張寶瑜

（廣鋼股份有限公司）

1 問題的提出

廣鋼煉鋼總廠在更換軋機的直流電機后，對直流控制器依步驟完成電流、電壓、勵磁的優(yōu)化，重新起動電機時，發(fā)現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速波動非常大，在低速段軸系固有頻率附近達到最大值，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，波動幅度趨于穩(wěn)定，但不能滿足生產(chǎn)的需要，尤其在更換上舊電機時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動機率更大，幾經(jīng)周折，最終確定問題出在測速編碼器的對中上。

2 傳動分析

編碼器與電機通過彈性接手連接，電機尾軸與編碼器軸不對中分軸向和徑向不對中兩種方式。一般軸向不對中只會產(chǎn)生軸向位移，不會影響轉(zhuǎn)動特性；徑向不對中有平行和偏角不對中兩種方式，就傳動函數(shù)而言，在通過彈性接手連接后，可近似歸結(jié)為偏角不對中，如圖1所示。由圖1的傳動函數(shù)[1]可知，當電機轉(zhuǎn)速恒定時，編碼器轉(zhuǎn)速是電機軸轉(zhuǎn)動角的函數(shù)，在轉(zhuǎn)角為0°和180°時，分母中cos2φ1為最大值1，此時編碼器的轉(zhuǎn)動角速度取得最大值ω1/cosα，而當轉(zhuǎn)角為90°和270°時，分母中cos2φ1為0，編碼器的轉(zhuǎn)動角速度達到最小值ω1cosα。根據(jù)傳動函數(shù)可繪制其轉(zhuǎn)速比變化曲線，如圖2 所示。

圖1 不對中傳動函數(shù)

圖2 轉(zhuǎn)速比變化曲線圖

從圖2 可明顯看出，傳動比不僅隨電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周變動兩次，而且其變動的幅度隨著偏角的增加而增大，變化的頻率是電機轉(zhuǎn)子工頻的兩倍。

在實際安裝過程中，編碼器與電機之間的連接既有徑向平行不對中，也有徑向偏角不對中。彈性接手在連接時存在復雜的變形應(yīng)力，旋轉(zhuǎn)一周的過程中存在形變最大和最小位置。由于測速編碼器的慣量極小，彈性接手的變形應(yīng)力會對測速編碼器起著周期性變加減速作用。在工程控制中，可以近似地把這一轉(zhuǎn)速傳遞過程看作在測速環(huán)節(jié)附加了一個余弦轉(zhuǎn)速擾動量N(S)，該擾動量的振幅取決于徑向不對中偏角的大小，根據(jù)聯(lián)軸器機械扭振傳遞的規(guī)律，扭振變化的頻率與軸系的固有頻率相等時產(chǎn)生共振并獲得最大值，大于倍時趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速控制上，與實際觀察到的現(xiàn)象相符。

3 定性分析

目前直流控制器大都采用雙閉環(huán)調(diào)速，其轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)都采用 PI調(diào)節(jié)器進行校正，其控制結(jié)構(gòu)如圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速結(jié)構(gòu)圖[2]所示。

圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速結(jié)構(gòu)圖

盡管測速編碼器不對中引起的擾動在輸出側(cè)，對速度控制的影響較大，但轉(zhuǎn)速 PI調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)可以消除周期性擾動帶來的轉(zhuǎn)速偏差，關(guān)鍵在于其積分時間參數(shù)Tn的選擇。當Tn參數(shù)值接近周期性擾動的整數(shù)倍時，該擾動產(chǎn)生的偏差趨向于零。對于一些在測速環(huán)節(jié)設(shè)有積分濾波的直流控制器，則只需將測速環(huán)濾波時間調(diào)整到接近周期性擾動的整數(shù)倍，其效果與直接調(diào)整Tn參數(shù)相當。

相對而言，越大的Tn轉(zhuǎn)速輸出越平穩(wěn)，速度的動態(tài)跟隨性就越受到影響。工程上一般把Tn設(shè)為擾動周期的1～2倍。如果不能滿足生產(chǎn)工藝的動態(tài)性能速度要求，就只能提高速度的檢測精度，使擾動N(S)的影響趨向零。另外，轉(zhuǎn)速環(huán)的P參數(shù)與穩(wěn)態(tài)誤差成正比，較小的P值有利于速度的穩(wěn)定，同樣會降低動態(tài)跟隨性。如果直流控制器的速度環(huán)采用的是PID調(diào)節(jié)，適當增大D微分時間參數(shù)，可以加快速度調(diào)節(jié)動態(tài)跟隨性。

4 實際解決的辦法

在軋鋼工藝中，要求非成品機架的速度穩(wěn)態(tài)誤差不超過1%，動態(tài)調(diào)整時間不超過500ms。當測速編碼器安裝不對中時，電機速度就無法滿足軋鋼工藝的要求。處理方法一般分兩步：① 重新安裝編碼器接手，盡可能減小不對中偏差；② 進行參數(shù)調(diào)整，直到速度符合軋鋼工藝要求。

以煉鋼總廠連軋線 8#軋機為例，由于安裝位置磨損，其測速編碼器的對中無論怎樣調(diào)整，對中同軸度都有 0.5mm的偏差，附加的余弦轉(zhuǎn)速擾動量 N(S)較大，出現(xiàn)了之前描述的速度波動現(xiàn)象。擾動量N(S)的頻率是電機轉(zhuǎn)子工頻的兩倍，對于不同的電機轉(zhuǎn)速，其周期是變化的，這為Tn參數(shù)的調(diào)整控制帶來難度。實際操作中，以軸系第一固有頻率的倍作為分界點，低速段以固有頻率的周期作為Tn積分參數(shù)的實際值，配以較小的P參數(shù)；高速段以分界點的頻率周期作為Tn積分參數(shù)的實際值，適當增大P參數(shù)的雙參數(shù)方法，以兼顧速度調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和快速性。

圖4是8#機架在245轉(zhuǎn)/分、P=14、Tn=0.10秒時錄下的故障波形，此時的速度波動高達 1200×4.2%=50 轉(zhuǎn)/分。

圖4 調(diào)整前低速空轉(zhuǎn)速度電流波形

由于8#軋機的軸系第一頻率為298轉(zhuǎn)/分，取參數(shù)P=3.8、Tn=0.20秒時，重錄速度波形如圖5所示，速度振幅只有1200×0.5%=6轉(zhuǎn)/分。

圖5 調(diào)整后低速空轉(zhuǎn)速度電流波形

在高速段沒調(diào)整參數(shù)之前，速度波動大，無法軋鋼，其速度波形如圖6所示。

采用雙參數(shù)方法在高速段的參數(shù)為 P=5.5、Tn=0.14秒時，其咬鋼速降只有2.1%，動態(tài)調(diào)整時間為419ms，滿足連續(xù)軋鋼工藝的要求，其波形如圖7所示。

圖6 調(diào)整前軋鋼速度電流波形

圖7 調(diào)整后軋鋼速度電流波形

5 總結(jié)

在速度閉環(huán)控制中，速度的檢測環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，它的檢測精度直接影響速度控制的性能指標。因此在關(guān)注測速編碼器性能指標的同時，對它的安裝也必須十分重視，一旦它的不對中度超出了一定的范圍，速度系統(tǒng)就無法滿足工藝所要求的性能。

[1]劉文明.不對中對聯(lián)軸器工作狀態(tài)的影響的研究.減速機信息網(wǎng)：www.jiansuji001.com/boshilunwen/bdzdlz004.html,2008.8.

[2]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)2版[D].北京:機械工業(yè)出版社,2000.6.