劉正君，劉少林，熊 雄，陳 超

（成都焊研威達(dá)科技股份有限公司,四川 成都 610300）

0 前言

隨著我國工業(yè)尤其是重工業(yè)的發(fā)展，對大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接需求越來越多，在生產(chǎn)活動中對焊接變位機(jī)（又稱焊接變位器）的性能要求也越來越高，噸位也越來越大[1]。大噸位變位機(jī)工作盤直徑大，尤其在使用帶極堆焊焊接工件時，對工作盤回轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)范圍要求越來越高，已由十倍擴(kuò)大到上百倍甚至更大。同時，由于變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作盤會根據(jù)需要進(jìn)行工件位置的變換調(diào)整，工作盤的位置狀況經(jīng)常會從 0°（水平）～90°（垂直）進(jìn)行變換，由于位置發(fā)生變化，傳動間隙會在工件重力作用下發(fā)生改變，在工件運動中出現(xiàn)抖動，對變位機(jī)的運動精度控制產(chǎn)生影響。因此，大噸位焊接變位機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動一般設(shè)計為雙驅(qū)動[2]，如圖1所示。

變位機(jī)回轉(zhuǎn)雙驅(qū)動系統(tǒng)為：電機(jī)1與減速系統(tǒng)1軸連接，減速系統(tǒng)1輸出齒輪再與回轉(zhuǎn)工作盤回轉(zhuǎn)支撐接進(jìn)行齒輪連接，同樣電機(jī)2與減速系統(tǒng)2軸連接，減速系統(tǒng)2輸出齒輪再與回轉(zhuǎn)工作盤回轉(zhuǎn)支撐接進(jìn)行齒輪連接，可見電機(jī)1和電機(jī)2與回轉(zhuǎn)支撐之間的連接均為剛性連接。

在這種剛性連接雙驅(qū)動的變位機(jī)中，無論是交流變頻調(diào)速控制方式還是普通直流調(diào)速系統(tǒng)，均不能很好地解決工作盤轉(zhuǎn)動平穩(wěn)問題，易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。本研究改進(jìn)了雙驅(qū)直流調(diào)速控制方法，采用雙驅(qū)直流速度飽和同步控制方式，在提高調(diào)速范圍的同時，有效地解決了回轉(zhuǎn)工作盤爬行問題，使工作盤運行平穩(wěn)可靠，能夠較大提高焊接變位機(jī)的應(yīng)用效能。

1 交流變頻調(diào)速模式

變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作盤雙電機(jī)傳動驅(qū)動，由兩個電機(jī)各帶一套減速系統(tǒng)，通過傳動齒輪共同驅(qū)動同一回轉(zhuǎn)支承驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作盤旋轉(zhuǎn)。由于兩套驅(qū)動系統(tǒng)之間屬于剛性連接，因此在控制中對兩套驅(qū)動系統(tǒng)的速度同步和轉(zhuǎn)矩同步有很高的要求[3]。

圖1 變位機(jī)雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)

交流變頻控制的特點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，維護(hù)方便。一套驅(qū)動控制系統(tǒng)為主機(jī)，另一套驅(qū)動控制系統(tǒng)為從機(jī)。主機(jī)采用速度控制模式，從機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制模式。通過兩套變頻系統(tǒng)自帶的通訊功能，將主機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞給從機(jī)，作為從機(jī)轉(zhuǎn)矩給定。從機(jī)在運行中依據(jù)主機(jī)轉(zhuǎn)矩自動進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，從機(jī)波動范圍的控制由從機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于變頻調(diào)速范圍不寬的特點，且從機(jī)響應(yīng)相對主機(jī)有所滯后，當(dāng)工作盤回轉(zhuǎn)速度較慢時，工作盤轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)，出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，影響焊接工藝質(zhì)量，速度越慢爬行越嚴(yán)重。因此，變位機(jī)的雙驅(qū)動模式采用交流變頻調(diào)速并不理想。

2 直流調(diào)速控制系統(tǒng)

2.1 直流調(diào)速控制基本原理

直流調(diào)速控制系統(tǒng)是適應(yīng)直流電機(jī)驅(qū)動而適時產(chǎn)生的對直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行控制的設(shè)備。直流電動機(jī)與交流電機(jī)一樣，在額定速度范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩特性。直流調(diào)速系統(tǒng)尤其在低速段時，通過外部速度反饋，能保持很好的低速轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)定性。

