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• 關(guān)鍵詞： 伺服同步驅(qū)動(dòng)
• 摘要：本文通過對(duì)9300與9400系列伺服控制器ZL22C纖維濾棒成型機(jī)上應(yīng)用的對(duì)比，充分體現(xiàn)了9400系列伺服的優(yōu)越性，闡述了9400系列伺服的具體應(yīng)用，ZL22C機(jī)組的整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)采用了9400系列伺服后，使該機(jī)組的控制精度更高、實(shí)時(shí)響應(yīng)性更好，為了更好地配合9400系列伺服，我們將系統(tǒng)的主控部分從PLC改為了PC控制，通訊從Profibus改為了EtherCAT通訊,使9400系統(tǒng)伺服通過上位機(jī)PC給定的啟停、速度、比例等通訊數(shù)據(jù)響應(yīng)更快，更具有實(shí)時(shí)性。

1. 概述
       纖維濾棒成型機(jī)組是卷煙廠生產(chǎn)過濾嘴棒設(shè)備。近年來，卷煙生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，過濾嘴棒質(zhì)量直接影響到香煙口感和對(duì)煙氣中有害物質(zhì)過濾，而過濾嘴棒質(zhì)量很大一部分原因取決于設(shè)備動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定運(yùn)行，我廠現(xiàn)主要生產(chǎn)的是ZL22A濾棒成型機(jī)組，ZL22A機(jī)組動(dòng)力是靠變速箱及同步齒形帶來傳遞，開松輥三個(gè)輥調(diào)速是靠無級(jí)變速器來實(shí)現(xiàn)，為了能使設(shè)備更穩(wěn)定運(yùn)行，我們對(duì)該設(shè)備進(jìn)行伺服了改造，取消無級(jí)變速器等的機(jī)械傳動(dòng)，用伺服控制器來代替，改造后的設(shè)備稱為ZL22C纖維濾棒成型機(jī)組，它的生產(chǎn)速度由400m/min提高到500m/min；其主控部分采用的是SIEMENS的S7-300系列PLC(可編程控器)，機(jī)組的主傳動(dòng)采用的是LENZE公司的9300系列伺服控制器組成的電軸同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)跟隨精度高、可靠性強(qiáng)，它取代了ZL22A開松機(jī)部分的無級(jí)減速器等機(jī)械部件，使維修更加方便、控制更加靈活。PLC與9300系列伺服通過Profibus  DP總線進(jìn)行通訊，將主軸的啟停信號(hào)、運(yùn)行速度、從軸的運(yùn)行比例預(yù)置到發(fā)送給各控制器，控制器將一些動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。在換紙技術(shù)上，ZL22C采用的是不降速換紙，這樣使操作方便、快捷，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率, 使吸阻更穩(wěn)定操作和維修更方便。下圖為ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組的同步系統(tǒng)控制圖：

       ZL22C濾棒成型機(jī)組性能雖然在ZL22A濾棒成型機(jī)組的基礎(chǔ)上有了很大改進(jìn)，但是為了在煙草行業(yè)能有更大的市場、更強(qiáng)的競爭力，我們還必須對(duì)ZL22C機(jī)組做進(jìn)一步的改進(jìn)，通過對(duì)煙草市場的調(diào)研、分析，我們將提高濾棒長度的控制精度、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)快速響應(yīng)性提到日程上來。提高棒長的控制精度使機(jī)組的性能更優(yōu)越，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)快速響應(yīng)性它不但可以將大家都關(guān)心的同步控制精度的同步誤差實(shí)時(shí)的顯示出來，還可以為將來開發(fā)一些實(shí)時(shí)在線檢測設(shè)備留有開發(fā)空間。
2. 提高棒長的控制精度
2.1 ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組濾棒的形成
       ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組由開松機(jī)、成型機(jī)、裝盤機(jī)三部分組成，纖維束通過懸臂上的扁平噴咀吹開纖維束使其寬些，再經(jīng)過兩個(gè)轉(zhuǎn)速不同的開松輥對(duì)其進(jìn)行拉伸和開松，然后進(jìn)入噴淋室噴灑三醋酸甘油乙脂，再經(jīng)過轉(zhuǎn)向輥傳送到成型機(jī)上的收集喇叭口，接著絲束與過濾棒紙帶一起送到成型腔中成型，形成過濾棒后由切刀裝置切成單根的過濾棒，最后進(jìn)入裝盤機(jī)進(jìn)行裝盤。下圖為ZL22C濾棒形成示意圖：

