交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)特點(diǎn)及其在連鑄機(jī)上的應(yīng)用

本文介紹了伺服電動(dòng)缸的技術(shù)原理及技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了伺服電動(dòng)缸在連鑄機(jī)上的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況、應(yīng)用意義和經(jīng)驗(yàn)，為在冶金行業(yè)推廣以電動(dòng)伺服運(yùn)動(dòng)控制代替液壓伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

前言

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)是：電動(dòng)逐步取代液壓或機(jī)械，交流伺服將逐步取代直流步進(jìn)產(chǎn)品。為了適應(yīng)數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中將廣泛采用全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。數(shù)字式交流伺服電機(jī)精度為1048576個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度500微秒，伺服電機(jī)比步進(jìn)電機(jī)具有更高的控制精度和穩(wěn)定性，更強(qiáng)的對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)能力。所以伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、衛(wèi)星、航天飛機(jī)、火箭等軍用高端自動(dòng)化設(shè)備上，是國際上高端傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式。近幾年，基于電動(dòng)缸突出的性能和高可靠性的技術(shù)特點(diǎn)，電動(dòng)缸也逐漸在民用工業(yè)被廣泛推廣應(yīng)用，如機(jī)械、冶金、化工、輕工等工業(yè)領(lǐng)域，在連鑄機(jī)上應(yīng)用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)備越來越多。

2 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)原理與技術(shù)特點(diǎn)

2.1 技術(shù)原理

交流伺服運(yùn)動(dòng)控制由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)之間的連接電纜和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(滾珠絲桿、滾柱絲桿或傳動(dòng)齒輪)組成。電動(dòng)缸由數(shù)字式伺服電機(jī)和推桿組成，數(shù)字脈沖的個(gè)數(shù)控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，產(chǎn)生推桿的直線位移，由此帶動(dòng)負(fù)載的升降或水平移動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)。

(1)伺服電機(jī)。采用數(shù)字式交流伺服電機(jī)，全數(shù)字控制，精度為1048576個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度500微秒，重量輕，免維護(hù)。伺服電機(jī)比步進(jìn)電機(jī)具有更高的控制精度和穩(wěn)定性，更強(qiáng)的對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)能力，更長的壽命，但相應(yīng)的價(jià)格也要高一些。伺服電機(jī)完全消除了步進(jìn)電機(jī)的失步現(xiàn)象，滿足了更高的精度要求。伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的區(qū)別見表1。

表1　 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)比較:

功　 能 步進(jìn)電機(jī) 伺服電機(jī)

低頻特性 低速時(shí)易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象 低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)

過載性能 不具有過載能力 具有較強(qiáng)的過載能力

運(yùn)行性能

步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，
停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。
交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

速度響應(yīng)

性能
步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為
每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200～400毫秒。

交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速2000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

矩性特性
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。 交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000RPM或3000RPM)以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

控制精度 一般 高

(2)交流伺服運(yùn)動(dòng)控制有比液壓伺服運(yùn)動(dòng)控制更優(yōu)越的性能

性能穩(wěn)定。液壓伺服運(yùn)動(dòng)控制各項(xiàng)動(dòng)態(tài)技術(shù)參數(shù)受到液壓油溫變化的影響，容易發(fā)生波動(dòng)。相比之下，交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)技術(shù)參數(shù)基本上沒有外界因素的干擾，電腦儲(chǔ)存的運(yùn)動(dòng)參數(shù)始終符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)要求，所以運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定。精確的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)和快速應(yīng)答反應(yīng)，只有在伺服電機(jī)系統(tǒng)上才能真正體現(xiàn)出來；

節(jié)能。節(jié)能是交流伺服運(yùn)動(dòng)控制最大的優(yōu)勢(shì)。由于伺服電機(jī)根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需力的要求直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不但提高了效率，而且提高了能量利用率，其能量的利用率可達(dá)到95％以上，以酒鋼4#板坯和5#板坯電動(dòng)非正弦振動(dòng)為例，振動(dòng)系統(tǒng)改造前為機(jī)械式四偏心輪結(jié)構(gòu)，電機(jī)功率為57kW，采用交流伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)改造后，振動(dòng)系統(tǒng)輸入的功率不到5kW，而酒鋼200萬噸的板坯振動(dòng)采用液壓伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，功率為275kW。

