張順林

（泉州華中科技大學智能制造研究院，福建 泉州 362000）

0 引言

建筑行業(yè)使用環(huán)保材料已經(jīng)是大勢所趨，傳統(tǒng)常用的燒結(jié)磚瓦正逐漸被免燒磚塊取代，伺服磚機生產(chǎn)規(guī)模正在快速擴張[1]。國內(nèi)大多數(shù)伺服磚機采用一對（兩個）偏心塊的振動結(jié)構(gòu)，兩偏心塊相向旋轉(zhuǎn)，其激振力水平方向合力為零，垂直方向合力疊加，實現(xiàn)垂直方向的簡諧振動，通過控制偏心塊的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)振動臺的振幅和頻率。但由于工藝要求，在生產(chǎn)過程中需要頻繁的在高振幅與零振幅之間切換，振動系統(tǒng)需要頻繁的啟停，會產(chǎn)生大量電能損耗，并減少電機與變頻器的使用壽命。國外已采用2對（4個）偏心塊振動結(jié)構(gòu)，通過控制2對偏心塊的相位差，調(diào)整2對偏心塊的激振力的合力，達到改變振幅和頻率的目標，解決了頻繁啟停而導致能耗大的問題[2，3]。國內(nèi)引進的2對偏心塊振動控制系統(tǒng)均使用4臺伺服驅(qū)動器和伺服電機，該方案成本很高，國內(nèi)市場推廣效果較差。

為了采用2對偏心塊的振動結(jié)構(gòu)方案，同時降低硬件成本，本研究基于一種2臺伺服電機跟隨1臺異步電機的振動控制方案，對振動臺相位跟隨控制和相位差變換控制關鍵技術進行研究，開發(fā)了伺服磚機振動臺控制系統(tǒng)，滿足了相位跟隨控制精度和相位差調(diào)整時間等關鍵指標，有效降低了設備成本。

1 振動臺工作原理及工藝研究

1.1 工作原理

伺服磚機通過振動臺上下振動來振實磚料，針對伺服磚機的工藝需求和1對偏心塊振動方案存在的不足，采用2對偏心塊的振動方案，2對偏心塊調(diào)振原理[4,5]：將4個偏心塊（圖1）分成2對：1#與4#為第1對組合、2#與3#為第2對組合，每對組合均按照1對偏心塊模型進行力的分解與合成，可得式（1）（2）（3）和（4）。

圖1 4個偏心塊振動模型

收稿日期：2022-06-13

基金項目：福建省科技計劃項目(2019H4013)

作者簡介：張順林（1989-），男，湖北黃岡人，碩士，工程師，研究方向：數(shù)控技術.

式中，m為單個偏心塊的質(zhì)量；e為單個偏心塊的偏心距；w為偏心塊轉(zhuǎn)動角速度；γ為第1對偏心塊中心線與垂直朝上所成的角度。γ∈[0，π]。θ為第2對偏心塊中心線與垂直朝上所成的角度。θ∈[0，π]。

由式（1）可知，2對偏心塊的離心力的水平分力合力為零，僅存在垂直方向的合力，符合振動臺上下振動的要求。由式（4）可得，2對偏心塊的激振力大小與γ、θ、w有關，在轉(zhuǎn)動角速度w不變的情況下，調(diào)節(jié)第一對偏心塊角度與第2對偏心塊角度的差值（γθ）或者和值（γ+θ），也即相位差關系，即可控制振動臺振幅的大小。

如圖2所示為第1對偏心塊與第2對偏心塊的相位差為180°，2對偏心塊同步旋轉(zhuǎn)使振動臺振幅為零時的情景；圖3所示為第1對偏心塊與第2對偏心塊的相位差為0°，2對偏心塊同步旋轉(zhuǎn)使振動臺振幅最大時的情景；圖4所示為第1對偏心塊與第2對偏心塊的相位差約30°（0～180°之間）2對偏心塊同步旋轉(zhuǎn)使振動臺振幅較小時的情景。

