文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2011)08-094-04
在冶金、造紙等存在薄帶運行設備或生產線上，由于薄帶不可避免地有縱向浪形或橫向浪形、中部浪瓢、歪扭等缺陷,再加上各處寬度、厚度、硬度、表面粗糙度及所受張力大小有差異,使薄帶不能均勻對稱地貼繞在轉向輥上。這些不對稱因素會使接觸轉向輥的帶鋼面上產生垂直于前進方向的側向力從而導致帶鋼在輥面上向張力小的一側滑移,即跑偏[1]。
薄帶在轉向輥上側向滑移與螺旋偏移是形成帶鋼跑偏的兩個重要原因。實驗室試驗與現場實際結果都表明,入口帶鋼的螺旋偏移作用在帶鋼跑偏過程中常常起著主導作用。既然入口薄帶的螺旋偏移作用能使帶鋼在輥面上跑偏,反之，也可以人為產生反向螺旋升角,以其反向螺旋偏移作用進行糾偏[2]。不少帶鋼生產線將端部轉向輥設計成可水平擺動或鉛垂擺動的單輥糾偏裝置,其實質主要就是利用帶鋼在轉向輥上的螺旋偏移作用進行糾偏。
電磁驅動糾偏輥是利用電磁力控制技術的最新成果而采用的一種新型的糾偏方法——電磁糾偏，利用可控電磁力根據傳感器檢測信號驅動糾偏輥擺動產生反向螺旋升角進行糾偏[3]。電磁糾偏輥結構簡單，支承與驅動集成為一體直接安裝在糾偏輥兩端的軸頸上，省去了常用的框架結構，系統慣性大幅降低，必要時可以安裝在傳統框架糾偏輥無法安裝而又急需糾偏功能的生產線設備上。電磁控制本身具有響應速度快、控制精度高、壽命長、免維修、無污染等特點，更有利于帶鋼或薄帶的高速運行。
1 電磁糾偏輥與數數字控制
電磁支承及驅動技術是利用可控電磁力實現對被支承物體的驅動功能，典型應用如電磁軸承、電磁驅動器、起重器等，這類機構的主要特點是可以實現對被控對象的無介質驅動，響應速度快，結構簡單可靠，使用壽命長。主要由機械結構部件與配套電氣系統兩大部分組成。圖1 所示為最新研制的電磁驅動糾偏輥結構原理示意圖。
圖中，中心柱及支承等部件固定在基礎上，轉輥為外轉子型結構，即筒狀結構轉輥。這種結構可充分利用轉輥內部空間，在實現功能要求的同時有效減少轉子轉動慣量，提高糾偏動作響應速度并有利于在相同間隙條件下獲得比內轉子更大的糾偏角度。定轉子之間電磁支承間隙一般大于5~10 mm。在這個間隙范圍內，利用電磁控制力驅動輥筒在需要的方向產生糾偏動作，實現糾偏功能。
轉輥擺角的實現是通過支承處轉輥以軸向中心為支點相對于定子的徑向差動位移控制獲得。支承處位移與偏擺轉角對應關系是指在輸入對應位移的電壓信號與轉輥在電磁驅動作用下產生的擺角(參見圖1)。由于轉輥兩端的徑向支承為中心對稱結構，因此，當x<<1 時,轉輥擺角與徑向支承點對應位移關系式可以表示為:
其中，α為偏擺角度，x為轉輥在徑向支承點位移，l 為支承點距離轉輥幾何中心點距離。上式表示，在徑向位移遠小于支承跨距時(本實驗裝置中最大徑向位移相對半跨距比值為6:145)，轉輥擺角與徑向支承點位移近似成正比，近似為線性關系且能夠隨驅動信號連續變化。
