CN105992657A - 轧机的电动机速度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能直接控制轧辊的速度并力图提高速度控制的精度的轧机的电动机速度控制装置。轧机的电动机速度控制装置包括：轧制金属材料的轧辊；与所述轧辊直接连接的轧辊转轴；将动力传送到所述轧辊转轴的电动机转轴；及驱动所述电动机转轴的电动机，该轧机的电动机速度控制装置包括：非接触式速度传感器，该非接触式速度传感器在接近所述轧辊的位置与所述轧辊转轴的周面隔开间隙配置，检测所述轧辊转轴的角速度即轧辊转轴角速度；及速度控制器，该速度控制器以使得实际值与所述轧辊转轴的目标角速度一致的方式，基于该实际值与该目标角速度的比较值，控制所述电动机的速度。所述实际值为反馈到所述速度控制器的所述轧辊转轴角速度。

Description

轧机的电动机速度控制装置

技术领域

本发明涉及包括对金属材料进行轧制的轧辊及驱动该轧辊的电动机的轧机的电动机速度控制装置，特别涉及直接检测轧辊的速度并控制电动机的速度的轧机的电动机速度控制装置。

背景技术

在轧制中，有钢铁材料的轧制、铝或铜等非铁金属材料的轧制。此外，有板材的轧制、棒线材的轧制等形状的差异。此外，有将材料加热到高温并进行轧制的热轧或厚板轧制、对室温的材料进行轧制的冷轧等。材料根据用途、目的来分开形成。

在任一种轧制中，需要利用轧辊夹持材料使其变薄、或变得细长。因此，作为驱动轧辊的动力源，一般使用电动机。

对轧机的一般结构进行说明。轧机包括用于夹持材料的平行的2个轧辊。各轧辊包括作为转轴的主轴。此外，轧机包括电动机。电动机包括电动机转轴。主轴和电动机转轴经由齿轮机构连接，电动机的动力传送到主轴。在电动机转轴中，安装有检测其速度的电动机速度传感器。

在这种结构中，以由电动机速度传感器检测出的速度的实际值与电动机的速度的目标值一致的方式，基于实际值和目标值的比较值来控制电动机的速度。

另外，作为与本发明相关联的技术，本申请人了解了以下记载的文献。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平8-206718号公报

专利文献2：日本专利特开2011-115825号公报

专利文献3：日本专利特开平10-71409号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，对轧制产品产生较大影响的是轧辊的速度。因此，真正想要控制的是轧辊的速度，并非电动机的速度。

但是，以往，并未使用直接检测轧辊的速度的方法。其原因如下。

(A)对于轧辊侧，为了防止因从高温材料传递到轧辊的热量而导致轧辊损伤，一般会注入轧辊冷却水。因此，无法直接将轧辊速度传感器安装于轧辊。即使安装，也会有水进入等而容易故障。

(B)若轧辊有磨损，则会为了研磨而拆卸，换上其它的轧辊。因此，每次都需要拆卸、安装轧辊速度传感器。

(C)在热轧机、厚板轧机中，穿带时会对轧辊施加较大的冲击。因此，即使将轧辊速度传感器直接安装于轧辊，也会因该冲击而导致轧辊速度传感器产生故障。

专利文献1为用于抑制在连接轧辊和电动机的轴中产生的扭转振动的装置及方法。由电动机速度传感器检测出的速度主要用于速度控制，由轧辊速度传感器检测出的速度是次要的。轧辊速度传感器直接设置于轧辊。

专利文献2为用于抑制在连接轧辊和电动机的轴中产生的扭转振动的装置及方法。由于无法直接检测轧辊的速度，因此，采取根据电动机的速度来推定的方法。

专利文献3记载有直接检测轧辊的速度的方法。专利文献3以保护轧机为目的，并非基于速度检测值来力图提高速度控制精度。轧辊速度传感器直接设置于轧辊。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能直接控制轧辊的速度并力图提高速度控制的精度的轧机的电动机速度控制装置。

