齊 健 劉 軍 劉艷群 王靜宇

1航天工程大學(xué)航天保障系 北京 102206 2 63601部隊 酒泉 732750 3航天員科研訓(xùn)練中心管理保障處 北京 100094

0 引言

航天發(fā)射場起重機(jī)設(shè)備承擔(dān)著試驗產(chǎn)品的吊裝對接，是航天發(fā)射場直接與試驗產(chǎn)品接觸的關(guān)鍵地面設(shè)備，產(chǎn)品吊裝過程中一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行，影響試驗流程。

為提高起重機(jī)設(shè)備工作的安全性、可靠性和使用性能，以滿足日益頻繁的試驗產(chǎn)品吊裝工作的需要，發(fā)射場新增起重機(jī)設(shè)備和新改造起重機(jī)設(shè)備均采用高性能的起重用變頻器作為各運行機(jī)構(gòu)的調(diào)速控制設(shè)備。作為起重機(jī)設(shè)備的主要控制元件，變頻器工作可靠性高、故障率低，調(diào)速性能好，且基本不用維護(hù)[1]，使得發(fā)射場起重機(jī)設(shè)備工作可靠性得到有效提高。

但在變頻起重機(jī)的調(diào)試和初期使用中，仍會出現(xiàn)較多的參數(shù)設(shè)置和設(shè)備安裝質(zhì)量問題，特別是對調(diào)速精度要求高的起升機(jī)構(gòu)[2]，由于變頻器采用速度閉環(huán)控制方式，容易出現(xiàn)變頻器因速度監(jiān)視故障而保護(hù)停機(jī)，據(jù)統(tǒng)計，速度監(jiān)視保護(hù)故障占變頻器故障報警的80%以上，速度監(jiān)視故障已成為變頻調(diào)速起重機(jī)重點關(guān)注的故障模式。

由于造成變頻器速度監(jiān)視故障的原因較多，涉及軟件參數(shù)設(shè)置、設(shè)備硬件選型、接線錯誤和機(jī)械卡滯等多方面因素，導(dǎo)致出現(xiàn)速度監(jiān)視故障后故障定位比較難，問題處理時間較長。為此，本文分析了起重機(jī)變頻器速度監(jiān)視故障產(chǎn)生的機(jī)理和原因，并結(jié)合自身工作經(jīng)驗研究給出了故障判斷流程和有效的處理方法，為今后發(fā)射場起重機(jī)調(diào)試和故障處理提供技術(shù)支持，有效提高了發(fā)射場起重機(jī)設(shè)備的故障處置能力。

1 變頻器速度閉環(huán)控制原理

由于航天發(fā)射場起重機(jī)設(shè)備主要用于航天產(chǎn)品吊裝對接工作，對起重機(jī)的性能和安全性要求很高，通常要求產(chǎn)品對接速度慢和空鉤運行速度快、調(diào)速范圍寬，即使在極低的速度下也要求具有高動態(tài)性能和高轉(zhuǎn)速精度。因此，航天發(fā)射場起重機(jī)設(shè)備起升機(jī)構(gòu)變頻器均采用帶速度傳感器方式的矢量控制系統(tǒng)[3]，其控制原理框圖如圖1所示。

圖1 變頻器速度閉環(huán)矢量控制原理框圖

速度閉環(huán)矢量控制采用PID控制形式，其反饋信號采用了電動機(jī)軸端安裝的增量編碼器所產(chǎn)生的脈沖信號。變頻器接收到脈沖信號后，經(jīng)過信號處理，轉(zhuǎn)換為電動機(jī)實際運行速度值，與變頻器接受的給定值比較，得到一個偏差值。針對這個偏差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，控制變頻器改變其輸出頻率，從而改變作用到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩，迅速、準(zhǔn)確的消除電動機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差，恢復(fù)到給定值。采用速度反饋的矢量控制方式，其系統(tǒng)振蕩和誤差都比較小。