配套的電氣控制系統是電磁支承及其驅動功能的“靈魂”。用于支承控制的同時實現對糾偏擺動的多自由度伺服控制，要求伺服系統具有高速性、精確度和穩定性，必要時還需對結構模態振動進行控制；又由于實際應用環境一般比較復雜，有大量的信息傳遞。對伺服控制器的多路通信能力、快速運算能力和抗干擾能力都有較高的要求；同時，為了提高糾偏控制精度，越來越多的算法被應用于伺服系統中，要求控制器能在很短的時間內完成大量的運算，一般電子線路難以實現要求。因此，選擇數字控制器實現這種復雜的多功能、高性能要求。針對電磁驅動功能與指標要求，以及現代電子技術最新成果，電磁驅動糾偏輥的電氣控制系統擬采用基于DSP與CPLD硬件與軟件構建。
2 數字控制器設計
根據帶鋼偏移檢測信號接口要求以及糾偏伺服控制系統性能要求,設計了一種以數字信號處理器TMS320VC33為核心的數字控制器，具有16路模擬信號輸入、16路模擬信號輸出和1路RS422串行通信接口。從功能上考慮，該控制器可以分為四個部分：DSP模塊、CPLD模塊、A/D－D/A轉換模塊和通信接口模塊,見圖2。其中DSP模塊負責數字控制算法的實現，CPLD實現整個硬件系統的邏輯控制，A/D－D/A轉換模塊實現糾偏輥位置傳感器信號的采樣輸入和控制信號的輸出，通信模塊負責接收上位機采集到的薄帶位置信號。A/D模塊選用MAX115，該芯片具有12 bit采樣精度、8路輸入通道，采樣范圍±5 V。D/A模塊選用MAX547，具有13 bit數值精度、8路輸出通道，輸出范圍±4.96 V。CPLD模塊選型時綜合考慮片上邏輯單元、用戶I/O數量以及功能擴展的需要，根據前期仿真結果選用MAX7000系列中的EPM7128芯片，它擁有2 500個邏輯單元，100個用戶I/O，支持3.3 V總線電壓，與DSP管腳電平兼容，無需電平轉換即可直接與DSP總線連接。
該控制系統需實現兩個控制目標：一是糾偏輥在工作偏擺角度范圍內任意偏擺角度的穩定懸浮;二是精確快速的偏擺控制，即同時實現位置環和糾偏反饋的雙閉環控制。
為了實現這兩個控制目標，首先通過A/D模塊采樣糾偏輥各個自由度上的糾偏輥位置信號，同時通過串口模塊接收上位機檢測到的薄帶位置信號。這兩個位置信號同時傳給DSP模塊，先經過相應的偏擺控制算法，計算出糾偏所需的偏擺角度，然后再經過懸浮控制算法，計算出將糾偏輥偏擺到該角度并且實現穩定懸浮的各個電磁鐵中所需的控制電流值，進一步經過D/A轉換模塊，輸出控制信號給電磁鐵功率放大器，最終由功率放大器產生相對應的控制電流并輸入給各路電磁鐵產生電磁力，從而實現糾偏輥的穩定懸浮和精確偏擺控制。
3 控制系統設計與仿真
類似糾偏輥的筒狀剛體具有6個自由度，其中旋轉自由度由薄帶驅動，其余自由度則需要電磁支承控制。根據結構不同及性能指標需要，可以選擇對各個自由度獨立控制或集中控制。當各個自由度耦合不嚴重時，可對轉子各自由度進行分散控制。但對于外轉子式的糾偏輥，雖然轉速不高但具有很強的陀螺效應；各個自由度的慣性耦合也相對較強。以上幾個因素導致的一個突出問題是在轉速一定時，轉輥在水平方向的大幅度糾偏擺動，會嚴重影響垂直方向的穩定性。因此，考慮使用集中模型設計控制器，對于轉輥偏角擺動則采用獨立控制。根據實際結構建立轉子數學模型并建立方程，系統輸入為帶鋼偏移量，中間控制量為位移與電磁力，輸出為轉子偏轉角度，對應關系為:
