CN116861589B - 一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，包括以下步骤：采用伺服电机驱动液压泵，在液压系统不需要流量的时段，伺服电机停转，在液压系统需要流量的时段，伺服电机快速启动驱动液压泵满足液压系统的流量需求；在伺服电机驱动系统中设置压力信号检测冗余机构、通讯异常处理机构以及温度监测机构，以避免液压系统异常。其采用永磁伺服电机驱动液压泵，在液压系统不需要流量的时段，电机停转，在液压系统需要流量的时段，电机快速启动驱动液压泵满足液压系统的流量需求。并且在伺服电机驱动液压泵的液压站出现异常时，通过元器件冗余、程序预设定等设计，确保液压系统仍满足功能需要。

Description

一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法
技术领域
本发明涉及驱动系统技术领域，尤其是涉及一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法。
背景技术
冶金企业连续化生产线中存在大量的液压系统，这些液压系统用于驱动生产线设备，实现工艺设备的各种工序动作。
现有的技术中，冶金企业的连续化生产线如热轧的轧机生产线、冷轧的轧机生产线、热镀锌生产线、连续退火线等的液压系统大多采用恒压变量泵，恒压变量泵由异步电机驱动，异步电机驱动恒压变量泵长期连续运行，利用恒压变量泵的摆角可调节特性，在液压系统不需要流量时，通过摆角的变化减少流量输出，实现节能效果。
异步电机驱动恒压变量泵构成的液压系统泵站虽能实现部分节能效果，由于异步电机一直处于连续运转状态，仍存在大量的无效能量损失。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其采用永磁伺服电机驱动液压泵，在液压系统不需要流量的时段，电机停转，在液压系统需要流量的时段，电机快速启动驱动液压泵满足液压系统的流量需求。并且在伺服电机驱动液压泵的液压站出现异常时，通过元器件冗余、程序预设定等设计，确保液压系统仍满足功能需要。具体内容如下：
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，包括以下步骤：采用伺服电机驱动液压泵，在液压系统不需要流量的时段，伺服电机停转，在液压系统需要流量的时段，伺服电机快速启动驱动液压泵满足液压系统的流量需求；
在伺服电机驱动系统中设置压力信号检测冗余机构、通讯异常处理机构以及温度监测机构，以避免液压系统异常。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：伺服电机控制是由一个液压站级的伺服节能运动控制器统筹整个液压站内各个电机的启停及转速分配；
运动控制器通过串行接口与各个伺服电机的驱动器建立通讯，伺服驱动器收到运动控制器的指令后，控制伺服电机的运行。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：运动控制器通过压力传感器检测液压系统的压力，检测到的实际系统压力值与设定压力值进行比较，经控制算法计算后，给出需启动伺服电机的指令和转速到对应的电机驱动器；
电机驱动器接到指令后启动，并通过转速编码器检测电机转速，在电机驱动器内对实际电机转速与给定转速之间比较，按设定的控制算法处理偏差后，给出控制信号，形成转速小闭环，最终实现液压系统压力的闭环控制。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在所述压力信号检测冗余机构中，为防止压力信号丢失、传感器异常、连接电缆接触不良导致的压力数据错误，从而引发伺服电机驱动不能满足液压系统工作需要，导致生产线停机，在液压系统测压点设置两个压力传感器，两个压力传感器数值经对比，以压力小的数值作为压力反馈信号，并当压力数值差异设定值时，发出报警信号，及时更换压力传感器。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在所述通讯异常处理机构中，运动控制器时以通讯方式给伺服驱动器发出启动、转速设定指令，当出现通讯中断异常时，伺服驱动器自动切换至自身压力闭环模式或定频模式驱动伺服电机，以保证液压系统正常工作。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述自身压力闭环模式用于定量泵系统，在定量泵出口设置有压力传感器，压力传感器检测到的压力反馈至伺服驱动器，驱动器对检测到的压力与设定值比较，并按设定的控制算法实现压力的闭环控制。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述定频模式用于恒压变量泵系统，以驱动器设定的转速驱动液压泵旋转，以液压泵的最大输出流量运转。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在所述温度监测机构中，当单体伺服电机出现异常，如定子、转子、轴承温度异常升高并达到设定温度，运动控制器立刻将运转电机切换至未启动的电机，在满足液压系统流量的前提下，最大程度的避免伺服电机在异常状态下工作。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述伺服电机为永磁伺服电机。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
