直流速度飽和同步調速系統(tǒng)在焊接變位機上的應用

劉正君，劉少林，熊 雄，陳 超

（成都焊研威達科技股份有限公司,四川 成都 610300）

0 前言

隨著我國工業(yè)尤其是重工業(yè)的發(fā)展，對大型鋼結構件的焊接需求越來越多，在生產活動中對焊接變位機（又稱焊接變位器）的性能要求也越來越高，噸位也越來越大[1]。大噸位變位機工作盤直徑大，尤其在使用帶極堆焊焊接工件時，對工作盤回轉速度調節(jié)范圍要求越來越高，已由十倍擴大到上百倍甚至更大。同時，由于變位機回轉工作盤會根據需要進行工件位置的變換調整，工作盤的位置狀況經常會從 0°（水平）～90°（垂直）進行變換，由于位置發(fā)生變化，傳動間隙會在工件重力作用下發(fā)生改變，在工件運動中出現(xiàn)抖動，對變位機的運動精度控制產生影響。因此，大噸位焊接變位機回轉驅動一般設計為雙驅動[2]，如圖1所示。

變位機回轉雙驅動系統(tǒng)為：電機1與減速系統(tǒng)1軸連接，減速系統(tǒng)1輸出齒輪再與回轉工作盤回轉支撐接進行齒輪連接，同樣電機2與減速系統(tǒng)2軸連接，減速系統(tǒng)2輸出齒輪再與回轉工作盤回轉支撐接進行齒輪連接，可見電機1和電機2與回轉支撐之間的連接均為剛性連接。

在這種剛性連接雙驅動的變位機中，無論是交流變頻調速控制方式還是普通直流調速系統(tǒng)，均不能很好地解決工作盤轉動平穩(wěn)問題，易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。本研究改進了雙驅直流調速控制方法，采用雙驅直流速度飽和同步控制方式，在提高調速范圍的同時，有效地解決了回轉工作盤爬行問題，使工作盤運行平穩(wěn)可靠，能夠較大提高焊接變位機的應用效能。

1 交流變頻調速模式

變位機回轉工作盤雙電機傳動驅動，由兩個電機各帶一套減速系統(tǒng)，通過傳動齒輪共同驅動同一回轉支承驅動回轉工作盤旋轉。由于兩套驅動系統(tǒng)之間屬于剛性連接，因此在控制中對兩套驅動系統(tǒng)的速度同步和轉矩同步有很高的要求[3]。

圖1 變位機雙驅動結構

交流變頻控制的特點是系統(tǒng)結構較簡單，維護方便。一套驅動控制系統(tǒng)為主機，另一套驅動控制系統(tǒng)為從機。主機采用速度控制模式，從機為轉矩控制模式。通過兩套變頻系統(tǒng)自帶的通訊功能，將主機的驅動轉矩傳遞給從機，作為從機轉矩給定。從機在運行中依據主機轉矩自動進行速度調節(jié)，從機波動范圍的控制由從機參數(shù)進行設置。由于變頻調速范圍不寬的特點，且從機響應相對主機有所滯后，當工作盤回轉速度較慢時，工作盤轉動不平穩(wěn)，出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，影響焊接工藝質量，速度越慢爬行越嚴重。因此，變位機的雙驅動模式采用交流變頻調速并不理想。

2 直流調速控制系統(tǒng)

2.1 直流調速控制基本原理

直流調速控制系統(tǒng)是適應直流電機驅動而適時產生的對直流電動機驅動系統(tǒng)進行控制的設備。直流電動機與交流電機一樣，在額定速度范圍內具有恒轉矩特性。直流調速系統(tǒng)尤其在低速段時，通過外部速度反饋，能保持很好的低速轉矩和穩(wěn)定性。

直流調速系統(tǒng)一般有兩層閉環(huán)反饋，稱為雙閉環(huán)。內閉環(huán)為電流反饋，外閉環(huán)為速度反饋。電流反饋為正反饋，速度反饋為負反饋。通過雙重反饋的作用，控制系統(tǒng)具有良好的實時性和剛性。

直流調速的核心控制單元為直流調速控制器。直流調速控制器是現(xiàn)代電子技術在直流控制上的良好應用?？刂破鲗?80 V交流電整流轉變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^調節(jié)整流回路功率元件——晶閘管或IGBT的導通角，從而調節(jié)輸出電壓控制直流電機轉速。電流反饋系統(tǒng)在直流調速系統(tǒng)內部集成，而速度反饋需要外接編碼器或測速發(fā)電機等。通過外接的速度反饋，使驅動系統(tǒng)具有良好的速度穩(wěn)定性和剛性。

