上引连铸机组中伺服驱动系统的应用

上引连铸机组中伺服驱动系统的应用

陈梅

陈梅（上海电机学院）

摘要：从上引连铸机组控制系统出发，简述上引连铸机组中伺服驱动系统的选择和伺服系统的控制原理。

关键词：上引连铸伺服电机伺服驱动器位置控制

0引言

连铸机组是将液态金属连续转化为金属铸坯的关键设备，上引连铸铜杆是间歇向上牵引实现的，间歇牵引每次动作的升程的节距、间歇牵引的运行停止时间、牵引的速度都会影响连铸铜杆的质量。伺服电机牵引系统，不仅满足了高频率的间歇牵引，节距可根据不同连铸铜杆直径任意调节，而且不会打滑，运行稳定。随着驱动控制技术的发展，数字化技术在驱动产品上的应用，数字式的伺服驱动器可以具有位置闭环功能，即可以接受外部上位机（如PLC）发出的脉冲信号，脉冲信号的频率对应电机的运行速度，脉冲的个数对应电机运转的角度。而且随着电力电子技术的发展，数字式伺服驱动系统产品的价格大幅下降且可靠性也得到了极大提高。因此采用PLC位置控制方式也成为了可能。

1连铸机组简介及伺服驱动系统的选择

1.1硬件模块实际选型兼顾整个系统的成本控制，进行了实物实验，并进行了方案论证，成功地研制开发了直接上引法Φ8mm铜杆生产线，采用了抗干扰能力强、性价比较高的日本富士电机公司的UG221系列触摸屏POD，SPB系列可编程控制器PLC，松下MINASA系列交流伺服系统，VFO超小型变频器等产品组成了整个项目的电气控制系统。很好地解决了能耗、材料消耗及辅助消耗方面的问题，直接从液态铜液连续铸造成Φ8mm的软态无氧铜杆，具有结构简单、技术先进、性能可靠、操作简单、设备利用率高、生产工序简化、投资低、见效快等特点。

1.2伺服驱动系统的选择

1.2.1产品功能和性能指标的比较比较不同品牌的伺服驱动器的特点，从而选择合适的产品。①富士交流伺服系统中的伺服驱动器ES系列，具有电压、位置、转矩控制模式；马达内置编码器，开环控制。②三菱交流伺服系统中的伺服驱动器MR-E系列，具有位置、速度、力矩控制模式；采用脉冲序列能实现各种高精度定位；能轻易实现增益设置；但其匹配的中功率、中惯性HC-SFE系列伺服电机的额定功率最大为2KW，不能满足负载要求。③松下交流伺服系统中的伺服驱动器MINASA系列，具有位置、速度、力矩控制模式；具有共振抑制和控制功能，可弥补机械的刚性不足从而实现高速定位；具有全闭环控制功能，可进一步提高系统精度；有两种自动增益调整方式，常规自动增益调整和实时自动增益调整；匹配的中功率电机的额定功率有（1~5KW），可以满足负载要求。兼顾到定位精度、负载的要求，故选用松下伺服驱动系统，能很好满足铜杆上引运行的工艺要求。

1.2.2选型的依据交流伺服电机驱动系统，带动减速机及其他机械结构（主驱动轴、从动轮等）将十二根铜杆向上牵引，考虑到生产的安全性、可靠性和灵活性，使用两套交流伺服电机驱动系统，选择电机驱动负载要从负载和工艺要求两方面来考虑。①力矩方面：根据主驱动轴的内外径及长度、加减速时间、减速比、电机惯量、效率、运行距离等，使用松下电机选型软件选择伺服电机，再匹配合适的伺服驱动器。选型过程如下：电动机类型选择（根据机械结构选择）伺服电机及驱动器型号的选择（根据惯量和工艺要求等选择）选型最终结果。②生产工艺对伺服电机的要求：电机惯量影响系统的响应时间，3KWMSMA系列伺服电机的惯量很小，仅为6.77*10-4kg·m2。工程上规定负载惯量与电机惯量的比值在（1：5）的范围内就可满足生产工艺的要求，根据客户提供的机械及选型软件，负载惯量与电机惯量的比值在允许的范围内，满足电机转速300rpm时响应时间为2ms的生产工艺要求。

2伺服驱动系统在连铸机组中的控制原理

2.1位置控制在铜杆上引连铸过程中，需要对铜杆实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高，交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度。

MINASA系列交流伺服是全新全数字化（位置、速度、电流三环全数字化）的交流伺服，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部。其次具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性。除以上特点之外，还具有参数自整定的功能，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作，带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。

2.2控制原理

由松下伺服驱动器的位置控制用CNI/F接线图和指令脉冲输入电路集电极开路I/F接线图得出，由两台伺服驱动器控制两台伺服电机上引十二根铜杆。

在位置控制方式下，伺服驱动器接收上位机富士PLC发出的位置指令信号（脉冲/方向），送入脉冲列形态，经电子齿轮分/倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。

3结语

通过触摸屏POD设置工艺运行的参数，再经过PLC的程序运算及处理，输出生产系统所需要的伺服电机的转速与位移量的脉冲串，达到生产工艺的要求。

参考文献：

[1]李宁.伺服系统.南京：江苏理工大学机电学院内部讲义.1994.

[2]张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社.2001.12.

[3]陈隆昌.控制电机.西安：西安电子科技大学出版社.1994.

[4]李永东.交流电机数字控制系统.北京：机械工业出版社.2002.4.