江西中烟南昌卷烟厂江西南昌330000
摘要：GDX1卷筒式包装机，生产过程中由于封签纸张力波动较大，容易出现封签歪斜，影响包装质量。此外，原装直流电机易损坏，价格昂贵，备件周期长，严重影响了烟厂的正常使用。在对原系统进行分析和研究后，提出了利用交流伺服控制技术改造原封签预展系统控制系统，在转速跟随过程中加入张力闭环调节，通过改变放卷速度，使张力保持稳定。
关键词：封签纸；张力控制；交流伺服；零漂
引言：GDX1软盒硬条包装机组（简称GDX1包装机组）为目前烟草行业卷烟企业包装机组的主要生产机型。随着卷烟企业对产品质量要求越来越高，在线产品检测意识越来越强，对设备的质量相关检测的要求也就越来越高，原有设备的一些检测也已经无法满足卷烟企业对质量的要求，陆续对一些GDX1包装机组的一些检测进行升级改造。其中GDX1包装机组主机出口皮带原有质量封签检测，作用为在设备运行在350度相位时，在烟包的顶部用反射式具有色标检测功能的光电开关2B540检测封签，2B540未检测到封签，系统输入板N12的22脚无高电平输入，相应的烟包将会因为封签不存在而被剔除。设备原有色标检测2B540为施克（SICK）色标传感器（型号NT6-03022），它的工作原理是根据封签有无的颜色对比度的差异，来判断有无封签。产品质量工艺要求，封签出现错位、歪斜情况都不符合工艺要求，应该被剔除。原有色标检测2B540满足不了工艺要求，对设备检测进行优化设计，对提高产品质量有很大帮助。
1系统工作原理
原封签预展电机为直流电机，直流电机带动封签纸轮盘放卷，封签纸带在张力辊上摩擦
产生张力，张力架的摆幅随张力大小而变化。摆杆下压时，会通过传感器产生一个模拟电压，该电压信号同摆杆位置成正比，摆杆越往下，模拟电压越大。该模拟电压同主机速度信号相乘后，作为封签预展电机的速度给定值。其控制原理如图二所示。显然该系统属于按扰动补偿张力开环控制方式，并不能在封签纸轮盘直径和主机速度改变的扰动下保持张力的恒定。
2封签预展控制系统张力分析
封签纸带在拉伸作用下，弹性形变e满足胡克定律，即封签纸带的张力：
T=EAe=EA=（1）
其中，E为弹性模量，A为封签纸带纸截面面积，L0为未拉伸前封签纸带初始长度，L1为受拉伸后封签纸带长度，V1为封签纸放卷速度，V2为包装机线速度。
由式（1）分析得知，要使封签纸带所受张力为一恒定值，就必须使封签纸放卷速度V1跟随主机速度V2。
3GDX1卷筒式包装机封签预展控制系统设计
3.1概述
伺服系统最早出现于20世纪初。1934年提出了伺服机构（Servomechanism）的概念，随着微电子技术、功率电子技术、检测与转换技术和计算机技术的飞速进步，伺服系统的理论与实践均趋于成熟。从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，伺服系统的应用几乎遍及社会的各个领域。
伺服系统的主要任务是控制被控对象的输出自动、连续、精确地跟踪输入信号的变化。伺服系统种类很多，但组成结构基本相似。伺服系统通常是闭环控制系统，其组成包括：检测装置、信号转换电路、放大装置、补偿装置、执行机构、电源装置和被控对象灯部分。
就机械运动而言，伺服系统主要考虑位置、速度和运动轨迹的控制问题，伺服系统的输入信号主要是位置信号、速度信号或运动轨迹，输出可以是各种不同的物理量。
按照伺服系统的信号特点的不同，伺服系统分为：连续伺服系统、数字伺服系统和脉冲/相位伺服系统。连续伺服系统传递的电信号是连续的；数字伺服系统中传递的信号是离散的数字脉冲信号，数字信号要变成模拟信号去驱动执行元件，所以这种系统必须有模/数、数/模转换器；脉冲/相位伺服系统又称为锁相伺服系统，这种系统的特点是输入信号为指令脉冲，输出也被转换成脉冲，按输入与输出脉冲的相位差来控制系统的运动。
目前，交流伺服系统正在取代直流伺服系统而成为机器人、数控机床等高性能伺服驱动装置中的主导伺服系统。按照伺服电机的不同，交流伺服系统又可分为交流永磁同步电机伺服系统和感应式异步电机伺服系统。无论那类系统，依磁场定向原理，都要求准确快速的确定转子磁极位置。在采用直接或间接磁场定向技术的系统中，异步电机转子磁场位置的确定受元件及电机参数变化的影响，为提高性能，必须要加入相应的补偿和自适应环节，不可避免地增加了系统的控制复杂性。交流永磁同步电机采用永久磁钢取代电激磁，磁场基本不变，转子磁场位置可由转子机械位置导出，机械位置可以用多种方法精确、快速地测出，很适合于磁场定向的矢量控制技术的应用。因而，交流永磁同步电机在机器人及其他高性能伺服装置中备受青睐。