本发明公开了一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其采用永磁伺服电机驱动液压泵，在液压系统不需要流量的时段，电机停转，在液压系统需要流量的时段，电机快速启动驱动液压泵满足液压系统的流量需求。并且在伺服电机驱动液压泵的液压站出现异常时，通过元器件冗余、程序预设定等设计，确保液压系统仍满足功能需要。
采用伺服电机驱动液压泵与异步电机驱动相比，运行控制上增加了压力检测信号、转速检测信号和通讯信号，因此也增加了对应的故障点，为减少由于这些故障点导致的液压系统异常，在整个控制系统中进行了系统可靠性设计。在伺服电机驱动系统中设置压力信号检测冗余机构、通讯异常处理机构以及温度监测机构，以避免液压系统异常，提高了液压系统工作的稳定性。
附图说明
图1为本发明的伺服电机控制逻辑图。
图2为本发明的伺服电机控制框图。
附图标记：1、PLC；2、伺服节能运动控制器；3、伺服驱动器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是电气连接，也可以是电连接；可以是信号连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例一：
本发明公开了一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，包括以下步骤：采用伺服电机驱动液压泵，在液压系统不需要流量的时段，伺服电机停转，在液压系统需要流量的时段，伺服电机快速启动驱动液压泵满足液压系统的流量需求；在伺服电机驱动系统中设置压力信号检测冗余机构、通讯异常处理机构以及温度监测机构，以避免液压系统异常。在本实施例中，伺服电机为永磁伺服电机。
连续化生产线要求液压系统具有高度的稳定性，一旦由于液压系统异常导致生产线停机，将会造成巨大的产能损失。为此，在采用伺服电机驱动液压泵构成液压站的设计中要充分考虑系统的可靠性，方案设计中要考虑到，当伺服电机控制系统出现异常时，仍可保证液压系统的正常工作，不会造成生产线停机。
参照图1，伺服电机控制逻辑如下图所示，包括PLC1、伺服节能运动控制器2以及多个伺服驱动器3，PLC1与多个伺服驱动器3通讯连接，伺服节能运动控制器2与PLC1通讯连接，伺服节能运动控制器2与伺服驱动器3通讯连接。
参照图2，每个伺服驱动器3连接一台伺服电机以驱动伺服电机的运转，伺服电机传动连接有液压泵，液压泵连接执行机构，执行机构连接负载，伺服电机上安装有编码器。
管路上安装有压力传感器，压力传感器的信号输入端与液压泵电气连接，压力传感器的信号输出端与伺服驱动器3电气连接。
液压站系统管路安装有系统压力传感器，所述系统压力传感器与所述伺服节能运动控制器2电气连接。当液压系统需要液压油时，液压系统的压力下降，系统压力传感器检测数值下降，伺服节能运动控制器2发出控制指令给伺服驱动器3，多个伺服电机按设定顺序投入、设定转速运转。
当系统不需要高压油时，液压系统的压力上升，系统压力传感器检测数值上升，当达到伺服节能运动控制器2所设定的压力值，伺服节能运动控制器2发出控制指令给伺服驱动器3，多台伺服电机按设定顺序停止运转。
在本实施例中，此系统还包括液压泵，伺服节能运动控制器2与液压泵控制连接，伺服节能运动控制器2用于控制液压泵的运转状态。伺服节能运动控制器2内设置有定期循环模块与单一运转模块；
当所述定期循环模块启动时，液压站内的一台液压泵作为主泵运行，主泵以控制器设定的最低转速运转，并以控制器事先设定的循环周期，液压站内的所有液压泵逐一作为主泵运转；
当所述单一运转模块启动时，一台液压泵作为主泵，在液压系统不需要高压油时，一直以这台为主泵按控制器设定的最低转速运转，液压站内其余的液压泵不作为主泵运转。
伺服节能运动控制器2通过EtherCAT接口与伺服驱动器3连接。伺服节能运动控制器2通过MobdusRTU接口、MobdusTCP接口、Profinet接口与PLC1连接。
由于不同设备的液压系统功能多种多样，因此要求液压站的工作制度也各不相同，为实现液压站工作制度的灵活配置，在伺服电机驱动的液压站中设计液压站级的控制器，由液压站级的控制器对站内的各个伺服电机进行管理和控制，实现运行制度的灵活匹配是非常必要的。
图中伺服节能运动控制器2就是液压站级控制器，通过通讯方式与机组的PLC1交换信息，同时以通讯方式对液压站内的伺服电机发出控制指令，协调液压站内的伺服电机实现液压系统的功能需求。