解决技术问题的技术方案

为了达到上述目的，第1发明为一种轧机的电动机速度控制装置，其包括：

轧制金属材料的轧辊；

与所述轧辊直接连接的轧辊转轴；

将动力传送到所述轧辊转轴的电动机转轴；及

驱动所述电动机转轴的电动机，该轧机的电动机速度控制装置的特征在于，包括：

非接触式速度传感器，该非接触式速度传感器在接近所述轧辊的位置与所述轧辊转轴的周面隔开间隙配置，检测所述轧辊转轴的角速度即轧辊转轴角速度；及

速度控制器，该速度控制器以使得实际值与所述轧辊转轴的目标角速度一致的方式，基于该实际值与该目标角速度的比较值，控制所述电动机的速度，

所述实际值为反馈到所述速度控制器的所述轧辊转轴角速度。

此外，第2发明的特征在于，在第1发明中，

所述非接触式速度传感器配置在与所述轧辊转轴的轴心相交且垂直于所述金属材料的轧制面的垂直线上，

所述轧辊转轴与所述非接触式速度传感器独立并能在所述垂直线上移动。

此外，第3发明的特征在于，在第1或第2发明中，

在所述非接触式速度传感器与所述轧辊之间还包括防水、防尘壁。

此外，第4发明的特征在于，在第1至第3发明的任一项中，还包括：

电动机速度传感器，该电动机速度传感器检测所述电动机转轴的角速度即电动机转轴角速度；及

开关，该开关能将所述实际值切换到所述轧辊转轴角速度和所述电动机转轴角速度中的任一个。

此外，第5发明的特征在于，在第1至第3发明的任一项中，

还包括电动机速度传感器，该电动机速度传感器检测所述电动机转轴的角速度即电动机转轴角速度，

所述实际值为将对所述电动机转轴角速度乘以比例α(0≤α≤1)后的值和对所述轧辊转轴角速度乘以比例1-α后的值进行合成得到的值，

所述比例α在所述轧辊咬入金属材料时设定得大于比例1-α，随着时间经过，设定得小于比例1-α。

发明效果

根据第1发明，将检测轧辊转轴角速度的非接触式速度传感器在接近轧辊的位置与所述轧辊转轴的周面隔开间隙配置。由于是非接触式，因此，具有在更换轧辊时不受影响，不会受到穿带时对轧辊的较大冲击影响。

此外，根据第1发明，利用非接触式速度传感器检测出在接近轧辊的位置处的轧辊转轴角速度。将该实际值视为轧辊速度并反馈到速度控制器，以使得实际值与轧辊的目标角速度一致的方式控制电动机的速度。根据第1发明，能直接控制轧辊速度，并力图提高速度控制的精度。

根据第2发明，非接触式速度传感器可避免在穿带时对轧辊施加的较大冲击的影响。此外，轧辊的上下方向的位置因轧制材的厚度而有较大偏差，有可能会因速度传感器的位置而导致检测性能恶化。但是，根据第2发明中的传感器配置，可抑制因上下方向的位置偏差而导致的检测性能的恶化。

根据第3发明，由于在非接触式速度传感器与轧辊之间具有防水、防尘壁，因此，可从因注入到轧辊的轧辊冷却水、形成于轧制材12表面的氧化铁被膜在轧制时粉碎飞散而产生的粉尘中保护非接触式速度传感器。

根据第4发明，利用切换开关，可切换使用非接触式速度传感器的输出和电动机速度传感器的输出，因此，可使速度传感器及控制系统具有冗余性。

根据第5发明，对非接触式速度传感器的输出和电动机速度传感器的输出进行加权，使权重动态变化，从而可力图实现控制系统的稳定性。

附图说明

图1是用于说明本发明实施方式1的系统结构的图。

图2是用于说明本发明实施方式1的其它系统结构的图。

图3是用于说明本发明实施方式1中的非接触式速度传感器11a、11b的安装位置的图。

图4是表示电动机和负载的双惯性系统的图。

图5是用控制模块表示图4所示的双质点系统的控制框图。

图6是表示在本发明实施方式1的系统中安装于控制装置15的控制模块的控制框图。

图7是表示在本发明实施方式2的系统中安装于控制装置15的控制模块的控制框图。

图8是表示在本发明实施方式3的系统中安装于控制装置15的控制模块的控制框图。

图9是表示安装于比较对象的控制装置的控制模块的控制框图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。此外，对于各图中共同的要素附加相同的标号并省略重复的说明。

