步进伺服及其在瓦楞纸纵切机单元设备中的应用

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步进电机因其价格低廉、控制简捷目前仍是运动控制领域（特别是数控行业）的主选执行元件。随着微电子及数控技术日新月异的发展，基于步进电机的伺服控制技术在发达国家已取得长足发展，已有成熟的技术产品进入国内市场，而目前国内相关生产行业基本仍停留在几十年前的简单制造和简单控制水平，相关的控制技术研究更是寥寥无几。本文针对瓦楞纸行业的应用特点，在北京宏金信科技有限公司大力支持下对美国IMS公司先进的步进伺服控制技术模块进行了二次开发，率先研制出拥有自主知识产权的、符合行业特点的步进伺服驱动器，最大驱动电流可达DC74v/10A，可匹配目前国内绝大部分86系列及110系列的步进电机，力矩可达24Nm，价格低，可以让国产设备用得起。

隶属于包装行业的瓦楞纸生产及印刷是国内最近30年发展最为迅猛的绿色环保产业之一，市场发展空间仍然巨大。瓦纸定位、定长分割、裁切贯穿着瓦纸的整个生产过程，相同类型的定位控制点多，容量不大，相对于精密数控行业，其定位精度、快速性、锁紧力矩等要求相对较低，是步进电机理想的应用领域，然而实际情况却不尽人意，主要原因就是目前国内步进电机控制技术停滞不前，没有本质飞跃，而进口步进伺服控制系统价格太贵。

瓦纸生产定位分割控制最有代表性的单元设备应是瓦纸“纵切机”。如“5刀8线纵切机”，如果采用丝杆式传动结构，将需要13套定位装置；如果采用齿条滑轨式传动结构，将需要21套或26套定位装置。传统方案是采用带编码器反馈及抱闸装置的普通交流电机作定位装置，用PLC实现定位控制算法，用变频器实现高低速定位移动，软硬件复杂，定位速度慢，定位稳定性和重复性差，排单时间长，自动化程度低；最近几年多采用交流伺服系统作定位装置，定位精度、快速性、自动化程度等都显著提高了，基于多点通讯控制，系统软硬件复杂性也有所降低，但成本却大幅度上升，市场竞争优势不明显；当然也有部分厂商采用步进电机作为定位设备，但其控制方式仍如同传统的以普通电机作定位装置的方案，步进电机的一些优秀特点未能充分利用，系统软硬件复杂性未降反升，定位稳定性和重复性仍有较大的改善空间。值得一提的是，对于瓦纸“纵切机”，由于定位装置数量多，只有基于多点寻址通讯，才能有效降低系统软硬件复杂性，提高系统的可靠性。

步进电机的特点

步进电机实际是一种低速多级同步电机，只是供电驱动方式不同。步进电机按步进方式工作，由其专用驱动器供电，具有较强的实操性，很难按传统的交流电机数学模型进行精确的数理分析，故步进电机的一些特点基本都来源于实际运行经验总结，有较高的可信度。不同结构、不同制造商，产品性能的差异较大，但都具有如下一些共性特点：

1.矩频特性较软：一般转速超过300rpm时，输出转矩显著降低，故步进电机很少用于调速控制。

2.低频段输出转矩稳定，非常适于直驱方式――即无需减速机构，当然也就不存在相应的间隙、摩擦等影响控制性能的不利因素。同时也降低了成本，提高了可靠性。

3.具有很好的“欺软怕硬”的柔性输出力矩，非常适于冲击性或意外障碍型负载――即在给定时间内遇到超强负载时能以“让步”方式及时“稀释”负载能量并继续其定位过程，提高了定位过程的成功率；而普通交流电机（包括交流伺服电机）系统遇超强负载时只会故障停机。

4.优良的“保持力矩”特性――步进电机的保持力矩实际上可作为电机的抱闸力矩使用，且通常比相同容量电机所标配的抱闸力矩大若干倍，这是普通交流电机（包括交流伺服电机）难以做到的。普通交流伺服定位控制必须附加抱闸装置才能保证定位目标位置的静态稳定性，增加了成本和控制的复杂性，同时也降低了系统的快速性。步进电机的保持力矩不仅稳定，而且是非接触式的，可控性高，应充分利用。

5.低频振荡：这是步进电机固有的缺点，一般在60rpm左右，必须回避。

步进伺服驱动器应实现的功能

步进伺服驱动器除了必须满足传统步进电机驱动器电流调控、细分、I/O控制等基本功能外，还应该立足于步进电机本身固有特点，

“扬长避短”，实现一些“伺服”的基本和附加功能。

1.优化电流及超前角调控算法：与传统的三相交流伺服系统一样，其实质仍然是在负载变化时总能及时输出最大力矩，确保总是以最快的速度进行跟踪。调控算法很多，各具优缺点。

2.定位功能：

“伺服”的基本功能就是定位控制，要求定位准确，不失步，或即使失步，也能快速追补，故一般均需带编码器反馈。动态性能优异的定位功能还要求电机力矩、速度，甚至加速度均可控。

3.保持功能：“伺服”的目的不仅仅是准确、快速移动定位，同时还要保证在目标位置“巍然不动”。可充分利用步进电机优良的“保持力矩”特性――只要合理调控电机直流电流就可获得相应的保持力矩（即锁紧力矩），非接触式的，而且具有很好的柔性――即在强外力作用下可以“被迫”偏离目标位置，强外力消失后，系统仍能自动回复到目标位置；传统的“抱闸”锁紧方式会“固执”在目标位置，

