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廣州博瑋BWS交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)在銅桿引連鑄機上的應用

時間:2011-01-21 09:50:23來源:caijuan

導語:?為了進一步提高銅桿的質(zhì)量和產(chǎn)出效率,我們將交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)引入銅桿上引連鑄機上,取得了很好的效果。

      從20世紀90年代開始,我國電線電纜行業(yè)迅速發(fā)展,銅線桿的需求急劇增長,缺口大部分從國外進口。隨著電磁線、通訊電纜及其他特種用途電線電纜的迅速發(fā)展,多線多模高速拉絲機的出現(xiàn),對銅桿的要求越來越高,小規(guī)格鑄坯生產(chǎn)的銅桿越來越不能滿足要求。
      隨著電氣方面的不斷發(fā)展,對銅導線的質(zhì)量要求越來越高,為了獲得優(yōu)質(zhì)的光亮銅桿,國內(nèi)外設備制造廠家和銅線桿生產(chǎn)廠家均在生產(chǎn)工藝、裝機水平、質(zhì)量檢測和管理方面作了大量工作,以提高質(zhì)量,降低成本。特別是無氧銅上引連鑄生產(chǎn)工藝的出現(xiàn),為電線電纜行業(yè)提供了由電解銅板直接生產(chǎn)φ8鑄態(tài)無氧銅桿的加工可能,大大提高了銅線桿生產(chǎn)的自動化程度,特別是在牽引速度、收卷容量和產(chǎn)品質(zhì)量等方面都比以往有了較大的提高,整機性能大為改善。
      為了進一步提高銅桿的質(zhì)量和產(chǎn)出效率,我們將BWS交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)引入銅桿上引連鑄機上,取得了很好的效果。

銅桿生產(chǎn)的控制方式
      銅桿生產(chǎn)控制方式從過去到現(xiàn)在經(jīng)歷了幾個發(fā)展、演變過程:
傳統(tǒng)凸輪方式
      傳統(tǒng)的方法,是采用BWS交流異步電動機連續(xù)運轉(zhuǎn),通過凸輪等機械結構來保證銅桿牽引的起行和停止動作,最大的缺點為起停頻率最大只能達到2~3次/秒,而且機械容易損壞、維修率高,而且現(xiàn)場噪聲大;采用BWS伺服控制驅(qū)動系統(tǒng),利用其響應時間短的特點,就輕易能使起停頻率達到8~10次/秒,使生產(chǎn)效率大為提高,而且運行時間Ton和停止時間Toff等工藝參數(shù)的修改也變得極為容易。
開關控制方式
      采用BWS伺服驅(qū)動器后最早的控制方式為開關控制方式,即簡單地利用PLC的一個輸出接口,根據(jù)Ton和Toff來控制輸出繼電器的導通時間和斷開時間,使BWS伺服驅(qū)動器的模擬輸入接口在可調(diào)電壓和0之間切換,從而控制電機運行的速度和起停時間,工作方式如圖1所示:
      開關控制方式雖然控制方式簡單,但在提高開關頻率后,由于負載情況的變化,實際的Ton和Toff時間每個周期都不同,導致結晶時間不均勻和銅桿節(jié)距L一致性差,在實際生產(chǎn)過程中斷桿率較高,生產(chǎn)出來的銅桿也不符合質(zhì)量標準。
數(shù)控控制方式
      為了在保證銅桿質(zhì)量的前提下提高銅桿的生產(chǎn)效率,我們采用數(shù)控控制方式,將我公司生產(chǎn)的車床數(shù)控系統(tǒng)替代PLC,根據(jù)連接在電機軸上的編碼器反饋作為銅桿位移的當量的反饋值,并與程序設定的位移量比較,從而可以保證銅桿節(jié)距L的一致性。其工作方式如圖2所示:
      采用數(shù)控控制方式可以與大部分的伺服驅(qū)動系統(tǒng)連接,只要其具有模擬式接口,考慮到成本以及BWS伺服驅(qū)動產(chǎn)品的成熟度的關系,以前都會選用這種工作方式。
PLC位置控制方式
      隨著驅(qū)動控制技術的發(fā)展,數(shù)字化技術在驅(qū)動產(chǎn)品上的應用,數(shù)字式的伺服驅(qū)動器可以具有位置閉環(huán)功能,即可以接受外部上位機(如PLC)發(fā)出的脈沖信號,脈沖信號的頻率對應電機的運行速度,脈沖的個數(shù)對應電機運轉(zhuǎn)的角度。而且隨著電力電子技術的發(fā)展,數(shù)字式伺服驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品的價格大幅下降且可靠性也得到了極大的提高。因此,采用PLC位置控制方式也成為了可能。其工作方式如圖3所示:
      我公司生產(chǎn)的BWS-BBH系列交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用DSP(數(shù)字信號處理器)芯片,該芯片專用于大量數(shù)據(jù)的實時分析和處理,可以高效地完成位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)的閉環(huán)運算,輕易地對電機進行矢量控制和最優(yōu)化控制,不僅使電機運行平穩(wěn),而且動態(tài)響應快、超調(diào)小。配合最新的智能化功率器件IPM,使驅(qū)動器的整體可靠性大為提高,體積小巧、操作簡便,監(jiān)視功能齊全[2]。
      由于具有脈沖位置及模擬速度二種輸入控制方式,可以很方便地與模擬輸出的中高檔數(shù)控系統(tǒng)組成位置閉環(huán)系統(tǒng),也可以很方便地與脈沖輸出的經(jīng)濟型數(shù)控或PLC系統(tǒng)連接,以實現(xiàn)對銅桿牽引的控制。
      另外,由于BWS伺服驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)還可分別設置位置輸入和輸出指令脈沖的分、倍頻(電子齒輪功能),大大方便了系統(tǒng)工藝參數(shù)的調(diào)整。
      該伺服驅(qū)動系統(tǒng)過去一直和數(shù)控系統(tǒng)配套,在機床行業(yè)的應用已經(jīng)有了數(shù)年的經(jīng)驗,最近幾年由于市場的需要,還拓展了不少應用領域,例紡織、包裝等行業(yè)。冶金行業(yè)和這些行業(yè)的應用有較大的不同,特別是銅桿上引連鑄機對伺服驅(qū)動系統(tǒng)有著更特殊的要求,要求有更快的響應速度、更強的環(huán)境適應能力和更高的可靠性。

