驅(qū)動控制無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)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(xué)，廣州510643；2.湛江師范學(xué)院，湛江524048）應(yīng)用時(shí)的跟蹤控制方案，分析了兩種方案的異同。無刷直流電機(jī)適應(yīng)于大轉(zhuǎn)矩大功率、負(fù)載情況比較復(fù)雜的飛剪系統(tǒng)；而采用步進(jìn)電機(jī)，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(zhuǎn)矩要求較小的飛剪系統(tǒng)。

1前言旋轉(zhuǎn)飛剪系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)的刀輥對運(yùn)動的進(jìn)給材料實(shí)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(shí)施定長剪切，是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域一種常用的伺服控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)飛剪系統(tǒng)主要包括刀架、裝有刀刃的上下刀輥、伺服電機(jī)及驅(qū)動器、伺服控制電路、材料的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。

90年代初期，我國高精度的飛剪系統(tǒng)主要依靠進(jìn)口，如國內(nèi)瓦楞紙板生產(chǎn)線上用的橫切機(jī)，一套臺灣產(chǎn)品售價(jià)約為40萬元人民幣。近年來，國內(nèi)自行研制的大功率交流伺服系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩、控制精度、動態(tài)響應(yīng)速度等方面已能滿足工程實(shí)用化的要求，旋轉(zhuǎn)飛剪系統(tǒng)已逐步由直流電機(jī)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(zhuǎn)飛剪系統(tǒng)的研究，完成了35kw無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研制，開發(fā)的無刷直流電機(jī)控制五層瓦楞紙板橫切機(jī)已在現(xiàn)場安全運(yùn)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(zhuǎn)矩較大的場合，需要采用大功率的無刷直流電機(jī)。近期，我們用步進(jìn)電機(jī)取代無刷直流電機(jī)成功地研制了小型的飛剪系統(tǒng)，以適應(yīng)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(jìn)電機(jī)的采用大大降低系統(tǒng)的成本，擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

無刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)飛剪系統(tǒng)中的跟蹤控制有很多相同點(diǎn)，但也有各自的特點(diǎn)，對這兩種跟蹤控制方案進(jìn)行對比研究，是一項(xiàng)有意義的工作。

2刀輥運(yùn)動規(guī)律的分析在旋轉(zhuǎn)飛剪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，分析清楚刀輥的運(yùn)動規(guī)律，是制定控制方案的關(guān)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(shè)定的剪切長度、材料的進(jìn)給速度，制定刀輥的運(yùn)動規(guī)律，在運(yùn)動中對進(jìn)給材料實(shí)施定長剪切。刀輥的運(yùn)動規(guī)律與所設(shè)定的剪切長度有密切的關(guān)系。若設(shè)定的剪切長度為l0，刀輥的外圓周為b0，根據(jù)l0與b0的關(guān)系，上下兩刀輥是同步的，其運(yùn)動規(guī)律可歸納如下：>隊(duì)時(shí)，刀輥外圓的平均線速度應(yīng)小于材料的進(jìn)給速度，刀輥存在停車點(diǎn)；如a所示，刀輥的運(yùn)動規(guī)律為：加速―同步跟蹤―剪切―減速制動※停車―加速l0=b時(shí)，刀輥外圓的平均線速度應(yīng)等于材料的進(jìn)給速度，刀輥只需進(jìn)行同步跟蹤進(jìn)給材料。

料的進(jìn)給速度，刀輥不存在停車點(diǎn)，如b所示，刀輥的運(yùn)動規(guī)律為：―同步跟￡蹤※當(dāng)時(shí)，如果材料的速度較為穩(wěn)定，刀輥也可以以一個(gè)較大的勻速度對材料實(shí)施剪切。

