伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證

張順林

（泉州華中科技大學(xué)智能制造研究院，福建 泉州 362000）

0 引言

建筑行業(yè)使用環(huán)保材料已經(jīng)是大勢(shì)所趨，傳統(tǒng)常用的燒結(jié)磚瓦正逐漸被免燒磚塊取代，伺服磚機(jī)生產(chǎn)規(guī)模正在快速擴(kuò)張[1]。國(guó)內(nèi)大多數(shù)伺服磚機(jī)采用一對(duì)（兩個(gè)）偏心塊的振動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩偏心塊相向旋轉(zhuǎn)，其激振力水平方向合力為零，垂直方向合力疊加，實(shí)現(xiàn)垂直方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，通過(guò)控制偏心塊的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)的振幅和頻率。但由于工藝要求，在生產(chǎn)過(guò)程中需要頻繁的在高振幅與零振幅之間切換，振動(dòng)系統(tǒng)需要頻繁的啟停，會(huì)產(chǎn)生大量電能損耗，并減少電機(jī)與變頻器的使用壽命。國(guó)外已采用2對(duì)（4個(gè)）偏心塊振動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制2對(duì)偏心塊的相位差，調(diào)整2對(duì)偏心塊的激振力的合力，達(dá)到改變振幅和頻率的目標(biāo)，解決了頻繁啟停而導(dǎo)致能耗大的問(wèn)題[2，3]。國(guó)內(nèi)引進(jìn)的2對(duì)偏心塊振動(dòng)控制系統(tǒng)均使用4臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，該方案成本很高，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)推廣效果較差。

為了采用2對(duì)偏心塊的振動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，同時(shí)降低硬件成本，本研究基于一種2臺(tái)伺服電機(jī)跟隨1臺(tái)異步電機(jī)的振動(dòng)控制方案，對(duì)振動(dòng)臺(tái)相位跟隨控制和相位差變換控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)了伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)，滿足了相位跟隨控制精度和相位差調(diào)整時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)，有效降低了設(shè)備成本。

1 振動(dòng)臺(tái)工作原理及工藝研究

1.1 工作原理

伺服磚機(jī)通過(guò)振動(dòng)臺(tái)上下振動(dòng)來(lái)振實(shí)磚料，針對(duì)伺服磚機(jī)的工藝需求和1對(duì)偏心塊振動(dòng)方案存在的不足，采用2對(duì)偏心塊的振動(dòng)方案，2對(duì)偏心塊調(diào)振原理[4,5]：將4個(gè)偏心塊（圖1）分成2對(duì)：1#與4#為第1對(duì)組合、2#與3#為第2對(duì)組合，每對(duì)組合均按照1對(duì)偏心塊模型進(jìn)行力的分解與合成，可得式（1）（2）（3）和（4）。

圖1 4個(gè)偏心塊振動(dòng)模型

收稿日期：2022-06-13

基金項(xiàng)目：福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019H4013)

作者簡(jiǎn)介：張順林（1989-），男，湖北黃岡人，碩士，工程師，研究方向：數(shù)控技術(shù).

式中，m為單個(gè)偏心塊的質(zhì)量；e為單個(gè)偏心塊的偏心距；w為偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；γ為第1對(duì)偏心塊中心線與垂直朝上所成的角度。γ∈[0，π]。θ為第2對(duì)偏心塊中心線與垂直朝上所成的角度。θ∈[0，π]。

由式（1）可知，2對(duì)偏心塊的離心力的水平分力合力為零，僅存在垂直方向的合力，符合振動(dòng)臺(tái)上下振動(dòng)的要求。由式（4）可得，2對(duì)偏心塊的激振力大小與γ、θ、w有關(guān)，在轉(zhuǎn)動(dòng)角速度w不變的情況下，調(diào)節(jié)第一對(duì)偏心塊角度與第2對(duì)偏心塊角度的差值（γθ）或者和值（γ+θ），也即相位差關(guān)系，即可控制振動(dòng)臺(tái)振幅的大小。

如圖2所示為第1對(duì)偏心塊與第2對(duì)偏心塊的相位差為180°，2對(duì)偏心塊同步旋轉(zhuǎn)使振動(dòng)臺(tái)振幅為零時(shí)的情景；圖3所示為第1對(duì)偏心塊與第2對(duì)偏心塊的相位差為0°，2對(duì)偏心塊同步旋轉(zhuǎn)使振動(dòng)臺(tái)振幅最大時(shí)的情景；圖4所示為第1對(duì)偏心塊與第2對(duì)偏心塊的相位差約30°（0～180°之間）2對(duì)偏心塊同步旋轉(zhuǎn)使振動(dòng)臺(tái)振幅較小時(shí)的情景。