系統(tǒng)中加速度前饋環(huán)節(jié)可根據(jù)速度偏差的變化趨勢，提前給出較大的調(diào)節(jié)動作，從而縮短調(diào)節(jié)時間，克服了因積分時間太長而使恢復(fù)滯后的缺點。

2 變頻器速度監(jiān)視故障原因分析

2.1 變頻器速度監(jiān)視故障機(jī)理

變頻器速度監(jiān)視故障的一般發(fā)生在加減速過程中未到達(dá)設(shè)定的速度值和正常運行在設(shè)定速度過程中出現(xiàn)一段時間的速度不穩(wěn)定2種情況下。在加減速過程中，如果系統(tǒng)在設(shè)定的斜波監(jiān)視時間和速度監(jiān)視時間內(nèi)系統(tǒng)測量的轉(zhuǎn)速實際值不能達(dá)到新設(shè)定的速度值（見圖2），則系統(tǒng)會因速度測量環(huán)節(jié)有問題而產(chǎn)生一個速度監(jiān)視故障信息。在設(shè)備按設(shè)定速度正常運行過程中，因受外部因素影響或速度監(jiān)視回路環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，測量實際速度波動較大，導(dǎo)致在速度監(jiān)視時間內(nèi)實際測量速度值不能達(dá)到設(shè)定速度值而產(chǎn)生速度監(jiān)視故障信息。針對速度監(jiān)視故障的處理，變頻器參數(shù)設(shè)置有故障停機(jī)和故障報警2種選擇。對于設(shè)備安全性要求高的情況下，一般均設(shè)置為保護(hù)停機(jī)功能，發(fā)射場起重機(jī)設(shè)備變頻器針對速度監(jiān)測故障通常采用故障停機(jī)的保護(hù)模式。

圖2 變頻器速度監(jiān)視故障機(jī)理

由上述可知，變頻器速度監(jiān)視故障無論哪種情況下產(chǎn)生，都是在設(shè)定的時間內(nèi)，系統(tǒng)測量計算的實際速度值與設(shè)定值一直存在偏差，只是設(shè)定的監(jiān)視時間不同。由于參與比較的是系統(tǒng)測量計算的速度，速度測量故障的發(fā)生存在著2種情況，一是速度測量環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致即使實際運行速度達(dá)到設(shè)定速度，也會報速度監(jiān)視故障而保護(hù)停機(jī)的故障發(fā)生，另一種情況是由于設(shè)備問題或負(fù)載過大導(dǎo)致的實際轉(zhuǎn)速不能達(dá)到設(shè)定速度而故障報警。

2.2 變頻器速度監(jiān)視故障原因分析

根據(jù)起重機(jī)變頻器速度閉環(huán)矢量控制原理和速度監(jiān)視故障機(jī)理，造成變頻器出現(xiàn)速度監(jiān)視故障主要有4個方面的原因：測速回路故障、軟件參數(shù)設(shè)置、電源相序錯誤和電動機(jī)過載。圖3為變頻器速度監(jiān)視故障的故障樹。

圖3 變頻器速度監(jiān)視故障樹

1）測速回路故障 變頻器測速回路包含增量編碼器、線路、變頻器測速單元（編碼器卡）、供電電源等，影響因素多，是造成變頻器速度監(jiān)視故障保護(hù)停機(jī)的主要故障因素。供電電壓不正常、信號線路不通、編碼器機(jī)械連接松動、編碼器卡故障、測速回路接線錯誤均會導(dǎo)致變頻器無法接收到正常的脈沖信號，造成速度測量計算出現(xiàn)偏差。

