變頻器在汽車油漆線推桿懸鏈系統中的應用
一、系統現狀
1系統概述
一汽集團車身廠油漆線是一條承擔汽車車身表面的磷化處理、電泳浸漆及面漆噴涂等工藝的生產線。油漆線推桿懸鏈輸送系統在整個生產工藝當中完成各工藝間工件的傳遞輸送任務。它共包括四條鏈、四條快速鏈、九臺升降機及一條地面鏈，其中1#、2#、3#、7#鏈為工藝鏈，此外滑差電機進行調速，四條工藝鏈要求同步運行，即保證各工藝鏈之間主副推爪的空間相對位置保持一致，以確保各工藝鏈間工件順利傳遞。
此系統是一個典型的位置隨動系統，其中2#鏈是主鏈，1#、3#、7#鏈是從鏈，從鏈跟隨主鏈運行，由速度反饋及位置反饋構成一個速度內環位置外環的雙閉環控制系統。
2 存在問題
本系統85年從英國HADEN公司引進，安裝調試后投入運行，十多年來雖然出現幾次故障，但是從系統總的運行情況來看還比較穩定。從97年末開始，由于產品換型，工件體積變大，重量增加，加上與之相配套的吊具的改造，使懸鏈的整體負荷比原來增大一倍還多，為此對懸鏈及驅動站進行了改造，提高了滑差電機的功率，滑差電機與減速器之間的傳動也由原來的齒形皮帶改成無聲鏈條來增加傳輸力矩，但是因此也給滑差電機調速系統帶來了致命的、無法消除的問題?；铍姍C的傳動齒輪與無聲鏈條在高速旋轉的情況下進行嚙合，大量的鐵屑被磨損下來，并被吸入磁性很強的電樞與磁極之間，由于電樞是靠渦流產生磁場，它本身又是一個發熱體，因此被吸入的鐵屑與空氣中的灰塵油污在高溫的作用下很快就粘結在電樞與磁極上，把電樞與磁極粘死而不能調速，主從鏈的同步縮寫狀態被破壞，發生工件傳遞故障，使系統不能正常工作。
二、改造方案
1 整體改造方案的確定
針對上述問題，對其產生的原因進行全面認真的分析，曾采用各種方法來解決，例如用洗油浸潤，再用壓縮空氣吹洗，雖然使用問題得到一定緩解，但始終沒有從根本上解決問題，最后經研究決定對這套系統進行徹底的改造，放棄傳統的滑差電機調速方式，改用變頻器調速，與自整角機及測速發電機一起構成雙閉環位置隨動系統。
2 系統構成
改造后的位置隨動系統由交流電動機、變頻器、自整角機、相敏放大器、測速發電機及PI調節器構成。
3 控制信號參數的選定
(1)位置反饋信號
位置反饋信號由自整角機檢測輸出，自整角機給出的位置偏差信號是正比于偏差角正弦的交流電壓，相敏放大器把正比于偏差角的正弦交流電壓轉換成能反映位置偏差極性（正反相位）的正負直流電壓，電壓變化范圍為-10V~0~+10V。
(2)速度反饋信號
速度反饋采用交流測速發電機經整流、濾波取得，其輸出值調整為0~10V。
(3)變頻器頻率控制信號
變頻器輸出頻率的設定一般分為盤面按鍵設定及控制端子外部模擬量設定，模擬量設定又分為0~5V、0~10V、4~20mA幾種方式，我們選用的是日本富士FRN7.5G9S-4CE變頻器，這里采用模擬量0~10V進行設定。
4 PI調節器
根據生產工藝對系統運行時穩態精度及跟隨能力的要求，系統調節器由給定積分、位置調節及速度調節器構成一個二階系統，其中位置調節器為比例調節器，速度調節器為比例積分調節器。
5 變頻器多級頻率的設定
本系統運行方式分為自動運行及手動運行，兩種方式的速度要求不同，第一頻頻率定為自動運行頻率，采用模擬量控制，第二頻率為手動運行頻率，由盤面按鍵設定。