圖2 2對(duì)偏心塊旋轉(zhuǎn)零振幅

圖3 2對(duì)偏心塊旋轉(zhuǎn)最大振幅

圖4 2對(duì)偏心塊旋轉(zhuǎn)較小振幅

1.2 振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)及控制工藝需求

通過(guò)控制2對(duì)偏心塊的相位差關(guān)系實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)整，克服了采用1對(duì)偏心塊時(shí)電機(jī)頻繁啟停帶來(lái)的電能損耗大的缺陷。但若要控制2對(duì)偏心塊相位差，則在硬件上必須采用伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，4臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)投入的成本較高，為了降低控制系統(tǒng)成本，采用2個(gè)伺服電機(jī)跟隨一個(gè)異步電機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)2對(duì)偏心塊相位差可調(diào)的效果。

由1臺(tái)異步電機(jī)配合1臺(tái)齒輪箱驅(qū)動(dòng)2個(gè)主動(dòng)軸相向旋轉(zhuǎn)（圖5中軸2和軸3），實(shí)現(xiàn)第2對(duì)偏心塊的同步相向轉(zhuǎn)動(dòng)，軸3連接1個(gè)增量式編碼器，反饋主動(dòng)軸位置信號(hào)；由2個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)從動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)（圖5中軸1和軸4），實(shí)現(xiàn)第1對(duì)偏心塊的同步相向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 具有2對(duì)偏心塊的振動(dòng)臺(tái)

振動(dòng)臺(tái)控制工藝流程如下：

（1）振動(dòng)準(zhǔn)備階段

主動(dòng)軸、從動(dòng)軸分別回零，此時(shí)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸間的相位差恰好為180°。

（2）振動(dòng)起始階段

主動(dòng)軸由靜止開始加速，從動(dòng)軸實(shí)時(shí)同步跟隨主動(dòng)軸速度，同時(shí)還需保持主、從動(dòng)軸相位差180°不變，直至主、從動(dòng)軸均達(dá)到設(shè)定的旋轉(zhuǎn)速度。

（3）振動(dòng)變換階段

在1個(gè)生產(chǎn)周期的非振動(dòng)階段，振動(dòng)臺(tái)一直處于靜止?fàn)顟B(tài)；在振動(dòng)階段，根據(jù)砌塊成型工藝設(shè)置，系統(tǒng)控制主、從動(dòng)軸依次由前一時(shí)刻的相位差狀態(tài)，變換到當(dāng)前時(shí)刻的相位差狀態(tài)，從而產(chǎn)生不同振幅的振動(dòng)，完成免燒磚塊的成型工序。

（4）振動(dòng)停止階段

振動(dòng)停止階段與起始階段相似，主動(dòng)軸由當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度減速為零，從動(dòng)軸實(shí)時(shí)同步跟隨主動(dòng)軸速度，同時(shí)控制主、從動(dòng)軸相位差180°不變。

由伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制工藝流程分析可知，振動(dòng)臺(tái)的控制需求為：在系統(tǒng)起始、停止階段和1個(gè)生產(chǎn)周期的非振動(dòng)階段，振動(dòng)臺(tái)保持靜止，在該階段，無(wú)論主動(dòng)軸的速度波動(dòng)如何，從動(dòng)軸實(shí)時(shí)跟隨主動(dòng)軸速度，同時(shí)還需保持主、從動(dòng)軸相位差180°不變，以保證振動(dòng)臺(tái)不產(chǎn)生任何振動(dòng)；在振動(dòng)階段，振動(dòng)臺(tái)根據(jù)砌塊成型工藝設(shè)置的相位差要求，快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)相位差變換，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)振幅調(diào)節(jié)，來(lái)振實(shí)磚料；

根據(jù)伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制工藝需求分析可知，振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)有：相位跟隨控制精度和相位差變換調(diào)節(jié)時(shí)間。參考國(guó)外伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)指標(biāo)要求，振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)為：

