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一、 引言

    在造紙行業(yè)中，經(jīng)常需要高精度位置同步控制，特別是切紙機(jī)這樣的機(jī)械，對于位置精度要求極高的情況下，靠普通變頻器的速度控制已經(jīng)難以滿足要求，一般只有采用直流或者交流伺服來解決，本文針對這一情況，提出了采用匯川MD320帶簡易伺服功能變頻器，實(shí)現(xiàn)高精度位置同步控制在切紙機(jī)中的應(yīng)用方案。

二、 系統(tǒng)組成

圖1采用變頻器控制的切紙機(jī)系統(tǒng)

三、 帶簡易伺服功能的MD320非標(biāo)變頻器的突出特點(diǎn)：

    1．同步控制：實(shí)時(shí)調(diào)整切紙輥運(yùn)行頻率，使切紙輥旋轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)與DI5輸入的脈沖數(shù)相同，實(shí)現(xiàn)高精度無差同步控制，并且兩路脈沖的比例關(guān)系可隨意設(shè)定（通訊設(shè)定：FE-00）即可設(shè)定切紙長度；

    2．位置控制：在同步控制過程中進(jìn)行位移控制，若要調(diào)節(jié)材料的松緊度，通過UP/DOWN端子調(diào)節(jié)切紙輥，進(jìn)行前后位移調(diào)整；

    3．自動轉(zhuǎn)速提升：為防止下刀時(shí)擋紙，可自動進(jìn)行轉(zhuǎn)速提升（FE-02設(shè)為4），自動轉(zhuǎn)速提升是通過檢測送紙速度，然后通過切紙輥直徑（FE-04）和切紙輥減速比（FE-05）自動計(jì)算的頻率，使切紙輥的線速度在下刀瞬間與材料線速度相一致，轉(zhuǎn)速提升后對累計(jì)的脈沖誤差進(jìn)行快速調(diào)整。

    4．步進(jìn)控制功能：可以設(shè)定步進(jìn)脈沖數(shù)，用步進(jìn)給定端子設(shè)定位移量，每步的步進(jìn)量由FE-09設(shè)定，用步進(jìn)控制端子實(shí)現(xiàn)定長控制。

四、工作原理框圖

五、 原理分析

    1#VF變頻器工作于閉環(huán)矢量控制模式，K1為送紙機(jī)械減速比；2#VF變頻器工作于伺服控制模式，其中K通過上位機(jī)進(jìn)行通訊設(shè)定，由切紙長度L唯一確定，K2為切紙機(jī)械減速比。閉環(huán)矢量控制的速度、電流控制雙閉環(huán)原理框圖在圖中未畫出。 K的推導(dǎo)計(jì)算如下： 

    在變頻器MD320簡易伺服非標(biāo)功能說明中的（FE-00）定義為脈沖比例設(shè)定；（FE-00）脈沖比例設(shè)定是指從DI5輸入的指令脈沖與切紙機(jī)變頻器所帶電機(jī)的編碼器脈沖的比例，也就是當(dāng)DI5輸入一個(gè)脈沖需要切紙機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)過幾個(gè)脈沖。

    用于切紙機(jī)，根據(jù)切紙長度計(jì)算脈沖比例方法如下：

    比較 式（10）與式（6）完全相等，故（FE-00）脈沖比例設(shè)定和跟蹤速度增益K，兩者是完全相同的，只是表述略有區(qū)別。 

    綜上分析：改變不同的紙張長度L，可根據(jù)式（10）求出不同的脈沖比例設(shè)定（FE-00），只要上位機(jī)實(shí)時(shí)地用通訊設(shè)定方式改變（FE-00）設(shè)定數(shù)值，就可以實(shí)時(shí)地調(diào)整切紙的長度。另外，特別需要注意的一點(diǎn)是，在本文的分析中，隱含了一個(gè)前提，那就是切紙輥旋轉(zhuǎn)一周，即完成一次切紙過程。

六、 精度分析

1、 跟蹤誤差

    由于2#VF采用簡易伺服控制，由于送紙電機(jī)的加減速過程一般比較緩慢，加減速時(shí)間可達(dá)30秒到60秒，甚至更長，因此切紙機(jī)位置動態(tài)跟蹤誤差可以做到五個(gè)脈沖以內(nèi)，則整個(gè)切紙過程跟蹤最大誤差可以控制在式（11）要求的范圍內(nèi)。在穩(wěn)態(tài)過程中，由于MD320閉環(huán)矢量的高精度，可以保證穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差小于兩個(gè)脈沖，跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差只有動態(tài)1/4。

