1. 目前變頻控制的應(yīng)用及其問(wèn)題
1.1交流異步電機(jī)定位控制的研究經(jīng)歷了較長(zhǎng)階段，傳統(tǒng)做法是采用機(jī)械擋塊來(lái)定位。如：濟(jì)南鑄鍛所為我公司設(shè)計(jì)的貨架立柱冷彎生產(chǎn)線為達(dá)到定尺寸定孔位切斷的精度：±0.5mm，其液壓飛剪系統(tǒng)的定位設(shè)計(jì)中就引入了定位插銷控制技術(shù)， 目前，在各個(gè)行業(yè)中所用的定位方式可分為四種:機(jī)械定位，電氣定位,空氣定位，光學(xué)定位。電氣定位控制系統(tǒng)一般是以數(shù)字方式工作的，故可以提高精度，十分簡(jiǎn)便，易于和計(jì)算機(jī)，PLC等各種控制電路相匹配。
1.2目前在冷彎?rùn)C(jī)組中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)是針對(duì)變頻器的速度參數(shù)設(shè)定幾個(gè)固定的頻率（例如高速、中速、低速三種頻率），根據(jù)冷彎?rùn)C(jī)組上實(shí)際產(chǎn)品的控制要求由PC或PLC對(duì)變頻器的三種（頻率）速度進(jìn)行切換，達(dá)到調(diào)速和停準(zhǔn)的目的。但當(dāng)具體產(chǎn)品對(duì)冷彎?rùn)C(jī)組的位置停準(zhǔn)精度要求提高后，這種開(kāi)環(huán)式的有級(jí)調(diào)速就不能滿足產(chǎn)品的位置精度控制要求。
2 閉環(huán)無(wú)級(jí)調(diào)速控制原理
2.1在研究分析本控制系統(tǒng)電路控制方案中獲知，本控制系統(tǒng)包括兩個(gè)部分的閉環(huán)控制：第一，是對(duì)冷彎?rùn)C(jī)組運(yùn)行速度的閉環(huán)控制。當(dāng)我們要求冷彎?rùn)C(jī)組以某一個(gè)速度運(yùn)行時(shí)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器反饋回來(lái)的冷彎?rùn)C(jī)組當(dāng)前脈沖數(shù)字信號(hào)及相對(duì)的速度轉(zhuǎn)換信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的頻率值，使冷彎?rùn)C(jī)組迅速達(dá)到某一個(gè)穩(wěn)定的速度平穩(wěn)運(yùn)行。第二，是對(duì)冷彎?rùn)C(jī)組位移的閉環(huán)控制。當(dāng)我們要求冷彎?rùn)C(jī)組到達(dá)某一目的地址時(shí)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器反饋回來(lái)的當(dāng)前脈沖數(shù)字信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略調(diào)整變頻器的頻率值，使冷彎?rùn)C(jī)組先以較高的速度運(yùn)行到接近目的地址的位置，然后平穩(wěn)的減速到較低的速度運(yùn)行，在到達(dá)目的地址的時(shí)候制動(dòng)停準(zhǔn)。采用這種閉環(huán)控制方式能較好地滿足冷彎?rùn)C(jī)組高速運(yùn)行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的調(diào)速控制要求。
3 技術(shù)方案及特點(diǎn)
3.1對(duì)變頻器進(jìn)行閉環(huán)控制，我們可以采用如圖1所示的閉環(huán)無(wú)級(jí)調(diào)速控制流程。
3.2本文以37kW異步電機(jī)組成的進(jìn)口貨架立柱冷彎生產(chǎn)線拖動(dòng)系統(tǒng)為例，介紹了在不同負(fù)載下交流異步電機(jī)在冷彎?rùn)C(jī)組中的閉環(huán)無(wú)級(jí)速度控制定位情況準(zhǔn)確停車停剪動(dòng)作的設(shè)計(jì)方法。該方法工作穩(wěn)定可靠，控制精度高，基本能滿足貨架立柱的生產(chǎn)控制精度：±0.5mm，最高精度可控制在±0.1mm以內(nèi)，
3.3系統(tǒng)的組成：主傳動(dòng)系統(tǒng)97年從澳大利亞澳寶公司引進(jìn)，該系統(tǒng)組成為：電氣主控系統(tǒng)和交流異步電機(jī)拖動(dòng)功率為37kW，由速比為30：1的齒輪減速箱、速比2：1的兩級(jí)齒輪傳動(dòng)、速比2：1的鏈傳動(dòng)等實(shí)現(xiàn)減速的傳動(dòng)鏈組成，配合抱閘實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車控制。工作時(shí)，該系統(tǒng)控制用變頻器的主要運(yùn)行頻率在35Hz左右，最高運(yùn)行頻率可達(dá)到60Hz；異步電機(jī)定位時(shí)，該系統(tǒng)變頻器運(yùn)行頻率控制在2Hz左右時(shí)能正常準(zhǔn)確定位控制工作。