（1）相位跟隨控制精度要求高：主、從動(dòng)軸相位差偏差誤差小于±5°；

（2）相位差變換調(diào)節(jié)時(shí)間短：主、從動(dòng)軸完成相位差180°的變換，調(diào)整時(shí)間小于0.2 s。

2 振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

根據(jù)伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制工藝需求分析可知，伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)有：相位跟隨控制精度和相位差變換調(diào)節(jié)時(shí)間。系統(tǒng)起始、停止階段和一個(gè)生產(chǎn)周期的非振動(dòng)階段，振動(dòng)臺(tái)均能保持靜止；在要求起振時(shí)，振動(dòng)臺(tái)快速響應(yīng)進(jìn)行上下振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)靜止到振動(dòng)狀態(tài)的快速切換。

2.1 主、從動(dòng)軸相位跟隨控制技術(shù)

振動(dòng)臺(tái)起始、停止階段，主動(dòng)軸（異步電機(jī)）速度快速上升或下降，通過(guò)編碼器采樣，獲取主動(dòng)軸的速度，實(shí)時(shí)調(diào)整從動(dòng)軸（伺服電機(jī)）的速度。但從采樣主動(dòng)軸速度到從動(dòng)軸的速度調(diào)整完成，需要一定的時(shí)間，因此，從動(dòng)軸的速度跟隨存在滯后性，這會(huì)導(dǎo)致主、從動(dòng)軸的相位差變化，相位跟隨精度差。

針對(duì)該跟隨控制需求，大多采用比例積分微分控制（Proportion Integral Differential Control，簡(jiǎn)稱PID控制）策略，但對(duì)于本設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)特性要求較高的振動(dòng)控制系統(tǒng)，單純的PID控制不能解決其快速性和穩(wěn)定性的矛盾[6]。為了解決這一問(wèn)題，進(jìn)行多次的工程實(shí)踐，然后提出了一種速度前饋結(jié)合改進(jìn)PID的復(fù)合控制策略。

2.1.1 速度前饋控制

前饋控制是指按照外界干擾的大小，提前進(jìn)行相應(yīng)變化調(diào)節(jié)的一種控制方式[7]。前饋控制對(duì)干擾的克服更及時(shí)，響應(yīng)速度更快。由于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)控制的最終執(zhí)行部件是伺服電機(jī)，而從采樣開始到伺服電機(jī)進(jìn)行響應(yīng)的過(guò)程必然存在滯后大、反饋控制不及時(shí)的問(wèn)題。因此，在振動(dòng)控制系統(tǒng)的起始、停止階段采用前饋控制，提前干預(yù)，能夠提高從動(dòng)軸的反應(yīng)速度，保持主、從動(dòng)軸相位跟隨精度。根據(jù)異步電機(jī)的設(shè)定頻率和額定頻率的比值、加速時(shí)間、采樣時(shí)間來(lái)預(yù)測(cè)主動(dòng)軸每個(gè)采樣周期的加速度值，并作為前饋量。

在設(shè)定異步電機(jī)的加速方式為直線型后，采樣其加速階段的速度并經(jīng)濾波處理，（通過(guò)IPC控制器配套的上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣周期4 ms，即相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)間隔4 ms。本研究所有采樣數(shù)據(jù)分析圖橫坐標(biāo)均以采樣點(diǎn)序列來(lái)代替采樣時(shí)間）其加速曲線如圖6所示。由圖可知，異步電機(jī)的加速過(guò)程整體是按照直線遞增。因此，根據(jù)異步電機(jī)的加速特性，計(jì)算異步電機(jī)加速過(guò)程中每個(gè)采樣周期的加速度值，作為前饋控制量，提前設(shè)定為從動(dòng)軸的加速度，對(duì)從動(dòng)軸的速度滯后做補(bǔ)償，減小相位差波動(dòng)，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提升相位跟隨控制精度。

圖6 異步電機(jī)（主動(dòng)軸）加速曲線

2.1.2 改進(jìn)型PID設(shè)計(jì)

從理論上看，如果異步電機(jī)的加速曲線完全按直線遞增，則采用前饋控制算法就能很好地控制主、從動(dòng)軸的速度同步，相位差恒定。由圖6可知，異步電機(jī)加速曲線整體上是遵循直線遞增，但具體觀察每個(gè)采樣點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)速度點(diǎn)并不是按理論的固定增量遞增，增量忽大忽小，存在隨機(jī)性。因此，采用前饋控制能有效地補(bǔ)償從動(dòng)軸速度響應(yīng)的滯后，但還不能達(dá)到主、從動(dòng)軸速度同步，相位差實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制的要求。為獲得更好的控制效果，在前饋控制的基礎(chǔ)上引入PID控制。

PID控制器是一種線性控制器，根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D），線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制[8]。PID控制規(guī)律為：