6 變頻器第一加減速及第二加減速時間的設定
系統在啟動及停止時要求平穩無沖擊，即設備起車及停車時加減速有一段斜坡時間，原控制系統專門設計一個斜坡發生器，來實現這一功能。而采用變頻器調速后其速度變化本身就有加減速時間，完全可以滿足系統加減速時的要求。
另外，考慮到主鏈及從鏈對系統的穩定性以及跟隨能力的要求不同，即對于主鏈來說要求抗擾能力強、穩定性好，而對于從鏈則要求其跟隨能力強、快速性好。所以在系統啟動后正常運行時，其頻率變化加減速時間的設定與系統啟、停時加減速時間不同。本系統將設備啟、停時的加減速時間定為第一加減速時間，正常運行時速度變化的加減速時間定為第二加減速時間。
三、系統調試
1 系統調節的快速性
懸鏈系統在運行時，由于擾動的作用，每條懸鏈的速度隨時都在發生變化，雖然有速度反饋環節來穩定速度的變化，但當突加擾動量較大時，可能造成主從鏈相對位置偏差變大，而系統要求主從鏈出現位置偏差時控制系統能夠進行快速調節，使偏差盡快趨于零。在直流調速系統中，從理論上講可以采取增大放大器線性工作區來提高系統的快速性，但是實際上做起來有很多困難，而采用變頻器調速卻很容易做到這一點。在調試過程中，可根據系統運行情況，適當提高從鏈變頻器[最高頻率]設定范圍，當受控模擬量信號有較小變化時，變頻器輸出頻率就有較大響應，從而提高了系統調節的快速性。本系統變頻器頻率設定如圖2。
2 高次諧波干擾問題
富士FRN7.5G9S-4CE變頻器采用PWM脈寬調制方式進行調頻，其載波頻率約在2kHz~10kHz左右，如此高的開關頻率產生的高次諧波將嚴重干擾其他電子設備的正常運行，其干擾對設備影響較大的是感應干擾和輻射干擾。在設備安裝中我們單獨采用鐵管對變頻器與電機間的配線進行屏蔽，消除了高次諧波對PLC主控制系統的干擾。但是在運行中我們還是發現主控室里來自現場八個攝像頭傳送來的監控畫面不同程度地受到影響，針對這種情況，我們對變頻器載波頻率的控制選項進行調整，降低了載波頻率，使監控畫面完全消除了干擾。
四、改造效果
從87年開始，我們就陸續采用變頻器對廠內的設備進行變頻調速的改造工作，但是將變頻器用于位置跟隨系統還是第一此，實踐證明這項改造是成功的，主要表現在以下幾個方面。
1 系統的穩定性
采用變頻器改造后，使系統完全消除了因滑差電機電樞與磁極間粘結而引起鏈速忽快忽慢的現象，系統的穩定性大大提高。
2 系統的動態聽診能力及同步調整精度
改造后系統的動態調整能力及同步調正精度與原系統相比也大大提高，原系統在主從鏈空間位置相差半個節距時調節時間需30~40秒，改造后調節時間小于10秒。其同步調整精度在正常情況下可保證主從鏈之間相對同步偏差不大于3度，折算成長度偏差不大于30mm，非正常傳遞故障完全杜絕。
3 直接經濟效益
改造后取消了滑差電機及調速控制板等國外備件，僅滑差電機每年就需訂購3~4臺備件（98年更換4臺），一臺滑差電機8萬多元，這樣每年可直接節省維修費用30多萬元。
隨著變頻器性能的不斷發展和完善，變頻器的應用也越來越廣泛，我廠工藝鏈變頻調速系統的改造是諸多成功應用實例中的一例，希望我們的工作能夠對國內同行有一些啟示和幫助，為推廣變頻器的應用起到一定的促進作用。
1系統概述
