自平衡高頻搖振器的驅動與自動化控制

葉鋼峰 張海暉

(1.杭州豪榮科技有限公司,浙江杭州,310004；2.杭州美辰紙業技術有限公司,浙江杭州,310004)

·高頻搖振器·

自平衡高頻搖振器的驅動與自動化控制

葉鋼峰1張海暉2

(1.杭州豪榮科技有限公司,浙江杭州,310004；2.杭州美辰紙業技術有限公司,浙江杭州,310004)

在長網紙機上使用自平衡(無反作用力)高頻搖振器是提高成紙質量的一個有效手段，由于自平衡高頻搖振器包括多個偏心輪的復雜運動，因此其伺服驅動有著較高的算法要求。本文結合實際情況對自平衡高頻搖振器的驅動與控制進行了介紹。

無反作用力;搖振器;伺服電機

(*E-mail:headbox@126.com)

1 自平衡搖振器的介紹

在長網造紙機中采用搖振是提高成紙質量的一個重要手段，通過對上網漿料的搖振，使得纖維均勻分布并加強了橫向纖維的分布，從而對于成紙的勻度[1]、縱橫向強度比、成紙表面質量等都有顯著的優化作用。傳統搖振器采用偏重轉子結構來實現搖振[2]，無論是對網案還是胸輥進行搖振，搖振器都要承擔所有的反作用力。隨著造紙機車速的提高，反作用力會越來越大，以至于搖振器的機械結構、水泥基礎等都不能承受。一般而言，對于幅寬2640 mm以下的造紙機，采用傳統搖振器的時候，紙機最高運行車速在300 m/min以下時，搖振還能有一定的效果，隨著造紙機運行車速的提高，傳統搖振器在振幅、振次上都越來越不能滿足使用需求。另外，疊網紙機網案的高度要在6～8 m以上，由于強大的反作用力的存在，要建造高大而且很堅固的基礎來安裝搖振器幾乎是不可能的事情，因此，對于疊網造紙機而言，要想使用搖振器來提高產品質量幾乎無法實現。

自平衡高頻搖振器的出現，使得搖振可以用于所有速度的長網造紙機和疊網造紙機。通過搖振器驅動胸輥產生高頻率搖振優化了纖維定向，可獲得較好的成形效果，紙張質量得以明顯改善。

自平衡高頻搖振器精巧的設計可滿足客戶的多項要求，目前在高端造紙機已有廣泛的應用。該搖振器可產生的效果有：①有效提高紙張的勻度，特別是對于高定量成紙有著更加顯著的效果；②降低紙張縱橫向的抗張強度比；③改善耐破度、抗壓潰性能(SCT-CD)等質量參數；④由于采用自平衡原理，搖振器幾乎無反作用力，安裝基礎僅需要承擔搖振器自身的質量，使得在高速造紙機和疊網造紙機上使用搖振成為可能。

圖1所示是在實際生產中采用HR-Shake自平衡高頻搖振器的運行效果，成紙定量250 g/m2，圖1(a)為未使用自平衡高頻搖振器，圖1(b)為使用自平衡高頻搖振器生產的紙張。由圖1可以看出，在使用了自平衡高頻搖振器后，成紙的勻度有明顯的改善。

圖1 HR-Shake自平衡搖振器實際運行效果

2 自平衡高頻搖振器的工作原理

自平衡高頻搖振器的核心為4個相同的偏重轉子，如圖2所示。根據偏重轉子重心偏移的原理，當其圍繞一點高速旋轉時，同時產生一個圓周方向的力。使用4個偏重轉子組成2組輪對，同時旋轉，相對旋轉的輪對將消除垂直方向的力而僅存水平方向的力，這樣通過調整左右兩組輪對的偏重轉子的相對相位角就能提供可以調節的水平方向的力。

圖2 自平衡高頻搖振器的工作原理

搖振系統由胸輥和搖振單元組成，搖振器產生可調節水平搖振力，水平搖振力將通過搖振連桿傳遞到軸向的胸輥上，帶動成形網一起振動，并且可以隨著網速的變化、根據搖振系數自動調整振幅和頻率，達到最佳紙幅成形。其頻率最高可達600次/min，振幅最高可達(25±12.5) mm。

