鋁板帶冷軋機(jī)板型輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方式

王睿龍

(廈門廈順?shù)X箔有限公司，福建 廈門 361026)

板形控制是鋁板帶壓延加工的核心控制技術(shù)之一，板型輥在鋁板帶軋機(jī)中扮演著重要角色。近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球先進(jìn)的板形控制技術(shù)不斷涌現(xiàn)，促進(jìn)了板形測(cè)量輥電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了冷軋板帶工業(yè)的裝備進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

1 板型輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基礎(chǔ)傳動(dòng)控制思想

圖1為冷軋機(jī)板型輥及電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分布示意圖。冷軋機(jī)帶材板型輥為主動(dòng)輥，即該輥由交流變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)然后再通過(guò)聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)。為防止帶材下表面被輥面擦劃傷必須使板型輥線速度與出口帶材速度同步。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與板型輥驅(qū)動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩的差值如果大于帶材與板型輥之間的最大靜摩擦力矩，那么帶材與板型輥之間即會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，帶材下表面發(fā)生擦劃傷，最終影響到產(chǎn)品質(zhì)量。因此在電機(jī)控制上采用了ABB變頻器的“窗口控制”功能，即速度給定、力矩限幅的控制模式。

1.1 窗口控制基本原理

圖2為“窗口控制”示意簡(jiǎn)圖。在正常運(yùn)行時(shí)速度偏差值(電動(dòng)機(jī)的給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值(Speed error))在PLC預(yù)先定義的窗口寬度(Window width)范圍內(nèi)，速度調(diào)節(jié)器的輸出(SPC Output)將不起作用。一旦負(fù)載遇到干擾，此時(shí)速度偏差值超出“窗口”寬度范圍，窗口控制通知速度調(diào)節(jié)器快速投入調(diào)節(jié)，速度調(diào)節(jié)器的輸出再次被快速恢復(fù)到窗口寬度范圍內(nèi)，上述修正過(guò)程不斷持續(xù)，直到達(dá)到新的平衡點(diǎn)。“窗口控制”保證了速度調(diào)節(jié)器的速度偏差值始終在預(yù)設(shè)定的窗口寬度控制范圍內(nèi)，從而提高了板型輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行精度。圖3為基礎(chǔ)傳動(dòng)“窗口”控制和速度給定邏輯原理圖。

圖3 “窗口”控制和速度給定邏輯原理圖Fig.3 “Window” control and speed given logic schematic

1.2 板型輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制原理

板型輥電機(jī)的傳動(dòng)控制，主要是控制電機(jī)在動(dòng)態(tài)狀態(tài)(加、減速階段)慣量補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的摩擦損耗轉(zhuǎn)矩控制，即板型輥電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)該等于各個(gè)速度段的摩擦損耗轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下慣量補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩之和，其傳動(dòng)的控制方式為，速度控制，附加上“窗口控制”的轉(zhuǎn)矩限幅。其硬件配置為1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的ABB ACS800變頻器驅(qū)動(dòng)1臺(tái)交流電機(jī)帶動(dòng)板型輥旋轉(zhuǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)PLC一級(jí)控制和變頻器基礎(chǔ)傳動(dòng)之間的通訊(圖4)。

2 板型輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩的損耗補(bǔ)償

圖4 板型輥電機(jī)速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)雙閉環(huán)傳動(dòng)控制原理框圖Fig.4 Principle block diagram of double closed-loop drive control for speed loop and torque loop of plate roller motor

板型輥電機(jī)在各個(gè)速度段的摩擦損耗轉(zhuǎn)矩和慣量補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定，必須補(bǔ)償準(zhǔn)確，調(diào)試時(shí)一定要注意板型輥兩端軸承要潤(rùn)滑良好。

2.1 摩擦損耗轉(zhuǎn)矩

一般情況下穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)各個(gè)速度段的摩擦損耗轉(zhuǎn)矩M0=f(n)是一條二次曲線，式中n為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，M0電機(jī)的空載摩擦損耗轉(zhuǎn)矩。然后通過(guò)PLC編程使其曲線化(圖5)。

圖5 板型輥電機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩?fù)p耗曲線Fig.5 Friction torque loss curve of plate roller motor

2.2 動(dòng)態(tài)慣性補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩

2.3 動(dòng)態(tài)慣性補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，速度控制、附加窗口控制的力矩限幅控制方式實(shí)現(xiàn)了板型輥與帶材速度的同步性與跟隨性，消除了輥面打滑引起的擦劃傷問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中應(yīng)注意：

(1)板型輥電機(jī)速度負(fù)反饋編碼器最好采用高分辨率、高精度的碼盤。前滑值的精確計(jì)算又取決于軋輥實(shí)際線速度和出口板帶材實(shí)際線速度。如條件允許，最好采用激光測(cè)速儀采集鋁板帶線速度，從而最大程度保證前滑值計(jì)算準(zhǔn)確無(wú)誤。

(2)板型輥電機(jī)在各個(gè)速度段的摩擦損耗轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)過(guò)程中慣量補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中試驗(yàn)來(lái)確定，必須補(bǔ)償準(zhǔn)確，要求有一定的精度。最大程度防止板型輥輥面和板帶材相對(duì)運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)。

(3)預(yù)設(shè)定的“窗口”寬度范圍由一級(jí)PLC決定，不可過(guò)寬。