賈德利，張海濤，朱寧樂(lè)，羅 冉，于大孚

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150080；3.Groupe Cockerill Maintenance & Ingenierie，哈爾濱 150080）

0 引言

非晶納米晶是一種有別于晶態(tài)合金的完全各向同性的材料。非晶態(tài)金屬具有晶態(tài)金屬難以達(dá)到的高強(qiáng)度、高硬度、高延展性、優(yōu)異軟磁性能、高耐蝕性及優(yōu)異的電性能。非晶納米晶軟磁合金主要應(yīng)用于大功率電源變壓器、開(kāi)關(guān)電源中的變壓器、扼流圈、平波電抗，以及漏電開(kāi)關(guān)鐵芯等[1]。隨著電力電子和電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，非晶納米晶合金得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，其生產(chǎn)制備也不斷走向產(chǎn)業(yè)化，規(guī)?；?。非晶納米晶的生產(chǎn)方法和制備工藝也在不斷創(chuàng)新和優(yōu)化。結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外非晶納米制備領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)的非晶納米晶生產(chǎn)設(shè)備綜合機(jī)械、氣動(dòng)、光電、計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)于一體，自動(dòng)化程度高。

本文在分析了工藝流程和電氣控制方案基礎(chǔ)上，針對(duì)非晶納米晶成套設(shè)備中保溫包調(diào)高運(yùn)動(dòng)控制困難，導(dǎo)致非晶納米晶產(chǎn)出帶材噴帶寬度、厚度等質(zhì)量指標(biāo)較低這一工程問(wèn)題，本文開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，設(shè)計(jì)基于電子齒輪比控制器，所實(shí)現(xiàn)的伺服全閉環(huán)控制分別由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、編碼器速度脈沖反饋、光柵尺位移脈沖反饋等硬件平臺(tái)構(gòu)成[2～4]。解決保溫包調(diào)高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的伺服定位精度，響應(yīng)速度快等性能要求[5～7]。

1 非晶納米晶制備工藝分析

1.1 工藝分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外的非晶納米帶材的制備方法，設(shè)計(jì)一套基于“非晶晶化法”的制備工藝，如圖1所示，其生產(chǎn)設(shè)備包括機(jī)械本體部分、真空爐系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；生產(chǎn)工藝包含四個(gè)階段：前期準(zhǔn)備、抽真空、保溫加熱及噴帶生產(chǎn)。

圖1 非晶納米晶成套設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

圖2 保溫包系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

后三個(gè)階段工藝流程：系統(tǒng)工作開(kāi)始時(shí)，啟動(dòng)主程序，進(jìn)行爐體抽真空操作，真空熔室達(dá)到設(shè)定的真空度5×10-2Pa后啟動(dòng)坩堝加熱母合金，當(dāng)鋼水溫度到達(dá)噴帶溫度1350℃后，這時(shí)啟動(dòng)噴帶系統(tǒng)，坩堝開(kāi)始傾倒鋼水進(jìn)入保溫包，保溫包同時(shí)從原點(diǎn)迅速下降定位到噴帶位置處，鋼水經(jīng)保溫包再?gòu)南路降奶沾蓢娮靽姵觯诟咚傩D(zhuǎn)的銅棍和剝離氣體作用下完成非晶甩帶操作，噴帶結(jié)束后，保溫包自動(dòng)上臺(tái)至原點(diǎn)位置處，系統(tǒng)結(jié)束工作。如圖2所示為保溫包系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，銅棍為保溫包調(diào)高的基準(zhǔn)。

1.2 保溫包運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制要求

1）在系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，要求手動(dòng)調(diào)節(jié)保溫包位置從原點(diǎn)處向下到達(dá)合適的噴帶位置，同時(shí)記錄下當(dāng)前位置。

2）主程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，保溫包自動(dòng)上移至原點(diǎn)，時(shí)間要控制在20s內(nèi)（保溫包行程是100mm）。

3）在噴帶系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，保溫包從原點(diǎn)迅速下降到最初記錄的噴帶位置處，要求時(shí)間控制在10s內(nèi)。

4）在噴帶過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)保溫包的手動(dòng)同步微調(diào)和單側(cè)的升降，要求點(diǎn)動(dòng)精度為1μ m。

以上是完整的噴帶階段保溫包運(yùn)動(dòng)過(guò)程，每一步無(wú)論是自動(dòng)還是手動(dòng)，還要求保溫包升降速度可調(diào)。

