伺服砖机振动台控制系统关键技术开发与验证

张顺林

（泉州华中科技大学智能制造研究院，福建 泉州 362000）

0 引言

建筑行业使用环保材料已经是大势所趋，传统常用的烧结砖瓦正逐渐被免烧砖块取代，伺服砖机生产规模正在快速扩张[1]。国内大多数伺服砖机采用一对（两个）偏心块的振动结构，两偏心块相向旋转，其激振力水平方向合力为零，垂直方向合力叠加，实现垂直方向的简谐振动，通过控制偏心块的转速来调节振动台的振幅和频率。但由于工艺要求，在生产过程中需要频繁的在高振幅与零振幅之间切换，振动系统需要频繁的启停，会产生大量电能损耗，并减少电机与变频器的使用寿命。国外已采用2对（4个）偏心块振动结构，通过控制2对偏心块的相位差，调整2对偏心块的激振力的合力，达到改变振幅和频率的目标，解决了频繁启停而导致能耗大的问题[2，3]。国内引进的2对偏心块振动控制系统均使用4台伺服驱动器和伺服电机，该方案成本很高，国内市场推广效果较差。

为了采用2对偏心块的振动结构方案，同时降低硬件成本，本研究基于一种2台伺服电机跟随1台异步电机的振动控制方案，对振动台相位跟随控制和相位差变换控制关键技术进行研究，开发了伺服砖机振动台控制系统，满足了相位跟随控制精度和相位差调整时间等关键指标，有效降低了设备成本。

1 振动台工作原理及工艺研究

1.1 工作原理

伺服砖机通过振动台上下振动来振实砖料，针对伺服砖机的工艺需求和1对偏心块振动方案存在的不足，采用2对偏心块的振动方案，2对偏心块调振原理[4,5]：将4个偏心块（图1）分成2对：1#与4#为第1对组合、2#与3#为第2对组合，每对组合均按照1对偏心块模型进行力的分解与合成，可得式（1）（2）（3）和（4）。

图1 4个偏心块振动模型

收稿日期：2022-06-13

基金项目：福建省科技计划项目(2019H4013)

作者简介：张顺林（1989-），男，湖北黄冈人，硕士，工程师，研究方向：数控技术.

式中，m为单个偏心块的质量；e为单个偏心块的偏心距；w为偏心块转动角速度；γ为第1对偏心块中心线与垂直朝上所成的角度。γ∈[0，π]。θ为第2对偏心块中心线与垂直朝上所成的角度。θ∈[0，π]。

由式（1）可知，2对偏心块的离心力的水平分力合力为零，仅存在垂直方向的合力，符合振动台上下振动的要求。由式（4）可得，2对偏心块的激振力大小与γ、θ、w有关，在转动角速度w不变的情况下，调节第一对偏心块角度与第2对偏心块角度的差值（γθ）或者和值（γ+θ），也即相位差关系，即可控制振动台振幅的大小。

如图2所示为第1对偏心块与第2对偏心块的相位差为180°，2对偏心块同步旋转使振动台振幅为零时的情景；图3所示为第1对偏心块与第2对偏心块的相位差为0°，2对偏心块同步旋转使振动台振幅最大时的情景；图4所示为第1对偏心块与第2对偏心块的相位差约30°（0～180°之间）2对偏心块同步旋转使振动台振幅较小时的情景。

图2 2对偏心块旋转零振幅

图3 2对偏心块旋转最大振幅

图4 2对偏心块旋转较小振幅

1.2 振动台设计及控制工艺需求

通过控制2对偏心块的相位差关系实现振幅调整，克服了采用1对偏心块时电机频繁启停带来的电能损耗大的缺陷。但若要控制2对偏心块相位差，则在硬件上必须采用伺服驱动器和伺服电机，4台伺服驱动器和伺服电机投入的成本较高，为了降低控制系统成本，采用2个伺服电机跟随一个异步电机的方式，实现2对偏心块相位差可调的效果。

由1台异步电机配合1台齿轮箱驱动2个主动轴相向旋转（图5中轴2和轴3），实现第2对偏心块的同步相向转动，轴3连接1个增量式编码器，反馈主动轴位置信号；由2个伺服电机分别驱动2个从动轴旋转（图5中轴1和轴4），实现第1对偏心块的同步相向转动。

图5 具有2对偏心块的振动台

振动台控制工艺流程如下：

（1）振动准备阶段

主动轴、从动轴分别回零，此时主动轴与从动轴间的相位差恰好为180°。

（2）振动起始阶段

主动轴由静止开始加速，从动轴实时同步跟随主动轴速度，同时还需保持主、从动轴相位差180°不变，直至主、从动轴均达到设定的旋转速度。

（3）振动变换阶段

在1个生产周期的非振动阶段，振动台一直处于静止状态；在振动阶段，根据砌块成型工艺设置，系统控制主、从动轴依次由前一时刻的相位差状态，变换到当前时刻的相位差状态，从而产生不同振幅的振动，完成免烧砖块的成型工序。

