基于SIMOTION的多轴同步控制技术在卷烟机组中的应用

刘威, 阮三星

(常德烟草机械有限责任公司 研究所, 湖南 常德, 415000)

基于SIMOTION的多轴同步控制技术在卷烟机组中的应用

刘威, 阮三星

(常德烟草机械有限责任公司 研究所, 湖南 常德, 415000)

为了解决传统卷烟机组的接装机传动链过长、传动误差大、维修不方便、机械润滑系统容易漏油等问题, 采用西门子SIMOTION伺服独立驱动系统替代了原来的机械传动系统, 实验结果表明, 基于SIOMOTION的伺服独立驱动系统有效地提高了卷烟设备的速度和精度, 满足设计要求。

多轴同步控制; SIMOTION; 独立伺服驱动

传统接装机的传动系统由主传动系统和若干独立的传动系统组成。为与上游卷烟机保持同步, 接装机的主传动系统与卷烟机主传动由同一电机驱动。为了使卷接机组连续正常工作, 其进烟量和出烟量必须相等, 这样各鼓轮就要满足同步关系: 各交接处鼓轮的线速度相等或相近; 各鼓轮在单位时间内烟支的输送量相等; 各鼓轮的转速保持严格的比例关系。目前我公司的卷接机组大都采用传统的传动方式, 整个机组在运行过程中传动链过长、传动误差较大而且容易漏油, 随着多电机同步控制技术的发展,独立伺服控制系统已经逐渐成为了卷烟行业电气传动的热点之一[1–4]。为了提高国产烟机的品质,我公司对接装机鼓轮组进行了独立驱动的改造实验, 采用西门子SIMOTION伺服同步控制系统替代传统的机械传动系统, 取得了良好的效果。

1　鼓轮负载分析及电机选型

本文只对试验装置中的烟条分离轮、汇合鼓轮和烟支分离轮进行研究。烟条分离轮的作用是将切开的双倍长烟条分开以便放入滤嘴, 汇合鼓轮的作用是将双倍长滤嘴放入切开的单倍长烟条中, 烟支分离轮的作用是将切开的双倍长烟支分开。3个鼓轮的基本参数见表1。

一般来说, 加速过程中所需的转矩要大于减速过程中的转矩, 因此, 只要电机的额定转矩大于机构在加速过程中的负载转矩即可满足要求。

各个鼓轮最大加速转矩的计算公式为 Ta= 2πNm(Jm+ JL)/(60ta) + TL。式中: Ta为加速转矩; Nm为电机正常工作时的转速; Jm为电机转动惯量; JL为负载转动惯量; ta为加速时间; TL为负载转矩。

参考PROTOS M5相对应的鼓轮电机参数, 加速时间设为10 s, 分别对烟条分离轮、汇合鼓轮、烟支分离轮的最大加速转矩进行了估算, 依次为8.917、4.546、10.359 N·m。

从估算的鼓轮最大加速转矩、实际工况下摩擦力矩及其他载荷力矩参数可知,普通电机虽然能够满足选型电机有较大余量额定输出扭矩的要求, 但无法满足系统空间结构紧凑及安装调试等的要求。因此,综合考虑后, 选用直驱电机[5–6], 其主要参数见表2。

表1　鼓轮基本参数

2　控制系统的设计

SIMOTION[7]是西门子开发的一种针对机械运动尤其是多轴运动任务而设计的控制系统, 其中 SIMOTION D是基于驱动器设计的控制系统,通过控制器与驱动器的结合使其具有极快的响应速度, 从而大大提高系统性能, 是实现多轴复杂运动控制任务的一种解决方案。本文基于SIMOTION D而设计的多轴同步控制系统, 考虑到伺服控制系统的控制精度和实时性, 项目使用西门子SIZER软件进行功能模块的配置选型和评估, 选用D455为中央处理器, 配置了一个55 kW调节型电源模块, 一个18 A的双轴电机模块和一个9 A的单轴电机模块。由于驱动第三方电机, 故系统使用SMC20模块来对接直驱电机的Endat编码器。控制系统拓扑结构如图1所示。