“被迫”移动的代价就是设备受损。

4.多点寻址通讯功能：如前所述，多点寻址通讯能有效降低系统软硬件复杂性和成本，提高系统的可靠性，对瓦纸“纵切机”尤为重要，否则其控制系统将不具竞争力。瓦纸纵切机的基本配置

单瓦纸板及文化纸生产线的纵切一般在同一空间轴配置{2、3、4、5、6}套定位刀，实现{1、2、3、4、5}剖纵向分割；多层纸板生产线的纵切机一般在同一空间轴配置{4、5、6、7}套定位刀，在另一空间轴配置{6、8、10、12}套定位线，可分别实现{4刀6线、5刀8线、6刀10线、7刀12线}纵向分割和压痕。北京宏金信科技有限公司根据瓦纸行业特点推出“多定位单维轴电脑控制系统”标准化产品概念――[2，8]套伺服定位装置装配于同一空间轴（基于同一空间维，各定位装置物理位置相互关联，可能由多个机械传动轴组成，如独立传动丝杆；也可能仅单个机械传动轴，如滑轨齿条），可分别简称为{2定位单维轴、…、8定位单维轴}电脑控制系统，基本可组成目前国内市场上所有的纸板纵切机及文化切纸机。

实际生产过程中用户往往提供的是纸板尺寸，纵切机电脑控制系统的任务就是要由此尺寸解算出各定位装置的目标位置，并以通讯方式下传到各定位装置，然后触发启动自动化排刀排线过程。由于受机械尺寸限制，并非所有纸板尺寸都能准确定位执行，非法的纸板尺寸在订单编辑过程中就必须能被识别出以避免下传；自动化排刀排线过程应有序进行，避免定位装置相互碰撞而损伤设备，某些定位精度需求较高的设备还应能实现高低速单向定位，以避免齿轮间隙和高速位置过冲对定位精度的影响；无论是机械设备尺寸，还是纸板产品尺寸，都需要有实际尺寸标定功能，标定过程自动化程度的高低直接影响着生产效率；此外，定位装置的起落、刀或压线轮的旋转、修磨、控制也是瓦纸纵切机的基本控制要求等等，这些过程都需由纵切机电脑控制系统程序完成，工作量和复杂性还是很大的。北京宏金信科技有限公司本着最大限度减轻设备制造商的工作量，加快其新设备研发进度，特将所有控制功能集成于“多定位单维轴电脑控制系统”标准化产品中，并提供了与其他系统交换数据的标准协议接口，用户只需从其“生管系统”，或直接从“多定位单维轴电脑控制系统”标配HMI操作即可。

文化纸及单瓦纸纵向裁切可直接选用{2定位单维轴、…、6定位单维轴1电脑控制系统标准化产品；瓦楞纸板纵切机一般可由2套一5套{4定位单维轴、…、8定位单维轴，电脑控制系统标准化产品简单拼装。

对于独立丝杆传动式机械传动结构的纵切机，可有如下组合：4刀6线（非0压线）：由1套“4定位单维轴”及1套“6定位单维轴”构成；5刀8线（非0压线）：由1套“5定位单维轴”及1套“8定位单维轴”构成；5刀8线（O压线）：由1套“5定位单维轴”及2套“4定位单维轴”构成；6刀10线（0压线）：由1套“6定位单维轴”及2套“5定位单维轴”构成；7刀12线（0压线）：由1套“7定位单维轴”及2套“6定位单维轴”构成。

对于齿条滑轨式机械传动结构的纵切机（仅考虑切刀与刀梳匹配情况），可有如下组合：4刀6线（非0压线）：由1套“4定位单维轴”及2套“6定位单维轴”构成；5刀8线（非0压线）：由1套“5定位单维轴”及2套“8定位单维轴”构成；5刀8线（0压线）：由1套“5定位单维轴”及4套“4定位单维轴”构成；6刀10线（0压线）：由1套“6定位单维轴”及4套“5定位单维轴”构成；7刀12线（0压线）：由1套“7定位单维轴”及4套“6定位单维轴”构成。

注意：{6刀10线、7刀12线}纵切机一般配置为“0压线”结构。

多定位单维轴电脑控制系统标准配置（以“5定位单维轴”为例）

系统由HMI、PLC、5套步进伺服定位装置及其限位开关、主轴驱动变频器、起落电磁阀等组成。PLC主要完成自动化排刀排线过程及其他辅机控制；用户可通过HMI配置修改设备尺寸数据、订单数据并监控设备，同时HMI还提供了与第三方控制系统交换数据的标准协议接口。对于2000mm幅宽齿条滑轨传动结构，定位精度≤0.1mm，排单时间≤3s。

应用实例

独立丝杆传动式“5刀8线纵切机”（非0压线）配置：由1套“5定位单维轴”及1套“8定位单维轴”组成，但共用1块HMI。对于2000mm幅宽，定位精度≤0.05ram，排单时间≤3S。

齿条滑轨传动式“5刀8线纵切机”（非0压线）配置：由1套“5定位单维轴”及2套“8定位单维轴”组成，但共用1块HMI。对于2000mm幅宽，定位精度≤0.1mm，排单时间≤3S。