（4）振动停止阶段

振动停止阶段与起始阶段相似，主动轴由当前旋转速度减速为零，从动轴实时同步跟随主动轴速度，同时控制主、从动轴相位差180°不变。

由伺服砖机振动台控制工艺流程分析可知，振动台的控制需求为：在系统起始、停止阶段和1个生产周期的非振动阶段，振动台保持静止，在该阶段，无论主动轴的速度波动如何，从动轴实时跟随主动轴速度，同时还需保持主、从动轴相位差180°不变，以保证振动台不产生任何振动；在振动阶段，振动台根据砌块成型工艺设置的相位差要求，快速准确实现相位差变换，以实现振动台振幅调节，来振实砖料；

根据伺服砖机振动台控制工艺需求分析可知，振动台控制系统关键点有：相位跟随控制精度和相位差变换调节时间。参考国外伺服砖机振动台控制系统指标要求，振动台控制系统的关键指标为：

（1）相位跟随控制精度要求高：主、从动轴相位差偏差误差小于±5°；

（2）相位差变换调节时间短：主、从动轴完成相位差180°的变换，调整时间小于0.2 s。

2 振动台控制系统关键技术研究

根据伺服砖机振动台控制工艺需求分析可知，伺服砖机振动台控制系统关键点有：相位跟随控制精度和相位差变换调节时间。系统起始、停止阶段和一个生产周期的非振动阶段，振动台均能保持静止；在要求起振时，振动台快速响应进行上下振动，实现静止到振动状态的快速切换。

2.1 主、从动轴相位跟随控制技术

振动台起始、停止阶段，主动轴（异步电机）速度快速上升或下降，通过编码器采样，获取主动轴的速度，实时调整从动轴（伺服电机）的速度。但从采样主动轴速度到从动轴的速度调整完成，需要一定的时间，因此，从动轴的速度跟随存在滞后性，这会导致主、从动轴的相位差变化，相位跟随精度差。

针对该跟随控制需求，大多采用比例积分微分控制（Proportion Integral Differential Control，简称PID控制）策略，但对于本设计的动态特性要求较高的振动控制系统，单纯的PID控制不能解决其快速性和稳定性的矛盾[6]。为了解决这一问题，进行多次的工程实践，然后提出了一种速度前馈结合改进PID的复合控制策略。

2.1.1 速度前馈控制

前馈控制是指按照外界干扰的大小，提前进行相应变化调节的一种控制方式[7]。前馈控制对干扰的克服更及时，响应速度更快。由于振动台振动控制的最终执行部件是伺服电机，而从采样开始到伺服电机进行响应的过程必然存在滞后大、反馈控制不及时的问题。因此，在振动控制系统的起始、停止阶段采用前馈控制，提前干预，能够提高从动轴的反应速度，保持主、从动轴相位跟随精度。根据异步电机的设定频率和额定频率的比值、加速时间、采样时间来预测主动轴每个采样周期的加速度值，并作为前馈量。

在设定异步电机的加速方式为直线型后，采样其加速阶段的速度并经滤波处理，（通过IPC控制器配套的上位机软件进行数据采集，采样周期4 ms，即相邻两个采样点间隔4 ms。本研究所有采样数据分析图横坐标均以采样点序列来代替采样时间）其加速曲线如图6所示。由图可知，异步电机的加速过程整体是按照直线递增。因此，根据异步电机的加速特性，计算异步电机加速过程中每个采样周期的加速度值，作为前馈控制量，提前设定为从动轴的加速度，对从动轴的速度滞后做补偿，减小相位差波动，加快系统的响应速度，提升相位跟随控制精度。

图6 异步电机（主动轴）加速曲线

2.1.2 改进型PID设计

从理论上看，如果异步电机的加速曲线完全按直线递增，则采用前馈控制算法就能很好地控制主、从动轴的速度同步，相位差恒定。由图6可知，异步电机加速曲线整体上是遵循直线递增，但具体观察每个采样点，发现速度点并不是按理论的固定增量递增，增量忽大忽小，存在随机性。因此，采用前馈控制能有效地补偿从动轴速度响应的滞后，但还不能达到主、从动轴速度同步，相位差实时精准控制的要求。为获得更好的控制效果，在前馈控制的基础上引入PID控制。

PID控制器是一种线性控制器，根据偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D），线性组合构成控制量，对被控对象进行控制[8]。PID控制规律为：

