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    一、概述

    水平連鑄技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的連鑄新技術(shù)。由于水平連鑄工藝簡單，效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，故在冶金行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。拉坯技術(shù)是水平連鑄技術(shù)的核心，為了使液態(tài)金屬在結(jié)晶器里的結(jié)晶更加充分、均勻，拉坯的拖動系統(tǒng)要通過多臺驅(qū)動電機完成拉---停---推---停---拉的往復(fù)變速運動。這就對驅(qū)動系統(tǒng)的響應(yīng)時間、跟隨性、同步性等技術(shù)指標(biāo)提出了很高的要求。

    山東鼎犀特鋼的連鑄拉坯生產(chǎn)線是2002年新建項目。該生產(chǎn)線采用浙江中源電氣有限公司的稀土永磁交流伺服電機（3臺、15KW/臺、型號：TYSZ-1500-160），配套德國KEB的F5伺服控制器，實現(xiàn)速度同步控制功能和主從同步控制功能，響應(yīng)快，定位準(zhǔn)，同步性好，2003年7月份通過現(xiàn)場調(diào)試，目前運行情況良好，各項性能指標(biāo)已完全達(dá)到水平連鑄的拉坯工藝要求。

    二、中源電氣TYSZ系列稀土永磁交流伺服電動機的性能特點

    調(diào)速、定位精度高； 

    動態(tài)響應(yīng)快（電磁時間和機電時間常數(shù)小）； 

    靈敏度高（電動機始動電壓小）； 

    調(diào)速范圍寬，過載能力強； 

    功率范圍大，最大可達(dá)75KW； 

    線性度好，力矩波動小； 

    功率密度大，體積小，重量輕； 

    損耗低，效率高； 

    噪音低，溫升低，壽命長。

    三、連鑄伺服驅(qū)動系統(tǒng)簡述

    連鑄拉坯的運動曲線是近似于正弦波的模擬量波形。它由單片機程序控制，通過鍵盤輸入和顯示器監(jiān)視來調(diào)整拉坯的頻率和速度，操作簡單快捷。伺服控制器通過接收開關(guān)量控制信號和單片機的模擬速度給定信號來驅(qū)動電機。單片機通過位置反饋信號來實時檢測電機轉(zhuǎn)子的運動軌跡，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的位置閉環(huán)，以保證電機的運動軌跡符合工藝要求。參見圖1水平連鑄工藝流程控制示意圖，圖2控制系統(tǒng)框圖。

圖1 水平連鑄工藝流程控制示意圖

圖2 控制系統(tǒng)框圖

    四、拉坯工藝對驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)要求

    根據(jù)拉坯工藝的控制要求，速度給定信號（近似于正弦波形的模擬量）由單片機輸出，通過屏蔽通訊電纜送到伺服控制器，來驅(qū)動伺服電機實現(xiàn)往復(fù)變速運動，電機的實際運行軌跡波形必須快速、同步、精確地跟隨給定信號曲線，才能完整地完成拉坯過程。這就要求驅(qū)動系統(tǒng)必須達(dá)到以下技術(shù)要求：

    (1) 響應(yīng)時間

    拉坯頻率一般在80-200次/分（可調(diào)），拉速一般在0-2米/分（即0-800轉(zhuǎn)，可調(diào)）。這樣一個完整的拉---停---推---停---拉運行過程，所需的時間大約在0.3S-0.8S左右。其中拉的過程所需時間在0.2S-0.6S，對響應(yīng)的時間要求最高。中源電氣的稀土永磁交流伺服電機（15KW）的響應(yīng)時間在150mS（對應(yīng)1000轉(zhuǎn)）左右，完全可以達(dá)到拉坯工藝對電機響應(yīng)時間的要求。

    (2) 跟隨性能

    跟隨性能的好壞直接影響到連鑄拉坯的質(zhì)量。如果跟隨性不好，那么拉、停、推的幅值和時間就很難控制，會引起鋼坯內(nèi)部結(jié)晶不均勻，表面出現(xiàn)褶皺、裂縫等缺陷。中源電氣的稀土永磁交流伺服電機（TYSZ-1500-160）配用德國KEB的伺服控制器，采樣時間最快可達(dá)到0.5ms. 而且，轉(zhuǎn)子的永磁結(jié)構(gòu)決定了轉(zhuǎn)速與頻率的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系（n=60f/p），極數(shù)一定的情況下，單位時間內(nèi)電機轉(zhuǎn)數(shù)只隨著頻率的變化而變化，完全克服了異步電機有轉(zhuǎn)差的缺點，控制精度更高。