3.4電氣主控制系統(tǒng)為：一臺(tái)486以上的普通電腦、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路板和微繼電器控制電路組成的指令中心、外部由被動(dòng)測(cè)量的1200脈沖/轉(zhuǎn)的編碼器、反射式光電開(kāi)關(guān)、37kW異步電機(jī)及其配套的變頻器等組成。
3.5通用變頻器提供的制動(dòng)方式主要有能耗(直流)制動(dòng)和再生制動(dòng)(制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻、整流回饋)等，由于原主控制系統(tǒng)的伺服變頻器的損壞，通過(guò)采用三菱FR-A500系列的37kW異步電機(jī)配套的通用變頻器的代用維修，采用制動(dòng)電阻附件，基本能恢復(fù)設(shè)備原有的控制操作性能。但同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)：定位調(diào)整時(shí)間延長(zhǎng)，定位循環(huán)震蕩現(xiàn)象加劇，由于在該機(jī)組上一定時(shí)期內(nèi)生產(chǎn)的是定型產(chǎn)品，即設(shè)備的機(jī)組負(fù)荷在一定時(shí)期內(nèi)是相對(duì)恒定的，基本上通過(guò)修訂PID設(shè)定的參數(shù)可以滿足實(shí)際產(chǎn)品的定位切斷要求。
4 本貨架冷彎?rùn)C(jī)組系統(tǒng)的特點(diǎn)
4.1成型機(jī)組為20架以上，可在該機(jī)組上生產(chǎn)多厚度、多品種規(guī)格的產(chǎn)品，具有很強(qiáng)的貨架產(chǎn)品或冷彎型鋼的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)備能力。
4.2成型機(jī)架均可組成四輥式萬(wàn)能龍門式機(jī)架，輥軸的軸承采用NHK進(jìn)口自調(diào)心系列，有利于產(chǎn)品全方位地成型。
4.3采用第一道上下對(duì)壓式動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，其它采用下輥動(dòng)力上輥被動(dòng)驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈條傳動(dòng)方式，減少了附加摩擦阻力，機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于降低動(dòng)力消耗，提高冷彎型鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量。
4.4采用在線預(yù)沖孔技術(shù)和運(yùn)動(dòng)停剪技術(shù)，可以生產(chǎn)復(fù)雜帶孔截面和具有一定精度尺寸的貨架產(chǎn)品。
4.5成型機(jī)組輥軸直徑為φ63mm，機(jī)組成型速度為：10m/min左右，主要受配線壓力機(jī)的協(xié)調(diào)工作頻率的限制，（主要影響因素：在線預(yù)沖孔的步距長(zhǎng)短的局限、模具制造及精度保證技術(shù)、產(chǎn)品孔間距與模步距的控制精度要求、伺服響應(yīng)速度與傳動(dòng)扭距、壓力機(jī)工作頻率等）。
4.6在機(jī)組前部設(shè)有帶鋼對(duì)中導(dǎo)向、導(dǎo)向輥和壓板，可以給進(jìn)入第一架的帶鋼施加一定可調(diào)后張力。
5基本工作原理分析
5.1 該系統(tǒng)由四部分組成，即486以上的微機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制板卡、變頻調(diào)速系統(tǒng)、傳感檢測(cè)。主控程序只有幾百K，主控微機(jī)通過(guò)打印端口與控制卡相連，通過(guò)數(shù)據(jù)線發(fā)送位置或速度命令，設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，該模擬量速度指令（0V—+10V）經(jīng)過(guò)變頻器放大器放大后驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)。