PID控制具有良好的控制精度和适应性等优点，在工业现场应用广泛，但并非所有的控制领域均采用同样的PID控制算法。必须通过对控制对象的特定控制要求的分析，才能设计合适的PID控制参数。针对振动控制系统的控制精度高、跟随速度快等控制要求，本文在传统PID的基础上，设计了改进型PID控制算法。

（1）比例增益Kp

在振动台起始、停止阶段，系统误差较大，为了提高系统响应速度，则增大比例增益Kp；在振动变换阶段，系统相对稳定，误差较小，为了减小系统超调，则减小比例增益Kp。

（2）积分增益Ki

PID控制算法引入积分环节是为了消除静态误差，提高控制精度。在振动台起始、停止阶段，系统输出的误差相对较大，这就会造成PID运算中积分部分有很大输出，最终可能引起系统较大超调和系统振荡[9]。因此，在振动台起始、停止时，切除积分环节，避免过大超调，又能使系统有较快的响应；在振动变换阶段，加入积分环节，保证系统的控制精度。

（3）微分增益Kd

微分环节反映了偏差信号的变化趋势，根据偏差变化趋势，提前进行过量控制，具有超前调节功能，适用于被控对象复杂，控制精度要求高的场合。在振动台起始、停止阶段，引入微分环节，改善动态性能，提升主、从动轴的速度同步性及相位恒定；在振动变换阶段，系统较为稳定，偏差变化小，则取消微分环节。

结合速度前馈控制和改进型PID控制策略，设计了前馈控制+改进型PID控制算法，算法如式6所示，其中为振动台起始、停止阶段提前预设的从动轴加速度，作为前馈控制量，Kf为前馈控制修正系数，K1、K2、K3分别为比例增益、积分增益、微分增益修正系数。

结合本节所述的控制策略，准确判断振动台所处的工艺阶段，是实现算法控制参数调节的前提，本文通过振动台工艺控制程序，对振动台起始、停止阶段进行区别标记，以此作为上述修正系数调整的判断条件，控制算法修正系数具体取值策略如下：

（1）在振动台起始、停止阶段，前馈控制介入，Kf= 1；此时，系统误差较大，为提高响应速度、避免出现超调，增大比例环节，去掉积分环节，加入微分环节，PID控制修正系数取值为：K1=0.8，K2=0，K3=0. 1；

（2）在振动台振动变换阶段，跟随速度基本稳定，取消前馈控制，Kf= 0；此时，系统误差相对较小，为提高系统稳定性、控制精度，减小比例环节，加入积分环节，去掉微分环节，PID控制修正系数取值为：K1=0.2，K2=0.1，K3=0。

2.1.3 相位跟随控制模块测试

根据前馈控制+改进型PID控制算法，基于CoDeSys平台集成开发环境，开发了相位跟随控制模块，并在伺服砖机振动台上进行了测试。图7是采用PID算法和前馈+PID算法测试主、从动轴相位跟随的测试结果。由图7可知，仅采用PID算法控制主、从动轴相位差基本稳定，但是，由于PID是利用偏差进行控制，系统存在滞后，使得相位差在主、从动轴加速时有一个较大的波动（±10°），控制效果不够理想；而采用前馈+PID复合控制策略明显减小了系统的超调量，使得相位差波动幅度控制在±5°之间，满足系统控制精度的要求。

图7 不同算法的主、从动轴相位跟随采样

根据控制要求，将前馈控制和传统PID反馈的控制策略结合起来。由于加入了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求；而前馈控制对干扰起到了及时的粗调作用，有效地减小了反馈控制的负担。测试结果表明：前馈+PID复合控制策略改善了系统启动过程的动态性能，具有优秀的控制精度和抗干扰能力。

2.2 主、从动轴相位差变换控制技术

由式（4）可得，通过控制第一对偏心块与第二对偏心块角度差，便可调节振动台振幅。结合伺服电机最高转速限制，本文采取的相位差变换策略是：主动轴的转速不变，从动轴的转速先减速，再加速跟上主动轴的转速。在这过程中，从动轴落后主动轴的角度，即为相位差变换角度。

将相位差变换，转化成位移运动，即0～360°的相位差值大小对应电机转动0～1圈的位移大小。相位差变换90°，则表示从动轴比主动轴少转动0.25圈；相位差变换180°，则表示从动轴比主动轴少转动0.5圈。

相位差变换控制模块是在相位跟随控制模块基础上，在尽可能短的时间内，对从动轴叠加一个反方向运动，实现相位差的变换。

假定当前主、从动轴的速度同步，相位差为180°，要求变换到主、从动轴相位差为0°，则相位差变化量为180°，对应的位移为0.5圈。通过对相位差变换控制模块的参数设定，控制从动轴反方向转动0.5圈的位移量。在这个过程中，相位跟随控制模块和相位差变换控制模块同时作用于同一个伺服电机上，伺服电机的实际运动状态为两个控制模块综合作用的结果。

