本卷煙機組生產(chǎn)速度為8000支/分鐘， 對傳動系統(tǒng)的控制精度要求很高。我們取消原傳動結構中的齒輪箱，采用交流伺服驅動系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)的中央控制模塊和PLC控制各電機的運行，根據(jù)需要設置參數(shù)，如控制方式設定（位置控制/速度控制/轉矩控制）、增益設定（位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時間常數(shù)）、速度指令輸入增益設定等。 伺服系統(tǒng)組成 硬件 伺服系統(tǒng)由電源模塊、中央控制模塊、伺服驅動模塊和伺服電機組成。選用分辨率為96000p/r的正弦增量編碼器。 中央控制模塊將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于中央處理器中，它是伺服系統(tǒng)的核心，通過RS485口與上位機通訊；通過伺服系統(tǒng)內部的信號線進行模塊間的數(shù)字通信。 驅動模塊對電機編碼器反饋信號進行采樣，它與伺服電機一起構成了具有自動控制調節(jié)功能、高轉矩特性和同步跟蹤性能的執(zhí)行單元。模塊內部的轉換器配有開關頻率很高的功率半導體器件（IGBT），控制器卡內部的微型計算機循環(huán)計算每個指定相位的瞬時電流值，相位的實際電流值代表轉子的當前位置。系統(tǒng)運轉穩(wěn)定時，被觸發(fā)的IGBT與來自電機繞組電流呈正弦曲線的8kHz的基礎時鐘同步。 軸編碼器是系統(tǒng)的位置檢測組件，其輸入/輸出傳動信號決定電機與電機編碼器間的傳動信號比，比值結果必須為整數(shù)，且設定值與電機控制器運算法則相適應。利用編碼器獲得實際位置值，激活實際位置反饋，即編碼器檢測到電機的實際脈沖數(shù)經(jīng)4倍頻后產(chǎn)生反饋脈沖，它直接影響運行模式的閉環(huán)控制。它將各電機輸出軸的位置轉換成16位二進制碼，送給驅動模塊。 伺服電機在額定轉速內，輸出額定轉矩；達到額定轉速時，輸出恒功率，實現(xiàn)功率、輸出轉矩、動態(tài)特性和結構要求的統(tǒng)一。 軟件 伺服系統(tǒng)軟件采用PID算法編制實時控制程序，設置驅動器所需的轉距、速度、位置值，由程序功能塊進行參數(shù)調整；通過表插補的快速功能產(chǎn)生多軸同步運轉。 設備加電后，中央控制模塊完成初始化。發(fā)出信號跟蹤命令后，即開始定時，在每個采樣周期內，上位機向伺服系統(tǒng)發(fā)送輸入信號，伺服系統(tǒng)接收上位機返回的系統(tǒng)輸出量和控制量，完成相應的控制動作后，將采集到的系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)、當前的控制量和各狀態(tài)信息送至上位機。程序的參數(shù)可調，加/減速時間、最小/最大速度值等參數(shù)都需根據(jù)現(xiàn)場要求進行設定。調試時根據(jù)典型的PID調節(jié)原理進行各參數(shù)的整定，主要兼顧到系統(tǒng)速度調節(jié)特性和位置調節(jié)特性中超調量、快速性和穩(wěn)定性等要素。 基本工作原理 系統(tǒng)以各交流伺服電機作為驅動元件，以機械位置或角度作為被控制對象，電機速度和位置的實際值來源于編碼器信號。 同步控制的乘法器脈沖和除法器脈沖構成主設置值與被控對象之間的同步比率（SVH），即本系統(tǒng)的電子齒輪比。根據(jù)整機運行的實際情況和成品煙支的規(guī)格要求，控制電機的參考信號和程序中指令的參考信號一致，位置要求嚴密的電機，在每次起動之前，必須先回零。