季亦帆 张诗颖
红云红河集团新疆卷烟厂 新疆省乌鲁木齐市 830000
摘要：随着机电一体化技术的飞速发展，运动控制技术作为机电一体化技术的关键部分得到了广泛的发展及应用。本文重点分析了伺服控制系统在烟机设备上的应用。
关键词：伺服控制系统；烟机；应用
一、卷烟机械工作流程
滤嘴香烟由烟支及过滤嘴组成。生产过滤嘴香烟的烟机，由生产烟支的卷烟机及连接滤嘴与烟支的接装机组成。
卷烟机功能是利用提供的原辅材料生产最终定量长度的烟支，烟丝由落料器供给机器，经定量处理系统，在料斗风选区分选，再连续供给风室内的吸丝带；当烟丝向烟枪方向运动时，重量控制系统控制平准器劈刀调整烟丝量；从纸盘中出来，经牌子箱，牌子箱将商标印在卷烟纸上；烟丝及烟纸在烟枪入口处相遇，由环形烟枪布带向前输送，烟纸包裹烟丝，搭边涂上粘合剂，加热器使搭边受热粘牢，形成连续烟条；扫描装置检测烟支中烟丝密度，超过设定限值偏差由平准器校正；刀头处，喇叭嘴支撑烟条，旋转切刀将烟条切割成定量长度烟支，烟支拨烟轮从卷烟机送至对接滤嘴滤接装机的捕烟轮上。
二、交流伺服控制系统的应用
通过上述烟支加工流程，可看出烟机机械及控制系统的复杂性及精密性能。机器的每个工作流程都通过机械传动及电气控制的精确结合来完成的，机器中有各种类型电机来完成不同功能部件的动力供给，其中，伺服电机的使用使机器复杂定位和速度控制得到了完美应用，充分体现了伺服运动控制系统在机器控制系统中的重要性。
比如，在改进的ZJ15控制系统中，工控机监控系统具有主画面、I/O监控、参数设置、温度设置、联锁超越、运行记录、伺服调节、重量调节、紧头调节等功能，机器伺服运动控制系统的状态信息包括：刀头伺服故障；布带伺服故障；劈刀伺服故障；风室伺服故障；后身伺服故障；拨烟轮伺服故障；伺服调整连锁；刀头伺服控制故障；布带轮伺服控制故障；劈刀伺服控制故障；风室伺服控制故障；后身伺服控制故障；拨烟轮伺服控制故障；伺服器未准备好；接装机伺服控制故障；胶辊伺服控制故障；水松纸伺服控制故障水松纸伺服故障；接装机伺服故障。
三、伺服控制系统的应用介绍
1、伺服控制原理及技术实现方法。伺服控制原理是指对物体运动的有效控制，即对物体运动的速度、位置和加速度的控制。伺服电机是一种动力驱动执行元件，该系统可控制多个伺服电机，示意图中显示了三个，伺服控制器、伺服驱动器及其控制面板间的连接由现场总线控制，控制实现方法如图1所示。
.jpg)
2、伺服控制系统的硬件组成。伺服控制系统由伺服单元、伺服控制器组成。伺服控制器是系统的控制核心，完成伺服控制方式的转换，与PLC通信，通过与伺服器通信控制各个传动位置，使系统协调运转。伺服控制器由控制、通信单元组成，控制器通过网络与伺服单元通信，控制器通过其网络通信端口与网络连接；伺服器配有网络通信单元，完成通信并处理控制器发送的相位指令。
以改进的ZJ15型卷接机为例，伺服系统由9个伺服单元及1个多轴伺服控制器组成。9个单元分别是：刀头伺服单元、布带轮伺服单元、风室伺服单元、劈刀伺服单元、后身伺服单元、拨烟轮伺服单元(卷烟机部分)；接装机伺服单元，胶辊伺服单元，水松纸伺服单元(接装机部分)。每个伺服单元由服务器及伺服电机组成，如刀头伺服单元由刀头伺服器与刀头伺服电机组成。
