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(yè)技術(shù)有限公司,浙江杭州,310004)

·高頻搖振器·

自平衡高頻搖振器的驅(qū)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(yè)技術(shù)有限公司,浙江杭州,310004)

在長網(wǎng)紙機(jī)上使用自平衡(無反作用力)高頻搖振器是提高成紙質(zhì)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(fù)雜運(yùn)動，因此其伺服驅(qū)動有著較高的算法要求。本文結(jié)合實(shí)際情況對自平衡高頻搖振器的驅(qū)動與控制進(jìn)行了介紹。

無反作用力;搖振器;伺服電機(jī)

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

1 自平衡搖振器的介紹

在長網(wǎng)造紙機(jī)中采用搖振是提高成紙質(zhì)量的一個重要手段，通過對上網(wǎng)漿料的搖振，使得纖維均勻分布并加強(qiáng)了橫向纖維的分布，從而對于成紙的勻度[1]、縱橫向強(qiáng)度比、成紙表面質(zhì)量等都有顯著的優(yōu)化作用。傳統(tǒng)搖振器采用偏重轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)搖振[2]，無論是對網(wǎng)案還是胸輥進(jìn)行搖振，搖振器都要承擔(dān)所有的反作用力。隨著造紙機(jī)車速的提高，反作用力會越來越大，以至于搖振器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、水泥基礎(chǔ)等都不能承受。一般而言，對于幅寬2640 mm以下的造紙機(jī)，采用傳統(tǒng)搖振器的時候，紙機(jī)最高運(yùn)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(jī)運(yùn)行車速的提高，傳統(tǒng)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(wǎng)紙機(jī)網(wǎng)案的高度要在6～8 m以上，由于強(qiáng)大的反作用力的存在，要建造高大而且很堅固的基礎(chǔ)來安裝搖振器幾乎是不可能的事情，因此，對于疊網(wǎng)造紙機(jī)而言，要想使用搖振器來提高產(chǎn)品質(zhì)量幾乎無法實(shí)現(xiàn)。

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

自平衡高頻搖振器精巧的設(shè)計可滿足客戶的多項要求，目前在高端造紙機(jī)已有廣泛的應(yīng)用。該搖振器可產(chǎn)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(qiáng)度比；③改善耐破度、抗壓潰性能(SCT-CD)等質(zhì)量參數(shù)；④由于采用自平衡原理，搖振器幾乎無反作用力，安裝基礎(chǔ)僅需要承擔(dān)搖振器自身的質(zhì)量，使得在高速造紙機(jī)和疊網(wǎng)造紙機(jī)上使用搖振成為可能。

圖1所示是在實(shí)際生產(chǎn)中采用HR-Shake自平衡高頻搖振器的運(yùn)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(chǎn)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(shí)際運(yùn)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(zhuǎn)子，如圖2所示。根據(jù)偏重轉(zhuǎn)子重心偏移的原理，當(dāng)其圍繞一點(diǎn)高速旋轉(zhuǎn)時，同時產(chǎn)生一個圓周方向的力。使用4個偏重轉(zhuǎn)子組成2組輪對，同時旋轉(zhuǎn)，相對旋轉(zhuǎn)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(diào)整左右兩組輪對的偏重轉(zhuǎn)子的相對相位角就能提供可以調(diào)節(jié)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(tǒng)由胸輥和搖振單元組成，搖振器產(chǎn)生可調(diào)節(jié)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(wǎng)一起振動，并且可以隨著網(wǎng)速的變化、根據(jù)搖振系數(shù)自動調(diào)整振幅和頻率，達(dá)到最佳紙幅成形。其頻率最高可達(dá)600次/min，振幅最高可達(dá)(25±12.5) mm。

3 驅(qū)動策略

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

Δα=φ1-φ2

Δωm=ωm1-ωm2

(1)

輸入變量Δα的值的區(qū)間為[-Π,Π]，中心點(diǎn)為0?？梢园颜麄€區(qū)域劃為7個小區(qū)域，每個區(qū)域是1個模糊參數(shù)，根據(jù)正負(fù)的不同，把Δα和Δωm分為小、中、大，加上符號有NL(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)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(shù),區(qū)域之間約有25%交疊。其每個區(qū)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(guī)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(guī)則表

通過模糊控制器對相位和轉(zhuǎn)速差進(jìn)行判斷后，輸出控制參數(shù)對兩驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制。在正常工作過程中，搖振器的振幅要通過調(diào)整兩組偏重轉(zhuǎn)子的相位角來調(diào)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(zhuǎn)子產(chǎn)生的搖振力，N；m為偏重轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，kg；r為偏重轉(zhuǎn)子的偏心距，m·rad；ω為偏重轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(tǒng)中所有彈簧總剛度。

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

目前，工業(yè)過程中的控制方法主要有：以古典控制理論為主要基礎(chǔ)的PID控制方法，以現(xiàn)代控制理論為主要基礎(chǔ)的自適應(yīng)控制和預(yù)測控制等方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、行之有效、應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。