通過(guò)交流異步電機(jī)軸端裝有的增量式光電碼盤或與被動(dòng)測(cè)量輥相聯(lián)接的增量式光電碼盤提供反饋信號(hào)（A、B、IN脈沖）來(lái)完成位置控制系統(tǒng)的位置反饋，組成一個(gè)半閉環(huán)控制系統(tǒng)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般將光電碼盤裝在電機(jī)非負(fù)載軸的軸端上或與被動(dòng)測(cè)量輥相聯(lián)接，便于安裝和避免機(jī)械部件振動(dòng)或變形對(duì)位置控制系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差或其它不利影響。位置反饋環(huán)中傳感元件——增量式光電編碼器將運(yùn)動(dòng)構(gòu)件實(shí)時(shí)的位移（或轉(zhuǎn)角）變化量以A、B相差分脈沖形式長(zhǎng)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制站（PC機(jī)或相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換板中）中進(jìn)行編碼器脈沖計(jì)數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息和計(jì)算得到的速度信息等，主控微機(jī)計(jì)算給定位置與實(shí)際位置（即反饋到的位置）的偏差后，根據(jù)偏差范圍采取相應(yīng)的PID控制策略，將數(shù)字控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成模擬控制電壓，并輸出給變頻器放大器，最終調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成期望值的定位。
5.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要問(wèn)題
5.2.1輸人信號(hào)的控制精度：增量式光電碼盤的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及測(cè)量輥的圓周長(zhǎng)，如：φ50測(cè)量輥配每轉(zhuǎn)輸出600個(gè)脈沖的光電編碼器與每轉(zhuǎn)輸出1200個(gè)脈沖的光電編碼器之間的差異、φ50測(cè)量輥與φ90測(cè)量輥的控制精度差異；最終反映出來(lái)的就是每個(gè)輸出脈沖所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度值，即圓周長(zhǎng)與每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)的比值，盡量選擇比值小的產(chǎn)品。
5.2.2輸出信號(hào)的控制精度：位置環(huán)PID控制算法上的不同，在數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，在過(guò)程的開(kāi)始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩，這對(duì)于交流異步電機(jī)的運(yùn)行來(lái)說(shuō)是非常不利的。
5.2.3交流變頻器作為下位機(jī)用來(lái)控制交流異步電機(jī)的啟、停，速度的調(diào)整，主要接受來(lái)自主控微機(jī)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成的模擬控制電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)交流異步電機(jī)的停止、啟動(dòng)、正、反運(yùn)動(dòng)及調(diào)整等。
5.2.4控制系統(tǒng)參數(shù)的整定：主控微機(jī)向控制卡發(fā)送PID參數(shù)，看給定的參數(shù)是否符合控制系統(tǒng)的要求，該過(guò)程需用參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)。參數(shù)整定的主要任務(wù)是確定Kp、Ki、Kd及采樣周期T，比例系數(shù)Kp增大，使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏、響應(yīng)加快，而過(guò)大會(huì)引起振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；積分系數(shù)Ki增大，能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但穩(wěn)定性下降；Kd微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，使超調(diào)量減少，調(diào)整時(shí)間縮短。具體整定過(guò)程需要根據(jù)數(shù)字位置環(huán)的PID器改進(jìn)控制算法以及參數(shù)整定方法來(lái)制定現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)參數(shù)。
