自平衡高频摇振器的驱动与自动化控制

叶钢峰 张海晖

(1.杭州豪荣科技有限公司,浙江杭州,310004；2.杭州美辰纸业技术有限公司,浙江杭州,310004)

·高频摇振器·

自平衡高频摇振器的驱动与自动化控制

叶钢峰1张海晖2

(1.杭州豪荣科技有限公司,浙江杭州,310004；2.杭州美辰纸业技术有限公司,浙江杭州,310004)

在长网纸机上使用自平衡(无反作用力)高频摇振器是提高成纸质量的一个有效手段，由于自平衡高频摇振器包括多个偏心轮的复杂运动，因此其伺服驱动有着较高的算法要求。本文结合实际情况对自平衡高频摇振器的驱动与控制进行了介绍。

无反作用力;摇振器;伺服电机

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

1 自平衡摇振器的介绍

在长网造纸机中采用摇振是提高成纸质量的一个重要手段，通过对上网浆料的摇振，使得纤维均匀分布并加强了横向纤维的分布，从而对于成纸的匀度[1]、纵横向强度比、成纸表面质量等都有显著的优化作用。传统摇振器采用偏重转子结构来实现摇振[2]，无论是对网案还是胸辊进行摇振，摇振器都要承担所有的反作用力。随着造纸机车速的提高，反作用力会越来越大，以至于摇振器的机械结构、水泥基础等都不能承受。一般而言，对于幅宽2640 mm以下的造纸机，采用传统摇振器的时候，纸机最高运行车速在300 m/min以下时，摇振还能有一定的效果，随着造纸机运行车速的提高，传统摇振器在振幅、振次上都越来越不能满足使用需求。另外，叠网纸机网案的高度要在6～8 m以上，由于强大的反作用力的存在，要建造高大而且很坚固的基础来安装摇振器几乎是不可能的事情，因此，对于叠网造纸机而言，要想使用摇振器来提高产品质量几乎无法实现。

自平衡高频摇振器的出现，使得摇振可以用于所有速度的长网造纸机和叠网造纸机。通过摇振器驱动胸辊产生高频率摇振优化了纤维定向，可获得较好的成形效果，纸张质量得以明显改善。

自平衡高频摇振器精巧的设计可满足客户的多项要求，目前在高端造纸机已有广泛的应用。该摇振器可产生的效果有：①有效提高纸张的匀度，特别是对于高定量成纸有着更加显著的效果；②降低纸张纵横向的抗张强度比；③改善耐破度、抗压溃性能(SCT-CD)等质量参数；④由于采用自平衡原理，摇振器几乎无反作用力，安装基础仅需要承担摇振器自身的质量，使得在高速造纸机和叠网造纸机上使用摇振成为可能。

图1所示是在实际生产中采用HR-Shake自平衡高频摇振器的运行效果，成纸定量250 g/m2，图1(a)为未使用自平衡高频摇振器，图1(b)为使用自平衡高频摇振器生产的纸张。由图1可以看出，在使用了自平衡高频摇振器后，成纸的匀度有明显的改善。

图1 HR-Shake自平衡摇振器实际运行效果

2 自平衡高频摇振器的工作原理

自平衡高频摇振器的核心为4个相同的偏重转子，如图2所示。根据偏重转子重心偏移的原理，当其围绕一点高速旋转时，同时产生一个圆周方向的力。使用4个偏重转子组成2组轮对，同时旋转，相对旋转的轮对将消除垂直方向的力而仅存水平方向的力，这样通过调整左右两组轮对的偏重转子的相对相位角就能提供可以调节的水平方向的力。

图2 自平衡高频摇振器的工作原理

摇振系统由胸辊和摇振单元组成，摇振器产生可调节水平摇振力，水平摇振力将通过摇振连杆传递到轴向的胸辊上，带动成形网一起振动，并且可以随着网速的变化、根据摇振系数自动调整振幅和频率，达到最佳纸幅成形。其频率最高可达600次/min，振幅最高可达(25±12.5) mm。

3 驱动策略

如上所述，摇振器的振动发生是来自主、从双电机驱动的振动系统，在振动系统的运行过程中, 由于偏重转子组成的轮对的圆周运动产生的惯性力和由于振动机体的水平往复运动产生的惯性力都会改变两个电机的负载转矩，从而影响双电机的同步状态，因此，使用了两个偏重转子相位差的模糊控制方案[3]。其模糊控制器存在两个状态模糊变量和一个控制变量,输入为两个偏重转子的相位差Δα和相位差的变化率,即两个偏重转子的转速差:

Δα=φ1-φ2

Δωm=ωm1-ωm2

(1)

输入变量Δα的值的区间为[-Π,Π]，中心点为0。可以把整个区域划为7个小区域，每个区域是1个模糊参数，根据正负的不同，把Δα和Δωm分为小、中、大，加上符号有NL(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)。因此每个模糊变量形成7个模糊参数,区域之间约有25%交叠。其每个区域的范围不均等。这时加上速度同步控制可有两个控制量的叠加。其模糊控制规则如表1所示。模糊控制器的输出如式(2)所示。

(2)

表1 模糊控制规则表

通过模糊控制器对相位和转速差进行判断后，输出控制参数对两驱动电机进行控制。在正常工作过程中，摇振器的振幅要通过调整两组偏重转子的相位角来调整摇振器的输出力大小，摇振力的大小由式(3)计算。

