非晶納米晶成套設(shè)備保溫包調(diào)高控制設(shè)計

賈德利，張海濤，朱寧樂，羅 冉，于大孚

（1.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院，哈爾濱 150080；3.Groupe Cockerill Maintenance & Ingenierie，哈爾濱 150080）

0 引言

非晶納米晶是一種有別于晶態(tài)合金的完全各向同性的材料。非晶態(tài)金屬具有晶態(tài)金屬難以達到的高強度、高硬度、高延展性、優(yōu)異軟磁性能、高耐蝕性及優(yōu)異的電性能。非晶納米晶軟磁合金主要應(yīng)用于大功率電源變壓器、開關(guān)電源中的變壓器、扼流圈、平波電抗，以及漏電開關(guān)鐵芯等[1]。隨著電力電子和電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，非晶納米晶合金得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，其生產(chǎn)制備也不斷走向產(chǎn)業(yè)化，規(guī)?；７蔷Ъ{米晶的生產(chǎn)方法和制備工藝也在不斷創(chuàng)新和優(yōu)化。結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外非晶納米制備領(lǐng)域的先進技術(shù)，國內(nèi)的非晶納米晶生產(chǎn)設(shè)備綜合機械、氣動、光電、計算機控制等技術(shù)于一體，自動化程度高。

本文在分析了工藝流程和電氣控制方案基礎(chǔ)上，針對非晶納米晶成套設(shè)備中保溫包調(diào)高運動控制困難，導(dǎo)致非晶納米晶產(chǎn)出帶材噴帶寬度、厚度等質(zhì)量指標較低這一工程問題，本文開展了相關(guān)的研究工作，設(shè)計基于電子齒輪比控制器，所實現(xiàn)的伺服全閉環(huán)控制分別由PLC、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、編碼器速度脈沖反饋、光柵尺位移脈沖反饋等硬件平臺構(gòu)成[2～4]。解決保溫包調(diào)高運動系統(tǒng)中的伺服定位精度，響應(yīng)速度快等性能要求[5～7]。

1 非晶納米晶制備工藝分析

1.1 工藝分析

結(jié)合國內(nèi)外的非晶納米帶材的制備方法，設(shè)計一套基于“非晶晶化法”的制備工藝，如圖1所示，其生產(chǎn)設(shè)備包括機械本體部分、真空爐系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)；生產(chǎn)工藝包含四個階段：前期準備、抽真空、保溫加熱及噴帶生產(chǎn)。

圖1 非晶納米晶成套設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

圖2 保溫包系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

后三個階段工藝流程：系統(tǒng)工作開始時，啟動主程序，進行爐體抽真空操作，真空熔室達到設(shè)定的真空度5×10-2Pa后啟動坩堝加熱母合金，當(dāng)鋼水溫度到達噴帶溫度1350℃后，這時啟動噴帶系統(tǒng)，坩堝開始傾倒鋼水進入保溫包，保溫包同時從原點迅速下降定位到噴帶位置處，鋼水經(jīng)保溫包再從下方的陶瓷噴嘴噴出，在高速旋轉(zhuǎn)的銅棍和剝離氣體作用下完成非晶甩帶操作，噴帶結(jié)束后，保溫包自動上臺至原點位置處，系統(tǒng)結(jié)束工作。如圖2所示為保溫包系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，銅棍為保溫包調(diào)高的基準。

1.2 保溫包運動系統(tǒng)控制要求

1）在系統(tǒng)開始工作時，要求手動調(diào)節(jié)保溫包位置從原點處向下到達合適的噴帶位置，同時記錄下當(dāng)前位置。

2）主程序開始運行時，保溫包自動上移至原點，時間要控制在20s內(nèi)（保溫包行程是100mm）。

3）在噴帶系統(tǒng)啟動時，保溫包從原點迅速下降到最初記錄的噴帶位置處，要求時間控制在10s內(nèi)。

4）在噴帶過程中要實現(xiàn)保溫包的手動同步微調(diào)和單側(cè)的升降，要求點動精度為1μ m。

以上是完整的噴帶階段保溫包運動過程，每一步無論是自動還是手動，還要求保溫包升降速度可調(diào)。

2 保溫包調(diào)高運動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 運動控制系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求和性能指標，設(shè)計了全閉環(huán)伺服系統(tǒng)作為控制核心，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。采用兩套左右伺服電機帶動保溫包做軌跡運動，通過絲杠將電機的圓周運動變成保溫包在工作臺面上的直線運動，采用左右兩套伺服驅(qū)動器接收編碼器的速度脈沖信號和主控器件PLC的脈沖驅(qū)動信號。在伺服系統(tǒng)的速度控制單元中設(shè)計速度檢測裝置，接受編碼器脈沖信號反饋，進行速度的控制調(diào)節(jié)。在位置控制單元中設(shè)計位置計數(shù)裝置，檢測位移傳感器的位置脈沖信號，進行保溫包位置的調(diào)節(jié)和定位。