5.2.5系統(tǒng)的機(jī)械精度控制在一定誤差范圍內(nèi)，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高，魯棒性強(qiáng)，可以在很多場(chǎng)合達(dá)到較高精度位置控制的要求。
6 維修更換效果分析
6.1定位精度分析：當(dāng)變頻調(diào)速范圍達(dá)1：75，設(shè)計(jì)冷彎線的運(yùn)行速度達(dá)到：9M/Min，設(shè)計(jì)要求定位時(shí)間控制在0.5秒以內(nèi)，從異步電動(dòng)機(jī)到冷彎軋輥的速比為480：1，軋輥的底徑為：φ200mm，圓周長(zhǎng)為：628mm，實(shí)際上冷彎軋輥在0.5秒中的運(yùn)轉(zhuǎn)線距離為：1mm�？紤]到異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行曲線與停止運(yùn)動(dòng)曲線的特點(diǎn)及冷彎型鋼的負(fù)載阻力，通過(guò)程序設(shè)定的定位模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短在0.5秒以內(nèi)，就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的控制精度：±0.5mm以內(nèi)。
6.2定位精度測(cè)量：通過(guò)對(duì)有關(guān)長(zhǎng)度的測(cè)量，基本能控制在±0.5mm以內(nèi)。由于修正數(shù)據(jù)時(shí)，不能很好地把握某區(qū)域的中間量，致使有時(shí)誤差偏大。修正數(shù)據(jù)時(shí)，在一個(gè)區(qū)間內(nèi)常常取幾個(gè)反復(fù)比較來(lái)調(diào)整程序設(shè)計(jì)，如精度為±0.5mm設(shè)定2次長(zhǎng)度定位循環(huán)，精度為±0.25mm以內(nèi)設(shè)定5次長(zhǎng)度定位循環(huán)，取得了良好的效果。當(dāng)然在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)度調(diào)整和比較的震蕩，達(dá)不到要求的精度，必須限制定位循環(huán)次數(shù)而不是定位比較精度值的大小。
6.3因?yàn)榇蠊β世鋸澇尚蜕a(chǎn)線的速度通常都按冷彎成型主機(jī)的最大成型速度設(shè)計(jì)的，通常其運(yùn)行的速度在最大轉(zhuǎn)速的50%～80%之間，在調(diào)整或切斷操作時(shí)整機(jī)的運(yùn)行速度更低，最低速度僅為設(shè)計(jì)速度的1%--2%，機(jī)組按定速運(yùn)行設(shè)計(jì)必將浪費(fèi)相當(dāng)大的能量，而且還產(chǎn)生太大的噪音，此時(shí)采用變頻調(diào)速或閉環(huán)無(wú)級(jí)調(diào)速控制，使整機(jī)的速度跟隨設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行適時(shí)控制，而且使主機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行頻率為20～30HZ，這樣既能使主機(jī)快速反應(yīng)，精確定位控制，又能降低能耗。
6.4總體上講上述的代用維修是成功的，但同時(shí)也一定程度上降低了設(shè)備機(jī)組的生產(chǎn)效率。
7 控制系統(tǒng)軟件
7.1程序主要運(yùn)行在DOS操作系統(tǒng)下，參數(shù)整定Kp、Ki、Kd及采樣周期T為開(kāi)放式設(shè)計(jì)，便于對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行整定調(diào)整，其它諸如：沖壓步距的設(shè)定及調(diào)整、一定長(zhǎng)度值下每個(gè)輸出脈沖數(shù)的對(duì)應(yīng)調(diào)整、液壓停剪控制精度和切斷長(zhǎng)度值的設(shè)定與調(diào)整等均為開(kāi)放式設(shè)計(jì).
7.2主程序設(shè)計(jì)中考慮了部分設(shè)備的故障預(yù)警程序段，極大地提高了設(shè)備的可操作性和對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的控制，也在一定程度上降低了設(shè)備的故障檢查時(shí)間。
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