堆垛機變頻器位置環(huán)和速度環(huán)參數(shù)調節(jié)方法

文/白成英 王 猛 張鈰岱

堆垛機水平軸和起升軸由旋轉編碼器和外部位移編碼器構成速度環(huán)和位置環(huán)。通過對堆垛機的研究和工業(yè)現(xiàn)場的測試，影響堆垛機運行的主要參數(shù)有位置環(huán)比例增益、位置環(huán)積分時間、速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時間等。提高位置環(huán)增益，位置環(huán)響應會變快。在保證位置環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、位置不超調(過沖)的前提下，將增大位置環(huán)的增益，以減小位置滯后量，但是過大會降低定位精度，過小則會響應慢，兩者都會影響堆垛機運行效率；速度環(huán)增益決定電機加減速度的響應，為了縮短定位時間，需要提高速度環(huán)增益。但是，太大會使電機抖動，太小又會使電機加速度過小。速度環(huán)積分時間會影響電機穩(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，使堆垛機快速響應且精確定位。

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

在實際的工業(yè)現(xiàn)場 ，發(fā)現(xiàn)多數(shù)堆垛機運行效率總是達不到設計目標。通過研究發(fā)現(xiàn)很多堆垛機定位時間長，而有些設備則在目標位置過沖，往復較長時間來定位。這就是典型的位置環(huán)比例系數(shù)和積分時間設置不合理造成的。

通過長期的對比實驗，首先提高位置環(huán)增益直到在目標位置過沖、往復運動，之后把當前比例系數(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間，減小積分時間讓堆垛機快速定位直到出現(xiàn)過沖時，將當前積分時間的110%確定為位置環(huán)積分時間。但是位置環(huán)定位還需要確定好堆垛機的靜態(tài)窗口大小和時間以及定位窗口大小和時間。當堆垛機運行位置進入靜態(tài)窗口后，在設定的定位調節(jié)時間內到達定位窗口，如圖1。

圖1 靜態(tài)窗口

表1 變頻器參數(shù)

表2 取貨量實驗結果

如果靜態(tài)窗口定位時間設定不合適，就會造成在之前確定的位置環(huán)增益和積分時間內調節(jié)不到，也會影響堆垛機定位時間。通過實驗得到將堆垛機運行到合適的靜態(tài)窗口后讓堆垛機開始尋址，然后算出靜態(tài)窗口內所需時間，將其定為定位時間。

2.速度環(huán)系數(shù)的確定

速度環(huán)比例增益系數(shù)和積分時間設置不合理，堆垛機在加減速時電機會產(chǎn)生明顯的抖動。當電機加載運行時，由于實際負載轉矩和負載慣量與缺省參數(shù)值設置不相符，速度環(huán)的帶寬會變窄，如果實際負荷使電機工作不穩(wěn)定，發(fā)生爬行或振動，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、積分時間常數(shù)進行調整。

在保證速度環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定、不振蕩的前提下，適當增大比例增益使速度環(huán)響應最快。通過長期研究，提高速度環(huán)的比例增益，直至電機發(fā)生抖動，然后將此時速度環(huán)比例增益系數(shù)的85%確定為當前比例系數(shù)，即為剛度較好速度環(huán)比例增益。速度環(huán)積分時間常數(shù)對于電機來說為延遲因素，因此設定過大會延長定位時間，使響應性變差。當慣量較大，產(chǎn)生振動時，若不增加積分時間，機械又會出現(xiàn)震動。在實際工作中，設定的比例較小，在定位時雖然偏差脈沖可能會更接近于0，但是達到穩(wěn)態(tài)所需的時間可能會變長。測試發(fā)現(xiàn)負載慣量折算到電機軸上的值與電機轉子慣量的倍數(shù)越大，速度環(huán)積分時間常數(shù)的值應增加越大，在確定了速度環(huán)比例增益的前提下，減小速度環(huán)積分時間，當電機出現(xiàn)震蕩抖動時將此時積分時間的110%確定為積分時間。

圖2 堆垛機對比實驗

取貨控制界面

二、實驗設計

設計30min內采用電機變頻器默認參數(shù)和調后參數(shù)進行取貨對比實驗。所用變頻器為西門子G120 CU250S-2型變頻器，所設參數(shù)如表1。

為使實驗結果更加直觀，設計堆垛機在最長的運行距離下，進行取貨對比實驗，如圖2。對比變頻器在默認參數(shù)和參數(shù)調整后，在控制室內進行堆垛機30min內的取貨實驗，如圖3。通過實驗可驗證出變頻器參數(shù)調整后是否會提高取貨效率、縮短定位時間、提高定位精度。

三、測試結果對比

通過對比實驗，得出結果如表2，采用同樣的取貨距離、相同的運行時間，明顯看出變頻器參數(shù)調整后堆垛機取貨效率顯著提高。

四、結論

本文通過實驗，并通過統(tǒng)計分析，得到以下結論：

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

2.速度環(huán)比例系數(shù)和積分時間將決定電機加減速度的快慢，它的準確與否，直接影響著電機能否快速響應、平穩(wěn)運行。

3.電機的速度環(huán)和位置環(huán)比例增益調到出現(xiàn)超調的85%時，電機響應快且不晃悠。在確定了比例系數(shù)的前提下，把積分時間調到出現(xiàn)震蕩的110%和比例系數(shù)剛匹配時，堆垛機相應的運行效率最高。