2）變頻器參數(shù)設(shè)置 要實現(xiàn)起重機(jī)變頻器的矢量控制功能[4]，必須根據(jù)電動機(jī)自身的參數(shù)一系列等效變換的計算，而進(jìn)行計算的基本條件是盡可能了解電動機(jī)的各項數(shù)據(jù)，即電動機(jī)的初始化參數(shù)，不同的變頻器有不同的要求，如某品牌變頻器僅需輸入電動機(jī)的額定電壓、額定功率、額定電流參數(shù)，其他性能參數(shù)通過變頻器自學(xué)習(xí)功能測量計算獲得。為了獲得精確的數(shù)據(jù)，其自學(xué)習(xí)時需要將負(fù)載與電動機(jī)脫離，而SEW變頻器通電測量計算則不需要將負(fù)載與電動機(jī)分離，但要求輸入的電動機(jī)參數(shù)較多，在輸入電動機(jī)銘牌數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還需輸入電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量、電動機(jī)效率、負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量等。如果輸入數(shù)據(jù)與電動機(jī)實際參數(shù)值不符，便會導(dǎo)致變頻器計算出的動態(tài)控制參數(shù)偏差較大而造成電動機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，出現(xiàn)速度偏差。

實現(xiàn)速度閉環(huán)控制時，需要設(shè)置編碼器的類型，包括編碼器的信號輸出形式和每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。這些是變頻器接受編碼器脈沖數(shù)后，轉(zhuǎn)換處理成轉(zhuǎn)速實際值的計算依據(jù)，信號輸出形式和每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)設(shè)置錯誤，便會導(dǎo)致計算出的實際速度值偏差較大。

根據(jù)變頻器速度監(jiān)視故障機(jī)理可知，最終導(dǎo)致變頻器速度監(jiān)視故障的原因是監(jiān)視時間內(nèi)測量實際速度值未達(dá)到設(shè)定速度值。因此，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)，電動機(jī)的加減速時間、斜波監(jiān)視時間和速度監(jiān)視時間都會影響到變頻器的速度監(jiān)測。通常，變頻器經(jīng)過電動機(jī)初始化計算后，這些參數(shù)能夠給出合理的設(shè)置。但考慮起重機(jī)設(shè)備負(fù)載為變負(fù)載，空載和負(fù)載運行時差別比較大，其負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量多為估算（經(jīng)驗值為電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的5～10倍），電動機(jī)初始化參數(shù)并不一定滿足不同負(fù)載的要求，如加減速時間設(shè)置偏小，便會導(dǎo)致負(fù)載時升速電流過大而過流保護(hù)。故需對加減速時間等進(jìn)行手動設(shè)置以滿足不同負(fù)載情況的需要。此時需注意加減速時間和斜波監(jiān)視時間的匹配關(guān)系，否則會因加減速時間過長而導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)速度監(jiān)視故障。

3）變頻器電源相序故障 在變頻器采用速度閉環(huán)矢量控制模式時，變頻器輸入側(cè)電源和輸出到電動機(jī)的電源的相序均會影響速度測量，主要影響到速度脈沖數(shù)增減的方向，即電動機(jī)測量速度的方向。方向與設(shè)定速度方向不一致，同樣會導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)速度監(jiān)視故障。

4）電動機(jī)過載 電動機(jī)過載會導(dǎo)致電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速達(dá)不到設(shè)定速度，在監(jiān)視時間如果電動機(jī)電流還未超過設(shè)定的電流極限，而實際測量速度仍達(dá)不到設(shè)定值，變頻器便會先出現(xiàn)速度監(jiān)視故障，先達(dá)到電流極限值便會出現(xiàn)過流故障。電動機(jī)過載原因主要有外部負(fù)載過大、制動器未打開、電動機(jī)和減速器軸承卡滯等。

3 變頻器速度監(jiān)視故障排查及處理方法

針對變頻器速度監(jiān)視故障的4個方面的原因[5]，其出現(xiàn)故障的概率是不同的，其中變頻器軟件參數(shù)設(shè)置故障和電源相序錯誤基本只在調(diào)試階段發(fā)生，而速度測量回路故障和電動機(jī)過載故障在調(diào)試期間和使用過程中均可出現(xiàn)。因此，在不同的使用環(huán)節(jié)排查的重點不同，并且采用先易后難、先簡單后復(fù)雜的順序。圖4為變頻器速度監(jiān)視故障判斷流程圖。

