本文介紹了伺服電動(dòng)缸的技術(shù)原理及技術(shù)特點(diǎn)，總結了伺服電動(dòng)缸在連鑄機上的現場(chǎng)實(shí)際應用情況、應用意義和經(jīng)驗，為在冶金行業(yè)推廣以電動(dòng)伺服運動(dòng)控制代替液壓伺服運動(dòng)控制技術(shù)提供可借鑒的經(jīng)驗。

前言

運動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的趨勢是：電動(dòng)逐步取代液壓或機械，交流伺服將逐步取代直流步進(jìn)產(chǎn)品。為了適應數字控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，運動(dòng)控制系統中將廣泛采用全數字式交流伺服電機作為驅動(dòng)源。數字式交流伺服電機精度為1048576個(gè)脈沖/轉，響應速度500微秒，伺服電機比步進(jìn)電機具有更高的控制精度和穩定性，更強的對惡劣環(huán)境適應能力。所以伺服電機廣泛應用于飛機、衛星、航天飛機、火箭等軍用高端自動(dòng)化設備上，是國際上高端傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域應用最先進(jìn)的驅動(dòng)方式。近幾年，基于電動(dòng)缸突出的性能和高可靠性的技術(shù)特點(diǎn)，電動(dòng)缸也逐漸在民用工業(yè)被廣泛推廣應用，如機械、冶金、化工、輕工等工業(yè)領(lǐng)域，在連鑄機上應用電動(dòng)缸驅動(dòng)方式的設備越來(lái)越多。

2 交流伺服運動(dòng)控制的技術(shù)原理與技術(shù)特點(diǎn)

2.1 技術(shù)原理

交流伺服運動(dòng)控制由伺服驅動(dòng)器、伺服電機、伺服驅動(dòng)器與伺服電機之間的連接電纜和傳動(dòng)機構(滾珠絲桿、滾柱絲桿或傳動(dòng)齒輪)組成。電動(dòng)缸由數字式伺服電機和推桿組成，數字脈沖的個(gè)數控制伺服電機的旋轉角度，產(chǎn)生推桿的直線(xiàn)位移，由此帶動(dòng)負載的升降或水平移動(dòng)，從而驅動(dòng)物體運動(dòng)。

(1)伺服電機。采用數字式交流伺服電機，全數字控制，精度為1048576個(gè)脈沖/轉，響應速度500微秒，重量輕，免維護。伺服電機比步進(jìn)電機具有更高的控制精度和穩定性，更強的對惡劣環(huán)境適應能力，更長(cháng)的壽命，但相應的價(jià)格也要高一些。伺服電機完全消除了步進(jìn)電機的失步現象，滿(mǎn)足了更高的精度要求。伺服電機與步進(jìn)電機的區別見(jiàn)表1。

表1　 伺服電機與步進(jìn)電機比較:

功　 能 步進(jìn)電機 伺服電機

低頻特性 低速時(shí)易出現振動(dòng)現象 低速時(shí)運行平穩

過(guò)載性能 不具有過(guò)載能力 具有較強的過(guò)載能力

運行性能

步進(jìn)電機的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負載過(guò)大易出現丟步或堵轉的現象，
停止時(shí)轉速過(guò)高易出現過(guò)沖的現象。
交流伺服驅動(dòng)系統為閉環(huán)控制，驅動(dòng)器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì )出現步進(jìn)電機的丟步或過(guò)沖的現象，控制性能更為可靠。

速度響應

性能
步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉速(一般為
每分鐘幾百轉)需要200～400毫秒。

交流伺服系統的加速性能較好，一般從靜止加速到其額定轉速2000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

矩性特性
步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時(shí)會(huì )急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。 交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速(一般為2000RPM或3000RPM)以?xún)?，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。

控制精度 一般 高

(2)交流伺服運動(dòng)控制有比液壓伺服運動(dòng)控制更優(yōu)越的性能

性能穩定。液壓伺服運動(dòng)控制各項動(dòng)態(tài)技術(shù)參數受到液壓油溫變化的影響，容易發(fā)生波動(dòng)。相比之下，交流伺服運動(dòng)控制的各項動(dòng)態(tài)技術(shù)參數基本上沒(méi)有外界因素的干擾，電腦儲存的運動(dòng)參數始終符合實(shí)際運動(dòng)要求，所以運動(dòng)性能穩定。精確的運動(dòng)控制參數和快速應答反應，只有在伺服電機系統上才能真正體現出來(lái)；

