董 波，佟 冰，區(qū)興華，曹永恒，趙鋒輝，商亞丹

(中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

管排鋸設(shè)備是用于將矯直后成排的毛坯鋼管進(jìn)行鋸頭、鋸尾、鋸定尺。管排鋸具有效率高、精度高、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)節(jié)奏快、智能化等特點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)無(wú)縫鋼管成品的長(zhǎng)度偏差量、管頭端面的質(zhì)量及粗糙度等要求不斷提高。生產(chǎn)廠家對(duì)管排鋸電氣控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和位置精度要求極高，因此管排鋸長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。

中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司為巨能特鋼設(shè)計(jì)供貨的φ325管排鋸，其主軸進(jìn)給裝置和定尺擋板裝置控制系統(tǒng)采用了西門子SINAMICS伺服控制器，完全達(dá)到了設(shè)備的工藝要求，實(shí)現(xiàn)了管排鋸的國(guó)產(chǎn)化。

1 管排鋸伺服控制系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)

管排鋸電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

伺服控制系統(tǒng)是整個(gè)管排鋸電氣控制系統(tǒng)的核心，由電源模塊、電機(jī)模塊、控制單元模塊、伺服電機(jī)等硬件組成。管排鋸中由伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的定尺裝置和主鋸進(jìn)給裝置能否精確運(yùn)行，直接關(guān)系著最終產(chǎn)品的質(zhì)量——即成品鋼管長(zhǎng)度偏差量、管頭端面的質(zhì)量及粗糙度。

1.1 電源模塊和電機(jī)模塊

電源模塊即整流/回饋單元，將三相交流電整流成直流電，供給電機(jī)模塊。如果鋼管生產(chǎn)車間電網(wǎng)不穩(wěn)定，電源模塊能自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)的波動(dòng)，增強(qiáng)了管排鋸工作可靠性和安全性;較高和穩(wěn)定的直流母線電壓也進(jìn)一步保證了尺擋板定位電機(jī)和主軸箱進(jìn)給定位電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了電機(jī)的利用率。電機(jī)模塊即逆變單元，將直流電逆變成驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的三相交流電。

圖1 管排鋸電氣控制系統(tǒng)圖Fig.1 Electrical control system of tube row saw

這種電源模塊和電機(jī)模塊的模塊化組合，實(shí)現(xiàn)了回饋制動(dòng)的功能。在制動(dòng)過(guò)程中，多余電能被反饋到電網(wǎng)中，在保證良好制動(dòng)性能的同時(shí)，比傳統(tǒng)的能耗制動(dòng)方式節(jié)電。

1.2 控制單元模塊和伺服電機(jī)

控制單元模塊是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的處理中心，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的所有模塊，完成各軸的電流環(huán)、速度環(huán)甚至位置環(huán)的控制。該系統(tǒng)的控制單元模塊是數(shù)字式控制系統(tǒng)，能滿足對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、速度設(shè)定范圍和旋轉(zhuǎn)精度的最高要求。除了傳統(tǒng)的速度和轉(zhuǎn)矩控制等驅(qū)動(dòng)功能以外，還集成有管排鋸定尺擋板所需的定位功能，從而減輕PLC的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

根據(jù)管排鋸功能要求，該控制系統(tǒng)選用內(nèi)置光電編碼器和抱閘模塊的伺服電機(jī)。該電機(jī)對(duì)側(cè)向力有較高抵抗力，能保證主鋸進(jìn)給速度在開(kāi)始鋸切時(shí)即使有很大的突加性負(fù)載也不受影響;伺服電機(jī)較高的旋轉(zhuǎn)精度使得排管鋸切面質(zhì)量好;伺服電機(jī)高動(dòng)態(tài)性能大大縮短了管排鋸的非生產(chǎn)時(shí)間。而且，該電機(jī)擁有很高的防護(hù)等級(jí)，在金屬鋸屑很多的管排鋸生產(chǎn)線上基本是不用維護(hù)的。

管排鋸伺服電機(jī)的動(dòng)力電纜和編碼器電纜是預(yù)先裝配好的，大大簡(jiǎn)化了電路連接。這種專用的電纜具有良好的屏蔽作用，即使在電纜敷設(shè)回路附近有強(qiáng)烈的電磁干擾，也能保證伺服電機(jī)的精確運(yùn)行和編碼器信號(hào)的準(zhǔn)確反饋。

2 進(jìn)給速度波動(dòng)較大原因分析

在鋸切過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，伺服系統(tǒng)定位很準(zhǔn)，誤差小于±0.01 mm，但進(jìn)給伺服電機(jī)在向給定位置運(yùn)行時(shí)，進(jìn)給速度波動(dòng)較大，誤差在±10 mm/min。而進(jìn)給速度波動(dòng)較大則會(huì)影響管頭端面的質(zhì)量、粗糙度，更會(huì)大大縮短鋸片的使用壽命。