直流調(diào)速系統(tǒng)一般有兩層閉環(huán)反饋，稱為雙閉環(huán)。內(nèi)閉環(huán)為電流反饋，外閉環(huán)為速度反饋。電流反饋為正反饋，速度反饋為負(fù)反饋。通過雙重反饋的作用，控制系統(tǒng)具有良好的實時性和剛性。

直流調(diào)速的核心控制單元為直流調(diào)速控制器。直流調(diào)速控制器是現(xiàn)代電子技術(shù)在直流控制上的良好應(yīng)用?？刂破鲗?80 V交流電整流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，通過調(diào)節(jié)整流回路功率元件——晶閘管或IGBT的導(dǎo)通角，從而調(diào)節(jié)輸出電壓控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。電流反饋系統(tǒng)在直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部集成，而速度反饋需要外接編碼器或測速發(fā)電機(jī)等。通過外接的速度反饋，使驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的速度穩(wěn)定性和剛性。

直流調(diào)速器輸入端接入三相交流電源，輸出端接直流電動機(jī)，直流調(diào)速器將交流電轉(zhuǎn)化成兩路直流電源輸出，一路輸入給直流電機(jī)勵磁繞組（定子），一路輸入給直流電機(jī)電樞繞組（轉(zhuǎn)子），直流調(diào)速器通過控制電樞直流電壓來調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速，其主要特點有：

（1）具有較寬的調(diào)速范圍。直流調(diào)速系統(tǒng)在使用編碼器作外部速度反饋的情況下，速度反饋精度高，此時調(diào)速系統(tǒng)有很好的低速特性；同時直流調(diào)速方式還可采用弱磁控制方式，使得電機(jī)能夠在額定轉(zhuǎn)速以上運行，但在弱磁控制時，電機(jī)處于恒功率工作狀態(tài)，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨速度增高而下降。

（2）具有較快的動態(tài)響應(yīng)。直流調(diào)速系統(tǒng)電流反饋為正反饋，在負(fù)載發(fā)生瞬時變化時，具有良好的動態(tài)響應(yīng)，適應(yīng)負(fù)載變化情況。在負(fù)載變化產(chǎn)生速度波動時，外加速度反饋可以保持速度穩(wěn)定。

（3）加、減速時有自動平滑的過渡過程。

（4）低速運轉(zhuǎn)時力矩大。

（5）具有挖土機(jī)特性，能將過載電流自動限止在設(shè)定電流上，可確保機(jī)械故障時，輸出轉(zhuǎn)矩限制在一定范圍內(nèi)，使故障范圍得到限制不至擴(kuò)大。

2.2 直流調(diào)速雙驅(qū)同步控制

機(jī)械設(shè)計的結(jié)構(gòu)決定了變位機(jī)回轉(zhuǎn)雙驅(qū)動系統(tǒng)之間的連接關(guān)系為剛性連接。雙驅(qū)系統(tǒng)剛性連接對控制系統(tǒng)要求很高，需要兩套驅(qū)動控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)速度平衡和轉(zhuǎn)矩平衡；同時由于機(jī)械傳動間隙的存在，增加了對速度控制的響應(yīng)及穩(wěn)定性等的要求。結(jié)合直流調(diào)速系統(tǒng)的特性，因此在過去一段時間的大噸位變位機(jī)的生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)了直流雙驅(qū)控制模式。

直流雙驅(qū)控制一般采用一套直流調(diào)速系統(tǒng)同時控制兩臺直流電機(jī)，有兩種模式：（1）兩臺直流電機(jī)電樞與電樞并聯(lián)，勵磁與勵磁并聯(lián)；（2）兩臺直流電機(jī)電樞串聯(lián)，勵磁并聯(lián)，串聯(lián)的兩臺電機(jī)的電樞電壓只能是直流調(diào)速系統(tǒng)額定輸出電樞電壓的一半，一般選擇電樞電壓為220 V的電機(jī)。采用英國歐陸公司590+全數(shù)字化四象限直流調(diào)速器設(shè)計的兩種直流調(diào)速控制模式如圖2所示。

