1. 目前變頻控制的應(yīng)用及其問題
1.1交流異步電機定位控制的研究經(jīng)歷了較長階段，傳統(tǒng)做法是采用機械擋塊來定位。如：濟南鑄鍛所為我公司設(shè)計的貨架立柱冷彎生產(chǎn)線為達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)計中就引入了定位插銷控制技術(shù)， 目前，在各個行業(yè)中所用的定位方式可分為四種:機械定位，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，十分簡便，易于和計算機，PLC等各種控制電路相匹配。
1.2目前在冷彎機組中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)是針對變頻器的速度參數(shù)設(shè)定幾個固定的頻率（例如高速、中速、低速三種頻率），根據(jù)冷彎機組上實際產(chǎn)品的控制要求由PC或PLC對變頻器的三種（頻率）速度進行切換，達到調(diào)速和停準的目的。但當具體產(chǎn)品對冷彎機組的位置停準精度要求提高后，這種開環(huán)式的有級調(diào)速就不能滿足產(chǎn)品的位置精度控制要求。
2 閉環(huán)無級調(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)包括兩個部分的閉環(huán)控制：第一，是對冷彎機組運行速度的閉環(huán)控制。當我們要求冷彎機組以某一個速度運行時，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器反饋回來的冷彎機組當前脈沖數(shù)字信號及相對的速度轉(zhuǎn)換信號，實時調(diào)整變頻器的頻率值，使冷彎機組迅速達到某一個穩(wěn)定的速度平穩(wěn)運行。第二，是對冷彎機組位移的閉環(huán)控制。當我們要求冷彎機組到達某一目的地址時，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器反饋回來的當前脈沖數(shù)字信號，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略調(diào)整變頻器的頻率值，使冷彎機組先以較高的速度運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行，在到達目的地址的時候制動停準。采用這種閉環(huán)控制方式能較好地滿足冷彎機組高速運行、換速平穩(wěn)、低速停準的調(diào)速控制要求。
3 技術(shù)方案及特點
3.1對變頻器進行閉環(huán)控制，我們可以采用如圖1所示的閉環(huán)無級調(diào)速控制流程。
3.2本文以37kW異步電機組成的進口貨架立柱冷彎生產(chǎn)線拖動系統(tǒng)為例，介紹了在不同負載下交流異步電機在冷彎機組中的閉環(huán)無級速度控制定位情況準確停車停剪動作的設(shè)計方法。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：主傳動系統(tǒng)97年從澳大利亞澳寶公司引進，該系統(tǒng)組成為：電氣主控系統(tǒng)和交流異步電機拖動功率為37kW，由速比為30：1的齒輪減速箱、速比2：1的兩級齒輪傳動、速比2：1的鏈傳動等實現(xiàn)減速的傳動鏈組成，配合抱閘實現(xiàn)準確停車控制。工作時，該系統(tǒng)控制用變頻器的主要運行頻率在35Hz左右，最高運行頻率可達到60Hz；異步電機定位時，該系統(tǒng)變頻器運行頻率控制在2Hz左右時能正常準確定位控制工作。
3.4電氣主控制系統(tǒng)為：一臺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、外部由被動測量的1200脈沖/轉(zhuǎn)的編碼器、反射式光電開關(guān)、37kW異步電機及其配套的變頻器等組成。
3.5通用變頻器提供的制動方式主要有能耗(直流)制動和再生制動(制動單元/制動電阻、整流回饋)等，由于原主控制系統(tǒng)的伺服變頻器的損壞，通過采用三菱FR-A500系列的37kW異步電機配套的通用變頻器的代用維修，采用制動電阻附件，基本能恢復(fù)設(shè)備原有的控制操作性能。但同時觀察發(fā)現(xiàn)：定位調(diào)整時間延長，定位循環(huán)震蕩現(xiàn)象加劇，由于在該機組上一定時期內(nèi)生產(chǎn)的是定型產(chǎn)品，即設(shè)備的機組負荷在一定時期內(nèi)是相對恒定的，基本上通過修訂PID設(shè)定的參數(shù)可以滿足實際產(chǎn)品的定位切斷要求。
4 本貨架冷彎機組系統(tǒng)的特點
4.1成型機組為20架以上，可在該機組上生產(chǎn)多厚度、多品種規(guī)格的產(chǎn)品，具有很強的貨架產(chǎn)品或冷彎型鋼的新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)備能力。
4.2成型機架均可組成四輥式萬能龍門式機架，輥軸的軸承采用NHK進口自調(diào)心系列，有利于產(chǎn)品全方位地成型。
4.3采用第一道上下對壓式動力驅(qū)動，其它采用下輥動力上輥被動驅(qū)動鏈輪鏈條傳動方式，減少了附加摩擦阻力，機組結(jié)構(gòu)簡單，有利于降低動力消耗，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)和運動停剪技術(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成型機組輥軸直徑為φ63mm，機組成型速度為：10m/min左右，主要受配線壓力機的協(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)速度與傳動扭距、壓力機工作頻率等）。
