文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B
文章編號(hào)： 0258-7998(2011)08-094-04
在冶金、造紙等存在薄帶運(yùn)行設(shè)備或生產(chǎn)線上，由于薄帶不可避免地有縱向浪形或橫向浪形、中部浪瓢、歪扭等缺陷,再加上各處寬度、厚度、硬度、表面粗糙度及所受張力大小有差異,使薄帶不能均勻?qū)ΨQ地貼繞在轉(zhuǎn)向輥上。這些不對(duì)稱因素會(huì)使接觸轉(zhuǎn)向輥的帶鋼面上產(chǎn)生垂直于前進(jìn)方向的側(cè)向力從而導(dǎo)致帶鋼在輥面上向張力小的一側(cè)滑移,即跑偏[1]。
薄帶在轉(zhuǎn)向輥上側(cè)向滑移與螺旋偏移是形成帶鋼跑偏的兩個(gè)重要原因。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果都表明,入口帶鋼的螺旋偏移作用在帶鋼跑偏過程中常常起著主導(dǎo)作用。既然入口薄帶的螺旋偏移作用能使帶鋼在輥面上跑偏,反之，也可以人為產(chǎn)生反向螺旋升角,以其反向螺旋偏移作用進(jìn)行糾偏[2]。不少帶鋼生產(chǎn)線將端部轉(zhuǎn)向輥設(shè)計(jì)成可水平擺動(dòng)或鉛垂擺動(dòng)的單輥糾偏裝置,其實(shí)質(zhì)主要就是利用帶鋼在轉(zhuǎn)向輥上的螺旋偏移作用進(jìn)行糾偏。
電磁驅(qū)動(dòng)糾偏輥是利用電磁力控制技術(shù)的最新成果而采用的一種新型的糾偏方法——電磁糾偏，利用可控電磁力根據(jù)傳感器檢測(cè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)糾偏輥擺動(dòng)產(chǎn)生反向螺旋升角進(jìn)行糾偏[3]。電磁糾偏輥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，支承與驅(qū)動(dòng)集成為一體直接安裝在糾偏輥兩端的軸頸上，省去了常用的框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)慣性大幅降低，必要時(shí)可以安裝在傳統(tǒng)框架糾偏輥無(wú)法安裝而又急需糾偏功能的生產(chǎn)線設(shè)備上。電磁控制本身具有響應(yīng)速度快、控制精度高、壽命長(zhǎng)、免維修、無(wú)污染等特點(diǎn)，更有利于帶鋼或薄帶的高速運(yùn)行。
1 電磁糾偏輥與數(shù)數(shù)字控制
電磁支承及驅(qū)動(dòng)技術(shù)是利用可控電磁力實(shí)現(xiàn)對(duì)被支承物體的驅(qū)動(dòng)功能，典型應(yīng)用如電磁軸承、電磁驅(qū)動(dòng)器、起重器等，這類機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的無(wú)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，使用壽命長(zhǎng)。主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)部件與配套電氣系統(tǒng)兩大部分組成。圖1 所示為最新研制的電磁驅(qū)動(dòng)糾偏輥結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖中，中心柱及支承等部件固定在基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)輥為外轉(zhuǎn)子型結(jié)構(gòu)，即筒狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輥。這種結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)輥內(nèi)部空間，在實(shí)現(xiàn)功能要求的同時(shí)有效減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高糾偏動(dòng)作響應(yīng)速度并有利于在相同間隙條件下獲得比內(nèi)轉(zhuǎn)子更大的糾偏角度。定轉(zhuǎn)子之間電磁支承間隙一般大于5~10 mm。在這個(gè)間隙范圍內(nèi)，利用電磁控制力驅(qū)動(dòng)輥筒在需要的方向產(chǎn)生糾偏動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)糾偏功能。