2.2如何提高棒長的控制精度
       ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組的過濾棒長度主要是由同步系統(tǒng)中控制物料進(jìn)給的布帶輪電機(jī)與控制切割的刀頭電機(jī)的同步性來決定的，提高棒長控制精度主要是提高它們的電機(jī)編碼器反饋精度及伺服控制器的控制精度。
ZL22C型纖維濾棒成型機(jī)組選用的是LENZE公司的9300系列伺服控制器及旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的伺服電機(jī)。我們的具體做法就是將旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的伺服電機(jī)該為編碼器反饋伺服電機(jī)，下面的表格為反饋精度的對(duì)比表。

注：以3000轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)
提高伺服控制器的控制精度，我們將9300系列控制器升級(jí)到處理速度更快的9400系列。

3. 9400系列伺服在ZL22C型機(jī)組上的具體應(yīng)用
3.1 9400系列伺服控制器的突出特點(diǎn)
       9400系列控制器之所以優(yōu)于9300系列控制器是由它的自身特點(diǎn)決定的。
?  *具有高性能驅(qū)動(dòng)，具有模塊化設(shè)計(jì)、全組裝概念以及簡便可集成的安全技術(shù)。
?  *中心處理器由9300系列的16位改為32位，信號(hào)分辨率提高一倍。
?  *它的安裝背板和驅(qū)動(dòng)電子模塊是分開的，使它的組裝和使用非常的方便；模塊化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更容易地適應(yīng)用戶的應(yīng)用，使用戶具有更大的自由度；
?  *可選的、可插拔的安全模塊滿足IEC61508SIL8安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 9400系列伺服控制器的硬件配置
       為了控制系統(tǒng)的的兼容性，我們將ZL22C機(jī)組的整個(gè)電軸同步系統(tǒng)都改為9400系列。我們采用的是9400多軸伺服驅(qū)動(dòng)，內(nèi)置制動(dòng)斬波器，整個(gè)同步系統(tǒng)配置一個(gè)電源模塊，采用直流母線方式供電，它比單軸伺服驅(qū)動(dòng)的有很好的性價(jià)比，配置如下圖：

E94APNE1004為電源模塊
E94AMHE0244、E94AMHE0074、E94AMHE0024為9400伺服控制器
E94AZEX100為直流輸入模塊
X109、X110為直流母線供電
3.3 9400系列伺服控制器同步系統(tǒng)的控制方式
       在9300系統(tǒng)里采用的是實(shí)主軸控制方式，由實(shí)際主軸（刀頭伺服）發(fā)送自身的位置，通過數(shù)頻級(jí)聯(lián)的方式把主軸的位置傳遞給從軸，從軸（布帶輪等）按一定跟隨比例跟隨主軸同步運(yùn)行，主軸自身會(huì)比從軸滯后一個(gè)1ms掃描周期，要想克服這個(gè)滯后，在9400系統(tǒng)中，我們采用虛擬主軸控制方式，即采用第三方控制器通過CAN總線發(fā)送同步報(bào)文，我們將裝盤機(jī)的鏈條電機(jī)作為虛擬主軸，它只用來發(fā)送同步報(bào)文不參與控制，虛擬主軸通過報(bào)文將主軸的位置告知從軸，從軸刀頭電機(jī)、布帶輪等同時(shí)收到報(bào)文后按一定的比例同時(shí)隨動(dòng)，這大大提高了同步系統(tǒng)的控制精度。控制方式如下圖：

