G.D121粗刺輥驅動系統的優化改造

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成半閉環控制系統。由于直流調速電機存在機械結構復雜、維護工作量大、故障率高等缺點，且在運行過程中轉子容易發熱，影響了與其連接的機械設備的精度。于是我們利用目前先進的伺服驅動和控制技術，對該系統進行了改造和控制優化，有效地降低了該系統的故障，提高了設備效率。

關鍵詞：直流調速；同步電機；伺服控制

1 引言

粗刺輥是G.D121卷煙機當中煙絲供給的重要一環，其驅動系統是由直流驅動板和直流調速電機組成的半閉環系統。

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

而隨著交流調速系統的不斷發展，目前，交流調速系統已具備了寬調速范圍、高穩態精度、快速動態響應、高工作效率等優異性能，其靜、動態特性均可以與直流調速系統相媲美。

交流調速系統與直流調速系統相比，還具有以下優點。

1.容量大

2.轉速高且耐高壓

3.交流電機的體積、重量、價格比同等容量的直流電機小，且結構簡單、經濟可靠、慣性小。

4.交流電動機環境適應性強，堅固耐用，可以在十分惡劣的環境下使用。

5.高性能、高精度的新型交流拖動系統已達到同直流拖動系統一樣的性能指標。

6.交流調速系統能顯著的節能。

從各個方面看，交流調速系統最終將取代直流調速系統。

2 原機直流調速系統簡介

2.1原機工作狀況

原G.D公司直流系統已運行十多年了，總結起來有如下不足。

1.采用直流電機調速功耗大、易發熱，由于直流電機本身的結構，維修困難。

2.啟動或運行時，由于速度不均衡，啟動轉矩小，使煙支不飽滿，造成跑跳現象，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、需經常檢查碳刷，清潔碳粉；

②、A455控制板無顯示狀態的裝置，不易判別故障；

③、無工作狀態顯示；

④、控制接口位于整機的底板插槽內，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制調速的半閉環驅動系統，如下圖所示：

為了順利完成改造，我們對原機粗刺輥的驅動系統進行了深入的研究。驅動粗刺輥的直流電機由驅動板A455驅動，驅動板電源由PSR直流電源背板供給；起停及速度信號由外部輸入至驅動板；驅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，能夠將電機速度及電流反饋至驅動板。根據上述分析，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，原機直流伺服系統采用兩環控制，電流環和速度環，即我們常說的半閉環伺服控制。電流環給定和“電流環的反饋”值進行比較后的差值在電流環內做PID調節輸出給電機，“電流環的輸出”就是電機電流，電流反饋是通過驅動器內部安裝在每相的霍爾元件反饋給電流環的；速度環的輸入就是外部輸入的速度頻率信號，速度設定和速度反饋值進行比較后的差值在速度環（速度調解）做PID調節后輸出給電流環。速度環的反饋來自于電機自身的測速計。

2.3原機直流電機參數及接口模式

1.電機參數

2.原機接口模式

①、準備完成信號DOK

②、運轉使能信號RUN

③、頻率給定信號REF

3 伺服系統的選擇及分析

3.1伺服控制系統的優化

原機直流伺服系統采用的是不帶位置環的半閉環控制方式，這就造成了其控制精度不高，為此，我們將該系統優化，如下圖所示：

如上圖所示，新的控制系統增加了位置環，位置環的輸入就是外部的脈沖，外部的脈沖經過平滑濾波處理和電子齒輪計算后作為“位置環的設定”，設定值和來自編碼器反饋的脈沖信號經過偏差計數器的計算后的數值在經過位置環的PID調節后輸出給速度環。

3.2電機的選型

近年來，隨著高性能永磁材料技術、電力電子技術、微電子技術的飛速發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得到了迅速發展。由于其調速性能優越，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，結構簡單、運行可靠；且體積小、重量輕、效率高、功率因數高、轉動慣量小、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、滑環與電刷。

3.3驅動器的設計

根據對粗刺輥組件的分析，我們發現粗刺輥負載轉矩與轉速無關，因此我們認為粗刺輥為恒轉矩負載。恒轉矩負載的特點是當轉速發生變化時，要求轉矩保持恒定，即使轉速發生變化，電動機的電流也基本不變，基本保持恒定。由于粗刺輥負責卷煙機煙絲的供給，單位時間內的供絲量要求平穩，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矩及快速的動態響應。

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，直流電機雙閉環調速系統具有優良的動、靜態調速特性，其根本原因在于，作為控制對象的他勵直流電機的電磁轉矩能夠很容易的進行控制。以產生同樣旋轉磁動勢為準則，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，經過相應的坐標反變換，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伺服驅動器，本驅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，實現了同步，電機驅動與異步電機驅動的一體化；轉矩控制、速度控制、位置控制的一體化，內置PG接口及強大的速度控制、轉矩控制、簡易伺服功能，其主要技術指標如下：

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

轉矩響應<5ms（帶PG磁通矢量控制）

起動轉矩：0Hz 200%（帶PG磁通矢量控制）

頻率設定方式：端子脈沖

3.4旋變接口板的設計

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

旋變接口板接收旋轉變壓器定子邊的正、余弦輸出信號和一個同步參考信號，將轉子位置信號仿1024線增量式編碼器輸出，且電機正轉時，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，旋變接口板還應具有信號濾波功能并連續可調；Z脈沖和U、V、W信號使能；電流閉環自動計算并且增益可調，即PID功能可調，同時需加入了瞬停不停功能。

根據以上要求，我們對旋變接口板進行了設計并將其裝入伺服器，對電機進行旋轉自整定，根據電機穩態校正電路，經自學習后，我們得到：

定子電阻R1=2.712Ω

定子漏感抗X11=11.5Ω

轉子電阻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設定為15，即準備狀態。

4總結

經過幾個月的試運行，粗刺輥電機電流為0.6A，做到了煙絲飽滿、開機無跑條斷紙現象，提高了卷煙機設備效率及產品質量，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，但也發現了自身的不足，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：

[1]寇寶泉.程樹康《交流伺服電機及其控制》.機械工業出版社.2008

[2]史國生.《交直流調速系統》.化學工業出版社.2015

[3]田效武.《交流調速系統與變頻器應用》. 機械工業出版社.2016

[4]麥格米特公司.《SV-Master系列伺服驅動器用戶手冊》. 2011