伺服系统组成
硬件
伺服系统由电源模块、中央控制模块、伺服驱动模块和伺服电机组成。选用分辨率为96000p/r的正弦增量编码器。
中央控制模块将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于中央处理器中，它是伺服系统的核心，通过RS485口与上位机通讯；通过伺服系统内部的信号线进行模块间的数字通信。
驱动模块对电机编码器反馈信号进行采样，它与伺服电机一起构成了具有自动控制调节功能、高转矩特性和同步跟踪性能的执行单元。模块内部的转换器配有开关频率很高的功率半导体器件（IGBT），控制器卡内部的微型计算机循环计算每个指定相位的瞬时电流值，相位的实际电流值代表转子的当前位置。系统运转稳定时，被触发的IGBT与来自电机绕组电流呈正弦曲线的8kHz的基础时钟同步。
轴编码器是系统的位置检测组件，其输入/输出传动信号决定电机与电机编码器间的传动信号比，比值结果必须为整数，且设定值与电机控制器运算法则相适应。利用编码器获得实际位置值，激活实际位置反馈，即编码器检测到电机的实际脉冲数经4倍频后产生反馈脉冲，它直接影响运行模式的闭环控制。它将各电机输出轴的位置转换成16位二进制码，送给驱动模块。
伺服电机在额定转速内，输出额定转矩；达到额定转速时，输出恒功率，实现功率、输出转矩、动态特性和结构要求的统一。
软件
伺服系统软件采用PID算法编制实时控制程序，设置驱动器所需的转距、速度、位置值，由程序功能块进行参数调整；通过表插补的快速功能产生多轴同步运转。
设备加电后，中央控制模块完成初始化。发出信号跟踪命令后，即开始定时，在每个采样周期内，上位机向伺服系统发送输入信号，伺服系统接收上位机返回的系统输出量和控制量，完成相应的控制动作后，将采集到的系统输出数据、当前的控制量和各状态信息送至上位机。程序的参数可调，加/减速时间、最小/最大速度值等参数都需根据现场要求进行设定。调试时根据典型的PID调节原理进行各参数的整定，主要兼顾到系统速度调节特性和位置调节特性中超调量、快速性和稳定性等要素。
基本工作原理
系统以各交流伺服电机作为驱动元件，以机械位置或角度作为被控制对象，电机速度和位置的实际值来源于编码器信号。
同步控制的乘法器脉冲和除法器脉冲构成主设置值与被控对象之间的同步比率（SVH），即本系统的电子齿轮比。根据整机运行的实际情况和成品烟支的规格要求，控制电机的参考信号和程序中指令的参考信号一致，位置要求严密的电机，在每次起动之前，必须先回零。回零结束后，延时7s左右；然后，再跟踪主电机运转。
卷烟机在生产过程中，各执行机构的动作时序及电控系统与机械传动之间的同步，需要有一个参照基准，即卷烟机的时钟脉冲。
轴编码器随电机的旋转产生与电机转速成正比、与电机轴角位移增量等值的电脉冲，输出两路900相差的脉冲信号Ua1,Ua2 和一路用作参考零位的标志脉冲 Ua0。编码器的正弦波信号转换成积分和参考的两路方波信号；输出方波给外部CNC提供实际位置反馈信号，或者作为同步控制系统中独立驱动系统的主控制脉冲。该正交编码脉冲通过四倍频电路产生四倍频脉冲信号，由计数电路对其计数，获得转速、转子位置的瞬时值。电机轴的旋转速度和定位由同一传感器来检测，因而在同一转内可实现高分辨率、高精度的位置检测和旋转次数的检测，从而实现传动系统的速度闭环和位置闭环的控制，并将计数脉冲送入位置控制系统进行计算。
控制原理
模拟量输入信号
交流伺服驱动系统包括三种指令形式，即脉冲指令，速度指令，转矩指令。结合实际的应用，采用模拟量脉冲指令的形式对伺服驱动系统加以控制，见图1。
图1 驱动模块的模拟量输入
驱动模块中，设置2个10V的模拟量输入（A1，A2），通过电压/频率变换来确定输出脉冲的值，输出频率可控且范围取决于系统时钟脉冲。模拟值A1作为输入速度或扭矩的设置值，通过改变模拟电压A2的值去改变扭矩极限。微处理器每250μs执行一个循环。计数或脉冲的设定值通过中央控制模块输入，再由内部的信号线分配给每个驱动模块。电机转速的大小依赖于A1的输入电压值。由速度偏移量来补偿模拟输入值的浮动值，得到与模拟输入相应的恒定速度值。但持久地补偿至零速度是不可能的。
转矩控制和速度控制