3無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的跟蹤控制方案為采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動刀輥時(shí)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，這是一個(gè)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(jìn)給材料上，以檢測進(jìn)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(dāng)中，剪切點(diǎn)既是本段材料的終點(diǎn)，又是下段待切材料的起點(diǎn)，因此在這里將輸入給cpu的剪切完信號作為計(jì)時(shí)的起點(diǎn)t=0.pg1和pg2的脈沖進(jìn)入cpu，cpu通過計(jì)數(shù)器可以計(jì)算出t時(shí)刻進(jìn)給材料的位移a（t）和刀輥的位移b（。同時(shí)cpu利用定時(shí)器，在給定的時(shí)間間隔內(nèi)對進(jìn)給脈沖計(jì)數(shù)，可以計(jì)算出材料的進(jìn)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(gè)剪切周期內(nèi)的任意時(shí)刻t，cpu通過計(jì)數(shù)器可以實(shí)時(shí)計(jì)算出“材料的剩余行程”及“刀輥的剩余行程‘；這兩個(gè)’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(jì)算出t時(shí)刻刀輥的速度控制電壓vb（t）然后通過d/a轉(zhuǎn)換，模擬信號隔離，輸入到無刷電機(jī)驅(qū)動器作為速度給定電壓。無刷直流電機(jī)通過同步傳動機(jī)構(gòu)控制刀輥的加速、同步及減速運(yùn)動，從而對進(jìn)給材料實(shí)施定長剪切。

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖關(guān)于無刷電機(jī)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(shè)材料按勻速va（t）進(jìn)給，且設(shè)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(yù)先設(shè)定加速區(qū)行程為nr不管材料的進(jìn)給速度va（為多大；都要求刀輥在位移nr內(nèi)加速到與進(jìn)給速度相等而進(jìn)入同步。同樣的，減速區(qū)行程被設(shè)定為nf.刀輥進(jìn)入各運(yùn)動區(qū)的判據(jù)及無刷電機(jī)的速度給定電壓的實(shí)時(shí)計(jì)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(jìn)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(diǎn)4，材料的剩余行程應(yīng)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(yù)切點(diǎn)處嚙合，即對材料實(shí)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(jìn)行調(diào)整。這里我們采用比例調(diào)節(jié)方案：vb=cva―p―步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的控制。前面無刷電機(jī)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(jìn)電機(jī)要獲得理想的運(yùn)行效果，有自己最佳的加減速曲線。

這里我們先根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性和系統(tǒng)的負(fù)載情況確定步進(jìn)電機(jī)的最佳升降速曲線。

如果材料進(jìn)給脈沖的頻率為/a（（s），則可以估算出步進(jìn)電機(jī)加速到/a（（s）需要的步數(shù)nsr和時(shí)間at，也可以計(jì)算出材料在at時(shí)間內(nèi)的位移nar.和無刷電機(jī)系統(tǒng)的分析類似，步進(jìn)電機(jī)加速起動的判據(jù)為：步進(jìn)電機(jī)走完nsr步后自動進(jìn)入同步調(diào)整區(qū)。

因?yàn)樵诩铀賲^(qū)內(nèi)，材料進(jìn)給脈沖的頻率可能發(fā)生變化且cpu對時(shí)間和頻率取整會帶來誤差，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)結(jié)束了其固有的加速行程之后，不一定滿足的大小，可對步進(jìn)電機(jī)的輸入頻率/（t）進(jìn)行調(diào)整：明刀輥和進(jìn)給材料已經(jīng)同步，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)的輸入頻率不再需要計(jì)算而可參照的方法，對進(jìn)給脈沖的頻率進(jìn)行分頻或倍頻鎖定：當(dāng)收到切割完信號后，cpu通過查表讓步進(jìn)電機(jī)按事先規(guī)定好的降頻曲線進(jìn)行制動。

5兩種控制方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)踐中，我們用無刷直流電機(jī)研制了一套五層瓦楞紙板橫切機(jī)，無刷電機(jī)功率為35kw，―臺電機(jī)驅(qū)動上下兩個(gè)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(yīng)式步進(jìn)電機(jī)同步驅(qū)動上下刀輥，每臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)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(yùn)算功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度很高，每條指令周期33n童懷。磁阻電機(jī)動態(tài)特性的非線性分析與計(jì)算機(jī)仿真。北京：科學(xué)出版社，20⑴北京：機(jī)械工業(yè)出版社，。微特電。微電機(jī)，制技術(shù)的研究。

（上接第17頁）在上確定系數(shù)c，目的計(jì)算匝比a2-2李隆年。單相電機(jī)原理設(shè)計(jì)。北京：清華大學(xué)，1984.。杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，