4.6在機組前部設(shè)有帶鋼對中導(dǎo)向、導(dǎo)向輥和壓板，可以給進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、驅(qū)動控制板卡、變頻調(diào)速系統(tǒng)、傳感檢測。主控程序只有幾百K，主控微機通過打印端口與控制卡相連，通過數(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)，并進行數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，該模擬量速度指令（0V—+10V）經(jīng)過變頻器放大器放大后驅(qū)動交流異步電動機。通過交流異步電機軸端裝有的增量式光電碼盤或與被動測量輥相聯(lián)接的增量式光電碼盤提供反饋信號（A、B、IN脈沖）來完成位置控制系統(tǒng)的位置反饋，組成一個半閉環(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非負載軸的軸端上或與被動測量輥相聯(lián)接，便于安裝和避免機械部件振動或變形對位置控制系統(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動構(gòu)件實時的位移（或轉(zhuǎn)角）變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制站（PC機或相應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換板中）中進行編碼器脈沖計數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息和計算得到的速度信息等，主控微機計算給定位置與實際位置（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)電機運動，完成期望值的定位。
5.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的幾個主要問題
5.2.1輸人信號的控制精度：增量式光電碼盤的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及測量輥的圓周長，如：φ50測量輥配每轉(zhuǎn)輸出600個脈沖的光電編碼器與每轉(zhuǎn)輸出1200個脈沖的光電編碼器之間的差異、φ50測量輥與φ90測量輥的控制精度差異；最終反映出來的就是每個輸出脈沖所對應(yīng)的長度值，即圓周長與每轉(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，在過程的開始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時，會產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩，這對于交流異步電機的運行來說是非常不利的。
5.2.3交流變頻器作為下位機用來控制交流異步電機的啟、停，速度的調(diào)整，主要接受來自主控微機經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成的模擬控制電壓信號，調(diào)節(jié)交流異步電機的停止、啟動、正、反運動及調(diào)整等。
5.2.4控制系統(tǒng)參數(shù)的整定：主控微機向控制卡發(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，該過程需用參數(shù)整定實現(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)動系統(tǒng)的動作靈敏、響應(yīng)加快，而過大會引起振蕩，調(diào)節(jié)時間加長；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態(tài)特性，使超調(diào)量減少，調(diào)整時間縮短。具體整定過程需要根據(jù)數(shù)字位置環(huán)的PID器改進控制算法以及參數(shù)整定方法來制定現(xiàn)場的適應(yīng)參數(shù)。
5.2.5系統(tǒng)的機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，可以在很多場合達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：當變頻調(diào)速范圍達1：75，設(shè)計冷彎線的運行速度達到：9M/Min，設(shè)計要求定位時間控制在0.5秒以內(nèi)，從異步電動機到冷彎軋輥的速比為480：1，軋輥的底徑為：φ200mm，圓周長為：628mm，實際上冷彎軋輥在0.5秒中的運轉(zhuǎn)線距離為：1mm�？紤]到異步電動機的起動運行曲線與停止運動曲線的特點及冷彎型鋼的負載阻力，通過程序設(shè)定的定位模擬信號驅(qū)動時間的長短在0.5秒以內(nèi)，就能實現(xiàn)產(chǎn)品的控制精度：±0.5mm以內(nèi)。
6.2定位精度測量：通過對有關(guān)長度的測量，基本能控制在±0.5mm以內(nèi)。由于修正數(shù)據(jù)時，不能很好地把握某區(qū)域的中間量，致使有時誤差偏大。修正數(shù)據(jù)時，在一個區(qū)間內(nèi)常常取幾個反復(fù)比較來調(diào)整程序設(shè)計，如精度為±0.5mm設(shè)定2次長度定位循環(huán)，精度為±0.25mm以內(nèi)設(shè)定5次長度定位循環(huán)，取得了良好的效果。當然在實際運行過程中也會出現(xiàn)長度調(diào)整和比較的震蕩，達不到要求的精度，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因為大功率冷彎成型生產(chǎn)線的速度通常都按冷彎成型主機的最大成型速度設(shè)計的，通常其運行的速度在最大轉(zhuǎn)速的50%～80%之間，在調(diào)整或切斷操作時整機的運行速度更低，最低速度僅為設(shè)計速度的1%--2%，機組按定速運行設(shè)計必將浪費相當大的能量，而且還產(chǎn)生太大的噪音，此時采用變頻調(diào)速或閉環(huán)無級調(diào)速控制，使整機的速度跟隨設(shè)定的參數(shù)進行適時控制，而且使主機的起動運行頻率為20～30HZ，這樣既能使主機快速反應(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，但同時也一定程度上降低了設(shè)備機組的生產(chǎn)效率。
7 控制系統(tǒng)軟件
7.1程序主要運行在DOS操作系統(tǒng)下，參數(shù)整定Kp、Ki、Kd及采樣周期T為開放式設(shè)計，便于對實際生產(chǎn)過程進行整定調(diào)整，其它諸如：沖壓步距的設(shè)定及調(diào)整、一定長度值下每個輸出脈沖數(shù)的對應(yīng)調(diào)整、液壓停剪控制精度和切斷長度值的設(shè)定與調(diào)整等均為開放式設(shè)計.
7.2主程序設(shè)計中考慮了部分設(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)備的故障檢查時間。
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