節能。節能是交流伺服運動(dòng)控制最大的優(yōu)勢。由于伺服電機根據各執行機構所需力的要求直接進(jìn)行驅動(dòng)，不但提高了效率，而且提高了能量利用率，其能量的利用率可達到95％以上，以酒鋼4#板坯和5#板坯電動(dòng)非正弦振動(dòng)為例，振動(dòng)系統改造前為機械式四偏心輪結構，電機功率為57kW，采用交流伺服運動(dòng)控制技術(shù)改造后，振動(dòng)系統輸入的功率不到5kW，而酒鋼200萬(wàn)噸的板坯振動(dòng)采用液壓伺服運動(dòng)控制系統，功率為275kW。

多機同步性好，響應速度快。伺服電機的應用，提高了系統的反應性。以酒鋼4#板坯和5#板坯電動(dòng)非正弦振動(dòng)為例，每個(gè)板坯振動(dòng)臺采用四個(gè)交流伺服電動(dòng)缸，分布在板坯振動(dòng)臺的四個(gè)角，由于酒鋼的4#板坯和5#板坯是弧形連鑄機，根據弧半徑和電動(dòng)缸的安裝距離分別設定內外弧電動(dòng)缸的振幅，在每個(gè)振動(dòng)周期，四個(gè)電動(dòng)缸作同步運動(dòng)，也就是四個(gè)電動(dòng)缸同時(shí)由設定的振動(dòng)最高點(diǎn)下降，同時(shí)達到設定的振動(dòng)最低點(diǎn)，再上升同時(shí)達到最高點(diǎn)，由于伺服電機有高速響應的性能，因此在線(xiàn)調整結晶器振動(dòng)的頻率和振幅就非常簡(jiǎn)單了，只需要通過(guò)計算機設定參數就可以。
優(yōu)化工作環(huán)境。由于不使用液壓油，可使工作環(huán)境保持清潔，機器的噪音可比液壓伺服運動(dòng)控制低lOdB以上。在優(yōu)化工作環(huán)境的同時(shí)，由于液壓伺服運動(dòng)控制系統的取消，使交流伺服運動(dòng)控制系統占地面積節省了15％。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 交流伺服運動(dòng)控制的技術(shù)數據見(jiàn)表2。

表2　 技術(shù)數據：

伺服電機功率 從幾十瓦至42.5 kW

滾珠或滾柱絲杠行程 0～2000mm

數字伺服電機精度 最高1048576個(gè)脈沖/轉

控制定位精度 ±0.0lmm

響應時(shí)間 500us

推力 可達330噸

最大動(dòng)作速度 可達6000轉/分鐘

2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)全數字控制，精度為1048576個(gè)脈沖，響應速度500微秒，重量輕，免維護。伺服電機具有很高的控制精度和穩定性，對惡劣環(huán)境適應能力強，有更高的使用壽命。

(2)整個(gè)交流伺服運動(dòng)控制結構簡(jiǎn)單，重量輕，響應速度快，控制精度高，不需要液壓油管，安裝方便，抗高溫，抗振動(dòng)適應冶金工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

(3)節省能源，降低生產(chǎn)成本。由于伺服電機根據各執行機構所需力的要求直接進(jìn)行驅動(dòng)，不但提高了效率，而且提高了能量利用率，其能量的利用率可達到95％以上，因此可比液壓振動(dòng)系統節能25％～60％。

(4)控制具有高應答性以及穩定性，動(dòng)作的重復精度高。由于電動(dòng)伺服系統的各項動(dòng)作均由伺服馬達來(lái)驅動(dòng)，其動(dòng)作速度快、精度高，再加上不使用液壓油，使各項工藝參數不會(huì )受到油溫、油質(zhì)變化的影響，所以在生產(chǎn)過(guò)程中具有高穩定性。

(5)保證工作環(huán)境的清潔性及安全性。由于電動(dòng)伺服系統不使用工作油，從而不會(huì )出現由于機械漏油所帶來(lái)的環(huán)境污染，并且能大大降低火災發(fā)生的可能性。

3 在連鑄機上的應用

3.1 應用一：用于中包塞棒自動(dòng)控制系統

最初，塞棒自動(dòng)控制采用液壓缸推動(dòng)塞棒機構實(shí)現液面自動(dòng)控制，由于液壓系統復雜，需要液壓油管，設備投資高，對環(huán)境污染。由于環(huán)保和節能的需要，以及伺服電機的成熟應用和價(jià)格的大幅度下降，塞棒控制的液壓缸逐步被電動(dòng)缸取代，現在，液面控制系統上。

