驅動控制無刷直流電機、步進電機在旋轉飛剪系統(tǒng)中的控制方案童懷1趙鵬飛2（。廣東工業(yè)大學，廣州510643；2.湛江師范學院，湛江524048）應用時的跟蹤控制方案，分析了兩種方案的異同。無刷直流電機適應于大轉矩大功率、負載情況比較復雜的飛剪系統(tǒng)；而采用步進電機，可以大大簡化系統(tǒng)的控制方案，降低系統(tǒng)成本，適合于轉矩要求較小的飛剪系統(tǒng)。
1前言旋轉飛剪系統(tǒng)由旋轉的刀輥對運動的進給材料實施定長剪切，非常適合于對一卷材料（如薄鋼板、紙張、布匹、塑料、人造革等）在展開過程中實施定長剪切，是工業(yè)生產領域一種常用的伺服控制系統(tǒng)。旋轉飛剪系統(tǒng)主要包括刀架、裝有刀刃的上下刀輥、伺服電機及驅動器、伺服控制電路、材料的進給機構等。
90年代初期，我國高精度的飛剪系統(tǒng)主要依靠進口，如國內瓦楞紙板生產線上用的橫切機，一套臺灣產品售價約為40萬元人民幣。近年來，國內自行研制的大功率交流伺服系統(tǒng)在轉矩、控制精度、動態(tài)響應速度等方面已能滿足工程實用化的要求，旋轉飛剪系統(tǒng)已逐步由直流電機控制改為由交流伺服控制。本文課題組從1993年開始從事直接傳動旋轉飛剪系統(tǒng)的研究，完成了35kw無刷直流電機及其控制系統(tǒng)的研制，開發(fā)的無刷直流電機控制五層瓦楞紙板橫切機已在現(xiàn)場安全運行了三年多。
對于象鋼板的飛鋸、瓦楞紙板飛剪這樣的要求轉矩較大的場合，需要采用大功率的無刷直流電機。近期，我們用步進電機取代無刷直流電機成功地研制了小型的飛剪系統(tǒng)，以適應很多剪切力矩要求較小的場合，如人造革、印刷紙張的剪切。步進電機的采用大大降低系統(tǒng)的成本，擴大了系統(tǒng)的應用范圍。
無刷直流電機和步進電機在旋轉飛剪系統(tǒng)中的跟蹤控制有很多相同點，但也有各自的特點，對這兩種跟蹤控制方案進行對比研究，是一項有意義的工作。
2刀輥運動規(guī)律的分析在旋轉飛剪系統(tǒng)的設計中，分析清楚刀輥的運動規(guī)律，是制定控制方案的關鍵。如所示，被剪材料穿過上下刀輥之間的間隙，伺服系統(tǒng)根據(jù)所設定的剪切長度、材料的進給速度，制定刀輥的運動規(guī)律，在運動中對進給材料實施定長剪切。刀輥的運動規(guī)律與所設定的剪切長度有密切的關系。若設定的剪切長度為l0，刀輥的外圓周為b0，根據(jù)l0與b0的關系，上下兩刀輥是同步的，其運動規(guī)律可歸納如下：>隊時，刀輥外圓的平均線速度應小于材料的進給速度，刀輥存在停車點；如a所示，刀輥的運動規(guī)律為：加速―同步跟蹤―剪切―減速制動※停車―加速l0=b時，刀輥外圓的平均線速度應等于材料的進給速度，刀輥只需進行同步跟蹤進給材料。
料的進給速度，刀輥不存在停車點，如b所示，刀輥的運動規(guī)律為：―同步跟￡蹤※當時，如果材料的速度較為穩(wěn)定，刀輥也可以以一個較大的勻速度對材料實施剪切。
3無刷直流電機系統(tǒng)的跟蹤控制方案為采用無刷直流電機驅動刀輥時控制系統(tǒng)的基本構成，這是一個典型的位置閉環(huán)系統(tǒng)。編碼器pg1通過同軸的橡膠圈壓在進給材料上，以檢測進給材料的位移脈沖。在刀輥的同軸安裝了編碼器pg2以檢測刀輥的位移脈沖。在連續(xù)剪切當中，剪切點既是本段材料的終點，又是下段待切材料的起點，因此在這里將輸入給cpu的剪切完信號作為計時的起點t=0.pg1和pg2的脈沖進入cpu，cpu通過計數(shù)器可以計算出t時刻進給材料的位移a（t）和刀輥的位移b（。同時cpu利用定時器，在給定的時間間隔內對進給脈沖計數(shù)，可以計算出材料的進給速度va.