伺服控制系統(tǒng)在管排鋸中的應(yīng)用

董 波，佟 冰，區(qū)興華，曹永恒，趙鋒輝，商亞丹

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

管排鋸設(shè)備是用于將矯直后成排的毛坯鋼管進行鋸頭、鋸尾、鋸定尺。管排鋸具有效率高、精度高、自動化程度高、生產(chǎn)節(jié)奏快、智能化等特點。隨著國內(nèi)外市場對無縫鋼管成品的長度偏差量、管頭端面的質(zhì)量及粗糙度等要求不斷提高。生產(chǎn)廠家對管排鋸電氣控制系統(tǒng)的實時動態(tài)響應(yīng)和位置精度要求極高，因此管排鋸長期依賴進口。

中國重型機械研究院有限公司為巨能特鋼設(shè)計供貨的φ325管排鋸，其主軸進給裝置和定尺擋板裝置控制系統(tǒng)采用了西門子SINAMICS伺服控制器，完全達到了設(shè)備的工藝要求，實現(xiàn)了管排鋸的國產(chǎn)化。

1 管排鋸伺服控制系統(tǒng)的組成與特點

管排鋸電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

伺服控制系統(tǒng)是整個管排鋸電氣控制系統(tǒng)的核心，由電源模塊、電機模塊、控制單元模塊、伺服電機等硬件組成。管排鋸中由伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動的定尺裝置和主鋸進給裝置能否精確運行，直接關(guān)系著最終產(chǎn)品的質(zhì)量——即成品鋼管長度偏差量、管頭端面的質(zhì)量及粗糙度。

1.1 電源模塊和電機模塊

電源模塊即整流/回饋單元，將三相交流電整流成直流電，供給電機模塊。如果鋼管生產(chǎn)車間電網(wǎng)不穩(wěn)定，電源模塊能自動補償電網(wǎng)的波動，增強了管排鋸工作可靠性和安全性;較高和穩(wěn)定的直流母線電壓也進一步保證了尺擋板定位電機和主軸箱進給定位電機運行的穩(wěn)定性，提高了電機的利用率。電機模塊即逆變單元，將直流電逆變成驅(qū)動伺服電機的三相交流電。

圖1 管排鋸電氣控制系統(tǒng)圖Fig.1 Electrical control system of tube row saw

這種電源模塊和電機模塊的模塊化組合，實現(xiàn)了回饋制動的功能。在制動過程中，多余電能被反饋到電網(wǎng)中，在保證良好制動性能的同時，比傳統(tǒng)的能耗制動方式節(jié)電。

1.2 控制單元模塊和伺服電機

控制單元模塊是伺服驅(qū)動系統(tǒng)的處理中心，負責控制和協(xié)調(diào)整個驅(qū)動系統(tǒng)中的所有模塊，完成各軸的電流環(huán)、速度環(huán)甚至位置環(huán)的控制。該系統(tǒng)的控制單元模塊是數(shù)字式控制系統(tǒng)，能滿足對驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、速度設(shè)定范圍和旋轉(zhuǎn)精度的最高要求。除了傳統(tǒng)的速度和轉(zhuǎn)矩控制等驅(qū)動功能以外，還集成有管排鋸定尺擋板所需的定位功能，從而減輕PLC的運算負擔。

根據(jù)管排鋸功能要求，該控制系統(tǒng)選用內(nèi)置光電編碼器和抱閘模塊的伺服電機。該電機對側(cè)向力有較高抵抗力，能保證主鋸進給速度在開始鋸切時即使有很大的突加性負載也不受影響;伺服電機較高的旋轉(zhuǎn)精度使得排管鋸切面質(zhì)量好;伺服電機高動態(tài)性能大大縮短了管排鋸的非生產(chǎn)時間。而且，該電機擁有很高的防護等級，在金屬鋸屑很多的管排鋸生產(chǎn)線上基本是不用維護的。

管排鋸伺服電機的動力電纜和編碼器電纜是預(yù)先裝配好的，大大簡化了電路連接。這種專用的電纜具有良好的屏蔽作用，即使在電纜敷設(shè)回路附近有強烈的電磁干擾，也能保證伺服電機的精確運行和編碼器信號的準確反饋。

2 進給速度波動較大原因分析

在鋸切過程中觀察發(fā)現(xiàn)，伺服系統(tǒng)定位很準，誤差小于±0.01 mm，但進給伺服電機在向給定位置運行時，進給速度波動較大，誤差在±10 mm/min。而進給速度波動較大則會影響管頭端面的質(zhì)量、粗糙度，更會大大縮短鋸片的使用壽命。

