交流伺服運動控制的技術特點及其在連鑄機上的應用

本文介紹了伺服電動缸的技術原理及技術特點，總結了伺服電動缸在連鑄機上的現場實際應用情況、應用意義和經驗，為在冶金行業(yè)推廣以電動伺服運動控制代替液壓伺服運動控制技術提供可借鑒的經驗。

前言

運動控制技術發(fā)展的趨勢是：電動逐步取代液壓或機械，交流伺服將逐步取代直流步進產品。為了適應數字控制技術的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中將廣泛采用全數字式交流伺服電機作為驅動源。數字式交流伺服電機精度為1048576個脈沖/轉，響應速度500微秒，伺服電機比步進電機具有更高的控制精度和穩(wěn)定性，更強的對惡劣環(huán)境適應能力。所以伺服電機廣泛應用于飛機、衛(wèi)星、航天飛機、火箭等軍用高端自動化設備上，是國際上高端傳動技術領域應用最先進的驅動方式。近幾年，基于電動缸突出的性能和高可靠性的技術特點，電動缸也逐漸在民用工業(yè)被廣泛推廣應用，如機械、冶金、化工、輕工等工業(yè)領域，在連鑄機上應用電動缸驅動方式的設備越來越多。

2 交流伺服運動控制的技術原理與技術特點

2.1 技術原理

交流伺服運動控制由伺服驅動器、伺服電機、伺服驅動器與伺服電機之間的連接電纜和傳動機構(滾珠絲桿、滾柱絲桿或傳動齒輪)組成。電動缸由數字式伺服電機和推桿組成，數字脈沖的個數控制伺服電機的旋轉角度，產生推桿的直線位移，由此帶動負載的升降或水平移動，從而驅動物體運動。

(1)伺服電機。采用數字式交流伺服電機，全數字控制，精度為1048576個脈沖/轉，響應速度500微秒，重量輕，免維護。伺服電機比步進電機具有更高的控制精度和穩(wěn)定性，更強的對惡劣環(huán)境適應能力，更長的壽命，但相應的價格也要高一些。伺服電機完全消除了步進電機的失步現象，滿足了更高的精度要求。伺服電機與步進電機的區(qū)別見表1。

表1　 伺服電機與步進電機比較:

功　 能 步進電機 伺服電機

低頻特性 低速時易出現振動現象 低速時運行平穩(wěn)

過載性能 不具有過載能力 具有較強的過載能力

運行性能

步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，
停止時轉速過高易出現過沖的現象。
交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

速度響應

性能
步進電機從靜止加速到工作轉速(一般為
每分鐘幾百轉)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速2000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。

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

控制精度 一般 高

(2)交流伺服運動控制有比液壓伺服運動控制更優(yōu)越的性能

性能穩(wěn)定。液壓伺服運動控制各項動態(tài)技術參數受到液壓油溫變化的影響，容易發(fā)生波動。相比之下，交流伺服運動控制的各項動態(tài)技術參數基本上沒有外界因素的干擾，電腦儲存的運動參數始終符合實際運動要求，所以運動性能穩(wěn)定。精確的運動控制參數和快速應答反應，只有在伺服電機系統(tǒng)上才能真正體現出來；

節(jié)能。節(jié)能是交流伺服運動控制最大的優(yōu)勢。由于伺服電機根據各執(zhí)行機構所需力的要求直接進行驅動，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到95％以上，以酒鋼4#板坯和5#板坯電動非正弦振動為例，振動系統(tǒng)改造前為機械式四偏心輪結構，電機功率為57kW，采用交流伺服運動控制技術改造后，振動系統(tǒng)輸入的功率不到5kW，而酒鋼200萬噸的板坯振動采用液壓伺服運動控制系統(tǒng)，功率為275kW。

多機同步性好，響應速度快。伺服電機的應用，提高了系統(tǒng)的反應性。以酒鋼4#板坯和5#板坯電動非正弦振動為例，每個板坯振動臺采用四個交流伺服電動缸，分布在板坯振動臺的四個角，由于酒鋼的4#板坯和5#板坯是弧形連鑄機，根據弧半徑和電動缸的安裝距離分別設定內外弧電動缸的振幅，在每個振動周期，四個電動缸作同步運動，也就是四個電動缸同時由設定的振動最高點下降，同時達到設定的振動最低點，再上升同時達到最高點，由于伺服電機有高速響應的性能，因此在線調整結晶器振動的頻率和振幅就非常簡單了，只需要通過計算機設定參數就可以。
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，機器的噪音可比液壓伺服運動控制低lOdB以上。在優(yōu)化工作環(huán)境的同時，由于液壓伺服運動控制系統(tǒng)的取消，使交流伺服運動控制系統(tǒng)占地面積節(jié)省了15％。