3 驅動策略

如上所述，搖振器的振動發生是來自主、從雙電機驅動的振動系統，在振動系統的運行過程中, 由于偏重轉子組成的輪對的圓周運動產生的慣性力和由于振動機體的水平往復運動產生的慣性力都會改變兩個電機的負載轉矩，從而影響雙電機的同步狀態，因此，使用了兩個偏重轉子相位差的模糊控制方案[3]。其模糊控制器存在兩個狀態模糊變量和一個控制變量,輸入為兩個偏重轉子的相位差Δα和相位差的變化率,即兩個偏重轉子的轉速差:

Δα=φ1-φ2

Δωm=ωm1-ωm2

(1)

輸入變量Δα的值的區間為[-Π,Π]，中心點為0。可以把整個區域劃為7個小區域，每個區域是1個模糊參數，根據正負的不同，把Δα和Δωm分為小、中、大，加上符號有NL(負大)、NM(負中)、NS(負小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)。因此每個模糊變量形成7個模糊參數,區域之間約有25%交疊。其每個區域的范圍不均等。這時加上速度同步控制可有兩個控制量的疊加。其模糊控制規則如表1所示。模糊控制器的輸出如式(2)所示。

(2)

表1 模糊控制規則表

通過模糊控制器對相位和轉速差進行判斷后，輸出控制參數對兩驅動電機進行控制。在正常工作過程中，搖振器的振幅要通過調整兩組偏重轉子的相位角來調整搖振器的輸出力大小，搖振力的大小由式(3)計算。

P=∑m0rω2=1/cosα(K-mω2)A

(3)

式中，P為偏重轉子產生的搖振力，N；m為偏重轉子的質量，kg；r為偏重轉子的偏心距，m·rad；ω為偏重轉子轉動的角速度，rad/s；α為搖振器相位差角，rad；A為振幅，m；K為系統中所有彈簧總剛度。

振幅是搖振系統中重要的參數，必須要得到穩定的振幅參數，而自平衡高頻搖振器要求的是強迫同步，因此，對兩個電機的同步性能要求很高。

目前，工業過程中的控制方法主要有：以古典控制理論為主要基礎的PID控制方法，以現代控制理論為主要基礎的自適應控制和預測控制等方法以及神經網絡控制、模糊控制等智能控制方法。PID控制是Proportional(比例)、Integral(積分)、Differential(微分)三者的縮寫，是連續系統中技術最成熟、行之有效、應用最廣泛的一種調節方式。

在多機傳動的機械系統中，采用PID調節器對系統進行控制存在超調現象，而PI調節器能夠很好地滿足控制要求，因采用PI調節器對自同步振動機進行控制仿真分析。具體實現多機同步的控制方案有兩種：一是對等控制方式，二是主從控制方式。在主從控制方式中主動電機以用戶給出的速度和位置作為參考值，在運行過程中緊密地跟蹤系統的給定值，而從動電機以主動電機的速度和位置的輸出作為參考值，在運行過程中緊密地跟蹤主動電機。這樣，在運行過程中，兩臺電機并不是分別跟蹤系統的給定值，而是由從動電機跟蹤主動電機，使得系統的同步精度大為提高[4]。

在雙機驅動同向回轉振動系統中，由偏重轉子組成的輪對的圓周運動產生的慣性力和由振動機體的水平往復運動產生的慣性力都會影響兩個偏重轉子相位差的變化，而偏重轉子的相位差也可以及時準確地反映系統的同步狀態。因此，可以考慮把兩個偏重轉子的相位差作為反饋信號，通過閉環控制系統中PI控制器的調節作用來實現兩個電機的相位同步。把電機1定義為主動電機，由一個變頻器驅動，并作為基準，電機2定義為從動電機，由變頻器供電，控制偏重轉子2跟蹤偏重轉子1的相位。控制系統中使用一個PI控制器來調節變頻器的頻率。基于偏重轉子1和2相位差的控制系統框圖如圖3所示。

圖3 相位差的控制系統框圖

4 驅動和控制的方案

為了實現基于偏重轉子1和2相位差的控制系統，要同時保證驅動系統頻率的穩定性和同步性，就需要在它的動力源處著手，HR-Shaker自平衡高頻搖振器選擇了伺服電機和配套的驅動系統構成的閉環控制系統。圖4所示是閉環控制系統的框圖。

