交流伺服運動控制的技術特點及其在連鑄機上的應用

1 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(chǎn)品。為了適應數(shù)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(shù)字式交流伺服電機作為驅動源。數(shù)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(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角度，產(chǎn)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(shù)字式交流伺服電機，全數(shù)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(xiàn)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(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(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象， 停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)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(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)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(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)和快速應答反應，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(jù)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(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 技術特點 2.2.1 交流伺服運動控制的技術數(shù)據(jù)見表2。 表2　 技術數(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 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(shù)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(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(shù)不會受到油溫、油質變化的影響，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(xiàn)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(xiàn)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(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(xiàn)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(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來實現(xiàn)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(chǎn)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(shù)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(shù)字伺服電動缸，板坯結晶器采用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(xiàn)。故采用此種安裝方式由電機直接驅動振動臺能實現(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(xiàn)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。 表3　 主要技術指標 序號 項目 指標 1 2 3 4 5 6 7 8 9 振幅 振動頻率 偏斜率 振動波形 振動的縱向偏差 振動的橫向偏差 振幅偏差 相位偏差值 電動缸定位精度 0-10mm在線可調 0-400cpm在線可調 0-40％可調 正弦或非正弦曲線 ≤0.15mm ≤0.15mm 全行程偏差≤±0.2mm ≤±0.8 0.005mm 　 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(xiàn)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(shù)字伺服電動機作為結晶器振動裝置的驅動源，實現(xiàn)<