圖3 單套全閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）基于電子齒輪比伺服位置環(huán)設(shè)計

在保溫包運動控制中，一是涉及到保溫包的高速定位，到噴帶位置有10s的時間限制，要精確的計算一個合理的脈沖頻率，考慮到PLC發(fā)送脈沖的晶體管頻率限制，以及發(fā)揮伺服電機的額定轉(zhuǎn)速等，必須要引入電子齒輪比這個調(diào)整參數(shù)；二是在進行保溫包位置μm級微調(diào)的點位控制時，實現(xiàn)點動1μ m的動作，可以通過電子齒輪比的設(shè)定，計算出PLC發(fā)多少個脈沖給驅(qū)動器，使得保溫包在工作臺面上走1μ m的位移，即通過改變電子齒輪比參數(shù)，可計算輸出控制量，進一步通過PLC發(fā)送脈沖的頻率和個數(shù)實現(xiàn)伺服電機的轉(zhuǎn)速和角位移的控制。如圖4所示為引入電子齒輪比后的PLC脈沖命令控制下的驅(qū)動器工作模式。

(1)引導(dǎo)學(xué)生自主提問評估，理清問題思維.在對物理知識進行學(xué)習(xí)時，由于物理學(xué)科需要較強的邏輯思維，因此學(xué)生的發(fā)散思維在物理學(xué)習(xí)過程中起著重要的作用.因此在物理學(xué)習(xí)中作為教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生善于提出疑問、進行自我提問、進行自我評估.這樣學(xué)生不僅能夠理解題意、剖析題意，更能從深層次掌握該題的內(nèi)涵，從而具有清晰的解題思路，提高解題效率.

圖4 伺服位置環(huán)控制原理

2）光柵尺的位移反饋設(shè)計

如圖3所示，PLC發(fā)送的脈沖命令經(jīng)電子齒輪的換算來實現(xiàn)伺服電機動作的位移和轉(zhuǎn)速，然后在位置單元引入光柵尺位置信號的脈沖反饋。主要是基于兩個原因，一是引入電子齒輪后，雖可提高系統(tǒng)的響應(yīng)，但當(dāng)電子齒輪比設(shè)置值較大時，每個脈沖對應(yīng)的位移越大，犧牲了調(diào)整精度等級，為了彌補引入電子齒輪比后造成定位精度和速度間的矛盾，在伺服位置控制單元中采用光柵尺脈沖信號計數(shù)器，提高系統(tǒng)中的定位精度；二是引入光柵尺構(gòu)成了伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)控制。利用電機編碼器所反饋的信號只能構(gòu)成半閉環(huán)控制，系統(tǒng)無法反饋回路外的誤差；而采用光柵尺構(gòu)建全閉環(huán)控制時，將以操作臺的最終位置為目標，從而消除了進入傳動系統(tǒng)的全部誤差，可有效地保障了定位精度。

2.2 運動控制系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

針對保溫包調(diào)高運動控制系統(tǒng)實際生產(chǎn)要求設(shè)計并完成其硬件平臺。主控單元采用臺達EH3系列PLC，脈沖輸出頻率最高達200kHz，配合電子齒輪比完全可實現(xiàn)伺服電機高速的脈沖頻率要求，該系列PLC具有4個硬件高速計數(shù)器，可對光柵尺的脈沖計數(shù)輸入進行數(shù)據(jù)采集與高速處理；采用兩套左右伺服電機（0.85kW，SGMGH-09A2C4C）帶動保溫包做軌跡運動，通過絲杠將電機的圓周運動變成保溫包在工作臺面上的直線運動，用左右兩套伺服驅(qū)動器接收編碼器的速度脈沖信號和主控器件PLC的脈沖驅(qū)動信號。PLC的高速晶體輸出端為Y0、Y2分別接入左右伺服驅(qū)動器，Y1、Y3為控制左右電機正反轉(zhuǎn)信號。編碼器是分辨率為1280000P/R的絕對式光電編碼盤，經(jīng)4倍頻電路使用。采用雙側(cè)高精度光柵尺作為位移傳感器反饋保溫包位置信號，光柵尺精度為1μ m。圖5為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理。