管排鋸的進(jìn)給過(guò)程控制由CPU、伺服控制器、伺服電機(jī)和電機(jī)內(nèi)置光電編碼器等四部分完成。CPU通過(guò)PROFIBUS-DP總線通訊電纜向伺控制單元模塊發(fā)送進(jìn)給位置和進(jìn)給速度命令信號(hào)，進(jìn)給位置命令信號(hào)經(jīng)過(guò)電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。伺服電機(jī)內(nèi)置的編碼器向控制單元提供反饋信號(hào)來(lái)完成伺服系統(tǒng)的位置反饋，組成一個(gè)位置閉環(huán)系統(tǒng)，一般將光電碼盤裝在伺服電機(jī)非負(fù)載軸的軸端上，以避免機(jī)械部件振動(dòng)和變形對(duì)位置控制系統(tǒng)產(chǎn)生外部擾動(dòng)。位置反饋環(huán)中傳感元件——增量式光電編碼器將運(yùn)動(dòng)構(gòu)件實(shí)時(shí)的位移(或轉(zhuǎn)角)變化量以A、B相差分脈沖形式長(zhǎng)線傳輸?shù)娇刂颇K中進(jìn)行編碼器脈沖計(jì)數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息，控制模塊計(jì)算給定位置與實(shí)際位置(即反饋到的位置)的偏差后，通過(guò)PID控制規(guī)律運(yùn)算出的參數(shù)，輸出給電機(jī)模塊，最終驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成期望值的進(jìn)給定位。另一方面，當(dāng)進(jìn)給給定速度與實(shí)際速度產(chǎn)生偏差時(shí)，伺服控制器會(huì)通過(guò)電流環(huán)來(lái)保證達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，使伺服電機(jī)加速或減速，實(shí)現(xiàn)實(shí)際速度和給定速度相等。

對(duì)于一個(gè)高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，必須保證有足夠的剛度，使其在外界干擾的情況下，仍能滿足高精度和穩(wěn)定性。影響系統(tǒng)剛度的因素很多，與伺服系統(tǒng)的增益和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)。針對(duì)管排錐進(jìn)給系統(tǒng)影響其剛度的主要因素有進(jìn)給軸在起停階段或低速進(jìn)給時(shí)克服運(yùn)動(dòng)部件與導(dǎo)軌的摩擦力等，以及進(jìn)給裝置高速旋轉(zhuǎn)的鋸片接觸管坯時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)。

引起管排鋸進(jìn)給速度波動(dòng)較大的原因:伺服控制模塊自優(yōu)化計(jì)算出的PID調(diào)節(jié)器參數(shù)不理想，剛度不夠。因此需要對(duì)伺服控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、整定，使系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地抑制外界擾動(dòng)，提高系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力。

3 PID參數(shù)的優(yōu)化及整定

離散化PID控制算式為

式中，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2…;kp、kI、kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。在實(shí)際中，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量u(k)的增量u(k)－u(k－1)，根據(jù)遞推原理可得增量式PID控制算式為

式中，Δe(k)=e(k)－e(k－1); Δe(k－1)=e(k－1)－e(k－2)

SINAMICS程序可以進(jìn)行P值和I值的整定。通過(guò)伺服控制模塊自優(yōu)化功能運(yùn)行計(jì)算出PI的參數(shù)與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。自優(yōu)化時(shí)首先在計(jì)算得出P值的基礎(chǔ)上，逐次增加0.2 Nm·s/rad，利用仿真軟件模擬各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線;其次在計(jì)算得出I值的基礎(chǔ)上，逐次減少5 ms(考慮到整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)環(huán)節(jié)組成，I=10 ms為極值)，調(diào)試至得到較滿意的響應(yīng)。最后手動(dòng)修改SINAMICS中的P值和I值參數(shù)，如圖2所示。

圖2 手動(dòng)修改參數(shù)界面Fig.2 Setting interface of servo parameters

通過(guò)對(duì)伺服控制器PID參數(shù)手動(dòng)整定，使進(jìn)給伺服電機(jī)進(jìn)給速度波動(dòng)減小，誤差控制在±2 mm/min，而定位精度保持不變。由現(xiàn)場(chǎng)人工記錄的數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖，如圖3和圖4所示，當(dāng)進(jìn)給速度設(shè)定360 mm/min，進(jìn)給量設(shè)定530 mm時(shí)，伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性得到改善，提高了系統(tǒng)剛度。

4 結(jié)論

該管排鋸控制系統(tǒng)在巨能特鋼正式生產(chǎn)運(yùn)行一年多，實(shí)踐證明:系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定。整條生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精度滿足用戶要求，隨著操作人員與設(shè)備的磨合，產(chǎn)量和效率還有很大的提高空間。

［1］ 斯克沃爾佐夫．鑲片圓鋸的制造［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1957．

［2］ 李恩光．機(jī)電伺服控制技術(shù)［M］．上海:東華大學(xué)出版社，2003．

［3］ 顏嘉男．伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:科學(xué)出版社，2010．