圖2 變位機(jī)直流雙驅(qū)控制的兩種模式

兩種直流調(diào)速同步控制的特點是：第一種方式的兩臺電機(jī)電樞和勵磁電壓相同，但兩臺電機(jī)的電樞電流和勵磁電流會有差異，因此其同步性差；第二種方式的勵磁電壓相同，勵磁電流略有差異，但電樞電流相同，由于每臺電機(jī)其特性不可能完全相同，因此其同步性也較差，當(dāng)轉(zhuǎn)速較慢時，兩套電機(jī)的同步差異就很明顯地表現(xiàn)出來，工作盤會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。如果將兩臺電機(jī)勵磁串聯(lián)，由于受直流調(diào)速器勵磁最高電壓的限制，會導(dǎo)致兩臺電機(jī)勵磁不足，因此在實際控制系統(tǒng)中很少采用。

3 直流調(diào)速速度飽和同步控制

在回轉(zhuǎn)工作盤調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中，交流變頻同步控制系統(tǒng)簡單，同時交流電機(jī)維護(hù)簡單方便，但最大缺點是調(diào)速范圍小，僅在30倍調(diào)速范圍內(nèi)。而前述直流調(diào)速同步控制也都達(dá)不到理想效果。在此提出了直流速度飽和同步控制方式，該驅(qū)動模式調(diào)速范圍大，同時能有效解決雙驅(qū)控制中的爬行現(xiàn)象。

3.1 速度飽和控制基本原理

速度飽和控制是指主機(jī)與從機(jī)均采用速度控制方式，速度要求給定到主機(jī)，從機(jī)通過通訊從主機(jī)接收速度給定信號，并在主機(jī)速度要求的基礎(chǔ)上增加一定比例，即從機(jī)速度始終大于主機(jī)，這樣在運行時，從機(jī)始終處于拉緊狀態(tài)，主機(jī)始終處于被拉狀態(tài)。

大噸位變位機(jī)工作盤回轉(zhuǎn)雙驅(qū)系統(tǒng)中，由于兩套傳動減速系統(tǒng)的間隙（各級減速齒輪的間隙累加），使得兩臺電機(jī)在運行過程中不定時地都有空轉(zhuǎn)的時間。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后，由于間隙原因?qū)е碌碾姍C(jī)可能空轉(zhuǎn)情況的時間會有所加長，此時當(dāng)兩臺電機(jī)不同時出力時，由于一臺電機(jī)驅(qū)動力不足，致使工作盤轉(zhuǎn)速降低，速度的降低會使兩臺電機(jī)再次同時輸出力矩，工作盤速度也隨之增加，因此工作盤出現(xiàn)速度不穩(wěn)。在轉(zhuǎn)速較快時，由于工作盤自身的慣性作用，速度較易平穩(wěn)，但當(dāng)轉(zhuǎn)速降低到一定程度后，就容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于60 r/min后，電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈的時間已達(dá)到1 s以上，同樣的間隙導(dǎo)致電機(jī)空轉(zhuǎn)時間就更大，工作盤回轉(zhuǎn)速度更不穩(wěn)定。如果主機(jī)為速度控制，則主機(jī)可由速度反饋而保持速度的相對穩(wěn)定，但從機(jī)轉(zhuǎn)速隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩變化而變化，導(dǎo)致速度不平穩(wěn)現(xiàn)象加劇。當(dāng)從機(jī)也作為速度控制時，且從機(jī)給定速度始終大于主機(jī)，通過編碼器速度反饋，從機(jī)也一直趨向于給定的速度穩(wěn)定運行，由于從機(jī)速度要求大于主機(jī)，且主從機(jī)為剛性連接，因此從機(jī)處于拉的狀態(tài)，電流增加，而主機(jī)處于被拉狀態(tài)。此種狀態(tài)時，將主機(jī)電流（轉(zhuǎn)矩）引入從機(jī)，作為從機(jī)電流（轉(zhuǎn)矩）限幅，限制了從機(jī)電流增加，也即從機(jī)轉(zhuǎn)速被限制。在此動態(tài)平衡中，兩套驅(qū)動系統(tǒng)成為動態(tài)穩(wěn)定系動，平穩(wěn)運行。