3、伺服控制系统主要元件功能。伺服控制器是伺服系统的核心，其精度决定了伺服控制系统的整体精度。伺服控制器是用来控制伺服电机的一种器件，一般情况下，伺服电机通过位置、速度、力矩控制来实现传动系统的高精度定位。从结构上看，伺服控制器与变频器类似，但对元器件的精度及可靠性要求高。当前主流的伺服控制器采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，能实现更复杂的控制算法，实现数字化、网络化、智能化。基于智能功率模块(IPM)的驱动电路广泛应用于功率器件中，IPM集成了驱动电路，并具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，主回路中增加了软启动电路，减少了启动过程对驱动器的影响。功率驱动单元先通过三相全桥整流电路对输入的三相电源或市电进行整流，得到相应的直流电。整流好三相电或市电后，再通过三相正弦PWM电压逆变器变频驱动三相永磁同步交流伺服电机。功率驱动单元整个过程，可说是交-直-交过程。整流单元(AC-DC)的主拓扑电路为三相全控桥式整流电路。
伺服电机是控制伺服系统中机械元件运转的发动机，是辅助电机间接变速装置。伺服电机是一种可连续旋转的机电转换器。
伺服电机分为直流、交流伺服电机，其中，直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，可实现正反向速度控制。具有起动转矩大、调速范围宽、机械与调节特性线性度好、控制方便等优点，但换向电刷的磨损及易产生火花会影响其使用寿命。
4、伺服控制系统在烟机上的应用。当前，在我国部分ZJ17、ZJ19中高速卷接机组上，接装机水松纸驱动功能实现了伺服驱动系统的应用，该系统伺服驱动控制器可实现离合、制动、手动进纸和自由状态四种逻辑控制功能，驱动伺服电机及跟随主机编码器等功能。
系统工作过程：
1)当接装机组需供给水松纸时，PLC通过数字输出模块向伺服控制器输出指令信号，伺服控制器驱动伺服电机立即实现电子离合器及电子齿轮功能，电子离合器是快速跟踪主机编码器信号，以最快速度跟上主机速度，速度快，无机械冲击。电子离合升速时间约为35ms，当水松纸进给速度与主机完全一致时，可快速切换电子齿轮模式，切换时间小于0.1ms。
2)当接装机组需快速制动时，PLC通过数字输出模块向伺服控制器输出指令信号，伺服控制器驱动伺服电机立即停止电子齿轮跟踪功能，减速停止，从同步旋转到停止大约需40ms，送纸系统完全停止后，电机处于制动停止状态。
3)当需手动进纸时，按增加的手动进纸按钮，伺服驱动执行手动进纸指令，电机低速旋转，拖纸棍将水松纸带出，动作灵活方便。
4)当离合、制动、手动指令未发出时，拖纸棍处于自由状态。
在系统工程中，执行制动优先于离合，离合优先于手动优先级，从工作原理及状态可以看出，在主机运行中，水松纸离合信号发出后，水松纸驱动机构立即加速跟踪，速度相应较快，无机械冲击，从高速同步跟踪到快速停止，缓冲了机械机构，减少了机械冲击，提高了机械机构的使用寿命。
四、伺服系统维护注意事项
虽然伺服驱动单元无需日常检测，但必须保持机身电路板的清洁，并定期清扫，一般每周检查一次，每月彻底清洁一次；检查接线板、接线器安装是否牢固可靠，不得有发热变色、损坏、断线现象。
在使用伺服电机时，应注意随时观察电机响声及振动，并定期清洁保养，使电机处于无污损状态；电机运行5000h后更换油封。测量伺服电机的绝缘电阻时，必须切断与伺服单元的连接，并安装相应的测量仪器。
参考文献：
[1]卢志刚.数字伺服控制系统与设计[M].北京：机械工业出版社，2015.
[2]林锦超.伺服控制系统在烟机设备上的应用[J].装备制造技术发，2015(05).