工控網首頁
>

應用設計

>

交流伺服運動控制的技術特點及其在連鑄機上的應用

交流伺服運動控制的技術特點及其在連鑄機上的應用

2007/9/25 13:37:00
1 前言   運動控制技術發展的趨勢是: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展趨勢,運動控制系統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定性,更強的對惡劣環境適應能力。所以伺服電機廣泛應用于飛機、衛星、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被廣泛推廣應用,如機械、冶金、化工、輕工等工業領域,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定性,更強的對惡劣環境適應能力,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 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。   交流伺服驅動系統為閉環控制,驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣,內部構成位置環和速度環,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越的性能   性能穩定。液壓伺服運動控制各項動態技術參數受到液壓油溫變化的影響,容易發生波動。相比之下,交流伺服運動控制的各項動態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上才能真正體現出來;   節能。節能是交流伺服運動控制最大的優勢。由于伺服電機根據各執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,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。   優化工作環境。由于不使用液壓油,可使工作環境保持清潔,機器的噪音可比液壓伺服運動控制低lOdB以上。在優化工作環境的同時,由于液壓伺服運動控制系統的取消,使交流伺服運動控制系統占地面積節省了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定性,對惡劣環境適應能力強,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,適應冶金工業生產環境。   (3)節省能源,降低生產成本。由于伺服電機根據各執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節能25%~60%。   (4)控制具有高應答性以及穩定性,動作的重復精度高。由于電動伺服系統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定性。   (5)保證工作環境的清潔性及安全性。由于電動伺服系統不使用工作油,從而不會出現由于機械漏油所帶來的環境污染,并且能大大降低火災發生的可能性。 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   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,由于液壓系統復雜,需要液壓油管,設備投資高,對環境污染。由于環保和節能的需要,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的原理框圖。  
    塞棒控制系統根據液位檢測系統檢測的液位變化,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,調節中包至結晶器的鋼水流量,控制結晶器內的液位穩定,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,這是世界首創技術。系統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具有結構簡單,維護方便等獨特的技術優勢,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。   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<
投訴建議

提交

查看更多評論
其他資訊

查看更多

超越傳統直覺,MATLAB/Simulink助力重型機械的智能化轉型

新大陸自動識別精彩亮相2024華南國際工業博覽會

派拓網絡被Forrester評為XDR領域領導者

智能工控,存儲強基 | ??低晭砭手黝}演講

展會|Lubeworks路博流體供料系統精彩亮相AMTS展會