实施方式1

[实施方式1的系统结构]

图1是用于说明本发明实施方式1的系统结构的图。图1为薄板热轧机的精轧机、冷轧机的常见结构。图1所示的系统包括轧机1。轧机1包括作为轧辊的上工作辊2a、下工作辊2b。上工作辊2a和下工作辊2b平行配置。轧制材12例如为金属材料，由上工作辊2a和下工作辊2b夹持而被轧制。

在上工作辊2a的上方设置有用于抑制工作辊的宽度方向上的弯曲的上支承辊3a。在下工作辊2b的下方设置有用于抑制工作辊的宽度方向上的弯曲的下支承辊3b。

图1中示出上工作辊2a、下工作辊2b、上支承辊3a、下支承辊3b的4根结构、即所谓4Hi结构的轧辊。然而，本发明并不限于4Hi结构，也可应用于仅有上工作辊2a和下工作辊2b的2Hi结构、在工作辊和支承辊之间夹持有中间辊的6Hi结构等。

上工作辊2a直接安装于作为轧辊转轴的主轴4a。下工作辊2b直接安装于作为轧辊转轴的主轴4b。

轧机1包括驱动电动机转轴7的电动机9。在电动机转轴7中，安装有检测其角速度的电动机速度传感器10。

各主轴4a、4b经由齿轮机构连接到电动机转轴7。电动机9的动力传送到主轴4a、4b。在图1所示的示例中，各主轴4a、4b经由小齿轮5连接到轴6。轴6经由减速齿轮8连接到电动机转轴7。主轴4a、4b和电动机转轴7经由齿轮机构(小齿轮5、轴6、减速齿轮8)连接，电动机9的动力传送到主轴4a、4b。

对图1所示的系统的特征结构进行说明。非接触式速度传感器11a在接近上工作辊2a的位置与主轴4a的周面隔开间隙配置，检测出主轴4a的角速度即轧辊转轴角速度。同样，非接触式速度传感器11b在接近下工作辊2b的位置与主轴4b的周面隔开间隙配置，检测出主轴4b的角速度即轧辊转轴角速度。

本实施方式的系统包括处理器、存储器、具有输入输出接口的控制装置15。控制装置15的输入接口连接有非接触式速度传感器11a、11b。控制装置15的输出接口连接有电动机9。控制装置15基于根据轧制产品预先计划的主轴4a、4b的目标角速度和非接触式速度传感器11a、11b的输出，控制电动机9的速度。

图3是用于说明本发明实施方式1中的非接触式速度传感器11a、11b的安装位置的图。图3(A)是从轧制材12的传送方向观察轧机1得到的主视图。图3(B)是轧机1的侧视图。图3(C)是轧机1的俯视图。

如图3所示，非接触式速度传感器11a配置在与主轴4a的轴心相交且与轧制材12的轧制面垂直的垂直线13上。主轴4a在垂直线13上能与非接触式速度传感器11a独立地移动。

在图3所示的示例中，非接触式速度传感器11a配置在从主轴4a的上方将主轴4a纳入视野的位置X。非接触式速度传感器11b配置在从主轴4b的下方将主轴4b纳入视野的位置Y、或者从主轴4b的横向将主轴4b纳入视野的位置Z。

如图3所示，对于下工作辊2b，为了使轧道线一定，一般将下工作辊2b的上表面设定为一定的高度。工作辊会发生磨损，因此，会利用研磨实施维护，其直径逐渐变小。因此，工作辊的直径从新品时的最大直径变化到作为使用界限的最小直径。在如上述那样将下工作辊2b的上表面设定为固定高度的情况下，与下工作辊2b相连的主轴4b的位置仅在新品时的工作辊最大直径和作为使用界限的工作辊最小直径之差的程度内上下。因此，即使将非接触式速度传感器11b与主轴4b分离设置，也不会与非接触式速度传感器11b的视野发生较大偏差。

另一方面，上工作辊2a的上下方向的位置因轧制材12的厚度而发生较大偏差。因此，与上工作辊2a相连的主轴4a的位置有时会发生较大偏差。因此，将非接触式速度传感器11a设置在主轴4a的上部，减小上下方向的位置偏差的影响。