SIMOTION控制系统在多轴运动方面主要提供了2种耦合方式, 即电子齿轮和电子凸轮。其中电子齿轮多应用于轴与轴之间成线性运动比例关系。卷接机组中各鼓轮之间是严格线性比例运动关系, 故本文所设计的多轴同步控制系统采用的控制策略就是电子齿轮耦合方式, 即主轴为虚拟主轴[8–10], 用于提供稳定的跟随控制信号, 从轴为各个实际鼓轮轴(图2)。控制系统的控制算法通过在SIMOTION SCOUT软件中运用ST高级编程语言实现。

图1　鼓轮独立驱动控制系统拓扑结构

图2　鼓轮独立驱动控制系统控制策略

图3　各鼓轮的速度响应曲线

3　实验结果与分析

本次实验是在带负载的情况下模拟卷烟生产, 测试分2个阶段, 即低速和高速。初始时机器速度设定为10 000支/min(低速), 当各鼓轮到达指定速度后再将机器速度设定为16 000支/min(高速)。各鼓轮的速度响应曲线和位置跟随误差如图3和图4所示。

图4　各鼓轮在低速和高速时的位置跟随误差曲线

由图 3可知: (1) 无论是低速还是高速, 各鼓轮电机都能在短时间内达到指定速度而且没有超调,这体现了该控制系统良好的动态性能; (2) 在低速或高速的稳态阶段, 各鼓轮之间的转速均保持严格的比例关系, 即烟支分离轮与汇合轮的转速比为1︰2, 汇合轮与烟条分离轮的转速比为1︰1, 与表1中各鼓轮的烟槽数和转速关系一致。

由图4可知: 烟支分离轮在低速和高速时的最大位置跟随误差分别为0.024°和0.038°; 汇合轮在低速和高速时的最大位置跟随误差分别为 0.004°和 0.003°; 烟条分离轮在低速和高速时的最大位置跟随误差分别为0.035°和0.023°。这是因为烟支分离轮和烟条分离轮为双凸轮结构, 负载惯量大, 负载不均衡, 摩擦阻力大, 所以负载的波动对控制系统的控制精度产生了影响, 汇合轮为简单结构, 负载均衡,电机负荷主要为风阻和轴承的摩擦阻力, 负载的波动不大, 所以其控制精度相对较高。综合来看, 各个鼓轮的位置跟随误差无论在低速或高速时均远小于设计要求的 0.1°以内, 这表明该控制系统的同步精度高, 具有良好的抗干扰性, 完全能够满足机器的同步控制精度要求。

4　结语

实验结果表明, 基于西门子SIMOTION的伺服独立驱动系统完全能够满足机器对同步控制精度的要求, 且运行稳定, 相对于传统的机械传动系统安装调试更加方便, 各鼓轮的同步精度更高, 而且解决了机械润滑系统容易漏油的难题。后续可以对该控制系统进一步进行硬件和软件的升级与优化, 从而进一步提高控制系统的控制精度。

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(责任编校: 刘刚毅)

Application of multi-motor synchronous control technology based on SIMOTION in cigarette making and tipping machine combination

Liu Wei, Ruan Sanxing
(Institution of Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

Due to the problems of the traditional cigarette making and tipping machine combination such as long transmission chain, large error of transmission, mechanical lubrication system easy to leak, maintenance is not convenient, etc, the original mechanical drive system is replaced with independent servo drive system of SIEMENS SIMOTION, experimental results show that this system fully meets the requirements of cigarette making and tipping machine combination which demand for high precision and high speed.

multi-motor synchronous control; SIMOTION; independent servo drive

TS 43

1672–6146(2016)02–0087–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.02.020

刘威, skygod2008@163.com。

2016–01–23