G.D121粗刺辊驱动系统的优化改造

党杰 杨德志 马兴田

摘要：G.D121卷烟机粗刺辊的主要功能是将落丝槽内的烟丝供至抛丝带，粗刺辊的速度与主机速度成正比以保证单位时间内的供丝量相等，原机采用直流电机控制板与直流测速电机构成半闭环控制系统。由于直流调速电机存在机械结构复杂、维护工作量大、故障率高等缺点，且在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的机械设备的精度。于是我们利用目前先进的伺服驱动和控制技术，对该系统进行了改造和控制优化，有效地降低了该系统的故障，提高了设备效率。

关键词：直流调速；同步电机；伺服控制

1 引言

粗刺辊是G.D121卷烟机当中烟丝供给的重要一环，其驱动系统是由直流驱动板和直流调速电机组成的半闭环系统。

直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。在相当长时期内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电机本身的换向问题和在恶劣环境下的不适用问题，这就限制了直流拖动系统进一步发展的问题。并且随着设备老化，直流电机维护工作量大及故障率高等缺点不断暴露，严重影响了设备运行效率。

而随着交流调速系统的不断发展，目前，交流调速系统已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应、高工作效率等优异性能，其静、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。

交流调速系统与直流调速系统相比，还具有以下优点。

1.容量大

2.转速高且耐高压

3.交流电机的体积、重量、价格比同等容量的直流电机小，且结构简单、经济可靠、惯性小。

4.交流电动机环境适应性强，坚固耐用，可以在十分恶劣的环境下使用。

5.高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标。

6.交流调速系统能显著的节能。

从各个方面看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。

2 原机直流调速系统简介

2.1原机工作状况

原G.D公司直流系统已运行十多年了，总结起来有如下不足。

1.采用直流电机调速功耗大、易发热，由于直流电机本身的结构，维修困难。

2.启动或运行时，由于速度不均衡，启动转矩小，使烟支不饱满，造成跑跳现象，不仅造成浪费，还给操作者的操作带来不便。

3.给电气维修人员带来如下困难：

①、需经常检查碳刷，清洁碳粉；

②、A455控制板无显示状态的装置，不易判别故障；

③、无工作状态显示；

④、控制接口位于整机的底板插槽内，不易测量；

⑤、启动时力矩不足。

2.2原机的控制方式

G.D121原机采用的是一套直流脉宽调制调速的半闭环驱动系统，如下图所示：

为了顺利完成改造，我们对原机粗刺辊的驱动系统进行了深入的研究。驱动粗刺辊的直流电机由驱动板A455驱动，驱动板电源由PSR直流电源背板供给；起停及速度信号由外部输入至驱动板；驱动板本身带有自诊断功能，自诊断主要是判断板件供电是否正常、内部或外部是否短路、是否超温等。直流电机带有速度传感器及霍尔电流传感器，能够将电机速度及电流反馈至驱动板。根据上述分析，我们可将整个粗刺辊的伺服控制过程绘制如下图：

如上图所示，原机直流伺服系统采用两环控制，电流环和速度环，即我们常说的半闭环伺服控制。电流环给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机电流，电流反馈是通过驱动器内部安装在每相的霍尔元件反馈给电流环的；速度环的输入就是外部输入的速度频率信号，速度设定和速度反馈值进行比较后的差值在速度环（速度调解）做PID调节后输出给电流环。速度环的反馈来自于电机自身的测速计。

2.3原机直流电机参数及接口模式

1.电机参数

2.原机接口模式

①、准备完成信号DOK

②、运转使能信号RUN

③、频率给定信号REF

3 伺服系统的选择及分析

3.1伺服控制系统的优化

原机直流伺服系统采用的是不带位置环的半闭环控制方式，这就造成了其控制精度不高，为此，我们将该系统优化，如下图所示：

如上图所示，新的控制系统增加了位置環，位置环的输入就是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定值和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节后输出给速度环。

3.2电机的选型

近年来，随着高性能永磁材料技术、电力电子技术、微电子技术的飞速发展以及矢量控制理论、自动控制理论研究的不断深入，永磁同步电机伺服控制系统得到了迅速发展。由于其调速性能优越，克服了直流伺服电动机机械式换向器和电刷带来的一系列限制，结构简单、运行可靠；且体积小、重量轻、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强。