此外，形成于轧制材12的表面的氧化铁被膜在轧制时粉碎并飞散，从而产生较多粉尘。此外，对工作辊2a、2b进行辊冷却水的注水。若粉尘、冷却水附着于非接触式速度传感器11a、11b，则会对传感器产生不良影响。

因此，在本发明实施方式1的系统中，在非接触式速度传感器11a与上工作辊2a之间、以及非接触式速度传感器11b与下工作辊2b之间配置壁16。壁16为防水、防尘壁。利用壁16，能防止辊冷却水、粉尘附着于传感器，并能将非接触式速度传感器11a、11b配置在更接近工作辊2a、2b的位置。通过在更接近工作辊2a、2b的位置检测主轴4a、4b的角速度(轧辊转轴角速度)，从而能以更高精度将轧辊转轴角速度视为工作辊2a、2b的速度。

在上述实施方式1的系统中，轧机1为利用公共的电动机9来驱动上工作辊2a及下工作辊2b的类型的轧机。然而，本发明也可适用于图2所示的轧机1a。轧机1a为分别利用1台电动机9a、9b驱动上工作辊2a及下工作辊2b的类型的轧机。这是薄板热轧机的粗轧机、厚板轧机的常见结构。图2中，非接触式速度传感器11a、11b的配置与图1及图3相同，因此，省略说明。

在以下的说明中，在不特别区分非接触式速度传感器11a、11b的情况下，仅记为非接触式速度传感器11。

[实施方式1中的特征控制]

图4是表示电动机和负载(包含轧制材、工作辊、支承辊)的双惯性系统的图。

将电动机和负载连接的轴一般为金属，并非刚体，因此，考虑电动机和负载为双质点系统。当然，轴也具有质量，因此，也可考虑具有更多质点的多质点系统，但此处考虑为双质点系统。

图5是用控制模块表示图4所示的双质点系统的控制框图。图5中，模块21表示电动机的惯性，示出利用电动机的转动惯量J_M，对来自模块23、24的转矩分量和电动机转矩T_M之和进行时间积分，转换成电动机角速度ω_M。模块22表示负载侧(轧辊侧)的惯性，示出利用负载的转动惯量J_L，对来自模块23、24的转矩分量和负载转矩T_L之和进行时间积分，转换成负载(轧辊)角速度ω_L。模块23表示利用轴的衰减d(使振动衰减的效果)将电动机角速度ω_M和负载角速度ω_L之差转换为转矩。模块24表示对电动机角速度ω_M和负载角速度ω_L之差进行时间积分，利用轴的弹簧常数k，转换为转矩。

在说明本实施方式的系统中的特征控制之前，说明比较对象的控制装置。图9是表示安装于比较对象的控制装置的控制模块的控制框图。

基于图5的双质点系统的模型，在比较对象的控制装置中，如图9所示，将电动机9的电动机角速度ω_M(将由电动机速度传感器10检测出的电动机转轴7的角速度(电动机转轴角速度)视为电动机角速度ω_M。)进行反馈并实施速度控制，并不将负载角速度ω_L进行反馈。

图9中，速度控制器31对于由上位控制器提供的表示电动机9的目标角速度ω_M ^REF的指令值与作为反馈值的电动机角速度ω_M的偏差进行PID运算，计算电流指令值。在电流控制系统26中，控制成使得电流实际值与电流指令值一致，但图9中，对电流控制系统进行简化并记述。即，视为电流控制系统以具有时间常数T_CC的一阶延迟系统来呈现。模块27为将电流转换成转矩的转矩常数，这并非控制器内的处理，而是模拟电动机9内的转换。作为反馈值的电动机角速度ω_M有时会设为使电动机速度传感器10的检测值通过用于抑制速度变动的振动抑制电路32后的值。振动抑制电路32一般采用相位提前、相位延迟电路。但是，速度控制器31的微分项K_D也有振动抑制效果，因此有时也会使用微分项K_D和振动抑制电路32中的任一个。

这样，在比较对象的控制装置中，在对电动机角速度ω_M进行反馈的中途插入振动抑制电路32，或对速度控制器31设定控制参数以抑制振动。然而，比较对象的控制装置仅仅是抑制电动机9一侧的角速度的振动。