驱动器将收到的连续变化的速度指令信号与实际速度反馈信号进行比较，产生差值；速度控制器将差值放大，并求出输出量，该信号与实际位置进行比较，经处理后，作为脉宽调制发生器的调制信号，同时在基波的作用下生成脉宽可调的脉冲序列开关信号，实现对伺服电机定子电枢电流的相位控制和幅度调节。另外，开关信号加至大功率器件的驱动器后，功率器件按一定顺序依次导通，输出脉宽可调的交变电压，用以驱动伺服电机。在速度控制器和电流调节器的连续作用下，定子电枢电流的幅度和频率因此得到了连续控制，达到控制电机转速和转矩的目的。
扭距的模拟设定及控制分析
通过模拟输入A2定义扭矩的范围。为抵消共振的影响，选用访谐振（带阻）滤波器。为减小滤波器本身的高频增益，用一个轻阻尼的带阻滤波器（其中心频率约为共振频率的90%）和一个大阻尼的带通滤波器（其频率要高于共振频率），见图2。滤波器连续地协议速度控制器的输出，其参数均可根据电机运动特性的改变而在线调节和修改。速度控制或闭环位置控制时，设置对应参数的bit 7=1时，滤波器F1，F2被激活。其中，Nset为设定速度，Nact为实际速度；f1=1/（2πT1），f2=1/（2πT2）；f1＜f2。从f1的6dB/倍频和f2的12dB/倍频起，伺服控制系统的环路增益减弱。
图2 抵消共振的结构
位置控制
位置控制器控制电机的加减速。位置控制系统接收主控系统发出的与电机转速等值的连续变化的脉冲信号，并根据反馈的位置信息，采用PID调节原理进行计算。
机械位置调整适当后，通过程序将该位置所对应的脉冲数保存到位置控制器中。断电时，无论与主传动部件的相对位置是否改变，控制器所记忆的位置数据不会改变。再次上电时，位置控制器在机器最初转动的几圈内寻找所记忆的位置，一旦电机寻找到自己的位置就停下来，以便同主传动部件再次转过同步位置时一起运动。
闭环位置跟踪的方法：
l 将位置极限设置成二进输出,监控轴转动的正反方向，赋值前，先执行回零动作；它并不阻止轴的运转。超过极限时，由辅助位来控制轴停止运转。
l 调整额外误差。如果位置的设定值和实际值的差额（跟踪误差）比内部的“额外误差”大，驱动器的输出使能停止，电机按其自身的惯性运转。最大跟踪误差（线性轴）SA：
SA[mm>=最大速度[mm/min>/位置闭环KV[1/min>
然后，通过“每个电机转动的距离”与“编码器增量”，将跟踪误差从[mm>转换成[incr.>.在位置控制环中，电机参数的设置根据现场的实际要求而定，使输出轴的实际位置精确。
优化控制重要参数分析
根据电机型号和负载惯量，调整内部速度环增益和积分时间常数，以达到最优控制，满足调速系统速动性要求[1>。图3中，nset为设定速度，nact为实际速度
图3 速度阶跃响应
l 速度环比例增益KP因素
速度控制的阶跃响应，KP影响如图3示。
在生产线上操作调试时，伺服电机运行时会发生振荡和噪声，即不能在负载调试下获得最合适的响应和稳定性，此时需要进行基本增益调整。设置值大时，伺服系统刚性变高，负载的变化对电机速度的影响小，但过大会引起伺服系统的不稳定[2>，所以，必须使KP最优化。设置速度环积分时间常数为较小值，其值越小，位置偏差值相减越快；设置位置环增益参数，将速度前馈系数设置为最小。
l 速度环积分时间TN （ms/4）
调试时必须使PI速度控制器的积分作用时间最优化。TN=0时， PI速度控制器的积分成分不起作用，它作为P型控制器而工作。因调整状态随负载变化而变化，所以尽可能在实际负载状态下进行。在调整时，加入阶跃速度指令，用示波器观测其速度响应，同时注意机械部分的振动情况。对于速度阶跃响应，TN影响如图4示。
图4 阶跃响应的TN影响
l 在设定的速度范围内，速度控制器的KP和TN呈线性变化，即控制器动作的变化依赖于实际速度值。调试时，使速度控制器的比例增益与积分作用时间最优化。
增益调整
l 位置环增益的最优值依负载而定，若负载变化，需重新调整。若增益设置值过大，会引起振荡，这时应减小设置值从而停止振荡。若不能停止振荡，则关掉电源和伺服使能信号，然后再开启电源将增益恢复到较小的值[3>。
l 若采用驱动器的速度环而外加位置环单元，伺服系统的位置环增益会由于速度指令输入增益参数的改变而改变。
结语
利用交流伺服驱动系统，实现多台电机的角度和速度的完全（或比例）同步（随动跟踪）等各种复杂的控制任务，完成烟条的无偏差精确定位，有效避免长短烟的出现，避免由于传动系统速度波动而造成的烟支空头等问题，达到了控制系统改进的目的。
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