2 保溫包調(diào)高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求和性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了全閉環(huán)伺服系統(tǒng)作為控制核心，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。采用兩套左右伺服電機(jī)帶動(dòng)保溫包做軌跡運(yùn)動(dòng)，通過(guò)絲杠將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)變成保溫包在工作臺(tái)面上的直線運(yùn)動(dòng)，采用左右兩套伺服驅(qū)動(dòng)器接收編碼器的速度脈沖信號(hào)和主控器件PLC的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在伺服系統(tǒng)的速度控制單元中設(shè)計(jì)速度檢測(cè)裝置，接受編碼器脈沖信號(hào)反饋，進(jìn)行速度的控制調(diào)節(jié)。在位置控制單元中設(shè)計(jì)位置計(jì)數(shù)裝置，檢測(cè)位移傳感器的位置脈沖信號(hào)，進(jìn)行保溫包位置的調(diào)節(jié)和定位。

圖3 單套全閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）基于電子齒輪比伺服位置環(huán)設(shè)計(jì)

在保溫包運(yùn)動(dòng)控制中，一是涉及到保溫包的高速定位，到噴帶位置有10s的時(shí)間限制，要精確的計(jì)算一個(gè)合理的脈沖頻率，考慮到PLC發(fā)送脈沖的晶體管頻率限制，以及發(fā)揮伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速等，必須要引入電子齒輪比這個(gè)調(diào)整參數(shù)；二是在進(jìn)行保溫包位置μm級(jí)微調(diào)的點(diǎn)位控制時(shí)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)1μ m的動(dòng)作，可以通過(guò)電子齒輪比的設(shè)定，計(jì)算出PLC發(fā)多少個(gè)脈沖給驅(qū)動(dòng)器，使得保溫包在工作臺(tái)面上走1μ m的位移，即通過(guò)改變電子齒輪比參數(shù)，可計(jì)算輸出控制量，進(jìn)一步通過(guò)PLC發(fā)送脈沖的頻率和個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角位移的控制。如圖4所示為引入電子齒輪比后的PLC脈沖命令控制下的驅(qū)動(dòng)器工作模式。

(1)引導(dǎo)學(xué)生自主提問(wèn)評(píng)估，理清問(wèn)題思維.在對(duì)物理知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，由于物理學(xué)科需要較強(qiáng)的邏輯思維，因此學(xué)生的發(fā)散思維在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中起著重要的作用.因此在物理學(xué)習(xí)中作為教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生善于提出疑問(wèn)、進(jìn)行自我提問(wèn)、進(jìn)行自我評(píng)估.這樣學(xué)生不僅能夠理解題意、剖析題意，更能從深層次掌握該題的內(nèi)涵，從而具有清晰的解題思路，提高解題效率.

圖4 伺服位置環(huán)控制原理

2）光柵尺的位移反饋設(shè)計(jì)

如圖3所示，PLC發(fā)送的脈沖命令經(jīng)電子齒輪的換算來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)動(dòng)作的位移和轉(zhuǎn)速，然后在位置單元引入光柵尺位置信號(hào)的脈沖反饋。主要是基于兩個(gè)原因，一是引入電子齒輪后，雖可提高系統(tǒng)的響應(yīng)，但當(dāng)電子齒輪比設(shè)置值較大時(shí)，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移越大，犧牲了調(diào)整精度等級(jí)，為了彌補(bǔ)引入電子齒輪比后造成定位精度和速度間的矛盾，在伺服位置控制單元中采用光柵尺脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器，提高系統(tǒng)中的定位精度；二是引入光柵尺構(gòu)成了伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)控制。利用電機(jī)編碼器所反饋的信號(hào)只能構(gòu)成半閉環(huán)控制，系統(tǒng)無(wú)法反饋回路外的誤差；而采用光柵尺構(gòu)建全閉環(huán)控制時(shí)，將以操作臺(tái)的最終位置為目標(biāo)，從而消除了進(jìn)入傳動(dòng)系統(tǒng)的全部誤差，可有效地保障了定位精度。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)保溫包調(diào)高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)并完成其硬件平臺(tái)。主控單元采用臺(tái)達(dá)EH3系列PLC，脈沖輸出頻率最高達(dá)200kHz，配合電子齒輪比完全可實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)高速的脈沖頻率要求，該系列PLC具有4個(gè)硬件高速計(jì)數(shù)器，可對(duì)光柵尺的脈沖計(jì)數(shù)輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與高速處理；采用兩套左右伺服電機(jī)（0.85kW，SGMGH-09A2C4C）帶動(dòng)保溫包做軌跡運(yùn)動(dòng)，通過(guò)絲杠將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)變成保溫包在工作臺(tái)面上的直線運(yùn)動(dòng)，用左右兩套伺服驅(qū)動(dòng)器接收編碼器的速度脈沖信號(hào)和主控器件PLC的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。PLC的高速晶體輸出端為Y0、Y2分別接入左右伺服驅(qū)動(dòng)器，Y1、Y3為控制左右電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)。編碼器是分辨率為1280000P/R的絕對(duì)式光電編碼盤(pán)，經(jīng)4倍頻電路使用。采用雙側(cè)高精度光柵尺作為位移傳感器反饋保溫包位置信號(hào)，光柵尺精度為1μ m。圖5為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理。