在高速段，各種控制方式均可正常工作；但在低速段，速度飽和控制方式表現(xiàn)出了其優(yōu)異特性，適合在變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作盤的雙驅(qū)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。這種控制方式的不足之處在于從機(jī)電流過大，主機(jī)也會因為處于反制動狀態(tài)來增加電流。可以采用電流限幅（轉(zhuǎn)矩限幅）來克服這個問題。將主機(jī)電流引到從機(jī)，作為從機(jī)電流限幅，可以在主機(jī)電流略作放大后作為從機(jī)電流限幅。這種控制方式有效解決了主機(jī)從機(jī)的分離控制，使主機(jī)與從機(jī)速度與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)同步，幾乎成為一個完整聯(lián)系的系統(tǒng)。

3.2 直流調(diào)速速度飽和雙驅(qū)同步控制系統(tǒng)設(shè)計

以英國歐陸公司590+全數(shù)字化四象限直流調(diào)速器進(jìn)行設(shè)計應(yīng)用，基本電路如圖3所示。

圖3 直流調(diào)速速度飽和雙驅(qū)同步控制原理

圖3中直流調(diào)速器L、N端子為220 V控制電源接線端子。L1、L2、L3為三相380 V主電源接線端子，接觸器KM為由直流調(diào)速器控制接通斷開的主電源通斷接觸器。C9為控制電路公共端。B8為程序停機(jī)端子，B9為慣性停機(jī)端子，此兩個信號直接短接于公共端C9。C5為使能端子，C3為啟動/運行端子。主機(jī)C7端子為數(shù)字輸入端子，可選擇設(shè)置為方向控制端子。F+、F-端子為電機(jī)勵磁電壓輸出端子，A+、A-端子為電機(jī)電樞電壓輸出端子。編碼器反饋卡接電機(jī)編碼器反饋接收器。主機(jī)利用直流調(diào)速器摸擬量輸出端子，設(shè)置選擇輸出電樞電流（DC±0～10 V），從機(jī)設(shè)置摸擬量輸入端子作為主機(jī)實時電樞電流信號輸入。主機(jī)A4為速度信號輸入端子，A1為速度信號0 V。利用直流調(diào)速器自帶的5703通訊端口進(jìn)行主、從機(jī)通訊，將速度要求信號傳送給從機(jī)，并將從機(jī)報警信號反饋回主機(jī)等。圖3中FU為快速熔斷器，用于保護(hù)各電路。

當(dāng)控制電源送電后，直流調(diào)速器L、N端子得電，直流調(diào)速器工作。此時需進(jìn)行直流調(diào)速器參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自整定等操作。

閉合繼電器KC3，直流調(diào)速器使能。KC2閉合或斷開，主機(jī)方向進(jìn)行變換，此根據(jù)控制需要。閉合控制繼電器KC1，直流調(diào)速器啟動，主電路接觸器KM閉合，主電源接通。此時調(diào)節(jié)加在主機(jī)A4與A1端口間的電壓（DC 0～10 V），電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作。

3.3 直流調(diào)速器參數(shù)設(shè)置

在直流調(diào)速速度飽和雙驅(qū)同步控制系統(tǒng)中需要進(jìn)行以下參數(shù)的設(shè)置：

（1）電機(jī)基本參數(shù)設(shè)置——電樞電壓、電樞電流，勵磁電壓、勵磁電流、勵磁控制模式、主電流限幅值等。

（2）速度反饋參數(shù)——速度反饋模式、反饋編碼器線數(shù)、反饋編碼器轉(zhuǎn)速、反饋編碼器方向等。

（3）速度環(huán)——比例增益及積分時間常數(shù)等。在調(diào)試中，如沒必要，該參數(shù)不需要作過多調(diào)整。

（4）電流環(huán)——基本運行也可不需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；在雙驅(qū)剛性聯(lián)接速度飽和控制中，最好對直流調(diào)速器速度環(huán)進(jìn)行自動調(diào)整。在特珠情況時，也可進(jìn)行手動調(diào)速各參數(shù)。

（5）控制系統(tǒng)斜坡參數(shù)——加速時間、減速時間、自動復(fù)位及外部復(fù)位等。模擬量輸入輸出參數(shù)設(shè)置及數(shù)字量輸入輸出設(shè)置、電流限幅設(shè)置等。