PID控制具有良好的控制精度和適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛，但并非所有的控制領(lǐng)域均采用同樣的PID控制算法。必須通過(guò)對(duì)控制對(duì)象的特定控制要求的分析，才能設(shè)計(jì)合適的PID控制參數(shù)。針對(duì)振動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度高、跟隨速度快等控制要求，本文在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型PID控制算法。

（1）比例增益Kp

在振動(dòng)臺(tái)起始、停止階段，系統(tǒng)誤差較大，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，則增大比例增益Kp；在振動(dòng)變換階段，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，誤差較小，為了減小系統(tǒng)超調(diào)，則減小比例增益Kp。

（2）積分增益Ki

PID控制算法引入積分環(huán)節(jié)是為了消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。在振動(dòng)臺(tái)起始、停止階段，系統(tǒng)輸出的誤差相對(duì)較大，這就會(huì)造成PID運(yùn)算中積分部分有很大輸出，最終可能引起系統(tǒng)較大超調(diào)和系統(tǒng)振蕩[9]。因此，在振動(dòng)臺(tái)起始、停止時(shí)，切除積分環(huán)節(jié)，避免過(guò)大超調(diào)，又能使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；在振動(dòng)變換階段，加入積分環(huán)節(jié)，保證系統(tǒng)的控制精度。

（3）微分增益Kd

微分環(huán)節(jié)反映了偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，根據(jù)偏差變化趨勢(shì)，提前進(jìn)行過(guò)量控制，具有超前調(diào)節(jié)功能，適用于被控對(duì)象復(fù)雜，控制精度要求高的場(chǎng)合。在振動(dòng)臺(tái)起始、停止階段，引入微分環(huán)節(jié)，改善動(dòng)態(tài)性能，提升主、從動(dòng)軸的速度同步性及相位恒定；在振動(dòng)變換階段，系統(tǒng)較為穩(wěn)定，偏差變化小，則取消微分環(huán)節(jié)。

結(jié)合速度前饋控制和改進(jìn)型PID控制策略，設(shè)計(jì)了前饋控制+改進(jìn)型PID控制算法，算法如式6所示，其中為振動(dòng)臺(tái)起始、停止階段提前預(yù)設(shè)的從動(dòng)軸加速度，作為前饋控制量，Kf為前饋控制修正系數(shù)，K1、K2、K3分別為比例增益、積分增益、微分增益修正系數(shù)。

結(jié)合本節(jié)所述的控制策略，準(zhǔn)確判斷振動(dòng)臺(tái)所處的工藝階段，是實(shí)現(xiàn)算法控制參數(shù)調(diào)節(jié)的前提，本文通過(guò)振動(dòng)臺(tái)工藝控制程序，對(duì)振動(dòng)臺(tái)起始、停止階段進(jìn)行區(qū)別標(biāo)記，以此作為上述修正系數(shù)調(diào)整的判斷條件，控制算法修正系數(shù)具體取值策略如下：

（1）在振動(dòng)臺(tái)起始、停止階段，前饋控制介入，Kf= 1；此時(shí)，系統(tǒng)誤差較大，為提高響應(yīng)速度、避免出現(xiàn)超調(diào)，增大比例環(huán)節(jié)，去掉積分環(huán)節(jié)，加入微分環(huán)節(jié)，PID控制修正系數(shù)取值為：K1=0.8，K2=0，K3=0. 1；

（2）在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)變換階段，跟隨速度基本穩(wěn)定，取消前饋控制，Kf= 0；此時(shí)，系統(tǒng)誤差相對(duì)較小，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制精度，減小比例環(huán)節(jié)，加入積分環(huán)節(jié)，去掉微分環(huán)節(jié)，PID控制修正系數(shù)取值為：K1=0.2，K2=0.1，K3=0。

2.1.3 相位跟隨控制模塊測(cè)試

根據(jù)前饋控制+改進(jìn)型PID控制算法，基于CoDeSys平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了相位跟隨控制模塊，并在伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。圖7是采用PID算法和前饋+PID算法測(cè)試主、從動(dòng)軸相位跟隨的測(cè)試結(jié)果。由圖7可知，僅采用PID算法控制主、從動(dòng)軸相位差基本穩(wěn)定，但是，由于PID是利用偏差進(jìn)行控制，系統(tǒng)存在滯后，使得相位差在主、從動(dòng)軸加速時(shí)有一個(gè)較大的波動(dòng)（±10°），控制效果不夠理想；而采用前饋+PID復(fù)合控制策略明顯減小了系統(tǒng)的超調(diào)量，使得相位差波動(dòng)幅度控制在±5°之間，滿足系統(tǒng)控制精度的要求。