一汽集團車身廠油漆線是一條承擔汽車車身表面的磷化處理、電泳浸漆及面漆噴涂等工藝的生產線。油漆線推桿懸鏈輸送系統在整個生產工藝當中完成各工藝間工件的傳遞輸送任務。它共包括四條鏈、四條快速鏈、九臺升降機及一條地面鏈，其中1#、2#、3#、7#鏈為工藝鏈，此外滑差電機進行調速，四條工藝鏈要求同步運行，即保證各工藝鏈之間主副推爪的空間相對位置保持一致，以確保各工藝鏈間工件順利傳遞。
此系統是一個典型的位置隨動系統，其中2#鏈是主鏈，1#、3#、7#鏈是從鏈，從鏈跟隨主鏈運行，由速度反饋及位置反饋構成一個速度內環位置外環的雙閉環控制系統。
2 存在問題
本系統85年從英國HADEN公司引進，安裝調試后投入運行，十多年來雖然出現幾次故障，但是從系統總的運行情況來看還比較穩定。從97年末開始，由于產品換型，工件體積變大，重量增加，加上與之相配套的吊具的改造，使懸鏈的整體負荷比原來增大一倍還多，為此對懸鏈及驅動站進行了改造，提高了滑差電機的功率，滑差電機與減速器之間的傳動也由原來的齒形皮帶改成無聲鏈條來增加傳輸力矩，但是因此也給滑差電機調速系統帶來了致命的、無法消除的問題?；铍姍C的傳動齒輪與無聲鏈條在高速旋轉的情況下進行嚙合，大量的鐵屑被磨損下來，并被吸入磁性很強的電樞與磁極之間，由于電樞是靠渦流產生磁場，它本身又是一個發熱體，因此被吸入的鐵屑與空氣中的灰塵油污在高溫的作用下很快就粘結在電樞與磁極上，把電樞與磁極粘死而不能調速，主從鏈的同步縮寫狀態被破壞，發生工件傳遞故障，使系統不能正常工作。
二、改造方案
1 整體改造方案的確定
針對上述問題，對其產生的原因進行全面認真的分析，曾采用各種方法來解決，例如用洗油浸潤，再用壓縮空氣吹洗，雖然使用問題得到一定緩解，但始終沒有從根本上解決問題，最后經研究決定對這套系統進行徹底的改造，放棄傳統的滑差電機調速方式，改用變頻器調速，與自整角機及測速發電機一起構成雙閉環位置隨動系統。
2 系統構成
改造后的位置隨動系統由交流電動機、變頻器、自整角機、相敏放大器、測速發電機及PI調節器構成。
3 控制信號參數的選定
(1)位置反饋信號
位置反饋信號由自整角機檢測輸出，自整角機給出的位置偏差信號是正比于偏差角正弦的交流電壓，相敏放大器把正比于偏差角的正弦交流電壓轉換成能反映位置偏差極性（正反相位）的正負直流電壓，電壓變化范圍為-10V~0~+10V。
(2)速度反饋信號
速度反饋采用交流測速發電機經整流、濾波取得，其輸出值調整為0~10V。
(3)變頻器頻率控制信號
變頻器輸出頻率的設定一般分為盤面按鍵設定及控制端子外部模擬量設定，模擬量設定又分為0~5V、0~10V、4~20mA幾種方式，我們選用的是日本富士FRN7.5G9S-4CE變頻器，這里采用模擬量0~10V進行設定。
4 PI調節器
根據生產工藝對系統運行時穩態精度及跟隨能力的要求，系統調節器由給定積分、位置調節及速度調節器構成一個二階系統，其中位置調節器為比例調節器，速度調節器為比例積分調節器。
5 變頻器多級頻率的設定
本系統運行方式分為自動運行及手動運行，兩種方式的速度要求不同，第一頻頻率定為自動運行頻率，采用模擬量控制，第二頻率為手動運行頻率，由盤面按鍵設定。
6 變頻器第一加減速及第二加減速時間的設定
