异步电机闭环无级控制定位原理在冷弯机组中的应用探讨

摘 要:本论文主要研究在不同负载下交流异步电机在冷弯机组中的闭环无级控制定位情况，应用PID控制，通过PC编程用程序控制交流异步电机的制动定位来达到高精度定位的液压剪切效果。此维修改造试验是成功的 关键词:PC 货架 冷弯机组 Study the Appliance of the Position Control Theory of the AC Motor Closed Loop Stepless Driving Used In the Rollforming Abstract: This paper mainly discusses the position of the AC motor Closed Loop Steples driving different loads, based on AC site PID control systems of cold rollforming machine, By PC control programme is used to control the trig position of AC motor and used hydraulic cutting in accuracy posit, The maintain &change experiment is very succeed. Keywords:PC Racking cold rollforming machine 1. 目前变频控制的应用及其问题 1.1交流异步电机定位控制的研究经历了较长阶段，传统做法是采用机械挡块来定位。如：济南铸锻所为我公司设计的货架立柱冷弯生产线为达到定尺寸定孔位切断的精度：±0.5mm，其液压飞剪系统的定位设计中就引入了定位插销控制技术， 目前，在各个行业中所用的定位方式可分为四种:机械定位，电气定位,空气定位，光学定位。电气定位控制系统一般是以数字方式工作的，故可以提高精度，十分简便，易于和计算机，PLC等各种控制电路相匹配。 1.2目前在冷弯机组中应用变频调速技术是针对变频器的速度参数设定几个固定的频率（例如高速、中速、低速三种频率），根据冷弯机组上实际产品的控制要求由PC或PLC对变频器的三种（频率）速度进行切换，达到调速和停准的目的。但当具体产品对冷弯机组的位置停准精度要求提高后，这种开环式的有级调速就不能满足产品的位置精度控制要求。 2 闭环无级调速控制原理 2.1在研究分析本控制系统电路控制方案中获知，本控制系统包括两个部分的闭环控制：第一，是对冷弯机组运行速度的闭环控制。当我们要求冷弯机组以某一个速度运行时，根据旋转编码器反馈回来的冷弯机组当前脉冲数字信号及相对的速度转换信号，实时调整变频器的频率值，使冷弯机组迅速达到某一个稳定的速度平稳运行。第二，是对冷弯机组位移的闭环控制。当我们要求冷弯机组到达某一目的地址时，根据旋转编码器反馈回来的当前脉冲数字信号，根据预先设定的控制策略调整变频器的频率值，使冷弯机组先以较高的速度运行到接近目的地址的位置，然后平稳的减速到较低的速度运行，在到达目的地址的时候制动停准。采用这种闭环控制方式能较好地满足冷弯机组高速运行、换速平稳、低速停准的调速控制要求。 3 技术方案及特点 3.1对变频器进行闭环控制，我们可以采用如图1所示的闭环无级调速控制流程。 3.2本文以37kW异步电机组成的进口货架立柱冷弯生产线拖动系统为例，介绍了在不同负载下交流异步电机在冷弯机组中的闭环无级速度控制定位情况准确停车停剪动作的设计方法。该方法工作稳定可靠，控制精度高，基本能满足货架立柱的生产控制精度：±0.5mm，最高精度可控制在±0.1mm以内， 3.3系统的组成：主传动系统97年从澳大利亚澳宝公司引进，该系统组成为：电气主控系统和交流异步电机拖动功率为37kW，由速比为30：1的齿轮减速箱、速比2：1的两级齿轮传动、速比2：1的链传动等实现减速的传动链组成，配合抱闸实现准确停车控制。工作时，该系统控制用变频器的主要运行频率在35Hz左右，最高运行频率可达到60Hz；异步电机定位时，该系统变频器运行频率控制在2Hz左右时能正常准确定位控制工作。 3.4电气主控制系统为：一台486以上的普通电脑、数模转换电路板和微继电器控制电路组成的指令中心、外部由被动测量的1200脉冲/转的编码器、反射式光电开关、37kW异步电机及其配套的变频器等组成。 3.5通用变频器提供的制动方式主要有能耗(直流)制动和再生制动(制动单元/制动电阻、整流回馈)等，由于原主控制系统的伺服变频器的损坏，通过采用三菱FR-A500系列的37kW异步电机配套的通用变频器的代用维修，采用制动电阻附件，基本能恢复设备原有的控制操作性能。但同时观察发现：定位调整时间延长，定位循环震荡现象加剧，由于在该机组上一定时期内生产的是定型产品，即设备的机组负荷在一定时期内是相对恒定的，基本上通过修订PID设定的参数可以满足实际产品的定位切断要求。 4 本货架冷弯机组系统的特点 4.1成型机组为20架以上，可在该机组上生产多厚度、多品种规格的产品，具有很强的货架产品或冷弯型钢的新产品开发的设备能力。 4.2成型机架均可组成四辊式万能龙门式机架，辊轴的轴承采用NHK进口自调心系列，有利于产品全方位地成型。 