直流調速器輸入端接入三相交流電源，輸出端接直流電動機，直流調速器將交流電轉化成兩路直流電源輸出，一路輸入給直流電機勵磁繞組（定子），一路輸入給直流電機電樞繞組（轉子），直流調速器通過控制電樞直流電壓來調節(jié)直流電動機轉速，其主要特點有：

（1）具有較寬的調速范圍。直流調速系統(tǒng)在使用編碼器作外部速度反饋的情況下，速度反饋精度高，此時調速系統(tǒng)有很好的低速特性；同時直流調速方式還可采用弱磁控制方式，使得電機能夠在額定轉速以上運行，但在弱磁控制時，電機處于恒功率工作狀態(tài)，驅動轉矩隨速度增高而下降。

（2）具有較快的動態(tài)響應。直流調速系統(tǒng)電流反饋為正反饋，在負載發(fā)生瞬時變化時，具有良好的動態(tài)響應，適應負載變化情況。在負載變化產生速度波動時，外加速度反饋可以保持速度穩(wěn)定。

（3）加、減速時有自動平滑的過渡過程。

（4）低速運轉時力矩大。

（5）具有挖土機特性，能將過載電流自動限止在設定電流上，可確保機械故障時，輸出轉矩限制在一定范圍內，使故障范圍得到限制不至擴大。

2.2 直流調速雙驅同步控制

機械設計的結構決定了變位機回轉雙驅動系統(tǒng)之間的連接關系為剛性連接。雙驅系統(tǒng)剛性連接對控制系統(tǒng)要求很高，需要兩套驅動控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)速度平衡和轉矩平衡；同時由于機械傳動間隙的存在，增加了對速度控制的響應及穩(wěn)定性等的要求。結合直流調速系統(tǒng)的特性，因此在過去一段時間的大噸位變位機的生產實踐中出現(xiàn)了直流雙驅控制模式。

直流雙驅控制一般采用一套直流調速系統(tǒng)同時控制兩臺直流電機，有兩種模式：（1）兩臺直流電機電樞與電樞并聯(lián)，勵磁與勵磁并聯(lián)；（2）兩臺直流電機電樞串聯(lián)，勵磁并聯(lián)，串聯(lián)的兩臺電機的電樞電壓只能是直流調速系統(tǒng)額定輸出電樞電壓的一半，一般選擇電樞電壓為220 V的電機。采用英國歐陸公司590+全數(shù)字化四象限直流調速器設計的兩種直流調速控制模式如圖2所示。

圖2 變位機直流雙驅控制的兩種模式

兩種直流調速同步控制的特點是：第一種方式的兩臺電機電樞和勵磁電壓相同，但兩臺電機的電樞電流和勵磁電流會有差異，因此其同步性差；第二種方式的勵磁電壓相同，勵磁電流略有差異，但電樞電流相同，由于每臺電機其特性不可能完全相同，因此其同步性也較差，當轉速較慢時，兩套電機的同步差異就很明顯地表現(xiàn)出來，工作盤會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。如果將兩臺電機勵磁串聯(lián)，由于受直流調速器勵磁最高電壓的限制，會導致兩臺電機勵磁不足，因此在實際控制系統(tǒng)中很少采用。

3 直流調速速度飽和同步控制

在回轉工作盤調速系統(tǒng)設計中，交流變頻同步控制系統(tǒng)簡單，同時交流電機維護簡單方便，但最大缺點是調速范圍小，僅在30倍調速范圍內。而前述直流調速同步控制也都達不到理想效果。在此提出了直流速度飽和同步控制方式，該驅動模式調速范圍大，同時能有效解決雙驅控制中的爬行現(xiàn)象。

3.1 速度飽和控制基本原理

速度飽和控制是指主機與從機均采用速度控制方式，速度要求給定到主機，從機通過通訊從主機接收速度給定信號，并在主機速度要求的基礎上增加一定比例，即從機速度始終大于主機，這樣在運行時，從機始終處于拉緊狀態(tài)，主機始終處于被拉狀態(tài)。