圖2 2對偏心塊旋轉(zhuǎn)零振幅

圖3 2對偏心塊旋轉(zhuǎn)最大振幅

圖4 2對偏心塊旋轉(zhuǎn)較小振幅

1.2 振動臺設計及控制工藝需求

通過控制2對偏心塊的相位差關系實現(xiàn)振幅調(diào)整，克服了采用1對偏心塊時電機頻繁啟停帶來的電能損耗大的缺陷。但若要控制2對偏心塊相位差，則在硬件上必須采用伺服驅(qū)動器和伺服電機，4臺伺服驅(qū)動器和伺服電機投入的成本較高，為了降低控制系統(tǒng)成本，采用2個伺服電機跟隨一個異步電機的方式，實現(xiàn)2對偏心塊相位差可調(diào)的效果。

由1臺異步電機配合1臺齒輪箱驅(qū)動2個主動軸相向旋轉(zhuǎn)（圖5中軸2和軸3），實現(xiàn)第2對偏心塊的同步相向轉(zhuǎn)動，軸3連接1個增量式編碼器，反饋主動軸位置信號；由2個伺服電機分別驅(qū)動2個從動軸旋轉(zhuǎn)（圖5中軸1和軸4），實現(xiàn)第1對偏心塊的同步相向轉(zhuǎn)動。

圖5 具有2對偏心塊的振動臺

振動臺控制工藝流程如下：

（1）振動準備階段

主動軸、從動軸分別回零，此時主動軸與從動軸間的相位差恰好為180°。

（2）振動起始階段

主動軸由靜止開始加速，從動軸實時同步跟隨主動軸速度，同時還需保持主、從動軸相位差180°不變，直至主、從動軸均達到設定的旋轉(zhuǎn)速度。

（3）振動變換階段

在1個生產(chǎn)周期的非振動階段，振動臺一直處于靜止狀態(tài)；在振動階段，根據(jù)砌塊成型工藝設置，系統(tǒng)控制主、從動軸依次由前一時刻的相位差狀態(tài)，變換到當前時刻的相位差狀態(tài)，從而產(chǎn)生不同振幅的振動，完成免燒磚塊的成型工序。

（4）振動停止階段

振動停止階段與起始階段相似，主動軸由當前旋轉(zhuǎn)速度減速為零，從動軸實時同步跟隨主動軸速度，同時控制主、從動軸相位差180°不變。

由伺服磚機振動臺控制工藝流程分析可知，振動臺的控制需求為：在系統(tǒng)起始、停止階段和1個生產(chǎn)周期的非振動階段，振動臺保持靜止，在該階段，無論主動軸的速度波動如何，從動軸實時跟隨主動軸速度，同時還需保持主、從動軸相位差180°不變，以保證振動臺不產(chǎn)生任何振動；在振動階段，振動臺根據(jù)砌塊成型工藝設置的相位差要求，快速準確實現(xiàn)相位差變換，以實現(xiàn)振動臺振幅調(diào)節(jié)，來振實磚料；

根據(jù)伺服磚機振動臺控制工藝需求分析可知，振動臺控制系統(tǒng)關鍵點有：相位跟隨控制精度和相位差變換調(diào)節(jié)時間。參考國外伺服磚機振動臺控制系統(tǒng)指標要求，振動臺控制系統(tǒng)的關鍵指標為：

（1）相位跟隨控制精度要求高：主、從動軸相位差偏差誤差小于±5°；

（2）相位差變換調(diào)節(jié)時間短：主、從動軸完成相位差180°的變換，調(diào)整時間小于0.2 s。

2 振動臺控制系統(tǒng)關鍵技術研究

根據(jù)伺服磚機振動臺控制工藝需求分析可知，伺服磚機振動臺控制系統(tǒng)關鍵點有：相位跟隨控制精度和相位差變換調(diào)節(jié)時間。系統(tǒng)起始、停止階段和一個生產(chǎn)周期的非振動階段，振動臺均能保持靜止；在要求起振時，振動臺快速響應進行上下振動，實現(xiàn)靜止到振動狀態(tài)的快速切換。