多機(jī)同步性好，響應(yīng)速度快。伺服電機(jī)的應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)性。以酒鋼4#板坯和5#板坯電動(dòng)非正弦振動(dòng)為例，每個(gè)板坯振動(dòng)臺(tái)采用四個(gè)交流伺服電動(dòng)缸，分布在板坯振動(dòng)臺(tái)的四個(gè)角，由于酒鋼的4#板坯和5#板坯是弧形連鑄機(jī)，根據(jù)弧半徑和電動(dòng)缸的安裝距離分別設(shè)定內(nèi)外弧電動(dòng)缸的振幅，在每個(gè)振動(dòng)周期，四個(gè)電動(dòng)缸作同步運(yùn)動(dòng)，也就是四個(gè)電動(dòng)缸同時(shí)由設(shè)定的振動(dòng)最高點(diǎn)下降，同時(shí)達(dá)到設(shè)定的振動(dòng)最低點(diǎn)，再上升同時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，由于伺服電機(jī)有高速響應(yīng)的性能，因此在線調(diào)整結(jié)晶器振動(dòng)的頻率和振幅就非常簡(jiǎn)單了，只需要通過計(jì)算機(jī)設(shè)定參數(shù)就可以。
優(yōu)化工作環(huán)境。由于不使用液壓油，可使工作環(huán)境保持清潔，機(jī)器的噪音可比液壓伺服運(yùn)動(dòng)控制低lOdB以上。在優(yōu)化工作環(huán)境的同時(shí)，由于液壓伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的取消，使交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)占地面積節(jié)省了15％。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 交流伺服運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表2　 技術(shù)數(shù)據(jù)：

伺服電機(jī)功率 從幾十瓦至42.5 kW

滾珠或滾柱絲杠行程 0～2000mm

數(shù)字伺服電機(jī)精度 最高1048576個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)

控制定位精度 ±0.0lmm

響應(yīng)時(shí)間 500us

推力 可達(dá)330噸

最大動(dòng)作速度 可達(dá)6000轉(zhuǎn)/分鐘

2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)全數(shù)字控制，精度為1048576個(gè)脈沖，響應(yīng)速度500微秒，重量輕，免維護(hù)。伺服電機(jī)具有很高的控制精度和穩(wěn)定性，對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，有更高的使用壽命。

(2)整個(gè)交流伺服運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，響應(yīng)速度快，控制精度高，不需要液壓油管，安裝方便，抗高溫，抗振動(dòng)適應(yīng)冶金工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

(3)節(jié)省能源，降低生產(chǎn)成本。由于伺服電機(jī)根據(jù)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需力的要求直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不但提高了效率，而且提高了能量利用率，其能量的利用率可達(dá)到95％以上，因此可比液壓振動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能25％～60％。

(4)控制具有高應(yīng)答性以及穩(wěn)定性，動(dòng)作的重復(fù)精度高。由于電動(dòng)伺服系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)作均由伺服馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)作速度快、精度高，再加上不使用液壓油，使各項(xiàng)工藝參數(shù)不會(huì)受到油溫、油質(zhì)變化的影響，所以在生產(chǎn)過程中具有高穩(wěn)定性。

(5)保證工作環(huán)境的清潔性及安全性。由于電動(dòng)伺服系統(tǒng)不使用工作油，從而不會(huì)出現(xiàn)由于機(jī)械漏油所帶來的環(huán)境污染，并且能大大降低火災(zāi)發(fā)生的可能性。

3 在連鑄機(jī)上的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用一：用于中包塞棒自動(dòng)控制系統(tǒng)

最初，塞棒自動(dòng)控制采用液壓缸推動(dòng)塞棒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液面自動(dòng)控制，由于液壓系統(tǒng)復(fù)雜，需要液壓油管，設(shè)備投資高，對(duì)環(huán)境污染。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，以及伺服電機(jī)的成熟應(yīng)用和價(jià)格的大幅度下降，塞棒控制的液壓缸逐步被電動(dòng)缸取代，現(xiàn)在，液面控制系統(tǒng)上。

已很少采用液壓缸。上世紀(jì)90年代，全數(shù)字控制的高性能電動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了商品化，法國Sert公司首先推出了用于塞棒控制的電動(dòng)伺服致動(dòng)器，之后不到十年時(shí)間，塞棒數(shù)控已完成了從液壓伺服控制向電動(dòng)伺服控制轉(zhuǎn)變的過程。如圖1為塞棒自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理框圖。