伺服电机控制是由一个液压站级的伺服节能运动控制器统筹整个液压站内各个电机的启停及转速分配；运动控制器通过串行接口与各个伺服电机的驱动器建立通讯，伺服驱动器收到运动控制器的指令后，控制伺服电机的运行。
运动控制器通过压力传感器检测液压系统的压力，检测到的实际系统压力值与设定压力值进行比较，经控制算法计算后，给出需启动伺服电机的指令和转速到对应的电机驱动器。
电机驱动器接到指令后启动，并通过转速编码器检测电机转速，在电机驱动器内对实际电机转速与给定转速之间比较，按设定的控制算法处理偏差后，给出控制信号，形成转速小闭环，最终实现液压系统压力的闭环控制。
在本实施例中，控制算法为PID算法，PID即：Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。顾名思义，PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法，该控制算法出现于20世纪30至40年代，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意的效果。PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。
比例：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，立即产生控制作用以减小偏差。比例控制器的输出u(t)与输入偏差e(t)成正比，能迅速反映偏差，从而减小偏差，但不能消除静差。静差是指系统控制过程趋于稳定时，给定值与输出量的实测值之差。偏差存在，才能使控制器维持一定的控制量输出，因此比例控制器必然存在着静差。由偏差理论知，增大虽然可以减小偏差，但不能彻底消除偏差。比例控制作用的大小除与偏差e(t)有关之外，还取决于比例系数Kp的大小。比例系数Kp越小，控制作用越小，系统响应越慢；反之，比例系数Kp越大，控制作用也越强，则系统响应越快。但是，Kp过大会使系统产生较大的超调和振荡，导致系统的稳定性能变差。因此，不能将Kp选取过大，应根据被控对象的特性来折中选取Kp，使系统的静差控制在允许的范围内，同时又具有较快的响应速度。
积分：积分环节的作用，主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱，取决于积分时间常数Ti，Ti越大积分作用越弱，反之则越强。积分控制作用的存在与偏差e(t)的存在时间有关，只要系统存在着偏差，积分环节就会不断起作用，对输入偏差进行积分，使控制器的输出及执行器的开度不断变化，产生控制作用以减小偏差。在积分时间足够的情况下，可以完全消除静差，这时积分控制作用将维持不变。Ti越小，积分速度越快，积分作用越强。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。[2]
微分：微分环节的作用能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。积分控制作用的引入虽然可以消除静差，但是降低了系统的响应速度，特别是对于具有较大惯性的被控对象，用PI控制器很难得到很好的动态调节品质，系统会产生较大的超调和振荡，这时可以引入微分作用。在偏差刚出现或变化的瞬间，不仅根据偏差量作出及时反应(即比例控制作用)，还可以根据偏差量的变化趋势(速度)提前给出较大的控制作用(即微分控制作用)，将偏差消灭在萌芽状态，这样可以大大减小系统的动态偏差和调节时间，使系统的动态调节品质得以改善。微分环节有助于系统减小超调，克服振荡，加快系统的响应速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态性能，但微分时间常数过大，会使系统出现不稳定。微分控制作用一个很大的缺陷是容易引入高频噪声，所以在干扰信号比较严重的流量控制系统中不宜引入微分控制作用。
微分控制作用的阶跃响应特性对于一个恒定的偏差量，不管其数值有多大，微分控制作用均为零。因此，微分作用不能消除静差，单独使用意义不大，一般需要与比例、积分控制作用配合使用，构成PD或PID控制。
对于PID控制，在控制偏差输入为阶跃信号时，立即产生比例和微分控制中作用。由于在偏差输入的瞬时，变化率非常大，微分控制作用很强，此后微分控制作用迅速衰减，但积分作用越来越大，直至最终消除静差。PID控制综合了比例、积分、微分3种作用，既能加快系统响应速度、减小振荡、克服超调，亦能有效消除静差，系统的静态和动态品质得到很大改善，因而PID控制器在工业控制中得到了最为广泛的应用。
在压力信号检测冗余机构中，为防止压力信号丢失、传感器异常、连接电缆接触不良导致的压力数据错误，从而引发伺服电机驱动不能满足液压系统工作需要，导致生产线停机，在液压系统测压点设置两个压力传感器，两个压力传感器数值经对比，以压力小的数值作为压力反馈信号，并当压力数值差异设定值时，发出报警信号，及时更换压力传感器。
