交流伺服运动控制的技术特点及其在连铸机上的应用

1 前言 　 运动控制技术发展的趋势是：电动逐步取代液压或机械，交流伺服将逐步取代直流步进产品。为了适应数字控制技术的发展趋势，运动控制系统中将广泛采用全数字式交流伺服电机作为驱动源。数字式交流伺服电机精度为1048576个脉冲/转，响应速度500微秒，伺服电机比步进电机具有更高的控制精度和稳定性，更强的对恶劣环境适应能力。所以伺服电机广泛应用于飞机、卫星、航天飞机、火箭等军用高端自动化设备上，是国际上高端传动技术领域应用最先进的驱动方式。近几年，基于电动缸突出的性能和高可靠性的技术特点，电动缸也逐渐在民用工业被广泛推广应用，如机械、冶金、化工、轻工等工业领域，在连铸机上应用电动缸驱动方式的设备越来越多。 2 交流伺服运动控制的技术原理与技术特点 2.1 技术原理 　 交流伺服运动控制由伺服驱动器、伺服电机、伺服驱动器与伺服电机之间的连接电缆和传动机构(滚珠丝杆、滚柱丝杆或传动齿轮)组成。电动缸由数字式伺服电机和推杆组成，数字脉冲的个数控制伺服电机的旋转角度，产生推杆的直线位移，由此带动负载的升降或水平移动，从而驱动物体运动。 　 (1)伺服电机。采用数字式交流伺服电机，全数字控制，精度为1048576个脉冲/转，响应速度500微秒，重量轻，免维护。伺服电机比步进电机具有更高的控制精度和稳定性，更强的对恶劣环境适应能力，更长的寿命，但相应的价格也要高一些。伺服电机完全消除了步进电机的失步现象，满足了更高的精度要求。伺服电机与步进电机的区别见表1。 表1　 伺服电机与步进电机比较: 功　 能 步进电机 伺服电机 低频特性 低速时易出现振动现象 低速时运行平稳 过载性能 不具有过载能力 具有较强的过载能力 　 　 运行性能 　 　 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象， 停止时转速过高易出现过冲的现象。 　 交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 　 速度响应 　 性能 　 步进电机从静止加速到工作转速(一般为 每分钟几百转)需要200～400毫秒。 　 　 交流伺服系统的加速性能较好，一般从静止加速到其额定转速2000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 　 矩性特性 　 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。 交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 控制精度 一般 高 　 　 (2)交流伺服运动控制有比液压伺服运动控制更优越的性能 　 性能稳定。液压伺服运动控制各项动态技术参数受到液压油温变化的影响，容易发生波动。相比之下，交流伺服运动控制的各项动态技术参数基本上没有外界因素的干扰，电脑储存的运动参数始终符合实际运动要求，所以运动性能稳定。精确的运动控制参数和快速应答反应，只有在伺服电机系统上才能真正体现出来； 　 节能。节能是交流伺服运动控制最大的优势。由于伺服电机根据各执行机构所需力的要求直接进行驱动，不但提高了效率，而且提高了能量利用率，其能量的利用率可达到95％以上，以酒钢4#板坯和5#板坯电动非正弦振动为例，振动系统改造前为机械式四偏心轮结构，电机功率为57kW，采用交流伺服运动控制技术改造后，振动系统输入的功率不到5kW，而酒钢200万吨的板坯振动采用液压伺服运动控制系统，功率为275kW。 　 多机同步性好，响应速度快。伺服电机的应用，提高了系统的反应性。以酒钢4#板坯和5#板坯电动非正弦振动为例，每个板坯振动台采用四个交流伺服电动缸，分布在板坯振动台的四个角，由于酒钢的4#板坯和5#板坯是弧形连铸机，根据弧半径和电动缸的安装距离分别设定内外弧电动缸的振幅，在每个振动周期，四个电动缸作同步运动，也就是四个电动缸同时由设定的振动最高点下降，同时达到设定的振动最低点，再上升同时达到最高点，由于伺服电机有高速响应的性能，因此在线调整结晶器振动的频率和振幅就非常简单了，只需要通过计算机设定参数就可以。 　 优化工作环境。由于不使用液压油，可使工作环境保持清洁，机器的噪音可比液压伺服运动控制低lOdB以上。在优化工作环境的同时，由于液压伺服运动控制系统的取消，使交流伺服运动控制系统占地面积节省了15％。 2.2 技术特点 2.2.1 交流伺服运动控制的技术数据见表2。 