kd為控制器微分系數，kp為比例系數。根據上述設計,利用計算機仿真對糾偏輥系統產生偏角分別為1、1.5°、2°時的階躍控制信號響應與糾偏輥系統對階躍干擾信號響應。仿真結果證明，所選用的方法能夠控制電磁糾偏輥在支承水平方向產生期望的差動位移，進而產生期望擺角，無論是超調和響應時間都能夠達到設計要求。
4 電磁糾偏數字控制實驗
為驗證電磁糾偏輥的實際功能與性能指標，專門設計了配套實驗裝置。該裝置由一個電磁糾偏輥、二個傳動輥、一個主動輥以及一個閉合薄帶構成。薄帶由電機通過主動輥驅動往復運行，類似皮帶輸送機的輸送過程，其中心位置由雙CCD檢測，并通過上位微機將其橫向偏移反饋至電磁糾偏輥控制系統。由于結構中不可避免地存在固有偏差、薄帶自然跑偏(理論上，各個輥表面空間平行、皮帶絕對平整均勻才不會跑偏)，無糾偏控制無法運行。電磁糾偏輥的功能就是實時控制皮帶穩定運行并達到必要的中心位置控制精度，其數字控制系統根據偏移量及適應算法控制電磁力驅動糾偏輥的擺動，實現對運行薄帶的實時糾偏功能。
4.1 糾偏擺角與薄帶偏移關系測試
根據糾偏理論分析，薄帶的橫向偏移與轉輥擺角大小、持續時間，運行速度以及表面摩擦系數等諸多因素相關，其具體數值決定了控制參數的選擇與設計。因此，在實驗中首先測試各種對應關系。圖3為固定糾偏輥擺角分別為±1°并保持不變，薄帶中心線的兩個運行軌跡，其中的波動是薄帶閉合接口的不均勻產生的誤差信號，正負方向的不對稱特性是由于裝置的固有偏差造成。
圖4為增大角度分別至±1.5°時，薄帶中心線的兩個運動軌跡，可以看出，其橫向移動速度比擺角為1°時明顯加快。
測試結果說明，薄帶能夠在擺角作用下，受控于糾偏輥沿橫向產生期望運動，且隨擺角的增大而偏移速度加大。
4.2 糾偏控制實驗
根據實際測試結果獲得的各項參數，分別設計了兩種基于數字控制糾偏算法： (1)在薄帶偏移時輸出固定偏角(分別試驗了擺角0.5°、1°、1.5°)，每次保持時間1 s；(2)設置擺角為薄帶偏移量的函數,隨偏移量大小而相應變化。
圖5為在第一種控制算法作用下帶材中心線軌跡。可以看出，帶材已經完全受控，可以在機構上穩定運行。圖中曲線上較大尖刺為人為反復遮擋CCD探頭模擬產生擾動，薄帶的自動恢復過程。雖然薄帶可以穩定運行，但是波動較大，穩定精度不高。帶材運行速度不能過高。
圖6為利用第二種算法后帶材中心線軌跡，其中的幾處較大尖刺同樣為人為反復遮擋CCD探頭，模擬擾動，薄帶的自動恢復過程。而小幅度周期波動為帶材閉合接頭邊緣不整齊產生的波動。不計上述擾動誤差，可以實現的控制精度達到±1 mm，薄帶運行速度可以進一步加快，直至實驗設備所能達到的最高運行速度。
本文完成了數字控制系統的設計制造及調試，進一步開展針對其功能及性能要求的開環測試，定量地明確了電磁糾偏輥的輸入位移與輸出擺角之間的關系，以及擺角與薄帶中心線影響關系。經過不斷嘗試改進，最終實現了電磁糾偏輥對薄帶運行的穩定控制。帶材運行平穩，控制動態誤差小，最高運行速度400 m/min(當時實驗設備能夠實現的最高速度)。
參考文獻
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