回零結束后，延時7s左右；然后，再跟蹤主電機運轉。 卷煙機在生產(chǎn)過程中，各執(zhí)行機構的動作時序及電控系統(tǒng)與機械傳動之間的同步，需要有一個參照基準，即卷煙機的時鐘脈沖。 軸編碼器隨電機的旋轉產(chǎn)生與電機轉速成正比、與電機軸角位移增量等值的電脈沖，輸出兩路900相差的脈沖信號Ua1,Ua2 和一路用作參考零位的標志脈沖 Ua0。編碼器的正弦波信號轉換成積分和參考的兩路方波信號；輸出方波給外部CNC提供實際位置反饋信號，或者作為同步控制系統(tǒng)中獨立驅動系統(tǒng)的主控制脈沖。該正交編碼脈沖通過四倍頻電路產(chǎn)生四倍頻脈沖信號，由計數(shù)電路對其計數(shù)，獲得轉速、轉子位置的瞬時值。電機軸的旋轉速度和定位由同一傳感器來檢測，因而在同一轉內可實現(xiàn)高分辨率、高精度的位置檢測和旋轉次數(shù)的檢測，從而實現(xiàn)傳動系統(tǒng)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)的控制，并將計數(shù)脈沖送入位置控制系統(tǒng)進行計算。 控制原理 模擬量輸入信號 交流伺服驅動系統(tǒng)包括三種指令形式，即脈沖指令，速度指令，轉矩指令。結合實際的應用，采用模擬量脈沖指令的形式對伺服驅動系統(tǒng)加以控制，見圖1。 圖1 驅動模塊的模擬量輸入 驅動模塊中，設置2個10V的模擬量輸入（A1，A2），通過電壓/頻率變換來確定輸出脈沖的值，輸出頻率可控且范圍取決于系統(tǒng)時鐘脈沖。模擬值A1作為輸入速度或扭矩的設置值，通過改變模擬電壓A2的值去改變扭矩極限。微處理器每250μs執(zhí)行一個循環(huán)。計數(shù)或脈沖的設定值通過中央控制模塊輸入，再由內部的信號線分配給每個驅動模塊。電機轉速的大小依賴于A1的輸入電壓值。由速度偏移量來補償模擬輸入值的浮動值，得到與模擬輸入相應的恒定速度值。但持久地補償至零速度是不可能的。 轉矩控制和速度控制 驅動器將收到的連續(xù)變化的速度指令信號與實際速度反饋信號進行比較，產(chǎn)生差值；速度控制器將差值放大，并求出輸出量，該信號與實際位置進行比較，經(jīng)處理后，作為脈寬調制發(fā)生器的調制信號，同時在基波的作用下生成脈寬可調的脈沖序列開關信號，實現(xiàn)對伺服電機定子電樞電流的相位控制和幅度調節(jié)。另外，開關信號加至大功率器件的驅動器后，功率器件按一定順序依次導通，輸出脈寬可調的交變電壓，用以驅動伺服電機。在速度控制器和電流調節(jié)器的連續(xù)作用下，定子電樞電流的幅度和頻率因此得到了連續(xù)控制，達到控制電機轉速和轉矩的目的。 扭距的模擬設定及控制分析 通過模擬輸入A2定義扭矩的范圍。為抵消共振的影響，選用訪諧振（帶阻）濾波器。為減小濾波器本身的高頻增益，用一個輕阻尼的帶阻濾波器（其中心頻率約為共振頻率的90%）和一個大阻尼的帶通濾波器（其頻率要高于共振頻率），見圖2。濾波器連續(xù)地協(xié)議速度控制器的輸出，其參數(shù)均可根據(jù)電機運動特性的改變而在線調節(jié)和修改。速度控制或閉環(huán)位置控制時，設置對應參數(shù)的bit 7=1時，濾波器F1，F(xiàn)2被激活。其中，Nset為設定速度，Nact為實際速度；f1=1/（2πT1），f2=1/（2πT2）；f1＜f2。從f1的6dB/倍頻和f2的12dB/倍頻起，伺服控制系統(tǒng)的環(huán)路增益減弱。 圖2 抵消共振的結構 位置控制 位置控制器控制電機的加減速。位置控制系統(tǒng)接收主控系統(tǒng)發(fā)出的與電機轉速等值的連續(xù)變化的脈沖信號，并根據(jù)反饋的位置信息，采用PID調節(jié)原理進行計算。 