轉(zhuǎn)輥擺角的實(shí)現(xiàn)是通過支承處轉(zhuǎn)輥以軸向中心為支點(diǎn)相對(duì)于定子的徑向差動(dòng)位移控制獲得。支承處位移與偏擺轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系是指在輸入對(duì)應(yīng)位移的電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)輥在電磁驅(qū)動(dòng)作用下產(chǎn)生的擺角(參見圖1)。由于轉(zhuǎn)輥兩端的徑向支承為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)x<<1 時(shí),轉(zhuǎn)輥擺角與徑向支承點(diǎn)對(duì)應(yīng)位移關(guān)系式可以表示為:
其中，α為偏擺角度，x為轉(zhuǎn)輥在徑向支承點(diǎn)位移，l 為支承點(diǎn)距離轉(zhuǎn)輥幾何中心點(diǎn)距離。上式表示，在徑向位移遠(yuǎn)小于支承跨距時(shí)(本實(shí)驗(yàn)裝置中最大徑向位移相對(duì)半跨距比值為6:145)，轉(zhuǎn)輥擺角與徑向支承點(diǎn)位移近似成正比，近似為線性關(guān)系且能夠隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)連續(xù)變化。
配套的電氣控制系統(tǒng)是電磁支承及其驅(qū)動(dòng)功能的“靈魂”。用于支承控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)糾偏擺動(dòng)的多自由度伺服控制，要求伺服系統(tǒng)具有高速性、精確度和穩(wěn)定性，必要時(shí)還需對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)進(jìn)行控制；又由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境一般比較復(fù)雜，有大量的信息傳遞。對(duì)伺服控制器的多路通信能力、快速運(yùn)算能力和抗干擾能力都有較高的要求；同時(shí)，為了提高糾偏控制精度，越來(lái)越多的算法被應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中，要求控制器能在很短的時(shí)間內(nèi)完成大量的運(yùn)算，一般電子線路難以實(shí)現(xiàn)要求。因此，選擇數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的多功能、高性能要求。針對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)功能與指標(biāo)要求，以及現(xiàn)代電子技術(shù)最新成果，電磁驅(qū)動(dòng)糾偏輥的電氣控制系統(tǒng)擬采用基于DSP與CPLD硬件與軟件構(gòu)建。
2 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)
根據(jù)帶鋼偏移檢測(cè)信號(hào)接口要求以及糾偏伺服控制系統(tǒng)性能要求,設(shè)計(jì)了一種以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC33為核心的數(shù)字控制器，具有16路模擬信號(hào)輸入、16路模擬信號(hào)輸出和1路RS422串行通信接口。從功能上考慮，該控制器可以分為四個(gè)部分：DSP模塊、CPLD模塊、A/D－D/A轉(zhuǎn)換模塊和通信接口模塊,見圖2。其中DSP模塊負(fù)責(zé)數(shù)字控制算法的實(shí)現(xiàn)，CPLD實(shí)現(xiàn)整個(gè)硬件系統(tǒng)的邏輯控制，A/D－D/A轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)糾偏輥位置傳感器信號(hào)的采樣輸入和控制信號(hào)的輸出，通信模塊負(fù)責(zé)接收上位機(jī)采集到的薄帶位置信號(hào)。A/D模塊選用MAX115，該芯片具有12 bit采樣精度、8路輸入通道，采樣范圍±5 V。D/A模塊選用MAX547，具有13 bit數(shù)值精度、8路輸出通道，輸出范圍±4.96 V。CPLD模塊選型時(shí)綜合考慮片上邏輯單元、用戶I/O數(shù)量以及功能擴(kuò)展的需要，根據(jù)前期仿真結(jié)果選用MAX7000系列中的EPM7128芯片，它擁有2 500個(gè)邏輯單元，100個(gè)用戶I/O，支持3.3 V總線電壓，與DSP管腳電平兼容，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換即可直接與DSP總線連接。
