交流伺服运动控制的技术特点及其在连铸机上的应用

本文介绍了伺服电动缸的技术原理及技术特点，总结了伺服电动缸在连铸机上的现场实际应用情况、应用意义和经验，为在冶金行业推广以电动伺服运动控制代替液压伺服运动控制技术提供可借鉴的经验。

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。

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。