堆垛機(jī)變頻器位置環(huán)和速度環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)方法

文/白成英 王 猛 張鈰岱

堆垛機(jī)水平軸和起升軸由旋轉(zhuǎn)編碼器和外部位移編碼器構(gòu)成速度環(huán)和位置環(huán)。通過對堆垛機(jī)的研究和工業(yè)現(xiàn)場的測試，影響堆垛機(jī)運(yùn)行的主要參數(shù)有位置環(huán)比例增益、位置環(huán)積分時(shí)間、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時(shí)間等。提高位置環(huán)增益，位置環(huán)響應(yīng)會(huì)變快。在保證位置環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、位置不超調(diào)(過沖)的前提下，將增大位置環(huán)的增益，以減小位置滯后量，但是過大會(huì)降低定位精度，過小則會(huì)響應(yīng)慢，兩者都會(huì)影響堆垛機(jī)運(yùn)行效率；速度環(huán)增益決定電機(jī)加減速度的響應(yīng)，為了縮短定位時(shí)間，需要提高速度環(huán)增益。但是，太大會(huì)使電機(jī)抖動(dòng)，太小又會(huì)使電機(jī)加速度過小。速度環(huán)積分時(shí)間會(huì)影響電機(jī)穩(wěn)態(tài)速度誤差及速度環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以通過研究和測試，使堆垛機(jī)快速響應(yīng)且精確定位。

一、位置環(huán)系數(shù)和速度環(huán)系數(shù)

1.位置環(huán)系數(shù)的確定

在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場 ，發(fā)現(xiàn)多數(shù)堆垛機(jī)運(yùn)行效率總是達(dá)不到設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過研究發(fā)現(xiàn)很多堆垛機(jī)定位時(shí)間長，而有些設(shè)備則在目標(biāo)位置過沖，往復(fù)較長時(shí)間來定位。這就是典型的位置環(huán)比例系數(shù)和積分時(shí)間設(shè)置不合理造成的。

通過長期的對比實(shí)驗(yàn)，首先提高位置環(huán)增益直到在目標(biāo)位置過沖、往復(fù)運(yùn)動(dòng)，之后把當(dāng)前比例系數(shù)85%確定為位置環(huán)比例系數(shù)。確定比例系數(shù)后，同樣的方法確定積分時(shí)間，減小積分時(shí)間讓堆垛機(jī)快速定位直到出現(xiàn)過沖時(shí)，將當(dāng)前積分時(shí)間的110%確定為位置環(huán)積分時(shí)間。但是位置環(huán)定位還需要確定好堆垛機(jī)的靜態(tài)窗口大小和時(shí)間以及定位窗口大小和時(shí)間。當(dāng)堆垛機(jī)運(yùn)行位置進(jìn)入靜態(tài)窗口后，在設(shè)定的定位調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)到達(dá)定位窗口，如圖1。

圖1 靜態(tài)窗口

表1 變頻器參數(shù)

表2 取貨量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如果靜態(tài)窗口定位時(shí)間設(shè)定不合適，就會(huì)造成在之前確定的位置環(huán)增益和積分時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)不到，也會(huì)影響堆垛機(jī)定位時(shí)間。通過實(shí)驗(yàn)得到將堆垛機(jī)運(yùn)行到合適的靜態(tài)窗口后讓堆垛機(jī)開始尋址，然后算出靜態(tài)窗口內(nèi)所需時(shí)間，將其定為定位時(shí)間。

2.速度環(huán)系數(shù)的確定

速度環(huán)比例增益系數(shù)和積分時(shí)間設(shè)置不合理，堆垛機(jī)在加減速時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生明顯的抖動(dòng)。當(dāng)電機(jī)加載運(yùn)行時(shí)，由于實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量與缺省參數(shù)值設(shè)置不相符，速度環(huán)的帶寬會(huì)變窄，如果實(shí)際負(fù)荷使電機(jī)工作不穩(wěn)定，發(fā)生爬行或振動(dòng)，或者現(xiàn)有的速度環(huán)帶寬不理想，則需要對速度環(huán)的比例增益、積分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

在保證速度環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、不振蕩的前提下，適當(dāng)增大比例增益使速度環(huán)響應(yīng)最快。通過長期研究，提高速度環(huán)的比例增益，直至電機(jī)發(fā)生抖動(dòng)，然后將此時(shí)速度環(huán)比例增益系數(shù)的85%確定為當(dāng)前比例系數(shù)，即為剛度較好速度環(huán)比例增益。速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)對于電機(jī)來說為延遲因素，因此設(shè)定過大會(huì)延長定位時(shí)間，使響應(yīng)性變差。當(dāng)慣量較大，產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，若不增加積分時(shí)間，機(jī)械又會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)。在實(shí)際工作中，設(shè)定的比例較小，在定位時(shí)雖然偏差脈沖可能會(huì)更接近于0，但是達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間可能會(huì)變長。測試發(fā)現(xiàn)負(fù)載慣量折算到電機(jī)軸上的值與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的倍數(shù)越大，速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)的值應(yīng)增加越大，在確定了速度環(huán)比例增益的前提下，減小速度環(huán)積分時(shí)間，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)震蕩抖動(dòng)時(shí)將此時(shí)積分時(shí)間的110%確定為積分時(shí)間。

圖2 堆垛機(jī)對比實(shí)驗(yàn)

取貨控制界面

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)30min內(nèi)采用電機(jī)變頻器默認(rèn)參數(shù)和調(diào)后參數(shù)進(jìn)行取貨對比實(shí)驗(yàn)。所用變頻器為西門子G120 CU250S-2型變頻器，所設(shè)參數(shù)如表1。

為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀，設(shè)計(jì)堆垛機(jī)在最長的運(yùn)行距離下，進(jìn)行取貨對比實(shí)驗(yàn)，如圖2。對比變頻器在默認(rèn)參數(shù)和參數(shù)調(diào)整后，在控制室內(nèi)進(jìn)行堆垛機(jī)30min內(nèi)的取貨實(shí)驗(yàn)，如圖3。通過實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證出變頻器參數(shù)調(diào)整后是否會(huì)提高取貨效率、縮短定位時(shí)間、提高定位精度。

三、測試結(jié)果對比

通過對比實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)果如表2，采用同樣的取貨距離、相同的運(yùn)行時(shí)間，明顯看出變頻器參數(shù)調(diào)整后堆垛機(jī)取貨效率顯著提高。

四、結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)，并通過統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

1.位置環(huán)增益是決定堆垛機(jī)位置跟隨性的參數(shù)，電機(jī)的響應(yīng)速度取決于位置環(huán)增益，位置環(huán)比例系數(shù)和積分時(shí)間的準(zhǔn)確確定，能夠使堆垛機(jī)精確而快速定位。

2.速度環(huán)比例系數(shù)和積分時(shí)間將決定電機(jī)加減速度的快慢，它的準(zhǔn)確與否，直接影響著電機(jī)能否快速響應(yīng)、平穩(wěn)運(yùn)行。

3.電機(jī)的速度環(huán)和位置環(huán)比例增益調(diào)到出現(xiàn)超調(diào)的85%時(shí)，電機(jī)響應(yīng)快且不晃悠。在確定了比例系數(shù)的前提下，把積分時(shí)間調(diào)到出現(xiàn)震蕩的110%和比例系數(shù)剛匹配時(shí)，堆垛機(jī)相應(yīng)的運(yùn)行效率最高。