堆垛机变频器位置环和速度环参数调节方法

　　摘要：位置环增益是决定堆垛机位置跟随性的参数，电机的响应速度取决于位置环增益，位置环比例系数和积分时间的准确确定，能够使堆垛机精确而快速定位。本文对堆垛机变频器位置环和速度环参数调节方法进行分析，以供参考。

　　关键词：堆垛机;变频器;位置环和速度环

　　引言

　　以钢厂成品库物流系统为核心的相关物流设备趋于多元化，市场对于设备技术性能的要求也不断提高。堆垛机作为钢厂成品库物流的重要设备，其本身的稳定性，快速性直接决定成品出入库作业效率。所以，增大堆垛机运行速度，提高堆垛机运行过程中以及启动快速制动状态下的稳定性，是保证成品库物流系统高效率作业的关键因素。

　　机械论文投稿刊物：《机械制造与自动化》1972年创刊，是传播机械与电气行业新成果、新技术、新产品、新材料、新工艺、新设备，以及国内外机电行业前沿信息和企业管理、人才培养、教学研究与实践经验的综合性机电技术期刊，也是江苏省机电行业唯一的集数控、智能化、机电一体化和敏捷制等先进制造技术的技术期刊。

　　1、堆垛机建立故障树的基本步骤

　　首先，对系统加以了解。需要准备识别系统可能会出现的各种状态模式，以及其与各个单元状态之间所存在的对应关系。其次，选择顶事件。在对相关装备及材料均熟悉的前提下，把所有故障事件的主次关系给分清楚，并全部列举出来，然后依据分析的主要目的，将本次分析的顶事件给明确下来。最后，演绎法建立故障树。利用代号将已经得到明确的顶事件表示于故障树的顶部矩形框中，把诱发顶事件的所有充分必要的直接原因事件，比如环境、人为因素、软件环境等，均置于所对应的原因事件代号当中，此后，将故障树的第2排给画出来，依据显示系统当中所罗列的逻辑关系，利用合适的逻辑门联结顶事件，以及连接直接原因事件，以此类推，不断向下发展，直至故障树最后一排的全部原因事件均为基本事件为止。

　　2、变频器选型

　　变频器在该系统中负责，以PLC为核心，编程变频器输出信号，通过变频器输出的信号控制电机的频率，来调节电机的运行速度。以这种方式控制堆垛机的正向切换、速度调节和启动停止功能。经过综合考虑，本文采用三菱变频器控制堆垛机。

　　堆垛机的行走部分对变频器有更高要求。因为堆垛机是一种负载运输机构，所要求的控制系统的负载能力好，性能好，受环境影响低，且能高效准确地驱动电机。因此，选择了三菱FR-A700系列变频器。三菱FR-A700系列变频器是高性能、环境适应性强的矢量控制变频器，具有中等负荷功能，在重型机械领域很出色，一般在起重机、电梯等负载高的产业领域应用良好。

　　3、做好堆垛机机械结构的强化与处理

　　通过对堆垛机出现的故障进行分析，其最严重的故障属于机械故障，且多发生于堆垛机的行走机构，堆垛机行走机构故障将容易引起堆垛机的强烈振动，从而使堆垛机机械结构磨损加剧，通过对堆垛机进行检查后发现，堆垛机滑动轮会发生磨损的主要原因是作业过程中的装置震动，为了有效地解决这个技术性难题，就需要技术人员加大对发生磨损的原因分析，延长行走轮、滑动轮的生命周期，科学界定更换滑动轮的几何阈值，制定出合理的定期更换期限。通过对某钢厂成品库所使用的一批堆垛机行走轮进行拆卸、测量后发现，使用一段时间后的行走轮使用后。

　　圆柱度、直线度都发生了很大的改变，由于重压的作用导致行走轮的圆柱度改变了3～5倍，从而使堆垛机行走轮在运动过程中与铁轨之间产生了较大的冲击，且这一冲击现象在持续加重，增加了堆垛机行走轮的径向磨损和径向振动;堆垛机行走轮的直线度改变，引起了滑动轮轴承振动频率的大幅度提升，滑动轮界面上也出现了扁平摩擦痕迹，造成了滑面的不平整，这是由于重载和接触面不平滑导致的，上述磨痕的存在造成了堆垛机滑动轮和运行轨道上出现了不太吻合的情况，加重了堆垛机运行装置的故障发生率。为了提高堆垛机行走轮的运行效率与运行质量，需要对堆垛机行走轮建立技术档案，通过记录堆垛机行走轮的使用时间及定期巡检所测得的行走轮的圆柱度、直线度等的数据，确定合理的堆垛机行走轮更换时间，保障堆垛机的安全运行。

