一、概述
水平連鑄技術是二十世紀八十年代出現的連鑄新技術。由于水平連鑄工藝簡單，效率高，產品質量好，故在冶金行業得到了廣泛應用。拉坯技術是水平連鑄技術的核心，為了使液態金屬在結晶器里的結晶更加充分、均勻，拉坯的拖動系統要通過多臺驅動電機完成拉---停---推---停---拉的往復變速運動。這就對驅動系統的響應時間、跟隨性、同步性等技術指標提出了很高的要求。
山東鼎犀特鋼的連鑄拉坯生產線是2002年新建項目。該生產線采用浙江中源電氣有限公司的稀土永磁交流伺服電機（3臺、15KW/臺、型號：TYSZ-1500-160），配套德國KEB的F5伺服控制器，實現速度同步控制功能和主從同步控制功能，響應快，定位準，同步性好，2003年7月份通過現場調試，目前運行情況良好，各項性能指標已完全達到水平連鑄的拉坯工藝要求。
二、中源電氣TYSZ系列稀土永磁交流伺服電動機的性能特點
- 調速、定位精度高；
- 動態響應快（電磁時間和機電時間常數小）；
- 靈敏度高（電動機始動電壓小）；
- 調速范圍寬，過載能力強；
- 功率范圍大，最大可達75KW；
- 線性度好，力矩波動小；
- 功率密度大，體積小，重量輕；
- 損耗低，效率高；
- 噪音低，溫升低，壽命長。
三、連鑄伺服驅動系統簡述
連鑄拉坯的運動曲線是近似于正弦波的模擬量波形。它由單片機程序控制，通過鍵盤輸入和顯示器監視來調整拉坯的頻率和速度，操作簡單快捷。伺服控制器通過接收開關量控制信號和單片機的模擬速度給定信號來驅動電機。單片機通過位置反饋信號來實時檢測電機轉子的運動軌跡，實現控制系統的位置閉環，以保證電機的運動軌跡符合工藝要求。參見圖1水平連鑄工藝流程控制示意圖，圖2控制系統框圖。
圖1 水平連鑄工藝流程控制示意圖
圖2 控制系統框圖
四、拉坯工藝對驅動系統的技術要求
根據拉坯工藝的控制要求，速度給定信號（近似于正弦波形的模擬量）由單片機輸出，通過屏蔽通訊電纜送到伺服控制器，來驅動伺服電機實現往復變速運動，電機的實際運行軌跡波形必須快速、同步、精確地跟隨給定信號曲線，才能完整地完成拉坯過程。這就要求驅動系統必須達到以下技術要求：
(1) 響應時間
拉坯頻率一般在80-200次/分（可調），拉速一般在0-2米/分（即0-800轉，可調）。這樣一個完整的拉---停---推---停---拉運行過程，所需的時間大約在0.3S-0.8S左右。其中拉的過程所需時間在0.2S-0.6S，對響應的時間要求最高。中源電氣的稀土永磁交流伺服電機（15KW）的響應時間在150mS（對應1000轉）左右，完全可以達到拉坯工藝對電機響應時間的要求。
(2) 跟隨性能
跟隨性能的好壞直接影響到連鑄拉坯的質量。如果跟隨性不好，那么拉、停、推的幅值和時間就很難控制，會引起鋼坯內部結晶不均勻，表面出現褶皺、裂縫等缺陷。中源電氣的稀土永磁交流伺服電機（TYSZ-1500-160）配用德國KEB的伺服控制器，采樣時間最快可達到0.5ms. 而且，轉子的永磁結構決定了轉速與頻率的嚴格對應關系（n=60f/p），極數一定的情況下，單位時間內電機轉數只隨著頻率的變化而變化，完全克服了異步電機有轉差的缺點，控制精度更高。
(3) 同步性能
本系統中，三臺伺服電機分別驅動三根壓輥，電機與電機之間的同步性要求較高。鋼坯表面經過冷卻已經凝固，屬鋼性物體，如果同步性不好，就會出現某臺電機驅動輥打滑、出力不一致等現象，輕微時會影響鋼坯的質量，嚴重時會造成無法正常生產、停車等重大事故。
伺服系統采用速度同步控制功能和轉矩控制功能。在起鑄階段采用速度同步控制，因為這時三臺電機的驅動輥是在牽引引錠桿運行，每個驅動輥上的壓輥都需要單獨抬起，以讓引錠桿與鋼坯的連接處通過，這個階段對三臺之間的轉矩控制要求不高。當鋼坯完全通過三個驅動輥后采用轉矩控制方式實現主從同步。這時由于驅動的鋼坯屬鋼性物體，不出現打滑時，三臺電機的驅動輥的線速度嚴格保持一致。此時，由主機控制驅動輥速度，主機的實際轉矩通過模擬量口輸出，作為從機的轉矩給定，控制從機的輸出轉矩與主機一致。這樣既保證了三臺電機在速度上的一致性，又保證了三臺電機負荷均衡。
(4) 抗干擾性能
干擾是每套電氣設備都會碰到的問題。小則影響控制的精度，大則使整套設備無法正常運行。該伺服系統使用的通訊電纜采用多層屏蔽，抗干擾能力強，保證了系統的穩定運行。
在山東鼎犀特鋼的現場調試過程中，驅動系統有過兩次故障：第一次為電機在快速制動過程中產生再生能量，導致控制器的直流母線電壓過高而自動保護，加能耗制動電阻后故障解除。第二次為拉坯模擬量信號傳送到控制器后出現正偏差致使電機的實際速度曲線變形，經過檢查、測試后發現是由于拉坯波形的程序控制模塊有問題，經過程序調試人員的處理后，故障得到排除。
一年來，山東鼎犀特鋼的這條水平連鑄生產線運行穩定，驅動系統沒有出現一次故障，總拉坯產量達到20000多噸，鋼坯質量完全符合標準要求。國產稀土永磁交流伺服驅動系統在水平連鑄的使用中得到圓滿成功。
五、各種驅動系統比較
表1 各種驅動系統比較
六、伺服電機與異步、同步電機性能對比
表2 各種電機性能對比
七、總結
應用國產稀土永磁伺服電機組成的系統具有控制方式多樣化、控制精度高、節能效果明顯、運行穩定等優點，已接近國際先進水平，而且售后服務更加全面，快捷，為用戶節省了開支。目前TYSZ稀土永磁交流伺服電機已在冶金、印染、包裝、紡織、印刷、軍工等行業廣泛使用，使用情況良好。隨著應用領域和應用行業的不斷拓寬，國產稀土永磁伺服電機也正在不斷成熟、不斷完善。
稀土永磁交流伺服電機及其驅動系統在連鑄生產線上的成功應用，說明國產稀土永磁伺服電機（尤其是大功率伺服電機）與高性能的伺服控制器匹配后，組成的系統完全能滿足某些高性能的工藝要求，是一種具有較高性價比的系統方案。