銅桿上引連鑄機對BWS伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特殊要求
較快的響應速度
      銅桿上引連鑄工藝需要電機帶動減速機減速后通過牽引,從高溫銅冶煉爐中將銅水往上牽引出來,過快的牽引速度會導致結晶時間不夠,銅桿極易斷裂,需要整機停機重新牽引;不穩(wěn)定的牽引速度又會使銅桿生成過程不均勻,極易出現(xiàn)裂縫,在后期冷軋過程中極易斷裂;過慢的牽引速度又會降低整機的生產(chǎn)效率,即在相同時間的熔爐電力耗費,產(chǎn)出的銅桿噸數(shù)少,而這對冶煉行業(yè)來說是一個很重要的指標:Y,單位為t/h。
      考慮銅桿的比重p及銅桿的直徑d,通過簡單的比例換算,可以得到另一個比較直觀的銅桿生產(chǎn)效率指標,即出銅平均速度V,單位為m/min,它和比重p及銅桿的直徑d是一個線形函數(shù),如下所示:
Y=K×p×d×V,
其中K為比例系數(shù),p和d是常數(shù)。
出銅平均速度V和銅桿節(jié)距L、運行時間Ton和停止時間Toff有關:
V=L/(Ton+Toff),其中Ton和Toff又由加工工藝所決定。
在圖4中,運行時間Ton又由升速時間Tr、高速運行時間Tv和降速時間Td組成,即:
Ton=Tr+Tv+Td;
      在有限的Ton時間段內(nèi),要保證銅桿節(jié)距達到L的設計值,就必須使電機速度盡可能的高,而且在相當短的時間段內(nèi),盡量縮短升速時間Tr和降速時間Td,使電機在高速段有一定的運行時間,從而保證在Ton時間內(nèi)的位移達到銅桿節(jié)距L的設計值。
      根據(jù)負載情況和用戶選用的減速機的減速比等數(shù)據(jù),我們選用了21NM 2000r/min的電機。該伺服電機的電氣參數(shù)如下:空載電流I=16A,轉(zhuǎn)子慣量為1.29Kgm2×10-3,對應該款伺服電機我們有BWS-BH-12和BWS-BH-16
      75兩個驅(qū)動器規(guī)格可以選用??紤]到功率元件IPM在PWM脈沖脈沖工作下的可利用系數(shù),一般我們?nèi)2=1.4~1.5,根據(jù)算式:
      Iipm= ×I×K1×K2;(其中K1為電機運行允許的過載倍數(shù));
      我們分別取Iipm=50和75,可以很容易地得到1.5和2.2兩個結果。
      電機轉(zhuǎn)速的動態(tài)變化過程,其實就是伺服驅(qū)動器最大電流輸出的過程,即轉(zhuǎn)矩的變化過程。當電機轉(zhuǎn)速從0迅速上升到額定轉(zhuǎn)速的瞬間,由于轉(zhuǎn)速環(huán)的閉環(huán)作用,速度誤差最大,轉(zhuǎn)速環(huán)即輸出最大正的轉(zhuǎn)矩值;當電機轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速迅速下降到0的瞬間,同理,轉(zhuǎn)速環(huán)即輸出最大負的轉(zhuǎn)矩值[3]。因此,要取得較短的升速時間Tr和降速時間Td,最大輸出轉(zhuǎn)矩(過載能力)越大越好。所以,為了保證有較高的動態(tài)響應,我們選用了過載倍數(shù)較大的KT270-75規(guī)格驅(qū)動器。
      根據(jù)試驗結果,我們得到在空載條件下,KT270-75驅(qū)動16NM 2000r/min伺服電機的升速時間Tr(0~1000r/min)和降速時間Td(1000~0r/min),分別為35.2ms和20ms。
