從20世紀(jì)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(jìn)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(jī)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(dǎo)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(shè)備制造廠家和銅線桿生產(chǎn)廠家均在生產(chǎn)工藝、裝機(jī)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(jī)性能大為改善[1]。 為了進(jìn)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)引入銅桿上引連鑄機(jī)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，是采用交流異步電動機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過凸輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)來保證銅桿牽引的起行和停止動作，最大的缺點(diǎn)為起停頻率最大只能達(dá)到2～3次/秒，而且機(jī)械容易損壞、維修率高，而且現(xiàn)場噪聲大;采用伺服控制驅(qū)動系統(tǒng)，利用其響應(yīng)時間短的特點(diǎn)，就輕易能使起停頻率達(dá)到8～10次/秒，使生產(chǎn)效率大為提高，而且運(yùn)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(guān)控制方式 采用伺服驅(qū)動器后最早的控制方式為開關(guān)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(dǎo)通時間和斷開時間，使伺服驅(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(jī)運(yùn)行的速度和起停時間，工作方式如圖1所示: 開關(guān)控制方式雖然控制方式簡單，但在提高開關(guān)頻率后，由于負(fù)載情況的變化，實(shí)際的Ton和Toff時間每個周期都不同，導(dǎo)致結(jié)晶時間不均勻和銅桿節(jié)距L一致性差，在實(shí)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(biāo)準(zhǔn)。 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(jī)軸上的編碼器反饋?zhàn)鳛殂~桿位移的當(dāng)量的反饋值，并與程序設(shè)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，考慮到成本以及伺服驅(qū)動產(chǎn)品的成熟度的關(guān)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(shù)的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)在驅(qū)動產(chǎn)品上的應(yīng)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(jī)（如PLC）發(fā)出的脈沖信號，脈沖信號的頻率對應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行速度，脈沖的個數(shù)對應(yīng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的角度。而且隨著電力電子技術(shù)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KT270全數(shù)字交流伺服驅(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(shí)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(yùn)算，輕易地對電機(jī)進(jìn)行矢量控制和最優(yōu)化控制，不僅使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，而且動態(tài)響應(yīng)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(jì)型數(shù)控或PLC系統(tǒng)連接，以實(shí)現(xiàn)對銅桿牽引的控制。 另外，由于伺服驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)還可分別設(shè)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(jī)床行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)有了數(shù)年的經(jīng)驗(yàn)，最近幾年由于市場的需要，還拓展了不少應(yīng)用領(lǐng)域，例紡織、包裝等行業(yè)。冶金行業(yè)和這些行業(yè)的應(yīng)用有較大的不同，特別是銅桿上引連鑄機(jī)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(yīng)速度、更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和更高的可靠性。 銅桿上引連鑄機(jī)對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特殊要求 較快的響應(yīng)速度 銅桿上引連鑄工藝需要電機(jī)帶動減速機(jī)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(dǎo)致結(jié)晶時間不夠，銅桿極易斷裂，需要整機(jī)停機(jī)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(jī)的生產(chǎn)效率，即在相同時間的熔爐電力耗費(fèi)，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(biāo)：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(biāo)，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(yùn)行時間Ton和停止時間Toff有關(guān): V＝L/（Ton+Toff），其中Ton和Toff又由加工工藝所決定。 在圖4中，運(yùn)行時間Ton又由升速時間Tr、高速運(yùn)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(dá)到L的設(shè)計值，就必須使電機(jī)速度盡可能的高，而且在相當(dāng)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(jī)在高速段有一定的運(yùn)行時間，從而保證在Ton時間內(nèi)的位移達(dá)到銅桿節(jié)距L的設(shè)計值。 根據(jù)負(fù)載情況和用戶選用的減速機(jī)的減速比等數(shù)據(jù)，我們選用了21NM 2000r/min的電機(jī)。該電機(jī)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(yīng)該款電機(jī)我們有KT270－50和KT270－ 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(jī)運(yùn)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(jié)果。 電機(jī)轉(zhuǎn)速的動態(tài)變化過程，其實(shí)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(dāng)電機(jī)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(dāng)電機(jī)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(fù)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(yīng)，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(yàn)結(jié)果，我們得到在空載條件下，KT270－75驅(qū)動16NM 2000r/min伺服電機(jī)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(fù)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(guān)系，比例系數(shù)即為負(fù)載慣量和電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的比值。 較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)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(yán)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(qiáng)弱走線不是嚴(yán)格分開，干擾也會通過驅(qū)動器的進(jìn)線接口耦合進(jìn)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。 KT270系列交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)由于采用了數(shù)字化技術(shù)，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(shí)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(shí)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(diǎn)，采用不同的濾波方式，已達(dá)到理想的抗干擾能力。 差動輸入具有平衡輸入的特點(diǎn)，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。KT270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(qiáng)的抑制能力，在實(shí)際應(yīng)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(qiáng)，無溫漂、零漂等模擬電路所無法克服的缺陷。KT270伺服驅(qū)動器環(huán)境溫度適應(yīng)能力很強(qiáng)，不僅可以在－10℃左右正常通電運(yùn)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?yàn)槭褂萌蹱t，銅桿上引連鑄機(jī)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。 KT270由于大量采用了含有較新技術(shù)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(jī)的轉(zhuǎn)速、當(dāng)前位置、位置指令、位置偏差、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)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(hù)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(jié)語 綜上所述，我們最終采用了PLC位置控制方式，利用伺服驅(qū)動系統(tǒng)相應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)和可靠性高的特點(diǎn)，應(yīng)用于銅桿上引連鑄機(jī)上，取得了良好的效果