的速度值，将它送给第二台变频器执行，同时送下一级计算。依此类推，构成速度链控制系统。在PLC内部有非常精确的传动变比，通过设定参数可以做到更高。4 伺服控制系统的设计4.1 伺服控制方式介绍4.1.1 伺服系统的介绍交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠
33、10。伺服系统由位置环、速度环、电流环构成多闭环系统,每个环路由伺服系统自身的任务计算进行控制,并利用数字量和数学模型保证控制系统的精度。环路由位置控制部、速度控制部、电流控制部发出的指令控制部输出指令反馈所形成的闭合回路。电流回路在伺服控制器内闭合,位置回路、速度回路向伺服驱动外输出。图4-1为伺服控制系统原理图。图4-1 伺服控制系统原理图伺服驱动器接收到连续变化的位置指令信号时,将此信号与实际位置反馈信号进行比较,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
34、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,达到控制电机转速的目的。位置控制器具有加减速控制的功能。传动部分的位置控制系统接收主控系统发出的与电机转速等值的连续变化的脉冲信号,并根据反馈的位置信息,采用PID调节原理进行计算。像始动时那样,尽可能使应答迟缓减小的情况时, PI(比例-积分控制)单纯作为比例增幅器运作。在正常情况时,由于外乱转矩等因素, PI作为积分器运作,对速度偏差进行积分,实行修正控制。因机械而
35、发生振动时,振动频率可由滤波陷波器设定达到收敛振动的效果。4.1.2 伺服控制的基本方式介绍伺服控制的基本方式有转矩控制、位置控制、速度控制模式。下面对这三种控制模式进行简单介绍和分析，以确定可以满足切纸机切刀的控制精度要求的控制方式。（1）速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。该模式广泛应用
36、于传动系统的调速。（2）转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。该模式主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。（3）位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所
37、以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等11。4.1.3 伺服单元的给定方式介绍PLC对伺服单元的给定方式方式大致有下列方式：（a）通过数位I/O方式下达命令：使用简单但应用灵活度较差。（b）通过类比输出方式下达命令：控制反应较灵敏但成本较高且较易受干扰。（c）通过通讯方式下达命令：通讯协定无标准且受限于通讯反应，因此应用有瓶颈。（d）通过高速脉波方式下达命令：成本低廉容易准确控制。以高速脉波方式控制伺服单元是较常被使用的方式。PLC的CPU模组如内含多轴高速脉波输出以及高速硬件计数器，且能提供简易使用、设计的定位程式编辑，在此方面的应用更方便。按切纸机传动系统的要求，本设计采用
38、通过高速脉波方式下达命令完成对伺服的控制。4.2 切纸机伺服控制方式的选择4.2.1 切纸机伺服控制方式选择由于位置控制模式可以根据给定脉冲对电机进行很好的定位，满足了切刀的精度要求，故在切纸机控制中对交流伺服都采用位置控制模式。交流伺服位置模式控制的控制流程图如图4-2所示。图4-2 位置模式的原理图4.2.2 位置模式的原理及参数设置位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值，但此种方式通讯比较复杂，在本次设计中不便采用。位置伺服系统要求伺服电机必须快速、准确地跟踪位置给定信号。偏差计数器
39、反映了给定位置和实际位置的偏差，此偏差以补偿的形式作为伺服驱动单元的脉冲串给定信号，伺服驱动器的控制方式为高速脉冲位置控制方式。一般伺服单元位置指令的给定如图4-3所示。图4-3 交流伺服位置指令输入流程位置模式的参数设置（如表4-1所示）和给定方式(如图4-4所示)。利用PLC给定或跟踪编码器信号。控制给定信号的频率就可以控制电机的速度。利用脉冲进行位置控制时，给定信号为PLC输出的高速脉波,首先选择控制方式，控制方式参数组pn000设置为n.xx1x,即选择定位控制模式。具体参数功能设置如表4-1所示。表4-1 位置模式的参数设置参数设置功能Pn000n.xx1xn.xxx0n.xxx1控