圖7 不同算法的主、從動(dòng)軸相位跟隨采樣

根據(jù)控制要求，將前饋控制和傳統(tǒng)PID反饋的控制策略結(jié)合起來(lái)。由于加入了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型的精度要求；而前饋控制對(duì)干擾起到了及時(shí)的粗調(diào)作用，有效地減小了反饋控制的負(fù)擔(dān)。測(cè)試結(jié)果表明：前饋+PID復(fù)合控制策略改善了系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能，具有優(yōu)秀的控制精度和抗干擾能力。

2.2 主、從動(dòng)軸相位差變換控制技術(shù)

由式（4）可得，通過(guò)控制第一對(duì)偏心塊與第二對(duì)偏心塊角度差，便可調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)振幅。結(jié)合伺服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速限制，本文采取的相位差變換策略是：主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速不變，從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速先減速，再加速跟上主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。在這過(guò)程中，從動(dòng)軸落后主動(dòng)軸的角度，即為相位差變換角度。

將相位差變換，轉(zhuǎn)化成位移運(yùn)動(dòng)，即0～360°的相位差值大小對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0～1圈的位移大小。相位差變換90°，則表示從動(dòng)軸比主動(dòng)軸少轉(zhuǎn)動(dòng)0.25圈；相位差變換180°，則表示從動(dòng)軸比主動(dòng)軸少轉(zhuǎn)動(dòng)0.5圈。

相位差變換控制模塊是在相位跟隨控制模塊基礎(chǔ)上，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，對(duì)從動(dòng)軸疊加一個(gè)反方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相位差的變換。

假定當(dāng)前主、從動(dòng)軸的速度同步，相位差為180°，要求變換到主、從動(dòng)軸相位差為0°，則相位差變化量為180°，對(duì)應(yīng)的位移為0.5圈。通過(guò)對(duì)相位差變換控制模塊的參數(shù)設(shè)定，控制從動(dòng)軸反方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.5圈的位移量。在這個(gè)過(guò)程中，相位跟隨控制模塊和相位差變換控制模塊同時(shí)作用于同一個(gè)伺服電機(jī)上，伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為兩個(gè)控制模塊綜合作用的結(jié)果。

主、從動(dòng)軸相位差180～0°變換的相位差采樣，如圖8所示。由圖可知，在相位變換前，從軸速度和相位差180°保持穩(wěn)定；進(jìn)行相位差變換時(shí)，相位差不斷增大，從軸先做減速運(yùn)動(dòng)，再做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)相位差變換完成時(shí)，從軸恰好加速到變換前的速度；相位差變換完成，相位差為0°，相位差變化量恰好為180°，主、從動(dòng)軸完成相位差180°的變換，調(diào)整時(shí)間為180 ms（相位差變換開始采樣點(diǎn)：第228點(diǎn)，相位差變換完成采樣點(diǎn)：第273點(diǎn)，調(diào)整時(shí)間：（273-228）×4 ms=180 ms）。

圖8 主、從動(dòng)軸相位差180°～0°變換采樣

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)總體硬件方案設(shè)計(jì)如圖9所示，系統(tǒng)硬件選用了武漢華中數(shù)控HNC-812控制器（帶觸摸屏的IPC）和HIO-1000系列總線式I/O盒（包含通訊模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、軸控制模塊）、高創(chuàng)伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)、臺(tái)達(dá)三相異步電機(jī)、歐姆龍光電式編碼器等設(shè)備。

圖9 2對(duì)偏心塊振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)硬件方案

在IPC控制器的Linux環(huán)境中安裝CoDeSys實(shí)時(shí)內(nèi)核，就可以將CoDeSys平臺(tái)開發(fā)的程序下載到IPC中運(yùn)行[10]；IPC通過(guò)EtherCAT總線協(xié)議與I/O盒及兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通訊。通過(guò)數(shù)字量輸入輸出模塊控制異步電機(jī)啟停，由軸控制模塊的第1個(gè)軸控制接口發(fā)出模擬量信號(hào)控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)軸控制模塊的第2個(gè)軸控制接口接入光電編碼器反饋的異步電機(jī)位置信號(hào)，并通過(guò)EtherCAT總線協(xié)議反饋到IPC。IPC根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的要求，集成本文開發(fā)的相位跟隨控制模塊和相位差變換控制模塊，然后將控制指令發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)，控制伺服電機(jī)完成速度跟隨或相位差變換等運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)的工藝控制。

