堆垛机变频器位置环和速度环参数调节方法

文/白成英 王 猛 张铈岱

堆垛机水平轴和起升轴由旋转编码器和外部位移编码器构成速度环和位置环。通过对堆垛机的研究和工业现场的测试，影响堆垛机运行的主要参数有位置环比例增益、位置环积分时间、速度环增益、速度环积分时间等。提高位置环增益，位置环响应会变快。在保证位置环系统稳定、位置不超调(过冲)的前提下，将增大位置环的增益，以减小位置滞后量，但是过大会降低定位精度，过小则会响应慢，两者都会影响堆垛机运行效率；速度环增益决定电机加减速度的响应，为了缩短定位时间，需要提高速度环增益。但是，太大会使电机抖动，太小又会使电机加速度过小。速度环积分时间会影响电机稳态速度误差及速度环系统的稳定性，所以通过研究和测试，使堆垛机快速响应且精确定位。

一、位置环系数和速度环系数

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，如图1。

图1 静态窗口

表1 变频器参数

表2 取货量实验结果

如果静态窗口定位时间设定不合适，就会造成在之前确定的位置环增益和积分时间内调节不到，也会影响堆垛机定位时间。通过实验得到将堆垛机运行到合适的静态窗口后让堆垛机开始寻址，然后算出静态窗口内所需时间，将其定为定位时间。

2.速度环系数的确定

速度环比例增益系数和积分时间设置不合理，堆垛机在加减速时电机会产生明显的抖动。当电机加载运行时，由于实际负载转矩和负载惯量与缺省参数值设置不相符，速度环的带宽会变窄，如果实际负荷使电机工作不稳定，发生爬行或振动，或者现有的速度环带宽不理想，则需要对速度环的比例增益、积分时间常数进行调整。

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。

图2 堆垛机对比实验

取货控制界面

二、实验设计

设计30min内采用电机变频器默认参数和调后参数进行取货对比实验。所用变频器为西门子G120 CU250S-2型变频器，所设参数如表1。

为使实验结果更加直观，设计堆垛机在最长的运行距离下，进行取货对比实验，如图2。对比变频器在默认参数和参数调整后，在控制室内进行堆垛机30min内的取货实验，如图3。通过实验可验证出变频器参数调整后是否会提高取货效率、缩短定位时间、提高定位精度。

三、测试结果对比

通过对比实验，得出结果如表2，采用同样的取货距离、相同的运行时间，明显看出变频器参数调整后堆垛机取货效率显著提高。

四、结论

本文通过实验，并通过统计分析，得到以下结论：

1.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。

2.速度环比例系数和积分时间将决定电机加减速度的快慢，它的准确与否，直接影响着电机能否快速响应、平稳运行。

3.电机的速度环和位置环比例增益调到出现超调的85%时，电机响应快且不晃悠。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。