表2　 技术数据： 伺服电机功率 从几十瓦至42.5 kW 滚珠或滚柱丝杠行程 0～2000mm 数字伺服电机精度 最高1048576个脉冲/转 控制定位精度 ±0.0lmm 响应时间 500us 推力 可达330吨 最大动作速度 可达6000转/分钟 　 2.2.2 技术特点 　 (1)全数字控制，精度为1048576个脉冲，响应速度500微秒，重量轻，免维护。伺服电机具有很高的控制精度和稳定性，对恶劣环境适应能力强，有更高的使用寿命。 　 (2)整个交流伺服运动控制结构简单，重量轻，响应速度快，控制精度高，不需要液压油管，安装方便，抗高温，抗振动，适应冶金工业生产环境。 　 (3)节省能源，降低生产成本。由于伺服电机根据各执行机构所需力的要求直接进行驱动，不但提高了效率，而且提高了能量利用率，其能量的利用率可达到95％以上，因此可比液压振动系统节能25％～60％。 　 (4)控制具有高应答性以及稳定性，动作的重复精度高。由于电动伺服系统的各项动作均由伺服马达来驱动，其动作速度快、精度高，再加上不使用液压油，使各项工艺参数不会受到油温、油质变化的影响，所以在生产过程中具有高稳定性。 　 (5)保证工作环境的清洁性及安全性。由于电动伺服系统不使用工作油，从而不会出现由于机械漏油所带来的环境污染，并且能大大降低火灾发生的可能性。 3 在连铸机上的应用 3.1 应用一：用于中包塞棒自动控制系统 　 最初，塞棒自动控制采用液压缸推动塞棒机构实现液面自动控制，由于液压系统复杂，需要液压油管，设备投资高，对环境污染。由于环保和节能的需要，以及伺服电机的成熟应用和价格的大幅度下降，塞棒控制的液压缸逐步被电动缸取代，现在，液面控制系统上。 　 已很少采用液压缸。上世纪90年代，全数字控制的高性能电动伺服系统实现了商品化，法国Sert公司首先推出了用于塞棒控制的电动伺服致动器，之后不到十年时间，塞棒数控已完成了从液压伺服控制向电动伺服控制转变的过程。如图1为塞棒自动控制系统的原理框图。 　 　 　 塞棒控制系统根据液位检测系统检测的液位变化，控制伺服电机的转动角度带动滚珠丝杠上下运动，从而推动塞棒的上下运动，调节中包至结晶器的钢水流量，控制结晶器内的液位稳定，实现恒拉速定液位控制，提高钢坯的质量。 3.2 应用二：结晶器非正弦振动 　 结晶器振动方式有机械式、液压式。为适应快速发展的需要，人们对工艺技术提出了更高的要求，电动式非正弦振动技术正是交流伺服技术发展的产物。电动式以其能实现仿弧振动、同步性好、精确度高、能耗低、维护简单等特点倍受用户青睐。 　 用大功率数字交流伺服控制技术来实现结晶器非正弦振动，这是世界首创技术。系统完全由计算机软件产生控制结晶器振动的波形曲线(正弦或非正弦的)，并按照工艺要求通过对函数各个变量取值，结合拉速精确地控制结晶器上下振动，使振动波形保持精确的频率、振幅、负滑脱时间、正滑脱时间、及波形偏斜率等，最终得到满足工艺需求的结晶器振动轨迹。 　 方坯非正弦振动采用一台大功率数字伺服电动缸，板坯结晶器采用4台数字伺服电动缸。如图2为酒钢4#和5#板坯结晶器非正弦振动装置电动缸的安装示意图。电动缸分别安装在内外弧的两侧，作为动力驱动源，直接同步驱动振动台振动，位置精确、反应快。 　 　 　 电动缸由上下支承轴固定，下支承轴是固定在振动台的固定架上，电动缸能绕此轴转动；上支承轴固定在振动台的振动架上，可以沿着给定的振动轨迹作弧线振动。内外弧的电动缸由于所在位置的运动弧半径不同，运动幅度不同，但内外弧的振动频率和相位相同，即同步上下运动。由于采用伺服电机，控制电机的同步，运动轨迹都易实现。故采用此种安装方式由电机直接驱动振动台能实现全弧振动。 　 电动式非正弦振动系统具有结构简单，维护方便等独特的技术优势，尤其是适用于连铸机改造项目。电动式非正弦振动方式具有以下特点： 　 a)不需要长距离的机械传动装置； 　 b)只需要连接电缆，不需要液压站，液压泵等液压设备，维护简单； 　 c)可在线快速调节振幅、频率、振动模式(偏斜率)； 　 d)实现仿弧振动； 　 e)可在线检测振动状态。 　 其主要技术指标见表3。 表3　 主要技术指标 序号 项目 指标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 振幅 振动频率 偏斜率 振动波形 振动的纵向偏差 振动的横向偏差 振幅偏差 相位偏差值 电动缸定位精度 0-10mm在线可调 0-400cpm在线可调 0-40％可调 正弦或非正弦曲线 ≤0.15mm ≤0.15mm 全行程偏差≤±0.2mm ≤±0.8 0.005mm 　 3.3 应用三：功能结晶器 　 功能结晶器是以电动缸非正弦为基础的一项技术。具有实现高效铸钢的结晶器非正弦振动、并对钢水液面自动控制、电磁搅拌、自动加保护渣、漏钢预报(板坯)等功能全面优化。采用先进的大功率数字伺服电动机作为结晶器振动装置的驱动源，实现<