交流伺服系統在熱封切製袋機上的應用

一.前言廣東伊萊斯電機有限公司針對國內熱封切製袋機現狀推出了專用伺服控制解決方案，在國內製袋機設備行業成功應用，該方案採用了ESDA系列交流同步伺服驅動器、130EMA系列交流永磁同步伺服電機、觸摸屏、PLC、變頻器、變頻電機等主要元器件；根據設備工藝要求選擇了中慣量高轉速的130EMA系列伺服電機作為主要運動機構，保證了封切製袋機在頻繁啟動負載下自身運動的平穩性與快速響應性，使伺服電機的一次送料轉速能夠滿足切刀上下運行的時間要求。同時簡化了機械機構，解決了原機械設備效率低、定位精度低、能耗大、自動化水平低、浪費材料等缺點。

二.控制原理
整個設備生產工藝過程主要分為抬刀、定位、封切三個部分。熱封刀與切刀的上下往復運動由變頻器驅動變頻電機控制，袋長定位由伺服驅動器控制伺服電機帶動送料輥控制，另外光電傳感器（又稱光電眼）、溫控器、接近開關，做為測控元器件，負責時間的判斷與控制信號的發出，使執行器件之間確立時序關係。 PLC做為核心程序的載體，負責脈衝信號的發送及各種控制信號的轉化與傳遞，最終控制各執行機構的運轉與協調。觸摸屏作為人機界面，用於參數設置及整台機器運行狀況監控，通過觸摸屏可以調整袋長、清零、復位、點動等操作；還可以顯示袋長數值和被加工袋的累計數量等。
下圖為熱封切機的控制原理框圖：
三.工作流程
１.系統上電
程序初始化，輸入袋長數值，調整溫度儀，使封刀的溫度達到熱封的需要（封刀的溫度，應根據主電機的轉速高低進行設定，以膠袋封口處結實耐拉為準。封刀溫度偏低，會導致膠袋封口處不牢。若封刀溫度偏高，會導致膠袋封口處燙穿，因此，應根據主電機轉速及封口時間長短進行調節）；進入手動調節模式，檢查機械部分，伺服系統，變頻器等是否可以正常工作，調節色標光電眼，使其能夠感應色標變化。
２.製作袋子
點擊觸摸屏自動運行按鈕，主變頻電機 (1.5KW)工作，通過機械連桿帶動封刀和切刀上下往復運動，切刀每向上運動一次，伺服信號就導通一次，由PLC發送脈衝控制伺服電機(1.5kw)運轉，脈衝的個數決定了伺服電機轉動的圈數，脈衝的頻率決定了伺服電機的轉速，伺服電機通過同步帶帶動送料輥送料，伺服電機必須在切刀下降到承切皮輥之前完成定位，當切刀和封刀下切後，膠袋形成，當切袋個數到達預設個數或按下急停按鈕時，在生產完當前膠袋後停機，切刀和封刀停在高位停車處。
製袋機一般具有兩種封切方式：空白袋定長封切和尋標封切，當選擇空白袋定長封切時色標光電眼不起作用，PLC程序根據切袋長度、機械傳動比、伺服驅動器的電子齒輪比、伺服電機編碼器的線數以及送料輥的周長，計算出伺服系統定位所需要的脈衝數，然後由驅動器驅動伺服電機帶動送料輥轉動送出一定長度的膠袋，從而實現白袋定長封切；當選擇尋標封切時，其過程如下，伺服啟動信號導通，伺服電機按照PLC程序預先設定的運動曲線進行加速運動、恆速運動、減速運動、低速追色，如圖3所示，PLC接收到追色信號時，通過中斷方式立即停止伺服電機。一般追色長度為10mm，並且要求追色信號只能在追色範圍內起作用，其它範圍內需屏蔽掉其乾擾信號。追色封切調試時，在人機界面上設定好伺服電機的恆速速度，先將加速時間、減速時間設長，再調低速追色速度，盡可能提高低速追色速度，以追色平穩、準確為準。調整好追色速度後，再調加速時間、減速時間，盡可能調短加減速時間，以膠袋與出料輥不發生相對滑動及追色平穩為準。 PLC程序在追色封切時，對追色信號記數，連續三次檢測不到時，PLC停止各電機運轉，並驅動報警器報警。同時PLC程序對批量記數，當批量達到預警值時，PLC驅動報警器報警提示。
圖3 尋標速度曲線圖

四.伺服系統簡介本機採用的伺服系統為廣東伊萊斯的ESDA系列，驅動單元採用美國TI公司最新數字信號處理器DSP為核心，選用三菱公司工業級智能功率模塊（IPM），而且所選IPM的容量比標定相同功率的其它國內伺服產品要大一個等級，因而具有過載能力強、抗負載擾動能力強、起動力矩大、動態相應速度高等特點；支持多種通訊方式，標準全隔離RS485通訊塊,RS422/RS485可選；驅動器將位置控制、速度控制、轉矩控制這三種控制方式合為一體，並且可以進行各控制模式的動態切換，使用更加靈活柔性；具備過速保護、過流、過載、過熱、主電源過壓欠壓、編碼器異常、通訊錯誤、PID反饋信號異常等保護及異常顯示，使控製過程一目了然。電機為三相永磁同步伺服電機，具有三倍過載能力，2500RPM的額定轉速，2500線的編碼器分辨率。
機械參數：
機械傳動減速比1：3
膠輥直徑66mm
精度要求：袋長精度小於0.5mm，伺服電機編碼器脈衝數為2500P/R，通過四倍頻轉換後，分辨精度達到10000p/r,即v伺=360°/10000=0.036°，電機輸出到送料輥有3:1的減速比，實際檢測精度達到：
v輥=360°/(10000×3)=0.012°
對應的袋子長度分辯精度為：
vl輥=πD×(0.012°/360°)=207.24×0.000033=0.006839mm
故其本身誤差遠遠小於0.5mm，引起定位誤差較大的真正原因是由於伺服電機起停不夠平滑，停車時抖動，故要根據伺服電機的起停速度調整合適的速度環、位置環增益與加減速時間，調試過程如下：
a）將位置環增益即先設在較低值，然後在不產生異常響聲和振動的前提下，逐漸增加速度環的增益至最大值。
b）逐漸降低速度環增益值，同時加大位置環增益。在整個響應無超調、無振動的前提下，將位置環增益設至最大。
c）速度環積分時間常數取決於定位時間的長短，在機械系統不振動的前提下，盡量減小此值。
d）隨後對位置環增益、速度環增益及積分時間常數進行微調，找到最佳值。
e）適當調整位置指令一次濾波時間常數。
調試參數如下：
五. 總結
該熱封切製袋機是在傳統老式設備的基礎上運用廣東伊萊斯伺服控制系統改造而成，具有提高效率；降低能耗；提升成品率；提高封切精度；調試方便快捷；運行過程平穩；簡化機械結構等特點，具有更高的技術含量和更優良的性價比，為企業創造更多的效益。