交流伺服運動控制的技術(shù)特點及其在連鑄機上的應(yīng)用

本文介紹了伺服電動缸的技術(shù)原理及技術(shù)特點，總結(jié)了伺服電動缸在連鑄機上的現(xiàn)場實際應(yīng)用情況、應(yīng)用意義和經(jīng)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(shù)提供可借鑒的經(jīng)驗。

前言

運動控制技術(shù)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(jìn)產(chǎn)品。為了適應(yīng)數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中將廣泛采用全數(shù)字式交流伺服電機作為驅(qū)動源。數(shù)字式交流伺服電機精度為1048576個脈沖/轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度500微秒，伺服電機比步進(jìn)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(yīng)能力。所以伺服電機廣泛應(yīng)用于飛機、衛(wèi)星、航天飛機、火箭等軍用高端自動化設(shè)備上，是國際上高端傳動技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最先進(jìn)的驅(qū)動方式。近幾年，基于電動缸突出的性能和高可靠性的技術(shù)特點，電動缸也逐漸在民用工業(yè)被廣泛推廣應(yīng)用，如機械、冶金、化工、輕工等工業(yè)領(lǐng)域，在連鑄機上應(yīng)用電動缸驅(qū)動方式的設(shè)備越來越多。

2 交流伺服運動控制的技術(shù)原理與技術(shù)特點

2.1 技術(shù)原理

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

(1)伺服電機。采用數(shù)字式交流伺服電機，全數(shù)字控制，精度為1048576個脈沖/轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度500微秒，重量輕，免維護(hù)。伺服電機比步進(jìn)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(yīng)能力，更長的壽命，但相應(yīng)的價格也要高一些。伺服電機完全消除了步進(jìn)電機的失步現(xiàn)象，滿足了更高的精度要求。伺服電機與步進(jìn)電機的區(qū)別見表1。

表1　 伺服電機與步進(jìn)電機比較:

功　 能 步進(jìn)電機 伺服電機

低頻特性 低速時易出現(xiàn)振動現(xiàn)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(jìn)電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，
停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。
交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖的現(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合。

矩性特性
步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，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(shù)參數(shù)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(shù)參數(shù)基本上沒有外界因素的干擾，電腦儲存的運動參數(shù)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(shù)和快速應(yīng)答反應(yīng)，只有在伺服電機系統(tǒng)上才能真正體現(xiàn)出來；

節(jié)能。節(jié)能是交流伺服運動控制最大的優(yōu)勢。由于伺服電機根據(jù)各執(zhí)行機構(gòu)所需力的要求直接進(jìn)行驅(qū)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(dá)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(jié)構(gòu)，電機功率為57kW，采用交流伺服運動控制技術(shù)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(yīng)速度快。伺服電機的應(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(jù)弧半徑和電動缸的安裝距離分別設(shè)定內(nèi)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(shè)定的振動最高點下降，同時達(dá)到設(shè)定的振動最低點，再上升同時達(dá)到最高點，由于伺服電機有高速響應(yīng)的性能，因此在線調(diào)整結(jié)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(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(shù)特點

2.2.1 交流伺服運動控制的技術(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)字伺服電機精度 最高1048576個脈沖/轉(zhuǎn)

控制定位精度 ±0.0lmm

響應(yīng)時間 500us

推力 可達(dá)330噸

最大動作速度 可達(dá)6000轉(zhuǎn)/分鐘

2.2.2 技術(shù)特點

(1)全數(shù)字控制，精度為1048576個脈沖，響應(yīng)速度500微秒，重量輕，免維護(hù)。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(yīng)能力強，有更高的使用壽命。

(2)整個交流伺服運動控制結(jié)構(gòu)簡單，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。由于伺服電機根據(jù)各執(zhí)行機構(gòu)所需力的要求直接進(jìn)行驅(qū)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(dá)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(yīng)答性以及穩(wěn)定性，動作的重復(fù)精度高。由于電動伺服系統(tǒng)的各項動作均由伺服馬達(dá)來驅(qū)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(shù)不會受到油溫、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。由于電動伺服系統(tǒng)不使用工作油，從而不會出現(xiàn)由于機械漏油所帶來的環(huán)境污染，并且能大大降低火災(zāi)發(fā)生的可能性。

3 在連鑄機上的應(yīng)用

3.1 應(yīng)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(gòu)實現(xiàn)液面自動控制，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(yīng)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(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伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了商品化，法國Sert公司首先推出了用于塞棒控制的電動伺服致動器，之后不到十年時間，塞棒數(shù)控已完成了從液壓伺服控制向電動伺服控制轉(zhuǎn)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(jù)液位檢測系統(tǒng)檢測的液位變化，控制伺服電機的轉(zhuǎn)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(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

結(jié)晶器振動方式有機械式、液壓式。為適應(yīng)快速發(fā)展的需要，人們對工藝技術(shù)提出了更高的要求，電動式非正弦振動技術(shù)正是交流伺服技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。電動式以其能實現(xiàn)仿弧振動、同步性好、精確度高、能耗低、維護(hù)簡單等特點倍受用戶青睞。
        用大功率數(shù)字交流伺服控制技術(shù)來實現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動，這是世界首創(chuàng)技術(shù)。系統(tǒng)完全由計算機軟件產(chǎn)生控制結(jié)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(shù)各個變量取值，結(jié)合拉速精確地控制結(jié)晶器上下振動，使振動波形保持精確的頻率、振幅、負(fù)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(jié)晶器振動軌跡。
        方坯非正弦振動采用一臺大功率數(shù)字伺服電動缸，板坯結(jié)晶器采用4臺數(shù)字伺服電動缸。如圖2為酒鋼4#和5#板坯結(jié)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(nèi)外弧的兩側(cè)，作為動力驅(qū)動源，直接同步驅(qū)動振動臺振動，位置精確、反應(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)。故采用此種安裝方式由電機直接驅(qū)動振動臺能實現(xiàn)全弧振動。

電動式非正弦振動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便等獨特的技術(shù)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(shè)備，維護(hù)簡單；

c)可在線快速調(diào)節(jié)振幅、頻率、振動模式(偏斜率)；

d)實現(xiàn)仿弧振動；

e)可在線檢測振動狀態(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)晶器是以電動缸非正弦為基礎(chǔ)的一項技術(shù)。具有實現(xiàn)高效鑄鋼的結(jié)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(hù)渣、漏鋼預(yù)報(板坯)等功能全面優(yōu)化。采用先進(jìn)的大功率數(shù)字伺服電動機作為結(jié)晶器振動裝置的驅(qū)動源，實現(xiàn)。