系統在啟動及停止時要求平穩無沖擊，即設備起車及停車時加減速有一段斜坡時間，原控制系統專門設計一個斜坡發生器，來實現這一功能。而采用變頻器調速后其速度變化本身就有加減速時間，完全可以滿足系統加減速時的要求。
另外，考慮到主鏈及從鏈對系統的穩定性以及跟隨能力的要求不同，即對于主鏈來說要求抗擾能力強、穩定性好，而對于從鏈則要求其跟隨能力強、快速性好。所以在系統啟動后正常運行時，其頻率變化加減速時間的設定與系統啟、停時加減速時間不同。本系統將設備啟、停時的加減速時間定為第一加減速時間，正常運行時速度變化的加減速時間定為第二加減速時間。
三、系統調試
1 系統調節的快速性
懸鏈系統在運行時，由于擾動的作用，每條懸鏈的速度隨時都在發生變化，雖然有速度反饋環節來穩定速度的變化，但當突加擾動量較大時，可能造成主從鏈相對位置偏差變大，而系統要求主從鏈出現位置偏差時控制系統能夠進行快速調節，使偏差盡快趨于零。在直流調速系統中，從理論上講可以采取增大放大器線性工作區來提高系統的快速性，但是實際上做起來有很多困難，而采用變頻器調速卻很容易做到這一點。在調試過程中，可根據系統運行情況，適當提高從鏈變頻器[最高頻率]設定范圍，當受控模擬量信號有較小變化時，變頻器輸出頻率就有較大響應，從而提高了系統調節的快速性。本系統變頻器頻率設定如圖2。
2 高次諧波干擾問題
富士FRN7.5G9S-4CE變頻器采用PWM脈寬調制方式進行調頻，其載波頻率約在2kHz~10kHz左右，如此高的開關頻率產生的高次諧波將嚴重干擾其他電子設備的正常運行，其干擾對設備影響較大的是感應干擾和輻射干擾。在設備安裝中我們單獨采用鐵管對變頻器與電機間的配線進行屏蔽，消除了高次諧波對PLC主控制系統的干擾。但是在運行中我們還是發現主控室里來自現場八個攝像頭傳送來的監控畫面不同程度地受到影響，針對這種情況，我們對變頻器載波頻率的控制選項進行調整，降低了載波頻率，使監控畫面完全消除了干擾。
四、改造效果
從87年開始，我們就陸續采用變頻器對廠內的設備進行變頻調速的改造工作，但是將變頻器用于位置跟隨系統還是第一此，實踐證明這項改造是成功的，主要表現在以下幾個方面。
1 系統的穩定性
采用變頻器改造后，使系統完全消除了因滑差電機電樞與磁極間粘結而引起鏈速忽快忽慢的現象，系統的穩定性大大提高。
2 系統的動態聽診能力及同步調整精度
改造后系統的動態調整能力及同步調正精度與原系統相比也大大提高，原系統在主從鏈空間位置相差半個節距時調節時間需30~40秒，改造后調節時間小于10秒。其同步調整精度在正常情況下可保證主從鏈之間相對同步偏差不大于3度，折算成長度偏差不大于30mm，非正常傳遞故障完全杜絕。
3 直接經濟效益
改造后取消了滑差電機及調速控制板等國外備件，僅滑差電機每年就需訂購3~4臺備件（98年更換4臺），一臺滑差電機8萬多元，這樣每年可直接節省維修費用30多萬元。
隨著變頻器性能的不斷發展和完善，變頻器的應用也越來越廣泛，我廠工藝鏈變頻調速系統的改造是諸多成功應用實例中的一例，希望我們的工作能夠對國內同行有一些啟示和幫助，為推廣變頻器的應用起到一定的促進作用。
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