該控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制目標(biāo)：一是糾偏輥在工作偏擺角度范圍內(nèi)任意偏擺角度的穩(wěn)定懸浮;二是精確快速的偏擺控制，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)位置環(huán)和糾偏反饋的雙閉環(huán)控制。
為了實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)控制目標(biāo)，首先通過A/D模塊采樣糾偏輥各個(gè)自由度上的糾偏輥位置信號(hào)，同時(shí)通過串口模塊接收上位機(jī)檢測(cè)到的薄帶位置信號(hào)。這兩個(gè)位置信號(hào)同時(shí)傳給DSP模塊，先經(jīng)過相應(yīng)的偏擺控制算法，計(jì)算出糾偏所需的偏擺角度，然后再經(jīng)過懸浮控制算法，計(jì)算出將糾偏輥偏擺到該角度并且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的各個(gè)電磁鐵中所需的控制電流值，進(jìn)一步經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊，輸出控制信號(hào)給電磁鐵功率放大器，最終由功率放大器產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制電流并輸入給各路電磁鐵產(chǎn)生電磁力，從而實(shí)現(xiàn)糾偏輥的穩(wěn)定懸浮和精確偏擺控制。
3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真
類似糾偏輥的筒狀剛體具有6個(gè)自由度，其中旋轉(zhuǎn)自由度由薄帶驅(qū)動(dòng)，其余自由度則需要電磁支承控制。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同及性能指標(biāo)需要，可以選擇對(duì)各個(gè)自由度獨(dú)立控制或集中控制。當(dāng)各個(gè)自由度耦合不嚴(yán)重時(shí)，可對(duì)轉(zhuǎn)子各自由度進(jìn)行分散控制。但對(duì)于外轉(zhuǎn)子式的糾偏輥，雖然轉(zhuǎn)速不高但具有很強(qiáng)的陀螺效應(yīng)；各個(gè)自由度的慣性耦合也相對(duì)較強(qiáng)。以上幾個(gè)因素導(dǎo)致的一個(gè)突出問題是在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，轉(zhuǎn)輥在水平方向的大幅度糾偏擺動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響垂直方向的穩(wěn)定性。因此，考慮使用集中模型設(shè)計(jì)控制器，對(duì)于轉(zhuǎn)輥偏角擺動(dòng)則采用獨(dú)立控制。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)建立轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型并建立方程，系統(tǒng)輸入為帶鋼偏移量，中間控制量為位移與電磁力，輸出為轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度，對(duì)應(yīng)關(guān)系為:
kd為控制器微分系數(shù)，kp為比例系數(shù)。根據(jù)上述設(shè)計(jì),利用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)糾偏輥系統(tǒng)產(chǎn)生偏角分別為1、1.5°、2°時(shí)的階躍控制信號(hào)響應(yīng)與糾偏輥系統(tǒng)對(duì)階躍干擾信號(hào)響應(yīng)。仿真結(jié)果證明，所選用的方法能夠控制電磁糾偏輥在支承水平方向產(chǎn)生期望的差動(dòng)位移，進(jìn)而產(chǎn)生期望擺角，無(wú)論是超調(diào)和響應(yīng)時(shí)間都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
4 電磁糾偏數(shù)字控制實(shí)驗(yàn)