圖5 保溫包調(diào)高運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 基于電子齒輪比控制器的設(shè)計

1） 電子齒輪比的計算分析

運動系統(tǒng)中采用的編碼器分辨率為1280000P/R的絕對式光電編碼盤，并且經(jīng)4倍頻電路使用，當(dāng)指令脈沖當(dāng)量 ΔPg與反饋脈沖當(dāng)量 ΔPf不匹配時，須采用電子齒輪系數(shù)Kp來指令脈沖當(dāng)量與反饋當(dāng)量的匹配和跟隨。有如下公式：

臺達A2系列伺服的電子齒輪比范圍1/50≤Kp≤5000。可在驅(qū)動器中設(shè)置電子齒輪比的分子CMX和電子齒輪比分母CDV，即：

則式(1)可變?yōu)椋?/p>

式中CMX也即電子齒輪比的分子可看成指令脈沖的電子齒輪系數(shù)，而CDV電子齒輪比的分母可看成反饋脈沖的電子齒輪系數(shù)，存在以下兩種情況。

（1）電子齒輪比對脈沖頻率的跟蹤模式

在此模式下，伺服電機的速度由PLC發(fā)送的指令脈

沖的頻率決定，其轉(zhuǎn)速v(r/min)和輸入脈沖頻率fin(Hz之間的關(guān)系如下：

通過設(shè)置電子齒輪比，可在同一個輸入脈沖頻率下獲得不同的電機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

（2）電子齒輪比對脈沖個數(shù)的跟蹤模式

這種情況下，輸入的脈沖個數(shù)N決定于電機聯(lián)接的絲杠導(dǎo)軌的實際位移行程，其工作臺面上的位移L與輸入脈沖個數(shù)N由如下關(guān)系：

由于電機轉(zhuǎn)動一圈對應(yīng)的機械位移也即導(dǎo)軌的螺紋間距ΔL和反饋脈沖當(dāng)量以及編碼器分辨率有如下關(guān)系：

綜合式(2)、式(5)、式(6)式可得：

通過設(shè)定CMX和CDV可以在相同的脈沖輸入個數(shù)下獲得不同的絲杠導(dǎo)程位移。

2）電子齒輪比控制器的實現(xiàn)

根據(jù)保溫包調(diào)高系統(tǒng)的每一個運動控制階段的要求，需計算出相應(yīng)的電子齒輪參數(shù)，再進行伺服驅(qū)動器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，進而計算PLC在保溫包每個運動步驟需要發(fā)送的脈沖頻率和個數(shù)；運動控制過程中根據(jù)編碼器的速度脈沖和光柵尺反饋的脈沖信號進行PLC的數(shù)據(jù)采集設(shè)置和軟件程序的數(shù)據(jù)處理?；陔娮育X輪比的PLC-伺服驅(qū)動的控制器設(shè)計中需引入必要物理參數(shù)，如表1所示。

表1 控制器中物理參數(shù)

伺服運動控制系統(tǒng)中的已知參量是編碼器線數(shù)（反饋線數(shù)）為20bit，經(jīng)4倍頻電路使用，分辨率為1280000P/R。絲杠導(dǎo)軌的螺紋間距為5mm，保溫包最大行程距離S為100mm。伺服電機的額定轉(zhuǎn)速v=3000r/min。

由已知參數(shù)可求出伺服電機的反饋脈沖當(dāng)量為：

計算出指令脈沖當(dāng)量，若PLC發(fā)送N為10個脈沖時，使保溫包位移1um的距離，則指令脈沖當(dāng)量ΔLg為0.1um/p。此時，電子齒輪比CMX/CDV為ΔLg/ΔLf=128/5。

在保溫包運動過程的第2段和第3段分別要求上臺至原點的時間為20s，下降至噴帶處時間為10s。根據(jù)編碼器的速度脈沖反饋，做好在電子齒輪比下的指令脈沖速度和反饋速度的匹配。保溫包行程最大距離S=100mm，由于PLC每次發(fā)送10個脈沖走1 μ m，那么需要在20s內(nèi)連續(xù)發(fā)送106個脈沖，此時暫且忽略PLC軟件程序的掃面時間，可計算得脈沖頻率為50kHz。同理，在保溫包高速下降到噴帶位置處的脈沖頻率為100kHz。