然而，对轧制产品产生较大影响的是负载角速度ω_L。因此，真正想要控制的是负载角速度ω_L，并非电动机角速度ω_M。

图6是表示在本发明实施方式1的系统中安装于控制装置15的控制模块的控制框图。图6中，示出对负载角速度ω_L进行反馈并进行速度控制的示例。图6中，速度控制器25可以采用与图9的速度控制器31相同的结构。但是，负载角速度ω_L有时也会呈振荡性，因此，速度控制器25中设定的参数有时与速度控制器31不同。

作为反馈值的负载角速度ω_L有时会设为使非接触式速度传感器11的检测值通过用于抑制速度变动的振动抑制电路28后的值。振动抑制电路28可以采用与振动抑制电路32相同的结构，但参数有时会不同。但是，速度控制器25的微分项K_D也有振动抑制效果，因此有时也会使用微分项K_D和振动抑制电路28中的任一个。

根据图6所示的控制模块，将由非接触式速度传感器11a、11b检测出的主轴4a、4b的角速度(轧辊转轴角速度)视为负载角速度ω_L，并反馈到速度控制器25，从而能直接控制轧辊的速度，力图提高速度控制的精度。

如以上说明的那样，根据本发明实施方式1的系统，在轧制金属材料的轧机中，通过利用非接触式速度传感器检测与轧辊直接连接的轧辊转轴的角速度，能不受环境影响地检测出轧辊的速度。通过利用该速度来控制电动机的速度，能直接控制轧辊速度。此外，可在轧辊的速度控制中设定最佳的参数，可提高速度控制的精度。

实施方式2

[实施方式2的系统结构]

接着，参照图7来说明本发明的实施方式2。本实施方式的系统能通过在图1～图3所示的结构中对控制装置15安装后述的图7的控制模块来实现。

在实施方式1的系统中，将由非接触式速度传感器11检测出的轧辊转轴角速度视为负载角速度ω_L，仅将负载角速度ω_L反馈到速度控制器25。然而，非接触式速度传感器11也有可能从正常状态脱离。

[实施方式2中的特征控制]

因此，在本发明实施方式2的系统中，在检测轧辊转轴角速度的非接触式速度传感器11的基础上，包括检测电动机转轴7的角速度即电动机转轴角速度的电动机速度传感器10，且包括能将反馈到速度控制器25的实际值切换成轧辊转轴角速度和电动机转轴角速度中的任一个的开关。

图7是表示在本发明实施方式2的系统中安装于控制装置15的控制模块的控制框图。对图7所示的结构中与图6相同的结构标注相同的标号，并省略说明。

图7所示的控制模块包括能切换使用电动机角速度ω_M和负载角速度ω_L作为速度控制器25的输入的切换开关29。例如，始终监视电动机速度传感器10及非接触式速度传感器11的状态，主要使用非接触式传感器11的信号，但在传感器从正常状态脱离时，立即切换到来自电动机速度传感器10的信号来使用。当然反之也是可能的。

此时，根据使用负载角速度ω_L还是使用电动机角速度ω_M，有时也需要切换速度控制器25中的参数、振动抑制电路28中的参数。从切换开关29向速度控制器25及振动抑制电路28延伸的虚线意味着这点。

通过能这样切换使用速度传感器，可使速度传感器及控制系统具有冗余性。

实施方式3

[实施方式3的系统结构]

接着，参照图8来说明本发明的实施方式3。本实施方式的系统能通过在图1～图3所示的结构中对控制装置15安装后述的图8的控制模块来实现。

在实施方式1的系统中，将由非接触式速度传感器11检测出的轧辊转轴角速度视为负载角速度ω_L，仅将负载角速度ω_L反馈到速度控制器25。然而，在热轧机的咬入时，对轧辊施加较大的转矩，负载角速度ω_L呈振荡性，若将其直接输入到速度控制器25，则控制有时也会变得不稳定。

[实施方式3中的特征控制]

因此，在本发明实施方式3的系统中，包括检测电动机转轴7的角速度的电动机速度传感器10，设反馈到速度控制器25的实际值为将对电动机转轴角速度乘以比例α(0≤α≤1)后的值、和对所述轧辊转轴角速度乘以比例1-α后的值进行合成得到的值。此处，比例α在工作辊2a、2b咬入轧制材12时设定得大于比例1-α，随着时间经过，设定得小于比例1-α。