圖4 變頻器速度監(jiān)視故障判斷流程

3.1 設(shè)備調(diào)試時速度監(jiān)測故障排查及處理

起重機(jī)設(shè)備安裝調(diào)試時，首先要確保起重機(jī)空載無速度監(jiān)測的矢量控制模式下（VFC）運行正常，然后再設(shè)置為速度閉環(huán)矢量控制模式（VFC-n-control或VFC-n-control&hoist）進(jìn)行調(diào)試運行。此時如果出現(xiàn)速度監(jiān)視故障，則說明不是設(shè)備外負(fù)載因素導(dǎo)致的，需要從測速回路、軟件參數(shù)設(shè)置和電源相序3個方面檢查分析故障原因[6]。

檢查時，可將變頻器設(shè)置為無速度監(jiān)測的矢量控制模式下運行，通過變頻器面板或?qū)Ｓ谜{(diào)試軟件監(jiān)測變頻器接收到得編碼器脈沖數(shù)是否正常。如果脈沖數(shù)不隨電動機(jī)運轉(zhuǎn)變化，則是編碼器回路故障；脈沖數(shù)有變化，但增減方向與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，則為編碼器A、B 2對信號線接反，或電源相序錯誤；脈沖數(shù)量有變化，且變化方向與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致，則一般為變頻器軟件參數(shù)設(shè)置問題。

3.1.1 編碼器測速回路故障處理[7]

1）檢查編碼器供電是否正常，在編碼器進(jìn)線端測量供電電壓值是否在允許范圍內(nèi)。

2）用萬用表測量信號線路的導(dǎo)通情況，檢查信號線路是否正常；檢查接線的正確性，有無A、B 2組信號線接反等接線錯誤。

3）檢查編碼器與電動機(jī)的鏈接緊固情況，連接松動的要及時緊固，并查明松動的原因，因同軸度誤差較大導(dǎo)致異常振動造成松動的，要調(diào)整編碼器安裝的位置，使編碼器軸與電動機(jī)軸同軸度滿足使用要求。

4）采用示波器在編碼器輸出端測量編碼器輸出脈沖波形，增量編碼器輸出信號正常為方波，如果無脈沖或脈沖波形不正常，則為編碼器故障，需要更換編碼器。某廠房大廳主起升機(jī)構(gòu)使用中出現(xiàn)該類型問題，測量編碼器輸出的A、B 2路脈沖如圖5所示，其中A路脈沖正常，為正常的方波信號，而B路脈沖方波信號有明顯的干擾變形。由于脈沖波形不正常，導(dǎo)致變頻器編碼器卡無法識別接收到得脈沖，從而無法計數(shù)。

圖5 某廠房起重機(jī)主鉤故障編碼器輸出脈沖測量示意圖

5）如果編碼器輸出脈沖正常，測量變頻器編碼器板進(jìn)線處編碼器輸出脈沖波形，如果波形正常，則為編碼器板故障，需更換編碼器板；波形有較大干擾毛刺，則為線路的信號干擾，檢查屏蔽信號線接地情況，并檢查編碼器信號電纜與電動機(jī)動力電纜是否分開敷設(shè)，在施工過程中應(yīng)盡量使編碼器信號電纜與電動機(jī)動力電纜是否分開敷設(shè)。

要想盡量減少變頻器的測速回路故障，除加強(qiáng)日常對測速線路的檢查力度外，要做好設(shè)備的設(shè)計選型和嚴(yán)把施工質(zhì)量。編碼器選擇應(yīng)選用工作可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的成熟產(chǎn)品，增量編碼器盡量選用信號輸出為TTL的產(chǎn)品，TTL信號取通道A、通道B、通道、通道，而HTL 取通道、通道。TTL信號處理采用差動式放大器可以消除共模干擾信號，達(dá)到了抑制傳輸干擾的效果，抗干擾能力強(qiáng)，適合長線驅(qū)動方式。編碼器采用空心軸方式，與電動機(jī)軸的連接更可靠，安裝的同軸度更容易調(diào)整。此外，信號輸出為TTL的信號電纜采用雙絞線屏蔽電纜，可提高線路的抗干擾能力，線纜的連接采用O形接線端子能夠保證端子接線的可靠性，電纜插頭的連接采用螺釘緊固相對于焊接更容易檢查和維護(hù)，這些都是設(shè)備選型和安裝調(diào)試應(yīng)重點注意的問題。