      一般來說,帶上負載后的升速時間Tr和降速時間Td和空載條件下的Tr和Td成線形比例關系,比例系數(shù)即為負載慣量和電機轉(zhuǎn)子慣量的比值。
較強的環(huán)境適應能力
      由于高溫熔爐的加熱方式一般都采用電磁渦流加熱,由大電流產(chǎn)生的磁場干擾特別嚴重,會通過空間輻射影響驅(qū)動器,特別是在生產(chǎn)現(xiàn)場,強弱走線不是嚴格分開,干擾也會通過驅(qū)動器的進線接口耦合進入。在所有其它的干擾種類中,輻射和耦合這兩種干擾對驅(qū)動器的正常工作影響最大。
      BWS-BBH系列交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)由于采用了數(shù)字化技術,大部分的器件都是采用數(shù)字電路。所有的模擬信號,如電流、電壓等模擬信號在經(jīng)過簡單的濾波處理后,都立刻通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,直接送入數(shù)字信號處理器(DSP)中,并根據(jù)不同的通道和信號采集要求,在DSP中采用各種不同的軟件濾波方式濾波,通過數(shù)字方式實現(xiàn)原來模擬電路才能完成的功能。
由于軟件濾波的靈活性,可以靈活實現(xiàn)低通、高通和陷波等濾波功能,針對外部不同的干擾信號的特點,采用不同的濾波方式,已達到理想的抗干擾能力。
      差動輸入具有平衡輸入的特點,可以減小共模向串模轉(zhuǎn)換的效率,因此干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也會大大降低。BWS-BBH系列產(chǎn)品對一些敏感的信號都采用差動輸入接口方式:如模擬輸入接口、脈沖輸入接口、編碼器反饋輸入接口都能對共模干擾有很強的抑制能力,在實際應用中具有明顯的效果。
      采用數(shù)字方式還有一個最大的好處就是對周圍環(huán)境抗干擾能力強,無溫漂、零漂等模擬電路所無法克服的缺陷。BWS-BBH伺服驅(qū)動器環(huán)境溫度適應能力很強,不僅可以在-10℃左右正常通電運行,也可以工作在高溫+55℃的環(huán)境,因此,完全可以在周圍有熔爐的高溫環(huán)境下工作。還由于控制參數(shù)已經(jīng)是數(shù)字量化了的,所以可以保證控制性能不會受溫度的影響有任何的改變。
較高的可靠性
      因為使用熔爐,銅桿上引連鑄機一般都是處于連續(xù)24小時不間斷的工作狀態(tài),這樣對整體的電氣系統(tǒng)在可靠性方面提出了很高的要求。
BWS-BBH由于大量采用了含有較新技術含量、集成度較高的器件或模塊,所以元器件少,因而由于元器件質(zhì)量或焊接質(zhì)量引起的故障會降低。另外,該系列產(chǎn)品還具有完善的監(jiān)視功能,如電機的轉(zhuǎn)速、當前位置、位置指令、位置偏差、電機轉(zhuǎn)矩、電機電流、位置指令脈沖頻率、轉(zhuǎn)子絕對位置等17個參數(shù),可以方便用戶了解驅(qū)動器的工作狀態(tài)。
另外,還有許多保護功能,如驅(qū)動器過流、短路、過載、主電路過壓/欠壓、制動異常、編碼器異常、超速和位置超差等,最新的10個報警都會記錄在驅(qū)動器內(nèi),以便于產(chǎn)品的維修及故障分析和判斷。

結語
      綜上所述,我們最終采用了PLC位置控制方式,利用BWS伺服驅(qū)動系統(tǒng)相應速度快、適應能力強和可靠性高的特點,應用于銅桿上引連鑄機上,取得了良好的效果。

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