2.1 主、從動軸相位跟隨控制技術

振動臺起始、停止階段，主動軸（異步電機）速度快速上升或下降，通過編碼器采樣，獲取主動軸的速度，實時調(diào)整從動軸（伺服電機）的速度。但從采樣主動軸速度到從動軸的速度調(diào)整完成，需要一定的時間，因此，從動軸的速度跟隨存在滯后性，這會導致主、從動軸的相位差變化，相位跟隨精度差。

針對該跟隨控制需求，大多采用比例積分微分控制（Proportion Integral Differential Control，簡稱PID控制）策略，但對于本設計的動態(tài)特性要求較高的振動控制系統(tǒng)，單純的PID控制不能解決其快速性和穩(wěn)定性的矛盾[6]。為了解決這一問題，進行多次的工程實踐，然后提出了一種速度前饋結(jié)合改進PID的復合控制策略。

2.1.1 速度前饋控制

前饋控制是指按照外界干擾的大小，提前進行相應變化調(diào)節(jié)的一種控制方式[7]。前饋控制對干擾的克服更及時，響應速度更快。由于振動臺振動控制的最終執(zhí)行部件是伺服電機，而從采樣開始到伺服電機進行響應的過程必然存在滯后大、反饋控制不及時的問題。因此，在振動控制系統(tǒng)的起始、停止階段采用前饋控制，提前干預，能夠提高從動軸的反應速度，保持主、從動軸相位跟隨精度。根據(jù)異步電機的設定頻率和額定頻率的比值、加速時間、采樣時間來預測主動軸每個采樣周期的加速度值，并作為前饋量。

在設定異步電機的加速方式為直線型后，采樣其加速階段的速度并經(jīng)濾波處理，（通過IPC控制器配套的上位機軟件進行數(shù)據(jù)采集，采樣周期4 ms，即相鄰兩個采樣點間隔4 ms。本研究所有采樣數(shù)據(jù)分析圖橫坐標均以采樣點序列來代替采樣時間）其加速曲線如圖6所示。由圖可知，異步電機的加速過程整體是按照直線遞增。因此，根據(jù)異步電機的加速特性，計算異步電機加速過程中每個采樣周期的加速度值，作為前饋控制量，提前設定為從動軸的加速度，對從動軸的速度滯后做補償，減小相位差波動，加快系統(tǒng)的響應速度，提升相位跟隨控制精度。

圖6 異步電機（主動軸）加速曲線

2.1.2 改進型PID設計

從理論上看，如果異步電機的加速曲線完全按直線遞增，則采用前饋控制算法就能很好地控制主、從動軸的速度同步，相位差恒定。由圖6可知，異步電機加速曲線整體上是遵循直線遞增，但具體觀察每個采樣點，發(fā)現(xiàn)速度點并不是按理論的固定增量遞增，增量忽大忽小，存在隨機性。因此，采用前饋控制能有效地補償從動軸速度響應的滯后，但還不能達到主、從動軸速度同步，相位差實時精準控制的要求。為獲得更好的控制效果，在前饋控制的基礎上引入PID控制。

PID控制器是一種線性控制器，根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D），線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制[8]。PID控制規(guī)律為：

PID控制具有良好的控制精度和適應性等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場應用廣泛，但并非所有的控制領域均采用同樣的PID控制算法。必須通過對控制對象的特定控制要求的分析，才能設計合適的PID控制參數(shù)。針對振動控制系統(tǒng)的控制精度高、跟隨速度快等控制要求，本文在傳統(tǒng)PID的基礎上，設計了改進型PID控制算法。