    式中，p為誤差脈沖數(shù)， 為旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。可以看出編碼器每轉(zhuǎn)脈沖增大，可以減小跟蹤誤差，但是由于編碼器接口速度限制，一般不超過50Hz,選用2000P/R的編碼器已經(jīng)達(dá)到了極限。假設(shè)D2為400mm，P為2000P/R，K2為14，代入式（11）可以求出最大跟蹤誤差為0.22mm，穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為0.08mm。

2、 速度分辨率誤差

    1#VF變頻器頻率分辨率為0.01Hz，對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速分辨率為0.3rpm（按照4極電機(jī)考慮），經(jīng)過X8輸入對應(yīng)每分鐘脈沖為600個(gè)，每秒鐘則對應(yīng)10個(gè)。根據(jù)（1）的計(jì)算，速度分辨率造成的誤差將小于0.44mm/S，假設(shè)切紙機(jī)的最高線速度為2m/S，速度精度將達(dá)到萬分之二，完全可以滿足高速切紙機(jī)的要求。實(shí)際上，由于在本方案中，2#VF完全跟蹤1#VF轉(zhuǎn)速和位置，即使有速度分辨率誤差，對切紙精度也無任何影響。

3、 脈沖比例設(shè)定（FE-00）的分辨率對精度的影響

    假設(shè)切紙長度為550～1350mm，最大車速為2000mm/S，送紙輥的直徑D1為400mm，送紙機(jī)械減速比K1為16，切紙機(jī)械減速比K2為14，通過式（10）可以計(jì)算出脈沖比例設(shè)定（FE-00）的變化范圍為0.814～1.998。

    脈沖比例設(shè)定（FE-00）的設(shè)定范圍為0.000～30.000，分辨率為0.001，如果采用2000P/R的旋轉(zhuǎn)編碼器，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為1440rpm，對應(yīng)最大脈沖頻率為48KHz，對應(yīng)最大分辨誤差為24P/S。對應(yīng)絕對誤差根據(jù)式（11）計(jì)算為0.717mm。需要說明一點(diǎn)的是，此精度只影響設(shè)定長度，并不影響切紙長度的一致性。

七、 調(diào)試及注意問題

    運(yùn)行調(diào)試時(shí)，首先必須保證送紙電機(jī)和切紙電機(jī)處于完全停機(jī)狀態(tài)，然后通過上位機(jī)或外部端子，先讓切紙電機(jī)運(yùn)行，后再讓送紙電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)給送紙電機(jī)設(shè)定頻率。送紙變頻器的加減速時(shí)間可設(shè)定為30～60S，而切紙變頻器的加減速時(shí)間，在不過壓過流的情況下，可以設(shè)定最短的加減速時(shí)間，一般小于0.5S，在精度要求較高的場合，需要快速的起制動控制，有必要添加制動電阻或制動單元（18.5KW以上變頻器）。送紙電機(jī)和切紙電機(jī)最好選用變頻電機(jī)。

    由于位置控制對于編碼器的抗干擾和可靠性都有較高的要求，必須選用歐姆龍等廠家高可靠性的產(chǎn)品，輸出電路形式為集電極開路輸出工作電壓為12～24VDC，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為2000P/R。＊這里要特別注意，上位機(jī)軟件在更改脈沖比例設(shè)定（FE-00）的時(shí)候，需要設(shè)定為不存儲方式，防止常期多次存儲造成EEPROM的損壞。

八、 總結(jié)

    本文提出的方案具有切紙長度、相對精度與工作車速無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)PLC通訊的分時(shí)控制和進(jìn)行切紙長度的隨意調(diào)整，可大大降低低速引紙速度，可達(dá)額定車速1/50以下，降低了工人引紙的操作難度和強(qiáng)度，縮短低速引紙時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

    總之，該系統(tǒng)為雙電機(jī)系統(tǒng)，適用于即需要嚴(yán)格的速度同步控制，也需要精密的位置控制的系統(tǒng)。可完成諸如高速精確定位，復(fù)雜輪廓加工，角度和速度的準(zhǔn)確同步（隨動跟蹤）等各種簡單的伺服控制任務(wù)，它應(yīng)用廣泛，不僅適用于切紙機(jī)，對其它系統(tǒng)如印刷多色套準(zhǔn)控制、枕式包裝機(jī)橫切刀定位控制、蠟染機(jī)蠟染輥速度同步控制、印花機(jī)多色套準(zhǔn)控制、精密澆鑄起重機(jī)、高速橫切機(jī)、高速定位及曲線切割控制、食品醫(yī)藥流體高速定量灌裝等，各種需要高速同步定位控制的場合，本方案有一定的參考價(jià)值。