（6）5703參數(shù)設(shè)置——包括主從站設(shè)置，波特率、設(shè)定值比例、設(shè)定值符號及各內(nèi)部聯(lián)接等。

4 運行效果

控制系線路正常后連接電機(jī)線，電機(jī)不帶負(fù)載，進(jìn)行電流環(huán)參數(shù)自整定。將“自動調(diào)整”參數(shù)設(shè)置為開，C3端子加電，主接觸器閉合，C5端子加電，“自動調(diào)整”程序被初始化，初始化完成后，主接觸器自動斷開，直流調(diào)速器系統(tǒng)自動復(fù)位“自動調(diào)整”參數(shù)，保存參數(shù)。

完成上述操作后，啟動系統(tǒng)，兩臺直流電機(jī)同時旋轉(zhuǎn)，此時兩臺電機(jī)未帶負(fù)載，從機(jī)轉(zhuǎn)速明顯慢于主機(jī)，同時從機(jī)加上負(fù)載后速度會出現(xiàn)下降，這是由于從機(jī)電流環(huán)受主機(jī)限制，而在空載時主機(jī)電流很小造成的一種現(xiàn)象。當(dāng)主從機(jī)聯(lián)接上負(fù)載后，主從機(jī)成為剛性連接，系統(tǒng)工作正常。

在速度范圍調(diào)節(jié)試驗中，從較低速度增加到額定速度，再降低至直流調(diào)速器默認(rèn)最低速的2%，變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作盤運行平穩(wěn)，兩電機(jī)電流平衡。取消直流調(diào)速器最低速限制，速度降低至1%，設(shè)備仍運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，系統(tǒng)工作正常。

經(jīng)過在多臺大噸位變位機(jī)項目上進(jìn)行了速度飽和控制應(yīng)用和試驗，其運行結(jié)果與前述幾種控制方式進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 大噸位變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作盤控制效果

實驗表明，直流調(diào)速雙驅(qū)速度飽和控制方式運行平穩(wěn)、精度高、保護(hù)功能強(qiáng)，在焊接中調(diào)速范圍很寬，滿足了用戶手動高速回轉(zhuǎn)，而焊接工作時回轉(zhuǎn)速度低的寬調(diào)速范圍的要求，特別適用于大變位機(jī)進(jìn)行管板堆焊以及進(jìn)行螺旋帶極堆焊時速度十分緩慢的連續(xù)調(diào)節(jié)。由于動態(tài)平衡的特點，雙驅(qū)同步還解決了變位機(jī)在垂直狀態(tài)工作時，工件重心過12點時因機(jī)械間隙造成的重心偏移問題。在采用西門子S120伺服進(jìn)行雙驅(qū)同步控制的變位機(jī)上應(yīng)用速度飽和控制后，也同樣提高了回轉(zhuǎn)變位機(jī)的控制性能。

保護(hù)功能：在實際控制電路中，將兩臺直流調(diào)速系統(tǒng)報警信號都接入控制電路中，任何一臺直流調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)報警，均同時停止回轉(zhuǎn)工作盤的運轉(zhuǎn)，保護(hù)設(shè)備不被損壞。

5 結(jié)論

在大噸位回轉(zhuǎn)變位機(jī)中，采用雙驅(qū)系統(tǒng)來克服回轉(zhuǎn)過程中的重力分布問題。但無論是使用交流變頻控制系統(tǒng)還是普通的直流同步控制系統(tǒng)，均不能有效避免在回轉(zhuǎn)盤低速運轉(zhuǎn)情況下的爬行現(xiàn)象。

討論了采用英國歐陸公司590+全數(shù)字化四象限直流調(diào)速器進(jìn)行速度飽和同步控制電路的設(shè)計及應(yīng)用。結(jié)果表明，這種控制方式有效解決了工件重心偏移問題，消除變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作盤在運行過程中的爬行現(xiàn)象。在機(jī)械系統(tǒng)精度不是很好的雙驅(qū)系統(tǒng)中，速度飽和同步控制方式在解決兩套系統(tǒng)之間因機(jī)械間隙、電機(jī)性能差異引起的速度差異等導(dǎo)致的不同步問題效果良好，較大提高調(diào)速范圍和速度精度等。在機(jī)械系統(tǒng)較好及電氣控制系統(tǒng)先進(jìn)的控制系統(tǒng)中，速度飽和控制也起到了進(jìn)一步提高控制效果的作用，提高了大噸位變位機(jī)的系統(tǒng)性能。

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