（1）比例增益Kp

在振動臺起始、停止階段，系統(tǒng)誤差較大，為了提高系統(tǒng)響應速度，則增大比例增益Kp；在振動變換階段，系統(tǒng)相對穩(wěn)定，誤差較小，為了減小系統(tǒng)超調(diào)，則減小比例增益Kp。

（2）積分增益Ki

PID控制算法引入積分環(huán)節(jié)是為了消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。在振動臺起始、停止階段，系統(tǒng)輸出的誤差相對較大，這就會造成PID運算中積分部分有很大輸出，最終可能引起系統(tǒng)較大超調(diào)和系統(tǒng)振蕩[9]。因此，在振動臺起始、停止時，切除積分環(huán)節(jié)，避免過大超調(diào)，又能使系統(tǒng)有較快的響應；在振動變換階段，加入積分環(huán)節(jié)，保證系統(tǒng)的控制精度。

（3）微分增益Kd

微分環(huán)節(jié)反映了偏差信號的變化趨勢，根據(jù)偏差變化趨勢，提前進行過量控制，具有超前調(diào)節(jié)功能，適用于被控對象復雜，控制精度要求高的場合。在振動臺起始、停止階段，引入微分環(huán)節(jié)，改善動態(tài)性能，提升主、從動軸的速度同步性及相位恒定；在振動變換階段，系統(tǒng)較為穩(wěn)定，偏差變化小，則取消微分環(huán)節(jié)。

結(jié)合速度前饋控制和改進型PID控制策略，設計了前饋控制+改進型PID控制算法，算法如式6所示，其中為振動臺起始、停止階段提前預設的從動軸加速度，作為前饋控制量，Kf為前饋控制修正系數(shù)，K1、K2、K3分別為比例增益、積分增益、微分增益修正系數(shù)。

結(jié)合本節(jié)所述的控制策略，準確判斷振動臺所處的工藝階段，是實現(xiàn)算法控制參數(shù)調(diào)節(jié)的前提，本文通過振動臺工藝控制程序，對振動臺起始、停止階段進行區(qū)別標記，以此作為上述修正系數(shù)調(diào)整的判斷條件，控制算法修正系數(shù)具體取值策略如下：

（1）在振動臺起始、停止階段，前饋控制介入，Kf= 1；此時，系統(tǒng)誤差較大，為提高響應速度、避免出現(xiàn)超調(diào)，增大比例環(huán)節(jié)，去掉積分環(huán)節(jié)，加入微分環(huán)節(jié)，PID控制修正系數(shù)取值為：K1=0.8，K2=0，K3=0. 1；

（2）在振動臺振動變換階段，跟隨速度基本穩(wěn)定，取消前饋控制，Kf= 0；此時，系統(tǒng)誤差相對較小，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制精度，減小比例環(huán)節(jié)，加入積分環(huán)節(jié)，去掉微分環(huán)節(jié)，PID控制修正系數(shù)取值為：K1=0.2，K2=0.1，K3=0。

2.1.3 相位跟隨控制模塊測試

根據(jù)前饋控制+改進型PID控制算法，基于CoDeSys平臺集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了相位跟隨控制模塊，并在伺服磚機振動臺上進行了測試。圖7是采用PID算法和前饋+PID算法測試主、從動軸相位跟隨的測試結(jié)果。由圖7可知，僅采用PID算法控制主、從動軸相位差基本穩(wěn)定，但是，由于PID是利用偏差進行控制，系統(tǒng)存在滯后，使得相位差在主、從動軸加速時有一個較大的波動（±10°），控制效果不夠理想；而采用前饋+PID復合控制策略明顯減小了系統(tǒng)的超調(diào)量，使得相位差波動幅度控制在±5°之間，滿足系統(tǒng)控制精度的要求。