圖5 保溫包調(diào)高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 基于電子齒輪比控制器的設(shè)計(jì)

1） 電子齒輪比的計(jì)算分析

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中采用的編碼器分辨率為1280000P/R的絕對(duì)式光電編碼盤(pán)，并且經(jīng)4倍頻電路使用，當(dāng)指令脈沖當(dāng)量 ΔPg與反饋脈沖當(dāng)量 ΔPf不匹配時(shí)，須采用電子齒輪系數(shù)Kp來(lái)指令脈沖當(dāng)量與反饋當(dāng)量的匹配和跟隨。有如下公式：

臺(tái)達(dá)A2系列伺服的電子齒輪比范圍1/50≤Kp≤5000?？稍隍?qū)動(dòng)器中設(shè)置電子齒輪比的分子CMX和電子齒輪比分母CDV，即：

則式(1)可變?yōu)椋?/p>

式中CMX也即電子齒輪比的分子可看成指令脈沖的電子齒輪系數(shù)，而CDV電子齒輪比的分母可看成反饋脈沖的電子齒輪系數(shù)，存在以下兩種情況。

（1）電子齒輪比對(duì)脈沖頻率的跟蹤模式

在此模式下，伺服電機(jī)的速度由PLC發(fā)送的指令脈

沖的頻率決定，其轉(zhuǎn)速v(r/min)和輸入脈沖頻率fin(Hz之間的關(guān)系如下：

通過(guò)設(shè)置電子齒輪比，可在同一個(gè)輸入脈沖頻率下獲得不同的電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

（2）電子齒輪比對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的跟蹤模式

這種情況下，輸入的脈沖個(gè)數(shù)N決定于電機(jī)聯(lián)接的絲杠導(dǎo)軌的實(shí)際位移行程，其工作臺(tái)面上的位移L與輸入脈沖個(gè)數(shù)N由如下關(guān)系：

由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈對(duì)應(yīng)的機(jī)械位移也即導(dǎo)軌的螺紋間距ΔL和反饋脈沖當(dāng)量以及編碼器分辨率有如下關(guān)系：

綜合式(2)、式(5)、式(6)式可得：

通過(guò)設(shè)定CMX和CDV可以在相同的脈沖輸入個(gè)數(shù)下獲得不同的絲杠導(dǎo)程位移。

2）電子齒輪比控制器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)保溫包調(diào)高系統(tǒng)的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制階段的要求，需計(jì)算出相應(yīng)的電子齒輪參數(shù)，再進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，進(jìn)而計(jì)算PLC在保溫包每個(gè)運(yùn)動(dòng)步驟需要發(fā)送的脈沖頻率和個(gè)數(shù)；運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中根據(jù)編碼器的速度脈沖和光柵尺反饋的脈沖信號(hào)進(jìn)行PLC的數(shù)據(jù)采集設(shè)置和軟件程序的數(shù)據(jù)處理?；陔娮育X輪比的PLC-伺服驅(qū)動(dòng)的控制器設(shè)計(jì)中需引入必要物理參數(shù)，如表1所示。

表1 控制器中物理參數(shù)

伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的已知參量是編碼器線數(shù)（反饋線數(shù)）為20bit，經(jīng)4倍頻電路使用，分辨率為1280000P/R。絲杠導(dǎo)軌的螺紋間距為5mm，保溫包最大行程距離S為100mm。伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速v=3000r/min。

由已知參數(shù)可求出伺服電機(jī)的反饋脈沖當(dāng)量為：

計(jì)算出指令脈沖當(dāng)量，若PLC發(fā)送N為10個(gè)脈沖時(shí)，使保溫包位移1um的距離，則指令脈沖當(dāng)量ΔLg為0.1um/p。此時(shí)，電子齒輪比CMX/CDV為ΔLg/ΔLf=128/5。