4.3采用第一道上下对压式动力驱动，其它采用下辊动力上辊被动驱动链轮链条传动方式，减少了附加摩擦阻力，机组结构简单，有利于降低动力消耗，提高冷弯型钢产品的表面质量。 4.4采用在线预冲孔技术和运动停剪技术，可以生产复杂带孔截面和具有一定精度尺寸的货架产品。 4.5成型机组辊轴直径为φ63mm，机组成型速度为：10m/min左右，主要受配线压力机的协调工作频率的限制，（主要影响因素：在线预冲孔的步距长短的局限、模具制造及精度保证技术、产品孔间距与模步距的控制精度要求、伺服响应速度与传动扭距、压力机工作频率等）。 4.6在机组前部设有带钢对中导向、导向辊和压板，可以给进入第一架的带钢施加一定可调后张力。 5基本工作原理分析 5.1 该系统由四部分组成，即486以上的微机、驱动控制板卡、变频调速系统、传感检测。主控程序只有几百K，主控微机通过打印端口与控制卡相连，通过数据线发送位置或速度命令，设定PID调节参数，并进行数模（D/A）转换，该模拟量速度指令（0V—+10V）经过变频器放大器放大后驱动交流异步电动机。通过交流异步电机轴端装有的增量式光电码盘或与被动测量辊相联接的增量式光电码盘提供反馈信号（A、B、IN脉冲）来完成位置控制系统的位置反馈，组成一个半闭环控制系统或闭环控制系统。一般将光电码盘装在电机非负载轴的轴端上或与被动测量辊相联接，便于安装和避免机械部件振动或变形对位置控制系统产生的误差或其它不利影响。位置反馈环中传感元件——增量式光电编码器将运动构件实时的位移（或转角）变化量以A、B相差分脉冲形式长线传输到现场控制站（PC机或相应的电路转换板中）中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息和计算得到的速度信息等，主控微机计算给定位置与实际位置（即反馈到的位置）的偏差后，根据偏差范围采取相应的PID控制策略，将数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压，并输出给变频器放大器，最终调节电机运动，完成期望值的定位。 5.2 控制系统硬件设计的几个主要问题 5.2.1输人信号的控制精度：增量式光电码盘的每转脉冲数及测量辊的圆周长，如：φ50测量辊配每转输出600个脉冲的光电编码器与每转输出1200个脉冲的光电编码器之间的差异、φ50测量辊与φ90测量辊的控制精度差异；最终反映出来的就是每个输出脉冲所对应的长度值，即圆周长与每转输出脉冲数的比值，尽量选择比值小的产品。 5.2.2输出信号的控制精度：位置环PID控制算法上的不同，在数字PID调节控制系统中，在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会产生积分积累，引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于交流异步电机的运行来说是非常不利的。 5.2.3交流变频器作为下位机用来控制交流异步电机的启、停，速度的调整，主要接受来自主控微机经数模转换变成的模拟控制电压信号，调节交流异步电机的停止、启动、正、反运动及调整等。 5.2.4控制系统参数的整定：主控微机向控制卡发送PID参数，看给定的参数是否符合控制系统的要求，该过程需用参数整定实现。参数整定的主要任务是确定Kp、Ki、Kd及采样周期T，比例系数Kp增大，使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快，而过大会引起振荡，调节时间加长；积分系数Ki增大，能消除系统稳态误差，但稳定性下降；Kd微分控制可以改善动态特性，使超调量减少，调整时间缩短。具体整定过程需要根据数字位置环的PID器改进控制算法以及参数整定方法来制定现场的适应参数。 5.2.5系统的机械精度控制在一定误差范围内，电气控制精度（编码器脉冲）就可得到提高，鲁棒性强，可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求。 6 维修更换效果分析 6.1定位精度分析：当变频调速范围达1：75，设计冷弯线的运行速度达到：9M/Min，设计要求定位时间控制在0.5秒以内，从异步电动机到冷弯轧辊的速比为480：1，轧辊的底径为：φ200mm，圆周长为：628mm，实际上冷弯轧辊在0.5秒中的运转线距离为：1mm。考虑到异步电动机的起动运行曲线与停止运动曲线的特点及冷弯型钢的负载阻力，通过程序设定的定位模拟信号驱动时间的长短在0.5秒以内，就能实现产品的控制精度：±0.5mm以内。 6.2定位精度测量：通过对有关长度的测量，基本能控制在±0.5mm以内。由于修正数据时，不能很好地把握某区域的中间量，致使有时误差偏大。修正数据时，在一个区间内常常取几个反复比较来调整程序设计，如精度为±0.5mm设定2次长度定位循环，精度为±0.25mm以内设定5次长度定位循环，取得了良好的效果。当然在实际运行过程中也会出现长度调整和比较的震荡，达不到要求的精度，必须限制定位循环次数而不是定位比较精度值的大小。 6.3因为大功率冷弯成型生产线的速度通常都按冷弯成型主机的最大成型速度设计的，通常其运行的速度在最大转速的50%～80%之间，在调整或切断操作时整机的运行速度更低，最低速度仅为设计速度的1%--2%，机组按定速运行设计必将浪费相当大的能量，而且还产生太大的噪音，此