一、 引言

    在造紙行業(yè)中，經(jīng)常需要高精度位置同步控制，特別是切紙機這樣的機械，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(mǎn)足要求，一般只有采用直流或者交流伺服來(lái)解決，本文針對這一情況，提出了采用匯川MD320帶簡(jiǎn)易伺服功能變頻器，實(shí)現高精度位置同步控制在切紙機中的應用方案。

二、 系統組成

圖1采用變頻器控制的切紙機系統

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

    1．同步控制：實(shí)時(shí)調整切紙輥運行頻率，使切紙輥旋轉的脈沖數與DI5輸入的脈沖數相同，實(shí)現高精度無(wú)差同步控制，并且兩路脈沖的比例關(guān)系可隨意設定（通訊設定：FE-00）即可設定切紙長(cháng)度；

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

    3．自動(dòng)轉速提升：為防止下刀時(shí)擋紙，可自動(dòng)進(jìn)行轉速提升（FE-02設為4），自動(dòng)轉速提升是通過(guò)檢測送紙速度，然后通過(guò)切紙輥直徑（FE-04）和切紙輥減速比（FE-05）自動(dòng)計算的頻率，使切紙輥的線(xiàn)速度在下刀瞬間與材料線(xiàn)速度相一致，轉速提升后對累計的脈沖誤差進(jìn)行快速調整。

    4．步進(jìn)控制功能：可以設定步進(jìn)脈沖數，用步進(jìn)給定端子設定位移量，每步的步進(jìn)量由FE-09設定，用步進(jìn)控制端子實(shí)現定長(cháng)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為送紙機械減速比；2#VF變頻器工作于伺服控制模式，其中K通過(guò)上位機進(jìn)行通訊設定，由切紙長(cháng)度L唯一確定，K2為切紙機械減速比。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(huà)出。 K的推導計算如下： 

    在變頻器MD320簡(jiǎn)易伺服非標功能說(shuō)明中的（FE-00）定義為脈沖比例設定；（FE-00）脈沖比例設定是指從DI5輸入的指令脈沖與切紙機變頻器所帶電機的編碼器脈沖的比例，也就是當DI5輸入一個(gè)脈沖需要切紙機電機轉過(guò)幾個(gè)脈沖。

    用于切紙機，根據切紙長(cháng)度計算脈沖比例方法如下：

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

    綜上分析：改變不同的紙張長(cháng)度L，可根據式（10）求出不同的脈沖比例設定（FE-00），只要上位機實(shí)時(shí)地用通訊設定方式改變（FE-00）設定數值，就可以實(shí)時(shí)地調整切紙的長(cháng)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，那就是切紙輥旋轉一周，即完成一次切紙過(guò)程。

六、 精度分析

1、 跟蹤誤差

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

    式中，p為誤差脈沖數， 為旋轉編碼器每轉脈沖數?？梢钥闯鼍幋a器每轉脈沖增大，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(guò)50Hz,選用2000P/R的編碼器已經(jīng)達到了極限。假設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，對應電機轉速分辨率為0.3rpm（按照4極電機考慮），經(jīng)過(guò)X8輸入對應每分鐘脈沖為600個(gè)，每秒鐘則對應10個(gè)。根據（1）的計算，速度分辨率造成的誤差將小于0.44mm/S，假設切紙機的最高線(xiàn)速度為2m/S，速度精度將達到萬(wàn)分之二，完全可以滿(mǎn)足高速切紙機的要求。實(shí)際上，由于在本方案中，2#VF完全跟蹤1#VF轉速和位置，即使有速度分辨率誤差，對切紙精度也無(wú)任何影響。

3、 脈沖比例設定（FE-00）的分辨率對精度的影響

    假設切紙長(cháng)度為550～1350mm，最大車(chē)速為2000mm/S，送紙輥的直徑D1為400mm，送紙機械減速比K1為16，切紙機械減速比K2為14，通過(guò)式（10）可以計算出脈沖比例設定（FE-00）的變化范圍為0.814～1.998。

    脈沖比例設定（FE-00）的設定范圍為0.000～30.000，分辨率為0.001，如果采用2000P/R的旋轉編碼器，電機最大轉速為1440rpm，對應最大脈沖頻率為48KHz，對應最大分辨誤差為24P/S。對應絕對誤差根據式（11）計算為0.717mm。需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，此精度只影響設定長(cháng)度，并不影響切紙長(cháng)度的一致性。

七、 調試及注意問(wèn)題

    運行調試時(shí)，首先必須保證送紙電機和切紙電機處于完全停機狀態(tài)，然后通過(guò)上位機或外部端子，先讓切紙電機運行，后再讓送紙電機運行，同時(shí)給送紙電機設定頻率。送紙變頻器的加減速時(shí)間可設定為30～60S，而切紙變頻器的加減速時(shí)間，在不過(guò)壓過(guò)流的情況下，可以設定最短的加減速時(shí)間，一般小于0.5S，在精度要求較高的場(chǎng)合，需要快速的起制動(dòng)控制，有必要添加制動(dòng)電阻或制動(dòng)單元（18.5KW以上變頻器）。送紙電機和切紙電機最好選用變頻電機。

    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(chǎng)家高可靠性的產(chǎn)品，輸出電路形式為集電極開(kāi)路輸出工作電壓為12～24VDC，每轉脈沖數為2000P/R。＊這里要特別注意，上位機軟件在更改脈沖比例設定（FE-00）的時(shí)候，需要設定為不存儲方式，防止常期多次存儲造成EEPROM的損壞。

八、 總結

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

    總之，該系統為雙電機系統，適用于即需要嚴格的速度同步控制，也需要精密的位置控制的系統?？赏瓿芍T如高速精確定位，復雜輪廓加工，角度和速度的準確同步（隨動(dòng)跟蹤）等各種簡(jiǎn)單的伺服控制任務(wù)，它應用廣泛，不僅適用于切紙機，對其它系統如印刷多色套準控制、枕式包裝機橫切刀定位控制、蠟染機蠟染輥速度同步控制、印花機多色套準控制、精密澆鑄起重機、高速橫切機、高速定位及曲線(xiàn)切割控制、食品醫藥流體高速定量灌裝等，各種需要高速同步定位控制的場(chǎng)合，本方案有一定的參考價(jià)值。