根據(jù)計算的電子齒輪比設(shè)置驅(qū)動器的P1-44、P1-45參數(shù)以及P2-00、P2-02等位置控制增益參數(shù)[8]；采用臺達PLC的高速脈沖指令PLSY輸出相應(yīng)的脈沖頻率和脈沖個數(shù)。

光柵尺的計數(shù)輸入環(huán)節(jié)采用2相2輸入的AB相4倍頻模式，光柵尺的四路信號A、B、R、S，其中A、B相脈沖信號輸出，分別接入PLC高速計數(shù)單元的X0、X1或X4、X5。開始時輸入信號S和清除輸入信號R分別接入PLC的X2、X3或X6、X7?？蓪崿F(xiàn)脈沖信號的采集，利用PLC的程序計數(shù)作為機械部件當(dāng)前位置的判斷條件，觸發(fā)PLC的指令脈沖輸出，從而完成一次動作或是連續(xù)發(fā)送脈沖進行軌跡運動。

3 實驗及分析

本文對引入電子齒輪比前后的伺服點動精度和響應(yīng)速度進行重復(fù)性確認實驗和數(shù)據(jù)對比分析，并得到保溫包的定位過程曲線，如圖6所示，為保溫包在空載情況下1s內(nèi)的定位過程?？梢钥吹剿欧亩ㄎ贿^程平穩(wěn)，位置響應(yīng)無超調(diào)。

圖6 保溫包的定位過程

下面給出引入電子齒輪比前后的伺服點動精度和定位時間的5次實驗數(shù)據(jù)。對于點動精度數(shù)據(jù)的獲取是通過PLC軟件程序?qū)鈻懦呙}沖計數(shù)的監(jiān)測，已知選用的光柵尺精度為1μ m，理論上保溫包在直線位移上每行進1μ m，光柵尺計一個數(shù)，通過按下點動按鈕20次，累計脈沖計數(shù)N，點動精度用N/20來計算。對于伺服的響應(yīng)速度可以用保溫包從原點到噴帶位置的定位時間來表示，啟動定位同時觸發(fā)PLC程序計數(shù)器，達到位置時計數(shù)結(jié)束，通過計數(shù)累加值換算成定位時間數(shù)據(jù)。如表2所示的5組實驗數(shù)據(jù)。

表2 引入電子齒輪前后的實驗數(shù)據(jù)對比

由表2數(shù)據(jù)可知，引入電子齒輪比后伺服的點動精度增加了一個等級，達到1μm的控制精度，伺服的定位時間明顯縮短到了10s以下，通過對實驗數(shù)據(jù)分析，引入電子齒輪比后，伺服點動精度提高到1μm的控制要求，伺服的定位時間穩(wěn)定在10s內(nèi)，響應(yīng)速度快，伺服的定位過程沒有位置超調(diào)，平穩(wěn)高效，達到設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文分析了非晶納米晶的制備工藝，提出并完成了基于電子齒輪比控制器的設(shè)計，在位置環(huán)中引入電子齒輪參數(shù)，位置反饋中加入光柵尺脈沖反饋，速度調(diào)節(jié)中引入編碼器的脈沖頻率反饋，提高了保溫包運動控制中的伺服定位精度，實現(xiàn)了點動微調(diào)精度1μ m，達到了伺服的高動態(tài)響應(yīng)速度，完成了伺服定位過程的位置響應(yīng)無超調(diào)控制。

[1] 胡超,李維火,潘友亮.非晶/納米晶磁粉芯的熱壓制備工藝探究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(01):25-28.

[2] 梅許文,劉鵬.一種自動過數(shù)平臺的伺服定位方法研究與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2015(01):112-114.

[3] 叢爽,李澤湘.實用運動控制技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:143-155.

[4] 韓紹民,趙慶志,劉世忠,等.數(shù)控機床電子齒輪傳動比計算方法及其機械性能研究[J].裝備制造技術(shù),2014(03):34-36.

[5] 高菲.高精度全閉環(huán)伺服系統(tǒng)研究[D].青島大學(xué).碩士,2008(04):18-29.

[6] 涂雪飛,易傳云,鐘瑞齡,等.基于光柵尺的數(shù)控機床定位精度和重復(fù)定位精度檢測[J].機械與電子,2012(04):32-34.

[7] 高榮.電子齒輪在數(shù)控機床中的應(yīng)用[J].機床與液壓,2007(06):245-245.

[8] 吳康.工業(yè)設(shè)備中新型AC伺服電動機/驅(qū)動器技術(shù)特征與應(yīng)用[J].伺服控制,2010(01):45-48.