大噸位變位機工作盤回轉雙驅系統(tǒng)中，由于兩套傳動減速系統(tǒng)的間隙（各級減速齒輪的間隙累加），使得兩臺電機在運行過程中不定時地都有空轉的時間。當轉速降低后，由于間隙原因導致的電機可能空轉情況的時間會有所加長，此時當兩臺電機不同時出力時，由于一臺電機驅動力不足，致使工作盤轉速降低，速度的降低會使兩臺電機再次同時輸出力矩，工作盤速度也隨之增加，因此工作盤出現(xiàn)速度不穩(wěn)。在轉速較快時，由于工作盤自身的慣性作用，速度較易平穩(wěn)，但當轉速降低到一定程度后，就容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；當電機轉速低于60 r/min后，電機轉動一圈的時間已達到1 s以上，同樣的間隙導致電機空轉時間就更大，工作盤回轉速度更不穩(wěn)定。如果主機為速度控制，則主機可由速度反饋而保持速度的相對穩(wěn)定，但從機轉速隨主機轉矩變化而變化，導致速度不平穩(wěn)現(xiàn)象加劇。當從機也作為速度控制時，且從機給定速度始終大于主機，通過編碼器速度反饋，從機也一直趨向于給定的速度穩(wěn)定運行，由于從機速度要求大于主機，且主從機為剛性連接，因此從機處于拉的狀態(tài)，電流增加，而主機處于被拉狀態(tài)。此種狀態(tài)時，將主機電流（轉矩）引入從機，作為從機電流（轉矩）限幅，限制了從機電流增加，也即從機轉速被限制。在此動態(tài)平衡中，兩套驅動系統(tǒng)成為動態(tài)穩(wěn)定系動，平穩(wěn)運行。

在高速段，各種控制方式均可正常工作；但在低速段，速度飽和控制方式表現(xiàn)出了其優(yōu)異特性，適合在變位機回轉工作盤的雙驅控制系統(tǒng)中應用。這種控制方式的不足之處在于從機電流過大，主機也會因為處于反制動狀態(tài)來增加電流?？梢圆捎秒娏飨薹ㄞD矩限幅）來克服這個問題。將主機電流引到從機，作為從機電流限幅，可以在主機電流略作放大后作為從機電流限幅。這種控制方式有效解決了主機從機的分離控制，使主機與從機速度與轉矩協(xié)調同步，幾乎成為一個完整聯(lián)系的系統(tǒng)。

3.2 直流調速速度飽和雙驅同步控制系統(tǒng)設計

以英國歐陸公司590+全數(shù)字化四象限直流調速器進行設計應用，基本電路如圖3所示。

圖3 直流調速速度飽和雙驅同步控制原理

圖3中直流調速器L、N端子為220 V控制電源接線端子。L1、L2、L3為三相380 V主電源接線端子，接觸器KM為由直流調速器控制接通斷開的主電源通斷接觸器。C9為控制電路公共端。B8為程序停機端子，B9為慣性停機端子，此兩個信號直接短接于公共端C9。C5為使能端子，C3為啟動/運行端子。主機C7端子為數(shù)字輸入端子，可選擇設置為方向控制端子。F+、F-端子為電機勵磁電壓輸出端子，A+、A-端子為電機電樞電壓輸出端子。編碼器反饋卡接電機編碼器反饋接收器。主機利用直流調速器摸擬量輸出端子，設置選擇輸出電樞電流（DC±0～10 V），從機設置摸擬量輸入端子作為主機實時電樞電流信號輸入。主機A4為速度信號輸入端子，A1為速度信號0 V。利用直流調速器自帶的5703通訊端口進行主、從機通訊，將速度要求信號傳送給從機，并將從機報警信號反饋回主機等。圖3中FU為快速熔斷器，用于保護各電路。

當控制電源送電后，直流調速器L、N端子得電，直流調速器工作。此時需進行直流調速器參數(shù)設置，并進行電機參數(shù)自整定等操作。

閉合繼電器KC3，直流調速器使能。KC2閉合或斷開，主機方向進行變換，此根據控制需要。閉合控制繼電器KC1，直流調速器啟動，主電路接觸器KM閉合，主電源接通。此時調節(jié)加在主機A4與A1端口間的電壓（DC 0～10 V），電機旋轉工作。

