双电机消隙交流伺服系统在平网印花机上的应用

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1、双电机消隙交流伺服系统在平网印花机上的应用在传统的平网印花机导带定位控制问题上，常用方案示意如图1所示:    图1  传统定位控制方案示意图  此方案中，主控单元接受导带每次移动距离的设定信号，根据从电机轴上编码器反馈的脉冲信号通过伺服驱动器控制伺服电机的启停运行。由于前后传输辊实际不可能做到直径完全相同，当前后传输辊的驱动电机转过相同的角度后，传输辊表面走过的线位移不能完全相同，因而多次启停定位后，由于辊周长不完全相同带来的误差会得到积累，此时易引起前后传输辊受力不均匀，或使得导带发生伸缩变化，引起印花位置误差。同时，由于传输

2、辊与伺服电机之间一般存在20"30倍的减速机构，不可避免地存在齿轮传动间隙，伺服电机快速的启停动作会引起减速机构磨损，从而进一步加大传动间隙，使导带定位误差加大，影响了设备长期稳定运行性能。  双电机消隙交流伺服系统  在高精度的速度伺服或位置、角度伺服系统(如上述平网印花机)中，由于传动机构机械加工误差和机械磨损的存在，由电机至受控对象的传动间隙造成的误差已无法忽视，为此，人们采用消隙齿轮、自动予紧机构等办法消除这种误差，这些办法可以有效地消除传动间隙的静态误差，但在高精度快速随动系统(如高精度快速重复定位伺服控制、精密跟踪型雷

3、达天线伺服驱动)中，电机驱动负载进行频繁换向，即使采用机械消隙措施，由于间隙造成的瞬态误差仍难以克服。双电机消隙交流伺服驱动系统利用两套(或多套)响应频带很宽的交流伺服系统构成联动系统，使系统在动态消除传动间隙的同时实现高速响应的随动控制。  如图2所示，两台电机分别驱动两个初级齿轮，电机与初级齿轮为直接连轴，无传动间隙，由初级齿轮至输出齿轮的各级齿轮的传动间隙之和简化为如图2的单级传动的间隙。消隙系统在伺服运行过程中，采用对两台电机进行联动控制，使各级齿轮始终保持单面贴合，从而精确地传递力矩、速度或位移。并且在保证无间隙传动的同

4、时，具有良好的伺服精度和快速响应特性。    图2  采用两台电机进行联动控制方案  为实现消隙控制，理想方案是使两个电机分别作为正向驱动和反向驱动的动力电机，正向电机在反转时保持输出一个足以消除传动间隙的正向力矩，反向电机在正转时保持输出一个足以消除传动间隙的反向力矩，如图2中的“双电机消隙理想消隙曲线”所表示的两个电机的力矩关系。在这个方案中，任意时刻都有一个电机处于反向出力状态，所以要求每个电机的功率都大于系统实际所需功率，所以实际的消隙系统都不采用这种方案，而是采用一种更为经济的近似方案，如图2中的“双电机消隙理想消隙曲线

5、”。  因为系统在单方向输出力矩时，传动系统的力矩传递方向不变，所以并不存在间隙问题。只有在系统变换力矩传递方向时，间隙问题才凸显出来。实际消隙控制是在系统力矩输出为零的区域附近对两个电机施加一个足以克服间隙的力矩偏置，使得这一力矩范围内两个电机实施消隙驱动，而越过这个区域后，两个电机则协同出力。这样，每个电机功率可选为系统最大功率的一半。双电机消隙交流伺服系统速度闭环的典型技术指标:调速线性误差:±0.1%;静差率:0.1%;稳定调速比:大于10000倍;闭环阶跃响应：上升时间20ms;超调量小于10%;振荡次数小于1.5次;速

6、度环正弦波频带宽:0"30Hz(-3db)图3和图4分别给出速度环频带测试(扫频响应)曲线和双通道消隙力矩波形。    图3速度环频带测试(扫频响应)曲线    图4  双通道消隙力矩波形  在此速度闭环的基础上，外环的位置闭环可以将速度内环视为直轴连接刚性的传动系统，并且，此系统不会因为齿轮磨损后间隙的加大影响控制的动态、稳态指标。  双电机消隙交流伺服系统应用于平网印花机方案简介  在传统方案的基础上，笔者引入了“双电机消隙交流伺服系统”控制方法，可以在较低成本下解决传动间隙带来的误差问题，以及设备齿轮磨损后传动间隙加大的问题

7、。每个传输辊构成具体方案如图5所示:    图5  “双电机消隙交流伺服系统”控制方案  消隙控制单元控制两套交流伺服系统实现消隙伺服控制，完成消隙伺服控制后，整机主控单元控制器即可以将消隙系统当成是一个没有传动间隙的系统来进行闭环控制。以原来采用的15kW交流伺服驱动器伺服电机20倍速比的精密蜗轮蜗杆减速器驱动传输辊的方案为例，采用消隙控制后，可以采用两套7.5kW的交流伺服系统，分别带动一个20倍速比的普通精度的齿轮箱连接于传输辊的两端。本方案的优点  消隙系统消除了可能由于传动间隙带来的定位精度误差，确保经过长期运磨损后，即

8、使齿轮间隙变大，也不会影响定位精度。  由于消除了间隙影响，定位时易产生的间隙振荡不再存在，控制系统进入稳态的时间缩短，设备每次启停都更快速，提高了生产效率。  以普通精度的2个小功率的齿轮箱代替原先高精度的蜗轮蜗杆减速器，成本降低，并且不再需要定