3.2 振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)做1次完整的工藝測(cè)試，測(cè)試的工藝控制流程如下：振動(dòng)臺(tái)啟動(dòng)（相位差為180°），加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速2000 r/min，而后先進(jìn)行一次弱振（相位差變換90°），然后恢復(fù)振動(dòng)臺(tái)為靜止?fàn)顟B(tài)（相位差變換270°），再進(jìn)行1次強(qiáng)振（相位差變換180°），然后恢復(fù)振動(dòng)臺(tái)為靜止?fàn)顟B(tài)（相位差變換270°），最后減速直至主、從動(dòng)軸靜止。測(cè)試的同時(shí)對(duì)主、從動(dòng)軸相位差及從動(dòng)軸1的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，為方便觀察，將相位差采樣曲線向下平移180°，則相位差曲線從0°開始，如圖10所示。

圖10 振動(dòng)臺(tái)完整工藝測(cè)試采樣數(shù)據(jù)

由圖10可知，在啟動(dòng)和停止階段，主、從動(dòng)軸相位差有一定波動(dòng)，在其他階段主、從動(dòng)軸相位差波動(dòng)較少，由圖12可知，在相位差波動(dòng)相對(duì)較大的停止階段，最大波動(dòng)不超過(guò)±3.5°，小于±5°。由圖11可知，主、從動(dòng)軸完成相位差180°的變換，調(diào)整時(shí)間為164 ms（相位差變換開始采樣點(diǎn)：第690點(diǎn)，相位差變換完成采樣點(diǎn)：第731點(diǎn)，調(diào)整時(shí)間：（731-690）*4ms=164 ms），小于0.2 s，實(shí)現(xiàn)了靜止到振動(dòng)狀態(tài)的快速變換。

圖11 圖10區(qū)域1（相位差180°變換）局部采樣數(shù)據(jù)

圖12 圖10區(qū)域2（相位跟隨）局部采樣數(shù)據(jù)

按照同樣的測(cè)試方法，在異步電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為3000 r/min條件下，進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：在起始、停止階段和一個(gè)生產(chǎn)周期的非振動(dòng)階段，振動(dòng)臺(tái)均能保持靜止，在要求起振時(shí)，振動(dòng)臺(tái)快速響應(yīng)進(jìn)行上下振動(dòng)；通過(guò)采樣數(shù)據(jù)分析，本開發(fā)的振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)能完全滿足設(shè)定的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。該振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)已應(yīng)用于泉州本地一家制磚設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)驗(yàn)證，能夠滿足伺服磚機(jī)振動(dòng)控制需求，實(shí)現(xiàn)免燒磚的高效、穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于一種兩臺(tái)伺服電機(jī)跟隨一臺(tái)異步電機(jī)的振動(dòng)控制方案，對(duì)振動(dòng)臺(tái)相位跟隨控制技術(shù)和相位差變換控制技術(shù)進(jìn)行研究，開發(fā)了伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)。采用前饋控制+改進(jìn)型PID控制算法，開發(fā)了相位跟隨控制模塊，實(shí)現(xiàn)了主、從動(dòng)軸速度同步和較高的相位跟隨控制精度。針對(duì)振動(dòng)臺(tái)振幅調(diào)節(jié)快速響應(yīng)的控制需求，采用運(yùn)動(dòng)疊加的控制策略，將相位差變換轉(zhuǎn)化成位移運(yùn)動(dòng)控制，開發(fā)了相位差變換控制模塊，實(shí)現(xiàn)了相位差變換的快速響應(yīng)。開發(fā)的伺服磚機(jī)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)證測(cè)試，在起始、停止階段和一個(gè)生產(chǎn)周期的非振動(dòng)階段，振動(dòng)臺(tái)均能保持靜止，避免了磚機(jī)機(jī)架與振動(dòng)臺(tái)發(fā)生低頻共振；在要求起振時(shí)，振動(dòng)臺(tái)根據(jù)砌塊成型工藝設(shè)置的相位差要求，快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)相位差變換，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)臺(tái)振幅調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)，明顯提高了生產(chǎn)節(jié)拍。振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)具有跟隨控制精度高、相位差變換響應(yīng)速度快、硬件成本低、可擴(kuò)展集成性好等優(yōu)點(diǎn)，在伺服磚機(jī)中具有良好的工程應(yīng)用前景。