    (3) 同步性能

    本系統(tǒng)中，三臺伺服電機分別驅(qū)動三根壓輥，電機與電機之間的同步性要求較高。鋼坯表面經(jīng)過冷卻已經(jīng)凝固，屬鋼性物體，如果同步性不好，就會出現(xiàn)某臺電機驅(qū)動輥打滑、出力不一致等現(xiàn)象，輕微時會影響鋼坯的質(zhì)量，嚴(yán)重時會造成無法正常生產(chǎn)、停車等重大事故。
伺服系統(tǒng)采用速度同步控制功能和轉(zhuǎn)矩控制功能。在起鑄階段采用速度同步控制，因為這時三臺電機的驅(qū)動輥是在牽引引錠桿運行，每個驅(qū)動輥上的壓輥都需要單獨抬起，以讓引錠桿與鋼坯的連接處通過，這個階段對三臺之間的轉(zhuǎn)矩控制要求不高。當(dāng)鋼坯完全通過三個驅(qū)動輥后采用轉(zhuǎn)矩控制方式實現(xiàn)主從同步。這時由于驅(qū)動的鋼坯屬鋼性物體，不出現(xiàn)打滑時，三臺電機的驅(qū)動輥的線速度嚴(yán)格保持一致。此時，由主機控制驅(qū)動輥速度，主機的實際轉(zhuǎn)矩通過模擬量口輸出，作為從機的轉(zhuǎn)矩給定，控制從機的輸出轉(zhuǎn)矩與主機一致。這樣既保證了三臺電機在速度上的一致性，又保證了三臺電機負(fù)荷均衡。

    (4) 抗干擾性能

    干擾是每套電氣設(shè)備都會碰到的問題。小則影響控制的精度，大則使整套設(shè)備無法正常運行。該伺服系統(tǒng)使用的通訊電纜采用多層屏蔽，抗干擾能力強，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
在山東鼎犀特鋼的現(xiàn)場調(diào)試過程中，驅(qū)動系統(tǒng)有過兩次故障：第一次為電機在快速制動過程中產(chǎn)生再生能量，導(dǎo)致控制器的直流母線電壓過高而自動保護，加能耗制動電阻后故障解除。第二次為拉坯模擬量信號傳送到控制器后出現(xiàn)正偏差致使電機的實際速度曲線變形，經(jīng)過檢查、測試后發(fā)現(xiàn)是由于拉坯波形的程序控制模塊有問題，經(jīng)過程序調(diào)試人員的處理后，故障得到排除。

    一年來，山東鼎犀特鋼的這條水平連鑄生產(chǎn)線運行穩(wěn)定，驅(qū)動系統(tǒng)沒有出現(xiàn)一次故障，總拉坯產(chǎn)量達(dá)到20000多噸，鋼坯質(zhì)量完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。國產(chǎn)稀土永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)在水平連鑄的使用中得到圓滿成功。

    五、各種驅(qū)動系統(tǒng)比較

表1 各種驅(qū)動系統(tǒng)比較

    六、伺服電機與異步、同步電機性能對比

表2 各種電機性能對比

    七、總結(jié)

    應(yīng)用國產(chǎn)稀土永磁伺服電機組成的系統(tǒng)具有控制方式多樣化、控制精度高、節(jié)能效果明顯、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，已接近國際先進水平，而且售后服務(wù)更加全面，快捷，為用戶節(jié)省了開支。目前TYSZ稀土永磁交流伺服電機已在冶金、印染、包裝、紡織、印刷、軍工等行業(yè)廣泛使用，使用情況良好。隨著應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用行業(yè)的不斷拓寬，國產(chǎn)稀土永磁伺服電機也正在不斷成熟、不斷完善。

    稀土永磁交流伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)在連鑄生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用，說明國產(chǎn)稀土永磁伺服電機（尤其是大功率伺服電機）與高性能的伺服控制器匹配后，組成的系統(tǒng)完全能滿足某些高性能的工藝要求，是一種具有較高性價比的系統(tǒng)方案。