40、制方式选择：位置控制（脉冲列指令）电机正转。电机反转。Pn001n.x0xx警报代码输出。Pn50En.3xxx伺服准备完成。pn200n.xxx2n.x0xx90度相位差2相脉冲，正逻辑，（B相延后90度）倍增X1基本模块输入时清除偏移信号（出厂设定）。Pn50An. xx0x从CN1-40输入信号，ON低电平,伺服通电可运行；OFF高电平电机断电，不可运行。Pn001n.xxx2伺服以惯性运行方式停止，即不使用制动器。脉冲指令形态的选择，如表4-2所示。表4-2 伺服输入指令端口说明信号名称连接器针号名称PULSCN1-7指令脉冲输入A/PULSCN1-8指令脉冲输入BSIGNCN1-11
41、符号输入/SIGNCN1-12符号输入在切纸机进行控制中对交流伺服采用位置模式以高速脉冲作为给定输入，给定脉冲为两相互差90的高速脉波，如图4-4所示。A相B相图4-4 位置模式输入指令脉冲给定位置模式接口电路如图4-5所示：图4-5 位置模式的接口电路4.3 PLC对伺服单元的控制4.3.1 PLC在切纸机传动系统中的应用PLC是切纸机传动系统的控制核心，接收操作台发送的启/停机，切长设定、切长校准、加/减速等指令，并从现场采集变频器和伺服控制器的数据，进行分析和处理，将命令和给定传给变频器和伺服控制器控制各传动点。PLC在切纸机传动系统中完成的主要功能为：（1）切纸长度设定。通过控制面板改
42、变切长设定值，PLC通过速度链调整送纸辊和切纸辊的速比，从而改变切纸长度。（2）速度链的实现。在PLC的存储器里有每个传动点的设定速度以及和下一个传动点的速比。前面的传动点速度变化时，只改变本级和本级以后的各传动点，而不影响前面各传动的速度，这样每传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构，可以方便实现各传动点的速度保持同步。（3）加/减速。当有加/减速信号的时候，PLC就会自动地增加或减小速比，并且通过速度链把速度传递到下一级。（4）单动/联动。在正常的工作状态，切纸机采用联动，当检修某一台电机运行的时候需要单动。（5）报警。当伺服单元或者变频器发生故障时，会向P
43、LC发送报警信号，PLC随即响应停止程序运行并发出报警12。4.3.2 PLC对伺服单元的定位控制可以用PLC给定或跟踪编码器信号。控制给定信号的频率就可以控制电机的速度。所以PLC要选择采用具有高速脉冲频率输出的PLC，最好选择专门用于伺服定位控制的PLC，如永宏FBS-44MN。永宏PLC与伺服的控制连接如图4-6所示，PLC输出两路脉冲信号作为伺服控制的给定，给定频率为0-460kHz，永宏FBS-44MN具有八路高速脉冲频率信号输出，可以控制四台交流伺服控制器，送纸辊和切纸刀给定都由PLC给出，送纸辊之间和切纸刀的速度比控制在PLC内部，由PLC计算出各点数字频率输出。图4-6 PLC
44、与伺服的控制连接交流伺服内部一般都有高精度的电子齿轮比设定，一般分辨率可以达到1/65535，所以可以通过通讯来改变电子齿轮比分子b来达到调节速度比。所以送纸辊为变频器的方案是送纸辊电机编码器信号作为伺服的给定，切刀伺服跟踪送纸辊电机，由PLC改变电子齿轮比从而改变速度比控制，以达到调节切长的控制，但是有些伺服控制器不支持在线修改电子齿轮比。4.3.3 PLC结合伺服驱动器所构成的伺服系统选择常用PLC结合伺服驱动器所构成的伺服系统有如下二种：（1）半闭回控制PLC只负责送出高速脉波命令给伺服驱动器，编码器的位移侦测信号直接回授至伺服驱动器，闭回仅是伺服驱动器与编码器；优点是控制简单精度已足（
45、已适合大部份的应用），缺点是能真正反应实际经过传动元件的真正位移量，况且如元件磨损、化或，无法加以补偿或检知。（2）闭回控制PLC负责送出高速脉波命令给伺服驱动器，用于交流伺服系统的位置检测的光电编码器真正反应实际位移量，并将此信号回授至PLC内部的高速硬件计数器，如此可作精准的控制，且可避免上述半闭回的缺点。本设计所采用的控制方法为方案（1），其控制简单，且完全符合设计要求。该系统的工作过程如图4-7所示13。图4-7 PLC控制伺服的工作过程4.4 编码器的设置编码器作为电机转速的反馈元器件，对实现切纸精度的要求至关重要。光电编码器是利用光电信号测量位置的一种传感器，常简称为码盘。它可以直
46、接输出数字信号因而可以省略和计算机连接时的模数转换，接口是属于数字传感器类型，光电编码器的输出脉冲数表示其主轴的旋转角度。码盘主要有两种类型:绝对值式和增量式。绝对式码盘结构复杂，但使用方便，能直接给出代表转角位置的数字编码，不需要对它进行处理就可以送入计算机，增量式码盘结构简单，它能够达到较高的精度价格比，但要增加对它的信号处理电路，才能得到代表转角的位置量。编码器用来采集伺服电机的转速，将位移侦测信号回馈至伺服驱动器，驱动器将输入信号的脉波频率和脉波数与回馈信号的频率和脉波数，经内部的偏差计数器与频率转电压电处后，得到脉波偏差值与转速误差值，并把采集的脉冲信号传给伺服控制单元，供伺服控制器完成闭环控制。一般而言，编码器的控制误差为1个脉波，这完全可以满足切纸精度的要求。