P=∑m0rω2=1/cosα(K-mω2)A

(3)

式中，P为偏重转子产生的摇振力，N；m为偏重转子的质量，kg；r为偏重转子的偏心距，m·rad；ω为偏重转子转动的角速度，rad/s；α为摇振器相位差角，rad；A为振幅，m；K为系统中所有弹簧总刚度。

振幅是摇振系统中重要的参数，必须要得到稳定的振幅参数，而自平衡高频摇振器要求的是强迫同步，因此，对两个电机的同步性能要求很高。

目前，工业过程中的控制方法主要有：以古典控制理论为主要基础的PID控制方法，以现代控制理论为主要基础的自适应控制和预测控制等方法以及神经网络控制、模糊控制等智能控制方法。PID控制是Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)三者的缩写，是连续系统中技术最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。

在多机传动的机械系统中，采用PID调节器对系统进行控制存在超调现象，而PI调节器能够很好地满足控制要求，因采用PI调节器对自同步振动机进行控制仿真分析。具体实现多机同步的控制方案有两种：一是对等控制方式，二是主从控制方式。在主从控制方式中主动电机以用户给出的速度和位置作为参考值，在运行过程中紧密地跟踪系统的给定值，而从动电机以主动电机的速度和位置的输出作为参考值，在运行过程中紧密地跟踪主动电机。这样，在运行过程中，两台电机并不是分别跟踪系统的给定值，而是由从动电机跟踪主动电机，使得系统的同步精度大为提高[4]。

在双机驱动同向回转振动系统中，由偏重转子组成的轮对的圆周运动产生的惯性力和由振动机体的水平往复运动产生的惯性力都会影响两个偏重转子相位差的变化，而偏重转子的相位差也可以及时准确地反映系统的同步状态。因此，可以考虑把两个偏重转子的相位差作为反馈信号，通过闭环控制系统中PI控制器的调节作用来实现两个电机的相位同步。把电机1定义为主动电机，由一个变频器驱动，并作为基准，电机2定义为从动电机，由变频器供电，控制偏重转子2跟踪偏重转子1的相位。控制系统中使用一个PI控制器来调节变频器的频率。基于偏重转子1和2相位差的控制系统框图如图3所示。

图3 相位差的控制系统框图

4 驱动和控制的方案

为了实现基于偏重转子1和2相位差的控制系统，要同时保证驱动系统频率的稳定性和同步性，就需要在它的动力源处着手，HR-Shaker自平衡高频摇振器选择了伺服电机和配套的驱动系统构成的闭环控制系统。图4所示是闭环控制系统的框图。

图4 闭环控制系统

伺服电动机也称执行电动机，用于把输入的电压型号变换成电动机轴的角位移或转速输出。具有服从控制信号要求而动作的功能，信号到来之前，转子静止不动；信号到来之后，转子立即转动；当信号消失，转子立刻自行停转。

5 控制系统结构及功能介绍

为了保证自平衡高频摇振器的稳定可靠运行，系统由检测、反馈、控制和驱动等模块构成。自平衡高频摇振器的控制系统采用了触摸屏进行操作，可以输入重要的操作数据和显示操作的信息；控制面板安装在桌面或控制室，也可以按需要集成到DCS系统。图5所示是控制系统的触摸屏界面，图6所示是控制系统的组成模块，图7所示是控制系统的功能模块结构方框图。

图5 控制系统的触摸屏界面

图6 控制系统的组成模块

图7 功能模块结构

控制系统可以提供以下功能：

·主页面功能 打开/关闭摇振，设置振幅和振频

·信息页面功能 查看系统运行的详细参数

·报警页面功能 显示报警详细信息，并进行警报复位操作

·液压页面功能 打开/关闭液压

·设置页面功能 详细设置系统运行参数

·前提功能 显示摇振开启之前要满足的条件

·帮助功能 提供操作说明

通过上面完善的控制功能，可以实现稳定的振幅与振次的控制，可以调整运行频率和振动幅度，能够实现0.1 mm步距的振幅调整，并能够驱动摇振器在振次600 r/mim的高速振动下平稳运行。抗过载能力强，能承受3倍额定转矩的负载，对网案及车速等负载变化的适应性提供了有力的保障。在加减速动态响应方面，可以控制在几毫秒内，实时性非常好，系统发热和噪音也非常低。在实际生产过程中对改善纸

张的特性有着较好的效果。该系统目前设计已经比较成熟，经过现场运行，运行稳定可靠，得到了用户的好评。

[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, 徐镔烽, 刘建安. 无后座力高速摇振箱在改善纸张性能上的应用[J]. 中国造纸， 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 张 锋, 高致富, 刘 欢. 一种高速纸机新型摇振装置的设计[J]. 中国造纸， 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. 熊万里, 段志善, 闻邦椿. 多轴振动机械系统的双电机同步控制方法[C]//振动利用技术的若干研究与进展——第二届全国“振动利用工程”学术会议论文集, 2003.

(责任编辑：马 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

叶钢峰先生，学士；主要从事造纸机械自动化控制方面的研究。

2013- 10- 12(修改稿)

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0254- 508X(2014)02- 0052- 04