圖7 不同算法的主、從動軸相位跟隨采樣

根據(jù)控制要求，將前饋控制和傳統(tǒng)PID反饋的控制策略結(jié)合起來。由于加入了反饋控制，降低了對前饋控制模型的精度要求；而前饋控制對干擾起到了及時的粗調(diào)作用，有效地減小了反饋控制的負擔。測試結(jié)果表明：前饋+PID復合控制策略改善了系統(tǒng)啟動過程的動態(tài)性能，具有優(yōu)秀的控制精度和抗干擾能力。

2.2 主、從動軸相位差變換控制技術

由式（4）可得，通過控制第一對偏心塊與第二對偏心塊角度差，便可調(diào)節(jié)振動臺振幅。結(jié)合伺服電機最高轉(zhuǎn)速限制，本文采取的相位差變換策略是：主動軸的轉(zhuǎn)速不變，從動軸的轉(zhuǎn)速先減速，再加速跟上主動軸的轉(zhuǎn)速。在這過程中，從動軸落后主動軸的角度，即為相位差變換角度。

將相位差變換，轉(zhuǎn)化成位移運動，即0～360°的相位差值大小對應電機轉(zhuǎn)動0～1圈的位移大小。相位差變換90°，則表示從動軸比主動軸少轉(zhuǎn)動0.25圈；相位差變換180°，則表示從動軸比主動軸少轉(zhuǎn)動0.5圈。

相位差變換控制模塊是在相位跟隨控制模塊基礎上，在盡可能短的時間內(nèi)，對從動軸疊加一個反方向運動，實現(xiàn)相位差的變換。

假定當前主、從動軸的速度同步，相位差為180°，要求變換到主、從動軸相位差為0°，則相位差變化量為180°，對應的位移為0.5圈。通過對相位差變換控制模塊的參數(shù)設定，控制從動軸反方向轉(zhuǎn)動0.5圈的位移量。在這個過程中，相位跟隨控制模塊和相位差變換控制模塊同時作用于同一個伺服電機上，伺服電機的實際運動狀態(tài)為兩個控制模塊綜合作用的結(jié)果。

主、從動軸相位差180～0°變換的相位差采樣，如圖8所示。由圖可知，在相位變換前，從軸速度和相位差180°保持穩(wěn)定；進行相位差變換時，相位差不斷增大，從軸先做減速運動，再做加速運動，當相位差變換完成時，從軸恰好加速到變換前的速度；相位差變換完成，相位差為0°，相位差變化量恰好為180°，主、從動軸完成相位差180°的變換，調(diào)整時間為180 ms（相位差變換開始采樣點：第228點，相位差變換完成采樣點：第273點，調(diào)整時間：（273-228）×4 ms=180 ms）。

圖8 主、從動軸相位差180°～0°變換采樣

3 系統(tǒng)設計

3.1 振動臺控制系統(tǒng)方案設計

伺服磚機振動臺控制系統(tǒng)總體硬件方案設計如圖9所示，系統(tǒng)硬件選用了武漢華中數(shù)控HNC-812控制器（帶觸摸屏的IPC）和HIO-1000系列總線式I/O盒（包含通訊模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、軸控制模塊）、高創(chuàng)伺服驅(qū)動器和伺服電機、臺達三相異步電機、歐姆龍光電式編碼器等設備。

圖9 2對偏心塊振動臺控制系統(tǒng)硬件方案

在IPC控制器的Linux環(huán)境中安裝CoDeSys實時內(nèi)核，就可以將CoDeSys平臺開發(fā)的程序下載到IPC中運行[10]；IPC通過EtherCAT總線協(xié)議與I/O盒及兩臺伺服驅(qū)動進行通訊。通過數(shù)字量輸入輸出模塊控制異步電機啟停，由軸控制模塊的第1個軸控制接口發(fā)出模擬量信號控制異步電機的轉(zhuǎn)速，通過軸控制模塊的第2個軸控制接口接入光電編碼器反饋的異步電機位置信號，并通過EtherCAT總線協(xié)議反饋到IPC。IPC根據(jù)運動控制的要求，集成本文開發(fā)的相位跟隨控制模塊和相位差變換控制模塊，然后將控制指令發(fā)送給伺服驅(qū)動，控制伺服電機完成速度跟隨或相位差變換等運動，從而實現(xiàn)伺服磚機振動臺的工藝控制。