為驗(yàn)證電磁糾偏輥的實(shí)際功能與性能指標(biāo)，專門設(shè)計(jì)了配套實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由一個(gè)電磁糾偏輥、二個(gè)傳動(dòng)輥、一個(gè)主動(dòng)輥以及一個(gè)閉合薄帶構(gòu)成。薄帶由電機(jī)通過主動(dòng)輥驅(qū)動(dòng)往復(fù)運(yùn)行，類似皮帶輸送機(jī)的輸送過程，其中心位置由雙CCD檢測(cè)，并通過上位微機(jī)將其橫向偏移反饋至電磁糾偏輥控制系統(tǒng)。由于結(jié)構(gòu)中不可避免地存在固有偏差、薄帶自然跑偏(理論上，各個(gè)輥表面空間平行、皮帶絕對(duì)平整均勻才不會(huì)跑偏)，無(wú)糾偏控制無(wú)法運(yùn)行。電磁糾偏輥的功能就是實(shí)時(shí)控制皮帶穩(wěn)定運(yùn)行并達(dá)到必要的中心位置控制精度，其數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)偏移量及適應(yīng)算法控制電磁力驅(qū)動(dòng)糾偏輥的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行薄帶的實(shí)時(shí)糾偏功能。
4.1 糾偏擺角與薄帶偏移關(guān)系測(cè)試
根據(jù)糾偏理論分析，薄帶的橫向偏移與轉(zhuǎn)輥擺角大小、持續(xù)時(shí)間，運(yùn)行速度以及表面摩擦系數(shù)等諸多因素相關(guān)，其具體數(shù)值決定了控制參數(shù)的選擇與設(shè)計(jì)。因此，在實(shí)驗(yàn)中首先測(cè)試各種對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3為固定糾偏輥擺角分別為±1°并保持不變，薄帶中心線的兩個(gè)運(yùn)行軌跡，其中的波動(dòng)是薄帶閉合接口的不均勻產(chǎn)生的誤差信號(hào)，正負(fù)方向的不對(duì)稱特性是由于裝置的固有偏差造成。
圖4為增大角度分別至±1.5°時(shí)，薄帶中心線的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，可以看出，其橫向移動(dòng)速度比擺角為1°時(shí)明顯加快。
測(cè)試結(jié)果說明，薄帶能夠在擺角作用下，受控于糾偏輥沿橫向產(chǎn)生期望運(yùn)動(dòng)，且隨擺角的增大而偏移速度加大。
4.2 糾偏控制實(shí)驗(yàn)
根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果獲得的各項(xiàng)參數(shù)，分別設(shè)計(jì)了兩種基于數(shù)字控制糾偏算法： (1)在薄帶偏移時(shí)輸出固定偏角(分別試驗(yàn)了擺角0.5°、1°、1.5°)，每次保持時(shí)間1 s；(2)設(shè)置擺角為薄帶偏移量的函數(shù),隨偏移量大小而相應(yīng)變化。
圖5為在第一種控制算法作用下帶材中心線軌跡?？梢钥闯觯瑤Р囊呀?jīng)完全受控，可以在機(jī)構(gòu)上穩(wěn)定運(yùn)行。圖中曲線上較大尖刺為人為反復(fù)遮擋CCD探頭模擬產(chǎn)生擾動(dòng)，薄帶的自動(dòng)恢復(fù)過程。雖然薄帶可以穩(wěn)定運(yùn)行，但是波動(dòng)較大，穩(wěn)定精度不高。帶材運(yùn)行速度不能過高。
圖6為利用第二種算法后帶材中心線軌跡，其中的幾處較大尖刺同樣為人為反復(fù)遮擋CCD探頭，模擬擾動(dòng)，薄帶的自動(dòng)恢復(fù)過程。而小幅度周期波動(dòng)為帶材閉合接頭邊緣不整齊產(chǎn)生的波動(dòng)。不計(jì)上述擾動(dòng)誤差，可以實(shí)現(xiàn)的控制精度達(dá)到±1 mm，薄帶運(yùn)行速度可以進(jìn)一步加快，直至實(shí)驗(yàn)設(shè)備所能達(dá)到的最高運(yùn)行速度。
本文完成了數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造及調(diào)試，進(jìn)一步開展針對(duì)其功能及性能要求的開環(huán)測(cè)試，定量地明確了電磁糾偏輥的輸入位移與輸出擺角之間的關(guān)系，以及擺角與薄帶中心線影響關(guān)系。經(jīng)過不斷嘗試改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)了電磁糾偏輥對(duì)薄帶運(yùn)行的穩(wěn)定控制。帶材運(yùn)行平穩(wěn)，控制動(dòng)態(tài)誤差小，最高運(yùn)行速度400 m/min(當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的最高速度)。
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