機械位置調整適當后，通過程序將該位置所對應的脈沖數(shù)保存到位置控制器中。斷電時，無論與主傳動部件的相對位置是否改變，控制器所記憶的位置數(shù)據(jù)不會改變。再次上電時，位置控制器在機器最初轉動的幾圈內尋找所記憶的位置，一旦電機尋找到自己的位置就停下來，以便同主傳動部件再次轉過同步位置時一起運動。 閉環(huán)位置跟蹤的方法： l 將位置極限設置成二進輸出,監(jiān)控軸轉動的正反方向，賦值前，先執(zhí)行回零動作；它并不阻止軸的運轉。超過極限時，由輔助位來控制軸停止運轉。 l 調整額外誤差。如果位置的設定值和實際值的差額（跟蹤誤差）比內部的“額外誤差”大，驅動器的輸出使能停止，電機按其自身的慣性運轉。最大跟蹤誤差（線性軸）SA： SA[mm]=最大速度[mm/min]/位置閉環(huán)KV[1/min] 然后，通過“每個電機轉動的距離”與“編碼器增量”，將跟蹤誤差從[mm]轉換成[incr.].在位置控制環(huán)中，電機參數(shù)的設置根據(jù)現(xiàn)場的實際要求而定，使輸出軸的實際位置精確。 優(yōu)化控制重要參數(shù)分析 根據(jù)電機型號和負載慣量，調整內部速度環(huán)增益和積分時間常數(shù)，以達到最優(yōu)控制，滿足調速系統(tǒng)速動性要求[1]。圖3中，nset為設定速度，nact為實際速度 圖3 速度階躍響應 l 速度環(huán)比例增益KP因素 速度控制的階躍響應，KP影響如圖3示。 在生產(chǎn)線上操作調試時，伺服電機運行時會發(fā)生振蕩和噪聲，即不能在負載調試下獲得最合適的響應和穩(wěn)定性，此時需要進行基本增益調整。設置值大時，伺服系統(tǒng)剛性變高，負載的變化對電機速度的影響小，但過大會引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定[2]，所以，必須使KP最優(yōu)化。設置速度環(huán)積分時間常數(shù)為較小值，其值越小，位置偏差值相減越快；設置位置環(huán)增益參數(shù)，將速度前饋系數(shù)設置為最小。 l 速度環(huán)積分時間TN （ms/4） 調試時必須使PI速度控制器的積分作用時間最優(yōu)化。TN=0時， PI速度控制器的積分成分不起作用，它作為P型控制器而工作。因調整狀態(tài)隨負載變化而變化，所以盡可能在實際負載狀態(tài)下進行。在調整時，加入階躍速度指令，用示波器觀測其速度響應，同時注意機械部分的振動情況。對于速度階躍響應，TN影響如圖4示。 圖4 階躍響應的TN影響 l 在設定的速度范圍內，速度控制器的KP和TN呈線性變化，即控制器動作的變化依賴于實際速度值。調試時，使速度控制器的比例增益與積分作用時間最優(yōu)化。 增益調整 l 位置環(huán)增益的最優(yōu)值依負載而定，若負載變化，需重新調整。若增益設置值過大，會引起振蕩，這時應減小設置值從而停止振蕩。若不能停止振蕩，則關掉電源和伺服使能信號，然后再開啟電源將增益恢復到較小的值[3]。 l 若采用驅動器的速度環(huán)而外加位置環(huán)單元，伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益會由于速度指令輸入增益參數(shù)的改變而改變。 結語 利用交流伺服驅動系統(tǒng)，實現(xiàn)多臺電機的角度和速度的完全（或比例）同步（隨動跟蹤）等各種復雜的控制任務，完成煙條的無偏差精確定位，有效避免長短煙的出現(xiàn)，避免由于傳動系統(tǒng)速度波動而造成的煙支空頭等問題，達到了控制系統(tǒng)改進的目的