3.4 9400系列伺服控制器軟件介紹
       9400系列伺服控制器軟件為Engineer  9400 工程軟件，它是一體化的編程、調(diào)試軟件，即一個(gè)項(xiàng)目一個(gè)程序，多根軸同時(shí)編輯在一個(gè)項(xiàng)目里，調(diào)試時(shí)可多根軸同時(shí)占線調(diào)試。這樣給編程、調(diào)試帶來更大的方便。
下圖示出伺服控制主要信號(hào)流程圖：

       伺服控制系統(tǒng)是通過Ethercat總線來完成上位機(jī)PC與伺服控制器之間通訊， 參數(shù)通道傳送速度比較慢，用于一些不需要實(shí)時(shí)處理的控制參數(shù)如：控制器上升時(shí)間、下降時(shí)間等參數(shù)的設(shè)定，而過程通道傳送速度比較快，用于一些需要快速處理的參數(shù)如：速度給定、比例調(diào)整、速度讀出、急停等控制。
主要功能塊介紹：
       NSET  速度設(shè)定及斜坡發(fā)生器設(shè)定模塊
       虛擬主的速度通過模擬量的電位器或數(shù)字量的上位機(jī)將速度給定到NSET模塊，設(shè)定后速度可通過內(nèi)部斜坡發(fā)生器來控制其平穩(wěn)增減速度及啟停。
       MCTRL  電機(jī)控制模塊
       它可對(duì)電機(jī)速度和相位進(jìn)行控制，它內(nèi)部是一個(gè)三閉環(huán)控制系統(tǒng)即速度環(huán)、相位環(huán)、電流環(huán)，可調(diào)節(jié)模塊中PI參數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)穩(wěn)定性。
       DFSET  比例調(diào)節(jié)模塊
       用于從機(jī)與主機(jī)比例關(guān)系設(shè)定。
       9400系統(tǒng)伺服控制器程序介紹，ZL22C濾棒成型機(jī)組各電機(jī)控制曲線如下圖所示。

工作過程
       機(jī)組工作方式有兩種，一種是手動(dòng)控制，將速度給定電位器接到模擬輸入端子上。另一種是自動(dòng)控制，總線模塊Ethercat將工作速度輸入到伺服控制器，兩種工作方式靠選擇模塊ASW選擇輸入到NSET模塊，NSET速度輸出端再與電機(jī)模塊MCTRL連接,控制電機(jī)。ASW選擇端ASW-SET及電機(jī)轉(zhuǎn)向R/L/Q靠Ethercat的BOOL量控制。虛擬主機(jī)靠總線CAN模塊發(fā)送同步報(bào)文將速度及相位量傳給從機(jī)(三個(gè)輥)，從機(jī)通過CAN總線接收同步報(bào)文后按比例運(yùn)行，從機(jī)比例調(diào)整則依靠DFSET模塊來完成。，比例分母保持不變，將比例分子端連到Ethercat過程通道，通過上位機(jī)給定。
       換紙電機(jī)M6控制器程序
       該從控制器程序與其他不同的是，它有自己啟停曲線要求，即保證新舊紙盤順利拼接，啟動(dòng)新紙盤時(shí)，新盤紙不被拉斷，所以需用NSET 模塊的斜坡需按“S”形爬升，當(dāng)速度與主機(jī)同步運(yùn)行時(shí)發(fā)送給上位機(jī)一同步信號(hào)，產(chǎn)生接紙動(dòng)作，接紙動(dòng)作完成后，一定延時(shí)，接紙電機(jī)停止運(yùn)行，再延時(shí)松開使能，準(zhǔn)備下次接紙。紙接頭的跟蹤靠伺服控制器兩個(gè)相位積分PHINT1和PHINT2的差決定剔除位置，由Ethercat總線通知上位機(jī)PC打開剔出電磁閥產(chǎn)生剔出動(dòng)作。
       甘油泵M15電機(jī)控制器程序
       該從控制器程序與輥控制器程序基本相同，不同是它啟動(dòng)信號(hào)單獨(dú)控制，即按鈕按下啟動(dòng)信號(hào)后，立即跟隨主機(jī)達(dá)到同步速度。