        塞棒控制系統(tǒng)根據(jù)液位檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的液位變化，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度帶動(dòng)滾珠絲杠上下運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)塞棒的上下運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)中包至結(jié)晶器的鋼水流量，控制結(jié)晶器內(nèi)的液位穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)恒拉速定液位控制，提高鋼坯的質(zhì)量。

        3.2 應(yīng)用二：結(jié)晶器非正弦振動(dòng)

結(jié)晶器振動(dòng)方式有機(jī)械式、液壓式。為適應(yīng)快速發(fā)展的需要，人們對(duì)工藝技術(shù)提出了更高的要求，電動(dòng)式非正弦振動(dòng)技術(shù)正是交流伺服技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。電動(dòng)式以其能實(shí)現(xiàn)仿弧振動(dòng)、同步性好、精確度高、能耗低、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)倍受用戶青睞。
        用大功率數(shù)字交流伺服控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)，這是世界首創(chuàng)技術(shù)。系統(tǒng)完全由計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生控制結(jié)晶器振動(dòng)的波形曲線(正弦或非正弦的)，并按照工藝要求通過對(duì)函數(shù)各個(gè)變量取值，結(jié)合拉速精確地控制結(jié)晶器上下振動(dòng)，使振動(dòng)波形保持精確的頻率、振幅、負(fù)滑脫時(shí)間、正滑脫時(shí)間、及波形偏斜率等，最終得到滿足工藝需求的結(jié)晶器振動(dòng)軌跡。
        方坯非正弦振動(dòng)采用一臺(tái)大功率數(shù)字伺服電動(dòng)缸，板坯結(jié)晶器采用4臺(tái)數(shù)字伺服電動(dòng)缸。如圖2為酒鋼4#和5#板坯結(jié)晶器非正弦振動(dòng)裝置電動(dòng)缸的安裝示意圖。電動(dòng)缸分別安裝在內(nèi)外弧的兩側(cè)，作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源，直接同步驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)，位置精確、反應(yīng)快。

電動(dòng)缸由上下支承軸固定，下支承軸是固定在振動(dòng)臺(tái)的固定架上，電動(dòng)缸能繞此軸轉(zhuǎn)動(dòng)；上支承軸固定在振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)架上，可以沿著給定的振動(dòng)軌跡作弧線振動(dòng)。內(nèi)外弧的電動(dòng)缸由于所在位置的運(yùn)動(dòng)弧半徑不同，運(yùn)動(dòng)幅度不同，但內(nèi)外弧的振動(dòng)頻率和相位相同，即同步上下運(yùn)動(dòng)。由于采用伺服電機(jī)，控制電機(jī)的同步，運(yùn)動(dòng)軌跡都易實(shí)現(xiàn)。故采用此種安裝方式由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)全弧振動(dòng)。

電動(dòng)式非正弦振動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是適用于連鑄機(jī)改造項(xiàng)目。電動(dòng)式非正弦振動(dòng)方式具有以下特點(diǎn)：

a)不需要長距離的機(jī)械傳動(dòng)裝置；

b)只需要連接電纜，不需要液壓站，液壓泵等液壓設(shè)備，維護(hù)簡(jiǎn)單；

c)可在線快速調(diào)節(jié)振幅、頻率、振動(dòng)模式(偏斜率)；

d)實(shí)現(xiàn)仿弧振動(dòng)；

e)可在線檢測(cè)振動(dòng)狀態(tài)。

其主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

3.3 應(yīng)用三：功能結(jié)晶器

功能結(jié)晶器是以電動(dòng)缸非正弦為基礎(chǔ)的一項(xiàng)技術(shù)。具有實(shí)現(xiàn)高效鑄鋼的結(jié)晶器非正弦振動(dòng)、并對(duì)鋼水液面自動(dòng)控制、電磁攪拌、自動(dòng)加保護(hù)渣、漏鋼預(yù)報(bào)(板坯)等功能全面優(yōu)化。采用先進(jìn)的大功率數(shù)字伺服電動(dòng)機(jī)作為結(jié)晶器振動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)源，實(shí)現(xiàn)。