2.2 技術特點

2.2.1 交流伺服運動控制的技術數據見表2。

表2　 技術數據：

伺服電機功率 從幾十瓦至42.5 kW

滾珠或滾柱絲杠行程 0～2000mm

數字伺服電機精度 最高1048576個脈沖/轉

控制定位精度 ±0.0lmm

響應時間 500us

推力 可達330噸

最大動作速度 可達6000轉/分鐘

2.2.2 技術特點

(1)全數字控制，精度為1048576個脈沖，響應速度500微秒，重量輕，免維護。伺服電機具有很高的控制精度和穩(wěn)定性，對惡劣環(huán)境適應能力強，有更高的使用壽命。

(2)整個交流伺服運動控制結構簡單，重量輕，響應速度快，控制精度高，不需要液壓油管，安裝方便，抗高溫，抗振動適應冶金工業(yè)生產環(huán)境。

(3)節(jié)省能源，降低生產成本。由于伺服電機根據各執(zhí)行機構所需力的要求直接進行驅動，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到95％以上，因此可比液壓振動系統(tǒng)節(jié)能25％～60％。

(4)控制具有高應答性以及穩(wěn)定性，動作的重復精度高。由于電動伺服系統(tǒng)的各項動作均由伺服馬達來驅動，其動作速度快、精度高，再加上不使用液壓油，使各項工藝參數不會受到油溫、油質變化的影響，所以在生產過程中具有高穩(wěn)定性。

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

3 在連鑄機上的應用

3.1 應用一：用于中包塞棒自動控制系統(tǒng)

最初，塞棒自動控制采用液壓缸推動塞棒機構實現液面自動控制，由于液壓系統(tǒng)復雜，需要液壓油管，設備投資高，對環(huán)境污染。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，以及伺服電機的成熟應用和價格的大幅度下降，塞棒控制的液壓缸逐步被電動缸取代，現在，液面控制系統(tǒng)上。

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

        塞棒控制系統(tǒng)根據液位檢測系統(tǒng)檢測的液位變化，控制伺服電機的轉動角度帶動滾珠絲杠上下運動，從而推動塞棒的上下運動，調節(jié)中包至結晶器的鋼水流量，控制結晶器內的液位穩(wěn)定，實現恒拉速定液位控制，提高鋼坯的質量。

        3.2 應用二：結晶器非正弦振動

結晶器振動方式有機械式、液壓式。為適應快速發(fā)展的需要，人們對工藝技術提出了更高的要求，電動式非正弦振動技術正是交流伺服技術發(fā)展的產物。電動式以其能實現仿弧振動、同步性好、精確度高、能耗低、維護簡單等特點倍受用戶青睞。
        用大功率數字交流伺服控制技術來實現結晶器非正弦振動，這是世界首創(chuàng)技術。系統(tǒng)完全由計算機軟件產生控制結晶器振動的波形曲線(正弦或非正弦的)，并按照工藝要求通過對函數各個變量取值，結合拉速精確地控制結晶器上下振動，使振動波形保持精確的頻率、振幅、負滑脫時間、正滑脫時間、及波形偏斜率等，最終得到滿足工藝需求的結晶器振動軌跡。
        方坯非正弦振動采用一臺大功率數字伺服電動缸，板坯結晶器采用4臺數字伺服電動缸。如圖2為酒鋼4#和5#板坯結晶器非正弦振動裝置電動缸的安裝示意圖。電動缸分別安裝在內外弧的兩側，作為動力驅動源，直接同步驅動振動臺振動，位置精確、反應快。

電動缸由上下支承軸固定，下支承軸是固定在振動臺的固定架上，電動缸能繞此軸轉動；上支承軸固定在振動臺的振動架上，可以沿著給定的振動軌跡作弧線振動。內外弧的電動缸由于所在位置的運動弧半徑不同，運動幅度不同，但內外弧的振動頻率和相位相同，即同步上下運動。由于采用伺服電機，控制電機的同步，運動軌跡都易實現。故采用此種安裝方式由電機直接驅動振動臺能實現全弧振動。

電動式非正弦振動系統(tǒng)具有結構簡單，維護方便等獨特的技術優(yōu)勢，尤其是適用于連鑄機改造項目。電動式非正弦振動方式具有以下特點：

a)不需要長距離的機械傳動裝置；

b)只需要連接電纜，不需要液壓站，液壓泵等液壓設備，維護簡單；

c)可在線快速調節(jié)振幅、頻率、振動模式(偏斜率)；

d)實現仿弧振動；

e)可在線檢測振動狀態(tài)。

其主要技術指標見表3。

3.3 應用三：功能結晶器

功能結晶器是以電動缸非正弦為基礎的一項技術。具有實現高效鑄鋼的結晶器非正弦振動、并對鋼水液面自動控制、電磁攪拌、自動加保護渣、漏鋼預報(板坯)等功能全面優(yōu)化。采用先進的大功率數字伺服電動機作為結晶器振動裝置的驅動源，實現。