在保溫包運(yùn)動(dòng)過(guò)程的第2段和第3段分別要求上臺(tái)至原點(diǎn)的時(shí)間為20s，下降至噴帶處時(shí)間為10s。根據(jù)編碼器的速度脈沖反饋，做好在電子齒輪比下的指令脈沖速度和反饋速度的匹配。保溫包行程最大距離S=100mm，由于PLC每次發(fā)送10個(gè)脈沖走1 μ m，那么需要在20s內(nèi)連續(xù)發(fā)送106個(gè)脈沖，此時(shí)暫且忽略PLC軟件程序的掃面時(shí)間，可計(jì)算得脈沖頻率為50kHz。同理，在保溫包高速下降到噴帶位置處的脈沖頻率為100kHz。

根據(jù)計(jì)算的電子齒輪比設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的P1-44、P1-45參數(shù)以及P2-00、P2-02等位置控制增益參數(shù)[8]；采用臺(tái)達(dá)PLC的高速脈沖指令PLSY輸出相應(yīng)的脈沖頻率和脈沖個(gè)數(shù)。

光柵尺的計(jì)數(shù)輸入環(huán)節(jié)采用2相2輸入的AB相4倍頻模式，光柵尺的四路信號(hào)A、B、R、S，其中A、B相脈沖信號(hào)輸出，分別接入PLC高速計(jì)數(shù)單元的X0、X1或X4、X5。開(kāi)始時(shí)輸入信號(hào)S和清除輸入信號(hào)R分別接入PLC的X2、X3或X6、X7?？蓪?shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的采集，利用PLC的程序計(jì)數(shù)作為機(jī)械部件當(dāng)前位置的判斷條件，觸發(fā)PLC的指令脈沖輸出，從而完成一次動(dòng)作或是連續(xù)發(fā)送脈沖進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

本文對(duì)引入電子齒輪比前后的伺服點(diǎn)動(dòng)精度和響應(yīng)速度進(jìn)行重復(fù)性確認(rèn)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)對(duì)比分析，并得到保溫包的定位過(guò)程曲線，如圖6所示，為保溫包在空載情況下1s內(nèi)的定位過(guò)程?？梢钥吹剿欧亩ㄎ贿^(guò)程平穩(wěn)，位置響應(yīng)無(wú)超調(diào)。

圖6 保溫包的定位過(guò)程

下面給出引入電子齒輪比前后的伺服點(diǎn)動(dòng)精度和定位時(shí)間的5次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于點(diǎn)動(dòng)精度數(shù)據(jù)的獲取是通過(guò)PLC軟件程序?qū)鈻懦呙}沖計(jì)數(shù)的監(jiān)測(cè)，已知選用的光柵尺精度為1μ m，理論上保溫包在直線位移上每行進(jìn)1μ m，光柵尺計(jì)一個(gè)數(shù)，通過(guò)按下點(diǎn)動(dòng)按鈕20次，累計(jì)脈沖計(jì)數(shù)N，點(diǎn)動(dòng)精度用N/20來(lái)計(jì)算。對(duì)于伺服的響應(yīng)速度可以用保溫包從原點(diǎn)到噴帶位置的定位時(shí)間來(lái)表示，啟動(dòng)定位同時(shí)觸發(fā)PLC程序計(jì)數(shù)器，達(dá)到位置時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)束，通過(guò)計(jì)數(shù)累加值換算成定位時(shí)間數(shù)據(jù)。如表2所示的5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 引入電子齒輪前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2數(shù)據(jù)可知，引入電子齒輪比后伺服的點(diǎn)動(dòng)精度增加了一個(gè)等級(jí)，達(dá)到1μm的控制精度，伺服的定位時(shí)間明顯縮短到了10s以下，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，引入電子齒輪比后，伺服點(diǎn)動(dòng)精度提高到1μm的控制要求，伺服的定位時(shí)間穩(wěn)定在10s內(nèi)，響應(yīng)速度快，伺服的定位過(guò)程沒(méi)有位置超調(diào)，平穩(wěn)高效，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了非晶納米晶的制備工藝，提出并完成了基于電子齒輪比控制器的設(shè)計(jì)，在位置環(huán)中引入電子齒輪參數(shù)，位置反饋中加入光柵尺脈沖反饋，速度調(diào)節(jié)中引入編碼器的脈沖頻率反饋，提高了保溫包運(yùn)動(dòng)控制中的伺服定位精度，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)動(dòng)微調(diào)精度1μ m，達(dá)到了伺服的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，完成了伺服定位過(guò)程的位置響應(yīng)無(wú)超調(diào)控制。

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