3.1.2 電源相序錯誤

調(diào)整變頻器輸出電源的任一兩相，觀察變頻器監(jiān)視的編碼器脈沖值變化方向是否正確，如正確則改為速度閉環(huán)矢量控制方式運行；如變頻器仍出現(xiàn)速度監(jiān)視故障，則調(diào)整變頻器輸入電源相序，同時變頻器輸出電源相序也做相應(yīng)調(diào)整，再采用速度閉環(huán)矢量控制方式運行，如變頻器仍出現(xiàn)速度監(jiān)視故障，應(yīng)為變頻器軟件參數(shù)設(shè)置問題。

部分變頻器（如發(fā)射場常使用的變頻器）因脈沖增減方向不同而出現(xiàn)速度監(jiān)測故障時，僅需要調(diào)整編碼器A、B 2組信號輸出即可，將A、B 2組信號對調(diào)，不需要調(diào)整電源的相序。

3.1.3 變頻器軟件參數(shù)設(shè)置

判定為變頻器參數(shù)設(shè)置問題時，需要對變頻器進(jìn)行重新初始化，認(rèn)真核對電動機(jī)參數(shù)和編碼器設(shè)置值，特別是電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的設(shè)置。部分電動機(jī)銘牌未標(biāo)注，一定要查到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，檢查編碼器類型和編碼器輸出每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，還有部分變頻器對增量式編碼器輸出信號形式有TTL和HTL的區(qū)別，需要根據(jù)實際的編碼器選型設(shè)計來選擇[8]。

初始化計算電動機(jī)運行參數(shù)后，分別在空、負(fù)載情況下運行電動機(jī)，根據(jù)實際調(diào)試情況檢查加減速時間和監(jiān)視時間（設(shè)置加減速時間過短，易出現(xiàn)變頻器過流保護(hù)，設(shè)置時間過長，便會出現(xiàn)速度監(jiān)視故障），直到空載、負(fù)載情況下均能正常運行。特別注意的是變頻器加減速時間設(shè)定的是以3 000 r/min為基準(zhǔn)的，實際的加減速時間是根據(jù)電動機(jī)運行轉(zhuǎn)速成正比例變化的。

電動機(jī)變頻調(diào)速運行過程中，在低頻運行時，受電動機(jī)定子阻抗的影響，電動機(jī)電磁最大轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致電動機(jī)在低頻運行時因起動轉(zhuǎn)矩不夠而造成電動機(jī)無法起動或低速運行速度不穩(wěn)。因此，起重機(jī)設(shè)備滿載運行時，可能會遇到低速無法起動，變頻器出現(xiàn)速度監(jiān)視故障報警停機(jī)的情況。此時，需要使用變頻器的電壓補(bǔ)償功能或滑差補(bǔ)償功能。電壓補(bǔ)償是針對每個工作頻率的電壓調(diào)節(jié)，其本質(zhì)是增加勵磁電流或抵消由于定子阻抗壓降引起的勵磁減小，其固有機(jī)械特性發(fā)生了變化?；钛a(bǔ)償是按檢測或計算得到的電流或轉(zhuǎn)矩值來進(jìn)行給定或頻率的微調(diào)，不對磁場產(chǎn)生影響，不會導(dǎo)致磁飽和或弱磁，因而不會出現(xiàn)電動機(jī)過流，但由于計算依賴電動機(jī)的電阻和電感值，受溫度變化影響較大，補(bǔ)償穩(wěn)定性差。因此，在實際應(yīng)用中，首先在電流允許范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓補(bǔ)償，如果調(diào)節(jié)過大導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)過流保護(hù)，則降低電壓補(bǔ)償，增大滑差補(bǔ)償。該種情況在某塔式起重機(jī)主鉤調(diào)試過程出現(xiàn)過，通過增大滑差補(bǔ)償值（某變頻器參數(shù)324由44改為56），解決了冬季寒冷天氣條件下滿載無法起動，變頻器頻繁出現(xiàn)速度監(jiān)視故障的問題。