感应式异步电机制造容易、价格低廉，不需要特殊维护。但在控制上采用矢量变换控制，系统比较复杂。这种交流伺服系统的一个显著特点是：容易进行弱磁控制，实现高速运行。在交流伺服系统发展的初期，感应式异步电机得到了一定的发展和应用，在主轴驱动中得到了广泛应用。
3.2硬件设计
鉴于采用交流永磁同步电机构成交流伺服控制系统的各个优点及现场工况的考虑，GDX1卷筒式包装机封签预展控制系统采用交流永磁同步电机和交流伺服控制器构成交流伺服控制系统，在对封签预展直流控制系统实施交流化改造的同时，加入恒张力控制设计。
张力由现行传感器输出0～10V模拟电压反馈到前端，与设定值比较，经PID运算，输出与主机速度结合后作为伺服系统的速度给定值，组成一张力闭环控制系统，这样能够克服由封签纸轮盘直径或主机速度变化等因素引起的张力波动。
3.2.1伺服控制器和伺服电机的选择
伺服控制系统的性能与负载转矩有关，因此，在选型伺服电机前要对大盘封签纸卷直径和重量进行测量，根据传送比计算得到折算至电机轴侧的转动惯量JL=0.000011Kg•m2。根据经验，负载转矩不宜超过电动机本身惯量的两倍，另外原直流电机静态转矩约为0.25N•m，最大转速为3000rpm。结合转矩、转速和惯量和现场使用时间、安装距离等因素，选择进口定做电机LK043002，具体参数为：额定功率PN=100W、额定转速nN=3000rpm、额定转矩TN=0.32N•m、、转动惯量JM=0.0000051Kg•m2。
驱动器选用100W的LK043001交流伺服控制器。LK043001伺服控制器采用全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，具有PLC（可编程逻辑控制）功能的数字量输入输出，有两路模拟量输入输出，可支持如下通讯总线：ProfibusDP、Interbus、Can和Lon，参数设置灵活方便，并内置PID控制器。
3.2.2数字信号处理器的选择
随摆杆下压，传感器会输出成正比例关系的模拟量电压，该模拟量电压输入至主机，同主机速度信号相乘后，会形成2～3KHz的频率信号。而伺服控制器I/O输入端口输入的应该为0～10V的标准模拟电压，因此需要信号处理器对2～3KHz的频率信号进行信号处理并转换为0～10V的模拟电压。
数字信号处理器选用LK043003。LK043003具有零点可调整、相位可调的功能，可以方便的控制输入至伺服控制器的模拟电压信号。
3.3伺服控制器的参数设置
充分利用LK043001交流伺服控制器的内部资源，由其提供的两部模拟量输入及内置PID控制器即可实现恒张力控制，而无需额外的外部控制装置。
数字信号处理模块输出的模拟电压输入模拟量通道2，经内部设置参数an15-17放大与cn1张力设定值进行比较，偏差送入PID控制器，因系统本身滞后不大，不需要微分环节，即Td=0（cn6=0），PI运算后由cn7/cn8限幅输出，经转换模块cn14将控制器输出转换为频率，并由cs4对频率信号进行限幅。另外，主机速度电压信号输入模拟量通道1，经内部放大器an5-7放大，并经斜坡发生器限幅。上述两信号叠加后作为交流伺服控制系统的速度给定值。
结论
将原封签预展控制系统改造成交流伺服控制系统后，较原来直流控制系统有明显改善。封签纸歪斜、切口不准确，封签纸长度偏差大、拉断封签纸等质量问题基本不再发生；系统运行更加平稳、响应速度比原系统更快，封签纸预展效果更好；由于伺服控制系统运行稳定，减小了停机次数和时间，从而减小了次品烟包的数量，减小生产材料的损耗，节约能源，提高有效作业率。交流伺服控制器和交流伺服电机，价格便宜，购买备件方便；交流伺服电机使用中基本上免维护、较小损坏，使用寿命更长；从而节约了备件的费用、减小了维修时间，减小了维修人员的工作量。
参考文献：
[1].陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2004
[2]《ZB25型包装机组》《ZB25型包装机组》编写组中国科学技术出版社北京2001年12月