圖4 閉環控制系統

伺服電動機也稱執行電動機，用于把輸入的電壓型號變換成電動機軸的角位移或轉速輸出。具有服從控制信號要求而動作的功能，信號到來之前，轉子靜止不動；信號到來之后，轉子立即轉動；當信號消失，轉子立刻自行停轉。

5 控制系統結構及功能介紹

為了保證自平衡高頻搖振器的穩定可靠運行，系統由檢測、反饋、控制和驅動等模塊構成。自平衡高頻搖振器的控制系統采用了觸摸屏進行操作，可以輸入重要的操作數據和顯示操作的信息；控制面板安裝在桌面或控制室，也可以按需要集成到DCS系統。圖5所示是控制系統的觸摸屏界面，圖6所示是控制系統的組成模塊，圖7所示是控制系統的功能模塊結構方框圖。

圖5 控制系統的觸摸屏界面

圖6 控制系統的組成模塊

圖7 功能模塊結構

控制系統可以提供以下功能：

·主頁面功能 打開/關閉搖振，設置振幅和振頻

·信息頁面功能 查看系統運行的詳細參數

·報警頁面功能 顯示報警詳細信息，并進行警報復位操作

·液壓頁面功能 打開/關閉液壓

·設置頁面功能 詳細設置系統運行參數

·前提功能 顯示搖振開啟之前要滿足的條件

·幫助功能 提供操作說明

通過上面完善的控制功能，可以實現穩定的振幅與振次的控制，可以調整運行頻率和振動幅度，能夠實現0.1 mm步距的振幅調整，并能夠驅動搖振器在振次600 r/mim的高速振動下平穩運行。抗過載能力強，能承受3倍額定轉矩的負載，對網案及車速等負載變化的適應性提供了有力的保障。在加減速動態響應方面，可以控制在幾毫秒內，實時性非常好，系統發熱和噪音也非常低。在實際生產過程中對改善紙

張的特性有著較好的效果。該系統目前設計已經比較成熟，經過現場運行，運行穩定可靠，得到了用戶的好評。

[1] FAN Hui-ming, XU Bin-feng, LIU Jian-an. Application of Shaking Case without Recoil Force in improving the Paper Properties[J]. China Pulp & Paper, 2013， 32(12)： 30. 樊慧明, 徐鑌烽, 劉建安. 無后座力高速搖振箱在改善紙張性能上的應用[J]. 中國造紙， 2013， 32(12)： 30.

[2] ZHANG Feng, GAO Zhi-fu, LIU Huan. Design of A New Shaking Device for High Speed Paper Machine[J]. China Pulp & Paper, 2013， 32(12)： 48 張 鋒, 高致富, 劉 歡. 一種高速紙機新型搖振裝置的設計[J]. 中國造紙， 2013， 32(12)： 48.

[3] XIONG Wan-li, DUAN Zhi-shan, WEN Bang-chun. Synchronized Control Measures of Double-Motor for Multi-Shaft Mechanical Shake System [C]//The Research and Evolvement of Shake Application Technology—the Essay Collection of the Second National “Shake Application Engineering” Academic Conference, 2003. 熊萬里, 段志善, 聞邦椿. 多軸振動機械系統的雙電機同步控制方法[C]//振動利用技術的若干研究與進展——第二屆全國“振動利用工程”學術會議論文集, 2003.

(責任編輯：馬 忻)

Automatic Control and Driving of High Frequency Counterforce Free Shaker

YE Gang-feng1,*ZHANG Hai-hui2

(1.HangzhouHowinTechCo.,Ltd.,Hangzhou,ZhejiangProvince, 310004;2.HangzhouMCNPaperTechCo.,Ltd.,Hangzhou,ZhejiangProvince, 310004)

High frequency counterforce free shaker is an effective means of improving the finished paper quality on paper machine. Because of the complicated movement of several eccentric gears, there’s high demand on the calculation method of its servo drive. This article presented a brief introduction to the practical operation and driving of high frequency counterforce free shaker.

counterforce free; shaker; servomotor

葉鋼峰先生，學士；主要從事造紙機械自動化控制方面的研究。

2013- 10- 12(修改稿)

734+.8

A

0254- 508X(2014)02- 0052- 04