管排鋸的進給過程控制由CPU、伺服控制器、伺服電機和電機內(nèi)置光電編碼器等四部分完成。CPU通過PROFIBUS-DP總線通訊電纜向伺控制單元模塊發(fā)送進給位置和進給速度命令信號，進給位置命令信號經(jīng)過電機模塊驅(qū)動伺服電機。伺服電機內(nèi)置的編碼器向控制單元提供反饋信號來完成伺服系統(tǒng)的位置反饋，組成一個位置閉環(huán)系統(tǒng)，一般將光電碼盤裝在伺服電機非負載軸的軸端上，以避免機械部件振動和變形對位置控制系統(tǒng)產(chǎn)生外部擾動。位置反饋環(huán)中傳感元件——增量式光電編碼器將運動構(gòu)件實時的位移(或轉(zhuǎn)角)變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸?shù)娇刂颇K中進行編碼器脈沖計數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息，控制模塊計算給定位置與實際位置(即反饋到的位置)的偏差后，通過PID控制規(guī)律運算出的參數(shù)，輸出給電機模塊，最終驅(qū)動伺服電機運動，完成期望值的進給定位。另一方面，當進給給定速度與實際速度產(chǎn)生偏差時，伺服控制器會通過電流環(huán)來保證達到目標轉(zhuǎn)矩，使伺服電機加速或減速，實現(xiàn)實際速度和給定速度相等。

對于一個高性能的運動控制系統(tǒng)，必須保證有足夠的剛度，使其在外界干擾的情況下，仍能滿足高精度和穩(wěn)定性。影響系統(tǒng)剛度的因素很多，與伺服系統(tǒng)的增益和負載轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)。針對管排錐進給系統(tǒng)影響其剛度的主要因素有進給軸在起停階段或低速進給時克服運動部件與導(dǎo)軌的摩擦力等，以及進給裝置高速旋轉(zhuǎn)的鋸片接觸管坯時產(chǎn)生的擾動。

引起管排鋸進給速度波動較大的原因:伺服控制模塊自優(yōu)化計算出的PID調(diào)節(jié)器參數(shù)不理想，剛度不夠。因此需要對伺服控制器的參數(shù)進行優(yōu)化、整定，使系統(tǒng)快速、準確地抑制外界擾動，提高系統(tǒng)抗擾動的能力。

3 PID參數(shù)的優(yōu)化及整定

離散化PID控制算式為

式中，k為采樣序號，k=0，1，2…;kp、kI、kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。在實際中，若執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量u(k)的增量u(k)－u(k－1)，根據(jù)遞推原理可得增量式PID控制算式為

式中，Δe(k)=e(k)－e(k－1); Δe(k－1)=e(k－1)－e(k－2)

SINAMICS程序可以進行P值和I值的整定。通過伺服控制模塊自優(yōu)化功能運行計算出PI的參數(shù)與實際工程經(jīng)驗值進行對比。自優(yōu)化時首先在計算得出P值的基礎(chǔ)上，逐次增加0.2 Nm·s/rad，利用仿真軟件模擬各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線;其次在計算得出I值的基礎(chǔ)上，逐次減少5 ms(考慮到整個系統(tǒng)由多個環(huán)節(jié)組成，I=10 ms為極值)，調(diào)試至得到較滿意的響應(yīng)。最后手動修改SINAMICS中的P值和I值參數(shù)，如圖2所示。

圖2 手動修改參數(shù)界面Fig.2 Setting interface of servo parameters

通過對伺服控制器PID參數(shù)手動整定，使進給伺服電機進給速度波動減小，誤差控制在±2 mm/min，而定位精度保持不變。由現(xiàn)場人工記錄的數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖，如圖3和圖4所示，當進給速度設(shè)定360 mm/min，進給量設(shè)定530 mm時，伺服系統(tǒng)動態(tài)性得到改善，提高了系統(tǒng)剛度。

4 結(jié)論

該管排鋸控制系統(tǒng)在巨能特鋼正式生產(chǎn)運行一年多，實踐證明:系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定。整條生產(chǎn)線動態(tài)響應(yīng)和精度滿足用戶要求，隨著操作人員與設(shè)備的磨合，產(chǎn)量和效率還有很大的提高空間。

［1］ 斯克沃爾佐夫．鑲片圓鋸的制造［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1957．

［2］ 李恩光．機電伺服控制技術(shù)［M］．上海:東華大學(xué)出版社，2003．

［3］ 顏嘉男．伺服電機應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:科學(xué)出版社，2010．