在多機(jī)傳動的機(jī)械系統(tǒng)中，采用PID調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)進(jìn)行控制存在超調(diào)現(xiàn)象，而PI調(diào)節(jié)器能夠很好地滿足控制要求，因采用PI調(diào)節(jié)器對自同步振動機(jī)進(jìn)行控制仿真分析。具體實(shí)現(xiàn)多機(jī)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(jī)以用戶給出的速度和位置作為參考值，在運(yùn)行過程中緊密地跟蹤系統(tǒng)的給定值，而從動電機(jī)以主動電機(jī)的速度和位置的輸出作為參考值，在運(yùn)行過程中緊密地跟蹤主動電機(jī)。這樣，在運(yùn)行過程中，兩臺電機(jī)并不是分別跟蹤系統(tǒng)的給定值，而是由從動電機(jī)跟蹤主動電機(jī)，使得系統(tǒng)的同步精度大為提高[4]。

在雙機(jī)驅(qū)動同向回轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)中，由偏重轉(zhuǎn)子組成的輪對的圓周運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力和由振動機(jī)體的水平往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力都會影響兩個偏重轉(zhuǎn)子相位差的變化，而偏重轉(zhuǎn)子的相位差也可以及時準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的同步狀態(tài)。因此，可以考慮把兩個偏重轉(zhuǎn)子的相位差作為反饋信號，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)中PI控制器的調(diào)節(jié)作用來實(shí)現(xiàn)兩個電機(jī)的相位同步。把電機(jī)1定義為主動電機(jī)，由一個變頻器驅(qū)動，并作為基準(zhǔn)，電機(jī)2定義為從動電機(jī)，由變頻器供電，控制偏重轉(zhuǎn)子2跟蹤偏重轉(zhuǎn)子1的相位。控制系統(tǒng)中使用一個PI控制器來調(diào)節(jié)變頻器的頻率?；谄剞D(zhuǎn)子1和2相位差的控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 相位差的控制系統(tǒng)框圖

4 驅(qū)動和控制的方案

為了實(shí)現(xiàn)基于偏重轉(zhuǎn)子1和2相位差的控制系統(tǒng)，要同時保證驅(qū)動系統(tǒng)頻率的穩(wěn)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(jī)和配套的驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖4所示是閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖。

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)

伺服電動機(jī)也稱執(zhí)行電動機(jī)，用于把輸入的電壓型號變換成電動機(jī)軸的角位移或轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子靜止不動；信號到來之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)信號消失，轉(zhuǎn)子立刻自行停轉(zhuǎn)。

5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能介紹

為了保證自平衡高頻搖振器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，系統(tǒng)由檢測、反饋、控制和驅(qū)動等模塊構(gòu)成。自平衡高頻搖振器的控制系統(tǒng)采用了觸摸屏進(jìn)行操作，可以輸入重要的操作數(shù)據(jù)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(tǒng)。圖5所示是控制系統(tǒng)的觸摸屏界面，圖6所示是控制系統(tǒng)的組成模塊，圖7所示是控制系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)方框圖。

圖5 控制系統(tǒng)的觸摸屏界面

圖6 控制系統(tǒng)的組成模塊

圖7 功能模塊結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)可以提供以下功能：

·主頁面功能 打開/關(guān)閉搖振，設(shè)置振幅和振頻

·信息頁面功能 查看系統(tǒng)運(yùn)行的詳細(xì)參數(shù)

·報警頁面功能 顯示報警詳細(xì)信息，并進(jìn)行警報復(fù)位操作

·液壓頁面功能 打開/關(guān)閉液壓

·設(shè)置頁面功能 詳細(xì)設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

·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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的振幅與振次的控制，可以調(diào)整運(yùn)行頻率和振動幅度，能夠?qū)崿F(xiàn)0.1 mm步距的振幅調(diào)整，并能夠驅(qū)動搖振器在振次600 r/mim的高速振動下平穩(wěn)運(yùn)行。抗過載能力強(qiáng)，能承受3倍額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對網(wǎng)案及車速等負(fù)載變化的適應(yīng)性提供了有力的保障。在加減速動態(tài)響應(yīng)方面，可以控制在幾毫秒內(nèi)，實(shí)時性非常好，系統(tǒng)發(fā)熱和噪音也非常低。在實(shí)際生產(chǎn)過程中對改善紙

張的特性有著較好的效果。該系統(tǒng)目前設(shè)計已經(jīng)比較成熟，經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)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(yīng)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(jī)新型搖振裝置的設(shè)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(jī)械系統(tǒng)的雙電機(jī)同步控制方法[C]//振動利用技術(shù)的若干研究與進(jìn)展——第二屆全國“振動利用工程”學(xué)術(shù)會議論文集, 2003.

(責(zé)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(xué)士；主要從事造紙機(jī)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