3.2 振動臺控制系統(tǒng)測試

對振動臺控制系統(tǒng)做1次完整的工藝測試，測試的工藝控制流程如下：振動臺啟動（相位差為180°），加速到設定轉(zhuǎn)速2000 r/min，而后先進行一次弱振（相位差變換90°），然后恢復振動臺為靜止狀態(tài)（相位差變換270°），再進行1次強振（相位差變換180°），然后恢復振動臺為靜止狀態(tài)（相位差變換270°），最后減速直至主、從動軸靜止。測試的同時對主、從動軸相位差及從動軸1的速度進行實時采樣，為方便觀察，將相位差采樣曲線向下平移180°，則相位差曲線從0°開始，如圖10所示。

圖10 振動臺完整工藝測試采樣數(shù)據(jù)

由圖10可知，在啟動和停止階段，主、從動軸相位差有一定波動，在其他階段主、從動軸相位差波動較少，由圖12可知，在相位差波動相對較大的停止階段，最大波動不超過±3.5°，小于±5°。由圖11可知，主、從動軸完成相位差180°的變換，調(diào)整時間為164 ms（相位差變換開始采樣點：第690點，相位差變換完成采樣點：第731點，調(diào)整時間：（731-690）*4ms=164 ms），小于0.2 s，實現(xiàn)了靜止到振動狀態(tài)的快速變換。

圖11 圖10區(qū)域1（相位差180°變換）局部采樣數(shù)據(jù)

圖12 圖10區(qū)域2（相位跟隨）局部采樣數(shù)據(jù)

按照同樣的測試方法，在異步電機轉(zhuǎn)速設定為3000 r/min條件下，進行了測試，測試結(jié)果表明：在起始、停止階段和一個生產(chǎn)周期的非振動階段，振動臺均能保持靜止，在要求起振時，振動臺快速響應進行上下振動；通過采樣數(shù)據(jù)分析，本開發(fā)的振動臺控制系統(tǒng)能完全滿足設定的關鍵技術指標。該振動臺控制系統(tǒng)已應用于泉州本地一家制磚設備生產(chǎn)企業(yè)，經(jīng)現(xiàn)場試生產(chǎn)驗證，能夠滿足伺服磚機振動控制需求，實現(xiàn)免燒磚的高效、穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結(jié)語

基于一種兩臺伺服電機跟隨一臺異步電機的振動控制方案，對振動臺相位跟隨控制技術和相位差變換控制技術進行研究，開發(fā)了伺服磚機振動臺控制系統(tǒng)。采用前饋控制+改進型PID控制算法，開發(fā)了相位跟隨控制模塊，實現(xiàn)了主、從動軸速度同步和較高的相位跟隨控制精度。針對振動臺振幅調(diào)節(jié)快速響應的控制需求，采用運動疊加的控制策略，將相位差變換轉(zhuǎn)化成位移運動控制，開發(fā)了相位差變換控制模塊，實現(xiàn)了相位差變換的快速響應。開發(fā)的伺服磚機振動臺控制系統(tǒng)，經(jīng)驗證測試，在起始、停止階段和一個生產(chǎn)周期的非振動階段，振動臺均能保持靜止，避免了磚機機架與振動臺發(fā)生低頻共振；在要求起振時，振動臺根據(jù)砌塊成型工藝設置的相位差要求，快速準確實現(xiàn)相位差變換，實現(xiàn)了振動臺振幅調(diào)節(jié)的快速響應，明顯提高了生產(chǎn)節(jié)拍。振動臺控制系統(tǒng)具有跟隨控制精度高、相位差變換響應速度快、硬件成本低、可擴展集成性好等優(yōu)點，在伺服磚機中具有良好的工程應用前景。