3.3 直流調速器參數(shù)設置

在直流調速速度飽和雙驅同步控制系統(tǒng)中需要進行以下參數(shù)的設置：

（1）電機基本參數(shù)設置——電樞電壓、電樞電流，勵磁電壓、勵磁電流、勵磁控制模式、主電流限幅值等。

（2）速度反饋參數(shù)——速度反饋模式、反饋編碼器線數(shù)、反饋編碼器轉速、反饋編碼器方向等。

（3）速度環(huán)——比例增益及積分時間常數(shù)等。在調試中，如沒必要，該參數(shù)不需要作過多調整。

（4）電流環(huán)——基本運行也可不需要進行參數(shù)調整；在雙驅剛性聯(lián)接速度飽和控制中，最好對直流調速器速度環(huán)進行自動調整。在特珠情況時，也可進行手動調速各參數(shù)。

（5）控制系統(tǒng)斜坡參數(shù)——加速時間、減速時間、自動復位及外部復位等。模擬量輸入輸出參數(shù)設置及數(shù)字量輸入輸出設置、電流限幅設置等。

（6）5703參數(shù)設置——包括主從站設置，波特率、設定值比例、設定值符號及各內部聯(lián)接等。

4 運行效果

控制系線路正常后連接電機線，電機不帶負載，進行電流環(huán)參數(shù)自整定。將“自動調整”參數(shù)設置為開，C3端子加電，主接觸器閉合，C5端子加電，“自動調整”程序被初始化，初始化完成后，主接觸器自動斷開，直流調速器系統(tǒng)自動復位“自動調整”參數(shù)，保存參數(shù)。

完成上述操作后，啟動系統(tǒng)，兩臺直流電機同時旋轉，此時兩臺電機未帶負載，從機轉速明顯慢于主機，同時從機加上負載后速度會出現(xiàn)下降，這是由于從機電流環(huán)受主機限制，而在空載時主機電流很小造成的一種現(xiàn)象。當主從機聯(lián)接上負載后，主從機成為剛性連接，系統(tǒng)工作正常。

在速度范圍調節(jié)試驗中，從較低速度增加到額定速度，再降低至直流調速器默認最低速的2%，變位機回轉工作盤運行平穩(wěn)，兩電機電流平衡。取消直流調速器最低速限制，速度降低至1%，設備仍運轉平穩(wěn)，系統(tǒng)工作正常。

經過在多臺大噸位變位機項目上進行了速度飽和控制應用和試驗，其運行結果與前述幾種控制方式進行比較，結果如表1所示。

表1 大噸位變位機回轉工作盤控制效果

實驗表明，直流調速雙驅速度飽和控制方式運行平穩(wěn)、精度高、保護功能強，在焊接中調速范圍很寬，滿足了用戶手動高速回轉，而焊接工作時回轉速度低的寬調速范圍的要求，特別適用于大變位機進行管板堆焊以及進行螺旋帶極堆焊時速度十分緩慢的連續(xù)調節(jié)。由于動態(tài)平衡的特點，雙驅同步還解決了變位機在垂直狀態(tài)工作時，工件重心過12點時因機械間隙造成的重心偏移問題。在采用西門子S120伺服進行雙驅同步控制的變位機上應用速度飽和控制后，也同樣提高了回轉變位機的控制性能。

保護功能：在實際控制電路中，將兩臺直流調速系統(tǒng)報警信號都接入控制電路中，任何一臺直流調速系統(tǒng)出現(xiàn)報警，均同時停止回轉工作盤的運轉，保護設備不被損壞。

5 結論

在大噸位回轉變位機中，采用雙驅系統(tǒng)來克服回轉過程中的重力分布問題。但無論是使用交流變頻控制系統(tǒng)還是普通的直流同步控制系統(tǒng)，均不能有效避免在回轉盤低速運轉情況下的爬行現(xiàn)象。

討論了采用英國歐陸公司590+全數(shù)字化四象限直流調速器進行速度飽和同步控制電路的設計及應用。結果表明，這種控制方式有效解決了工件重心偏移問題，消除變位機回轉工作盤在運行過程中的爬行現(xiàn)象。在機械系統(tǒng)精度不是很好的雙驅系統(tǒng)中，速度飽和同步控制方式在解決兩套系統(tǒng)之間因機械間隙、電機性能差異引起的速度差異等導致的不同步問題效果良好，較大提高調速范圍和速度精度等。在機械系統(tǒng)較好及電氣控制系統(tǒng)先進的控制系統(tǒng)中，速度飽和控制也起到了進一步提高控制效果的作用，提高了大噸位變位機的系統(tǒng)性能。

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[1]葛福華，李祥忠，朱 峰.大型構件焊接變位機的設計[J].電焊機，2003，33（11）：38-39.

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