图8是表示在本发明实施方式3的系统中安装于控制装置15的控制模块的控制框图。对图8所示的结构中与图6相同的结构标注相同的标号，并省略说明。

图8中，作为速度控制器25的输入，对电动机角速度ω_M和负载角速度ω_L分别加权，在加权分配电路30中，使用合成后的角速度信号。例如，加权分配电路30中的加权如下所述。

ω_ML＝α·ω_M+(1-α)ω_L (1)

此处，ω_ML为加权后的角速度。α为权重，一般取0至1之间的值。α也可随时间变化。

若使用(1)式，则一般成为变动较大的负载角速度ω_L、和变动较小的电动机角速度ω_M的加权分配，因此，可将抑制负载角速度ω_L的变动后的信号进行反馈，并将其使用于速度控制。例如，在热轧机的咬入时，对轧辊施加较大的转矩，负载角速度ω_L呈振荡性，若将其直接输入到速度控制器25，则控制有时也会变得不稳定。此时，通过在咬入时增大α，随着时间经过而逐渐减小α，从而可力图实现控制系统的稳定性。

标号说明

ω_L 负载角速度(轧辊转轴角速度)

ω_M 电动机角速度(电动机转轴角速度)

ω_M ^REF 电动机的目标角速度

ω_L ^REF 轧辊的目标角速度

1、1a 轧机

2a 上工作辊

2b 下工作辊

3a 上支承辊

3b 下支承辊

4a、4b 主轴

5 小齿轮

6 轴

7 电动机转轴

8 减速齿轮

9、9a、9b 电动机

10 电动机速度传感器

11、11a、11b 非接触式速度传感器

12 轧制材

13 垂直线

15 控制装置

16 壁

25、31 速度控制器

26 电流控制系统

28、32 振动抑制电路

29 切换开关

30 权重分配电路

d 衰减

J_L 负载转动惯量

J_M 电动机转动惯量

k 弹簧常数

K_D 微分项

T_CC 时间常数

T_L 负载转矩

T_M 电动机转矩

Claims (5)

1.一种轧机的电动机速度控制装置，其包括：

轧制金属材料的轧辊；

与所述轧辊直接连接的轧辊转轴；

将动力传送到所述轧辊转轴的电动机转轴；及

驱动所述电动机转轴的电动机，该轧机的电动机速度控制装置的特征在于，包括：

非接触式速度传感器，该非接触式速度传感器在接近所述轧辊的位置与所述轧辊转轴的周面隔开间隙配置，检测所述轧辊转轴的角速度即轧辊转轴角速度；及

速度控制器，该速度控制器以使得实际值与所述轧辊的目标角速度一致的方式，基于该实际值与该目标角速度的比较值，控制所述电动机的速度，

所述实际值为反馈到所述速度控制器的所述轧辊转轴角速度。

2.如权利要求1所述的轧机的电动机速度控制装置，其特征在于，

所述非接触式速度传感器配置在与所述轧辊转轴的轴心相交且垂直于所述金属材料的轧制面的垂直线上，

所述轧辊转轴与所述非接触式速度传感器独立并能在所述垂直线上移动。

3.如权利要求1或2所述的轧机的电动机速度控制装置，其特征在于，

在所述非接触式速度传感器与所述轧辊之间还包括防水、防尘壁。

4.如权利要求1至3中任一项所述的轧机的电动机速度控制装置，其特征在于，还包括：

电动机速度传感器，该电动机速度传感器检测所述电动机转轴的角速度即电动机转轴角速度；及

开关，该开关能将所述实际值切换为所述轧辊转轴角速度和所述电动机转轴角速度中的任一个。

5.如权利要求1至3中任一项所述的轧机的电动机速度控制装置，其特征在于，

还包括电动机速度传感器，该电动机速度传感器检测所述电动机转轴的角速度即电动机转轴角速度，

所述实际值为将对所述电动机转轴角速度乘以比例α(0≤α≤1)后的值和对所述轧辊转轴角速度乘以比例1-α后的值进行合成得到的值，

所述比例α在所述轧辊咬入金属材料时设定得大于比例1-α，随着时间经过，设定得小于比例1-α。