若cpu從鍵盤或撥碼盤讀入的剪切長度為lo則在一個剪切周期內的任意時刻t，cpu通過計數(shù)器可以實時計算出“材料的剩余行程”及“刀輥的剩余行程‘；這兩個’剩余行程‘的概念在下面的分析中很重要。bo為刀輥外圓周長。中cpu根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，按某種控制算法可以計算出t時刻刀輥的速度控制電壓vb（t）然后通過d/a轉換，模擬信號隔離，輸入到無刷電機驅動器作為速度給定電壓。無刷直流電機通過同步傳動機構控制刀輥的加速、同步及減速運動，從而對進給材料實施定長剪切。
無刷直流電機控制系統(tǒng)基本框圖關于無刷電機速度給定電壓的算法，這里以b的情況為例來討論。如所示，設材料按勻速va（t）進給，且設刀輥按直線方式加速、減速。在本文的研究中我們采用了變加速度的升降速方式，預先設定加速區(qū)行程為nr不管材料的進給速度va（為多大；都要求刀輥在位移nr內加速到與進給速度相等而進入同步。同樣的，減速區(qū)行程被設定為nf.刀輥進入各運動區(qū)的判據(jù)及無刷電機的速度給定電壓的實時計算方法討論如下：如所示，如果刀輥按直線加速，加速行程為n，則進給材料在加速期間的行程為2nr，這就要求，在加速區(qū)的起點4，材料的剩余行程應比刀輥的剩余行程相等，那么，上下刀輥的刀刃正好可以在預切點處嚙合，即對材料實施定長剪切。因此刀輥與材料的同步判據(jù)是：的大小，對速度給定電壓vb進行調整。這里我們采用比例調節(jié)方案：vb=cva―p―步進電機控制系統(tǒng)基本框圖這里仍以l0>bo的情況為例來討論步進電機的控制。前面無刷電機按直線方式加速、減速，且加速區(qū)行程固定取n.，減速區(qū)行程固定取nf.而步進電機要獲得理想的運行效果，有自己最佳的加減速曲線。
這里我們先根據(jù)步進電機的矩頻特性和系統(tǒng)的負載情況確定步進電機的最佳升降速曲線。
如果材料進給脈沖的頻率為/a（（s），則可以估算出步進電機加速到/a（（s）需要的步數(shù)nsr和時間at，也可以計算出材料在at時間內的位移nar.和無刷電機系統(tǒng)的分析類似，步進電機加速起動的判據(jù)為：步進電機走完nsr步后自動進入同步調整區(qū)。
因為在加速區(qū)內，材料進給脈沖的頻率可能發(fā)生變化且cpu對時間和頻率取整會帶來誤差，當步進電機結束了其固有的加速行程之后，不一定滿足的大小，可對步進電機的輸入頻率/（t）進行調整：明刀輥和進給材料已經同步，這時步進電機的輸入頻率不再需要計算而可參照的方法，對進給脈沖的頻率進行分頻或倍頻鎖定：當收到切割完信號后，cpu通過查表讓步進電機按事先規(guī)定好的降頻曲線進行制動。
5兩種控制方案的實驗結果及分析實踐中，我們用無刷直流電機研制了一套五層瓦楞紙板橫切機，無刷電機功率為35kw，―臺電機驅動上下兩個刀輥；后來，我們又研制了一套人造革飛剪系統(tǒng)，采用兩臺15obfo1型五相反應式步進電機同步驅動上下刀輥，每臺電機的輸出轉矩為2onm，功率約為1.5kw.兩套系統(tǒng)的cpu都采用了美國ad公司1995年推出的adsp2181芯片，它的運算功能強大，運算速度很高，每條指令周期33n童懷。磁阻電機動態(tài)特性的非線性分析與計算機仿真。北京：科學出版社，20⑴北京：機械工業(yè)出版社，。微特電。微電機，制技術的研究。
（上接第17頁）在上確定系數(shù)c，目的計算匝比a2-2李隆年。單相電機原理設計。北京：清華大學，1984.。杭州：浙江科學技術出版社，
：鞏經理
：13915946763
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