已很少采用液壓缸。上世紀90年代，全數字控制的高性能電動(dòng)伺服系統實(shí)現了商品化，法國Sert公司首先推出了用于塞棒控制的電動(dòng)伺服致動(dòng)器，之后不到十年時(shí)間，塞棒數控已完成了從液壓伺服控制向電動(dòng)伺服控制轉變的過(guò)程。如圖1為塞棒自動(dòng)控制系統的原理框圖。

        塞棒控制系統根據液位檢測系統檢測的液位變化，控制伺服電機的轉動(dòng)角度帶動(dòng)滾珠絲杠上下運動(dòng)，從而推動(dòng)塞棒的上下運動(dòng)，調節中包至結晶器的鋼水流量，控制結晶器內的液位穩定，實(shí)現恒拉速定液位控制，提高鋼坯的質(zhì)量。

        3.2 應用二：結晶器非正弦振動(dòng)

結晶器振動(dòng)方式有機械式、液壓式。為適應快速發(fā)展的需要，人們對工藝技術(shù)提出了更高的要求，電動(dòng)式非正弦振動(dòng)技術(shù)正是交流伺服技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。電動(dòng)式以其能實(shí)現仿弧振動(dòng)、同步性好、精確度高、能耗低、維護簡(jiǎn)單等特點(diǎn)倍受用戶(hù)青睞。
        用大功率數字交流伺服控制技術(shù)來(lái)實(shí)現結晶器非正弦振動(dòng)，這是世界首創(chuàng )技術(shù)。系統完全由計算機軟件產(chǎn)生控制結晶器振動(dòng)的波形曲線(xiàn)(正弦或非正弦的)，并按照工藝要求通過(guò)對函數各個(gè)變量取值，結合拉速精確地控制結晶器上下振動(dòng)，使振動(dòng)波形保持精確的頻率、振幅、負滑脫時(shí)間、正滑脫時(shí)間、及波形偏斜率等，最終得到滿(mǎn)足工藝需求的結晶器振動(dòng)軌跡。
        方坯非正弦振動(dòng)采用一臺大功率數字伺服電動(dòng)缸，板坯結晶器采用4臺數字伺服電動(dòng)缸。如圖2為酒鋼4#和5#板坯結晶器非正弦振動(dòng)裝置電動(dòng)缸的安裝示意圖。電動(dòng)缸分別安裝在內外弧的兩側，作為動(dòng)力驅動(dòng)源，直接同步驅動(dòng)振動(dòng)臺振動(dòng)，位置精確、反應快。

電動(dòng)缸由上下支承軸固定，下支承軸是固定在振動(dòng)臺的固定架上，電動(dòng)缸能繞此軸轉動(dòng)；上支承軸固定在振動(dòng)臺的振動(dòng)架上，可以沿著(zhù)給定的振動(dòng)軌跡作弧線(xiàn)振動(dòng)。內外弧的電動(dòng)缸由于所在位置的運動(dòng)弧半徑不同，運動(dòng)幅度不同，但內外弧的振動(dòng)頻率和相位相同，即同步上下運動(dòng)。由于采用伺服電機，控制電機的同步，運動(dòng)軌跡都易實(shí)現。故采用此種安裝方式由電機直接驅動(dòng)振動(dòng)臺能實(shí)現全弧振動(dòng)。

電動(dòng)式非正弦振動(dòng)系統具有結構簡(jiǎn)單，維護方便等獨特的技術(shù)優(yōu)勢，尤其是適用于連鑄機改造項目。電動(dòng)式非正弦振動(dòng)方式具有以下特點(diǎn)：

a)不需要長(cháng)距離的機械傳動(dòng)裝置；

b)只需要連接電纜，不需要液壓站，液壓泵等液壓設備，維護簡(jiǎn)單；

c)可在線(xiàn)快速調節振幅、頻率、振動(dòng)模式(偏斜率)；

d)實(shí)現仿弧振動(dòng)；

e)可在線(xiàn)檢測振動(dòng)狀態(tài)。

其主要技術(shù)指標見(jiàn)表3。

3.3 應用三：功能結晶器

功能結晶器是以電動(dòng)缸非正弦為基礎的一項技術(shù)。具有實(shí)現高效鑄鋼的結晶器非正弦振動(dòng)、并對鋼水液面自動(dòng)控制、電磁攪拌、自動(dòng)加保護渣、漏鋼預報(板坯)等功能全面優(yōu)化。采用先進(jìn)的大功率數字伺服電動(dòng)機作為結晶器振動(dòng)裝置的驅動(dòng)源，實(shí)現。