永磁同步电机是由绕线式同步电机发展而来，它用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环与电刷。

3.3驱动器的设计

根据对粗刺辊组件的分析，我们发现粗刺辊负载转矩与转速无关，因此我们认为粗刺辊为恒转矩负载。恒转矩负载的特点是当转速发生变化时，要求转矩保持恒定，即使转速发生变化，电动机的电流也基本不变，基本保持恒定。由于粗刺辊负责卷烟机烟丝的供给，单位时间内的供丝量要求平稳，与主机机速相匹配，因此要求粗刺辊低速启动时保证有良好的启动转矩及快速的动态响应。

能够满足以上要求的最理想的控制方式就是矢量控制，众所周知，直流电机双闭环调速系统具有优良的动、静态调速特性，其根本原因在于，作为控制对象的他励直流电机的电磁转矩能够很容易的进行控制。以产生同样旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电Ia、Ib、Ic通过三相变两相的变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流Im、It。因此，我们可以模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能控制交流电机了，由于进行坐标变换的是磁动势的空间矢量，所以我们把这样的控制方式称为矢量控制。

我们选择麦格米特SV-Master伺服驱动器，本驱动器为新一代一体化矢量控制平台，采用了先进的一体化解决方案，实现了同步，电机驱动与异步电机驱动的一体化；转矩控制、速度控制、位置控制的一体化，内置PG接口及强大的速度控制、转矩控制、简易伺服功能，其主要技术指标如下：

过载能力：150%额定电流1分钟，200%额定电流0.5秒钟

控制方式：带PG磁通矢量控制

最大输出频率：650Hz

调速范围：1：1000（带PG磁通矢量控制）

速度控制精度：±0.02%（带PG磁通矢量控制）

速度波动<±0.1%（带PG磁通矢量控制）

定位精度<±1线脉冲

转矩响应<5ms（带PG磁通矢量控制）

起动转矩：0Hz 200%（带PG磁通矢量控制）

频率设定方式：端子脉冲

3.4旋变接口板的设计

旋转变压器是一种精密角度传感元件，在位置伺服系统中，完成轴角位移信息的检测功能。由于它是模拟电磁元件，在计算机控制的数字伺服系统中，就需要一定的接口电路，以实现模拟信号到控制系统数字信号的转换。

旋变接口板接收旋转变压器定子边的正、余弦输出信号和一个同步参考信号，将转子位置信号仿1024线增量式编码器输出，且电机正转时，A相超前B相。通过旋变接口板的处理，伺服器能够接收电机反馈的速度及位置信号。

除此之外，旋变接口板还应具有信号滤波功能并连续可调；Z脉冲和U、V、W信号使能；电流闭环自动计算并且增益可调，即PID功能可调，同时需加入了瞬停不停功能。

根据以上要求，我们对旋变接口板进行了设计并将其装入伺服器，对电机进行旋转自整定，根据电机稳态校正电路，经自学习后，我们得到：

定子电阻R1=2.712Ω

定子漏感抗X11=11.5Ω

转子电阻R2=79Ω

护感抗Xm=11.5Ω

空载电流Io=0.1A

自整定成功后，设置给定命令端口X1为端子给定方式，频率给定端口为Pulse给定方式；X8最大脉冲为3KHz，最小给定量为67%（即2KHz），DOK设定为15，即准备状态。

4总结

经过几个月的试运行，粗刺辊电机电流为0.6A，做到了烟丝饱满、开机无跑条断纸现象，提高了卷烟机设备效率及产品质量，减少了浪费。

通过本次改造，笔者对交直流伺服控制有了更深的认识和理解，但也发现了自身的不足，文中必有不妥之处，还望各位专家、读者见谅并给予指正。

参考文献：

[1]寇宝泉.程树康《交流伺服电机及其控制》.机械工業出版社.2008

[2]史国生.《交直流调速系统》.化学工业出版社.2015

[3]田效武.《交流调速系统与变频器应用》. 机械工业出版社.2016

[4]麦格米特公司.《SV-Master系列伺服驱动器用户手册》. 2011