主、从动轴相位差180～0°变换的相位差采样，如图8所示。由图可知，在相位变换前，从轴速度和相位差180°保持稳定；进行相位差变换时，相位差不断增大，从轴先做减速运动，再做加速运动，当相位差变换完成时，从轴恰好加速到变换前的速度；相位差变换完成，相位差为0°，相位差变化量恰好为180°，主、从动轴完成相位差180°的变换，调整时间为180 ms（相位差变换开始采样点：第228点，相位差变换完成采样点：第273点，调整时间：（273-228）×4 ms=180 ms）。

图8 主、从动轴相位差180°～0°变换采样

3 系统设计

3.1 振动台控制系统方案设计

伺服砖机振动台控制系统总体硬件方案设计如图9所示，系统硬件选用了武汉华中数控HNC-812控制器（带触摸屏的IPC）和HIO-1000系列总线式I/O盒（包含通讯模块、数字量输入输出模块、轴控制模块）、高创伺服驱动器和伺服电机、台达三相异步电机、欧姆龙光电式编码器等设备。

图9 2对偏心块振动台控制系统硬件方案

在IPC控制器的Linux环境中安装CoDeSys实时内核，就可以将CoDeSys平台开发的程序下载到IPC中运行[10]；IPC通过EtherCAT总线协议与I/O盒及两台伺服驱动进行通讯。通过数字量输入输出模块控制异步电机启停，由轴控制模块的第1个轴控制接口发出模拟量信号控制异步电机的转速，通过轴控制模块的第2个轴控制接口接入光电编码器反馈的异步电机位置信号，并通过EtherCAT总线协议反馈到IPC。IPC根据运动控制的要求，集成本文开发的相位跟随控制模块和相位差变换控制模块，然后将控制指令发送给伺服驱动，控制伺服电机完成速度跟随或相位差变换等运动，从而实现伺服砖机振动台的工艺控制。

3.2 振动台控制系统测试

对振动台控制系统做1次完整的工艺测试，测试的工艺控制流程如下：振动台启动（相位差为180°），加速到设定转速2000 r/min，而后先进行一次弱振（相位差变换90°），然后恢复振动台为静止状态（相位差变换270°），再进行1次强振（相位差变换180°），然后恢复振动台为静止状态（相位差变换270°），最后减速直至主、从动轴静止。测试的同时对主、从动轴相位差及从动轴1的速度进行实时采样，为方便观察，将相位差采样曲线向下平移180°，则相位差曲线从0°开始，如图10所示。

图10 振动台完整工艺测试采样数据

由图10可知，在启动和停止阶段，主、从动轴相位差有一定波动，在其他阶段主、从动轴相位差波动较少，由图12可知，在相位差波动相对较大的停止阶段，最大波动不超过±3.5°，小于±5°。由图11可知，主、从动轴完成相位差180°的变换，调整时间为164 ms（相位差变换开始采样点：第690点，相位差变换完成采样点：第731点，调整时间：（731-690）*4ms=164 ms），小于0.2 s，实现了静止到振动状态的快速变换。

图11 图10区域1（相位差180°变换）局部采样数据

图12 图10区域2（相位跟随）局部采样数据

按照同样的测试方法，在异步电机转速设定为3000 r/min条件下，进行了测试，测试结果表明：在起始、停止阶段和一个生产周期的非振动阶段，振动台均能保持静止，在要求起振时，振动台快速响应进行上下振动；通过采样数据分析，本开发的振动台控制系统能完全满足设定的关键技术指标。该振动台控制系统已应用于泉州本地一家制砖设备生产企业，经现场试生产验证，能够满足伺服砖机振动控制需求，实现免烧砖的高效、稳定生产。

4 结语

基于一种两台伺服电机跟随一台异步电机的振动控制方案，对振动台相位跟随控制技术和相位差变换控制技术进行研究，开发了伺服砖机振动台控制系统。采用前馈控制+改进型PID控制算法，开发了相位跟随控制模块，实现了主、从动轴速度同步和较高的相位跟随控制精度。针对振动台振幅调节快速响应的控制需求，采用运动叠加的控制策略，将相位差变换转化成位移运动控制，开发了相位差变换控制模块，实现了相位差变换的快速响应。开发的伺服砖机振动台控制系统，经验证测试，在起始、停止阶段和一个生产周期的非振动阶段，振动台均能保持静止，避免了砖机机架与振动台发生低频共振；在要求起振时，振动台根据砌块成型工艺设置的相位差要求，快速准确实现相位差变换，实现了振动台振幅调节的快速响应，明显提高了生产节拍。振动台控制系统具有跟随控制精度高、相位差变换响应速度快、硬件成本低、可扩展集成性好等优点，在伺服砖机中具有良好的工程应用前景。