3.2 設(shè)備正常運行時速度監(jiān)測故障排查及處理

設(shè)備安裝調(diào)試后，電源相序、變頻器軟件參數(shù)設(shè)置方面已固化，一般不會影響設(shè)備正常運行。設(shè)備使用過程中再出現(xiàn)變頻器速度監(jiān)視故障，需要重點檢查編碼器測速回路故障和電動機(jī)過載等方面的影響。檢查時，同樣先將變頻器設(shè)置為無速度監(jiān)測的矢量控制模式下運行，電動機(jī)運行正常，并通過變頻器面板或?qū)Ｓ谜{(diào)試軟件監(jiān)測變頻器接收到得編碼器脈沖數(shù)是否正常。如果脈沖數(shù)不隨電動機(jī)運轉(zhuǎn)變化，則是編碼器回路故障；電動機(jī)不能正常運行，則為電動機(jī)過載故障。

1）編碼器測速回路故障處理 編碼器測速回路故障檢查與調(diào)試期間的故障檢查和處理基本相同，但是重點檢查接線松動和編碼器連接松動等方面的問題。

2）電動機(jī)過載檢查處理 電動機(jī)過程原因主要有制動器未打開、負(fù)載過大和機(jī)械傳動裝置卡滯等。檢查時首先判別所吊重物是否超出起重機(jī)的額定載荷，再觀察機(jī)構(gòu)的制動器是否完全打開，如能完全打開則手動轉(zhuǎn)動高速軸，如不能轉(zhuǎn)動，則為機(jī)械傳動裝置卡滯。

造成制動器無法完全打開的原因較多，總體分機(jī)械和電控2個方面的原因。機(jī)械方面主要是制動架推桿卡滯、推動器電動機(jī)損壞、推動器液壓缸內(nèi)油液油量不足和液壓缸內(nèi)進(jìn)氣等原因。電控方面主要檢查PLC控制器有無輸出、制動器控制線路接線，接觸器、繼電器線圈有無損壞、活動部位有無卡滯等。

傳動裝置的機(jī)械卡滯主要是軸承損壞引起，特別是高速軸上的軸承潤滑不良易導(dǎo)致軸承燒毀。因此，判斷為機(jī)械傳動裝置卡滯后，將電動機(jī)軸與傳動軸脫開，分別轉(zhuǎn)動兩側(cè)軸，確定是電動機(jī)軸卡滯還是減速器軸承卡滯。某廠房東廳起重機(jī)在使用中出現(xiàn)過因減速器高速軸軸承損壞引起的變頻器速度監(jiān)視故障，導(dǎo)致減速器高速軸軸承損壞的原因是低溫情況下減速器油量不滿足使用要求。

4 結(jié)論

本文針對航天發(fā)射場起重機(jī)設(shè)備變頻器速度監(jiān)視故障故障率較高，故障定位難的現(xiàn)狀，分析了變頻器速度監(jiān)視故障機(jī)理和原因，制作了變頻器速度監(jiān)視故障樹，并結(jié)合自身調(diào)試和故障處理經(jīng)驗，制定了變頻器速度監(jiān)視故障判斷流程。為航天發(fā)射場起重機(jī)設(shè)備變頻器故障快速定位和處理打下良好基礎(chǔ)，提高了發(fā)射場變頻起重應(yīng)急處置能力。