　　4、变频器的控制故障点

　　4.1制动单元、制动电阻问题

　　因为根据磁头动作的状况，磁头下降时电机为被拖动状态，电机处于发电状态，能量反馈到直流电路，总线电压上升，变频器通过制动单元和制动电阻将势能转换为热能消耗，上升时制动单元和制动电阻则只有很小的转换工作。这个结论与故障的方向性一致，因此，检查制动电阻和制动装置的布线，测量制动电阻的阻值，在向下运动时，制动装置p，n2点的直流电压(当直流电压达到制动装置开启的状态时，制动装置的电源导通，电流通过制动电阻)，检查制动电阻是否发热，一系列检查没有发现任何问题。

　　4.2速度反馈信号存在干扰。

　　在速度反馈信号的干扰方面，速度检测的编码器必须输入直流24V电源，连接使用5芯的电缆、电源线PGP(+V)、PGM(0V)、反馈信号PA、PB和屏蔽线。旋转时输出不同的相位脉冲信号。原来接线通过了中间连接的端子排，测试时决定通过电缆直接连接变频器和编码器，减少了中间接线端子排的故障。

　　4.3故障的解决

　　ACL-74B设置基于信号干扰，并在变频器末端安装零序反应器以抵抗外部干扰。使用时至少缠绕5圈以上。由于PG线的长度小，故障率低，所以在实际测试中绕3圈，机构下降时异常的声音和振动发生了很大的变化。默认情况下，根据PG线长度消除接头和振动。

　　5、位置环系数和速度环系数

　　5.1位置环系数的确定

　　在实际的工业现场，发现多数堆垛机运行效率总是达不到设计目标。通过研究发现很多堆垛机定位时间长，而有些设备则在目标位置过冲，往复较长时间来定位。这就是典型的位置环比例系数和积分时间设置不合理造成的。通过长期的对比实验，首先提高位置环增益直到在目标位置过冲、往复运动，之后把当前比例系数85%确定为位置环比例系数。确定比例系数后，同样的方法确定积分时间，减小积分时间让堆垛机快速定位直到出现过冲时，将当前积分时间的110%确定为位置环积分时间。但是位置环定位还需要确定好堆垛机的静态窗口大小和时间以及定位窗口大小和时间。当堆垛机运行位置进入静态窗口后，在设定的定位调节时间内到达定位窗口。

　　5.2速度环系数的确定

　　在保证速度环系统稳定、不振荡的前提下，适当增大比例增益使速度环响应最快。通过长期研究，提高速度环的比例增益，直至电机发生抖动，然后将此时速度环比例增益系数的85%确定为当前比例系数，即为刚度较好速度环比例增益。速度环积分时间常数对于电机来说为延迟因素，因此设定过大会延长定位时间，使响应性变差。

　　当惯量较大，产生振动时，若不增加积分时间，机械又会出现震动。在实际工作中，设定的比例较小，在定位时虽然偏差脉冲可能会更接近于0，但是达到稳态所需的时间可能会变长。测试发现负载惯量折算到电机轴上的值与电机转子惯量的倍数越大，速度环积分时间常数的值应增加越大，在确定了速度环比例增益的前提下，减小速度环积分时间，当电机出现震荡抖动时将此时积分时间的110%确定为积分时间。

　　结束语

　　电机的速度环和位置环比例增益调到出现超调的85%时，电机响应快且不抖动。在确定了比例系数的前提下，把积分时间调到出现震荡的110%和比例系数刚匹配时，堆垛机相应的运行效率最高。

　　参考文献

　　[1]吴静.单板自动堆垛机的设计与研究[D].河北科技大学,2019.

　　[2]徐志姜.轻型高速夹抱型箱式堆垛机控制技术研究[D].武汉理工大学,2018.

　　[3]计三有,钱鑫.堆垛机走行和货叉电气控制系统设计[J].自动化与仪表,2017,32(07):60-64.

　　作者：吴同松