在通讯异常处理机构中，运动控制器时以通讯方式给伺服驱动器发出启动、转速设定指令，当出现通讯中断异常时，伺服驱动器自动切换至自身压力闭环模式或定频模式驱动伺服电机，以保证液压系统正常工作。
自身压力闭环模式用于定量泵系统，在定量泵出口设置有压力传感器，压力传感器检测到的压力反馈至伺服驱动器，驱动器对检测到的压力与设定值比较，并按设定的控制算法实现压力的闭环控制。
定频模式用于恒压变量泵系统，以驱动器设定的转速驱动液压泵旋转，以液压泵的最大输出流量运转。
在温度监测机构中，当单体伺服电机出现异常，如定子、转子、轴承温度异常升高并达到设定温度，运动控制器立刻将运转电机切换至未启动的电机，在满足液压系统流量的前提下，最大程度的避免伺服电机在异常状态下工作。
本发明的实施原理为：本发明公开了一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其采用永磁伺服电机驱动液压泵，在液压系统不需要流量的时段，电机停转，在液压系统需要流量的时段，电机快速启动驱动液压泵满足液压系统的流量需求。并且在伺服电机驱动液压泵的液压站出现异常时，通过元器件冗余、程序预设定等设计，确保液压系统仍满足功能需要。
采用伺服电机驱动液压泵与异步电机驱动相比，运行控制上增加了压力检测信号、转速检测信号和通讯信号，因此也增加了对应的故障点，为减少由于这些故障点导致的液压系统异常，在整个控制系统中进行了系统可靠性设计。在伺服电机驱动系统中设置压力信号检测冗余机构、通讯异常处理机构以及温度监测机构，以避免液压系统异常，提高了液压系统工作的稳定性。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：采用伺服电机驱动液压泵，在液压系统不需要流量的时段，伺服电机停转，在液压系统需要流量的时段，伺服电机快速启动驱动液压泵满足液压系统的流量需求；
在伺服电机驱动系统中设置压力信号检测冗余机构、通讯异常处理机构以及温度监测机构，以避免液压系统异常；
伺服电机控制是由一个液压站级的伺服节能运动控制器统筹整个液压站内各个电机的启停及转速分配；
运动控制器通过串行接口与各个伺服电机的驱动器建立通讯，伺服驱动器收到运动控制器的指令后，控制伺服电机的运行；
在所述通讯异常处理机构中，运动控制器时以通讯方式给伺服驱动器发出启动、转速设定指令，当出现通讯中断异常时，伺服驱动器自动切换至自身压力闭环模式或定频模式驱动伺服电机，以保证液压系统正常工作。
2.根据权利要求1所述的一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其特征在于，运动控制器通过压力传感器检测液压系统的压力，检测到的实际系统压力值与设定压力值进行比较，经控制算法计算后，给出需启动伺服电机的指令和转速到对应的电机驱动器；
电机驱动器接到指令后启动，并通过转速编码器检测电机转速，在电机驱动器内对实际电机转速与给定转速之间比较，按设定的控制算法处理偏差后，给出控制信号，形成转速小闭环，最终实现液压系统压力的闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其特征在于，在所述压力信号检测冗余机构中，为防止压力信号丢失、传感器异常、连接电缆接触不良导致的压力数据错误，从而引发伺服电机驱动不能满足液压系统工作需要，导致生产线停机，在液压系统测压点设置两个压力传感器，两个压力传感器数值经对比，以压力小的数值作为压力反馈信号，并当压力数值差异设定值时，发出报警信号，及时更换压力传感器。
4.根据权利要求1所述的一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其特征在于，所述自身压力闭环模式用于定量泵系统，在定量泵出口设置有压力传感器，压力传感器检测到的压力反馈至伺服驱动器，驱动器对检测到的压力与设定值比较，并按设定的控制算法实现压力的闭环控制。
5.根据权利要求1所述的一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其特征在于，所述定频模式用于恒压变量泵系统，以驱动器设定的转速驱动液压泵旋转，以液压泵的最大输出流量运转。
6.根据权利要求1所述的一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其特征在于，在所述温度监测机构中，当单体伺服电机出现异常，如定子、转子、轴承温度异常升高并达到设定温度，运动控制器立刻将运转电机切换至未启动的电机，在满足液压系统流量的前提下，最大程度的避免伺服电机在异常状态下工作。
7.根据权利要求1所述的一种冶金液压站伺服电机驱动系统可靠性设计方法，其特征在于，所述伺服电机为永磁伺服电机。
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