一種基于PLC和變頻器的行車行走高精度控制方法＊

王 巍 程榮濤

（1.中國(guó)人民解放軍92557部隊(duì) 廣州 510000）（2.海軍駐武漢438廠軍代室 武漢 430064）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速方式已成為交流電力驅(qū)動(dòng)的主流調(diào)速方式，是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為交流電動(dòng)機(jī)最理想、最有前途的調(diào)速方案［1］。

可編程序控制器（PLC）與變頻器結(jié)合，由可編程序控制器進(jìn)行復(fù)雜的控制運(yùn)算，由變頻器實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、有效、高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)控制［2］。這種方式在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用，尤其在連鑄連軋生產(chǎn)線、高速造紙生產(chǎn)線、電纜光纖生產(chǎn)線、化纖生產(chǎn)線、建材生產(chǎn)線等對(duì)控制的復(fù)雜性、控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有很高要求的場(chǎng)合。

利用這種控制方式可以實(shí)現(xiàn)行車運(yùn)動(dòng)中兩側(cè)同步進(jìn)給，可以保證在對(duì)行車行走具有較高精確度和平穩(wěn)度要求的場(chǎng)合，能夠達(dá)到良好的控制效果，也可以消除行車在運(yùn)行中由于兩側(cè)不同步造成的兩側(cè)車輪、橫梁以及地面導(dǎo)軌的扭壓力，基本消除兩側(cè)由于受力可能導(dǎo)致的機(jī)械變形，保證設(shè)備具有長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命［3］。

2 方案設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為一臺(tái)具有四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的行車，行車跨度為20m?，F(xiàn)采用位置閉環(huán)控制方式對(duì)行車兩側(cè)進(jìn)給量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使其四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的每一個(gè)都能提供兩側(cè)同步的進(jìn)給速度和均衡進(jìn)給動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)行車在一定速度范圍內(nèi)精確的兩側(cè)同步進(jìn)給，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)，無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速過(guò)程沖擊小，穩(wěn)定運(yùn)行中速度平穩(wěn)，制動(dòng)快捷。

總體思路是采用高性能可編程序控制器和變頻器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。為實(shí)現(xiàn)行車較為精確的兩側(cè)平穩(wěn)同步進(jìn)給，需要檢測(cè)兩側(cè)的實(shí)際位置信息反饋到控制系統(tǒng)，由控制器根據(jù)此信息實(shí)現(xiàn)行車的位置閉環(huán)控制。

可編程序控制器作為系統(tǒng)的核心，行車的每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別由一獨(dú)立變頻器控制。行車兩側(cè)各安裝一個(gè)絕對(duì)位置編碼器，分別檢測(cè)行車兩側(cè)所在的實(shí)際位置?？删幊绦蚩刂破髯x取兩側(cè)實(shí)際位置后，同時(shí)根據(jù)操作手柄的控制信號(hào)，采用位置閉環(huán)控制算法對(duì)行車兩側(cè)進(jìn)給量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，形成對(duì)四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的給定信號(hào)，發(fā)送給四個(gè)輪的相應(yīng)變頻器，由變頻器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)跟隨給定信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)兩側(cè)較為精確的同步進(jìn)給。

行車的四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪采用兩級(jí)主－從控制方式，驅(qū)動(dòng)輪分成左右兩組：左前輪和左后輪組成左側(cè)組，右前輪和右后輪組成右側(cè)組。

每側(cè)的前后輪采用主從驅(qū)動(dòng)控制模式。以前輪為主動(dòng)輪，以變頻器進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速方式控制，后輪為從動(dòng)輪，為了實(shí)現(xiàn)前后提供負(fù)荷的均衡，使每組前后兩輪提供相同的轉(zhuǎn)矩，故組內(nèi)采用主從驅(qū)動(dòng)控制方式，以前輪為主動(dòng)輪，采用變頻器進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速方式控制，而后輪為從動(dòng)輪，采用變頻器轉(zhuǎn)矩跟隨的控制方式［4～6］。主動(dòng)輪電機(jī)軸上安裝增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，向變頻器反饋實(shí)際速度，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，從而達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的高精確性，為兩側(cè)組間同步提供了基礎(chǔ)。由主動(dòng)輪變頻器恒轉(zhuǎn)速方式中輸出的轉(zhuǎn)矩信號(hào)作為從動(dòng)輪變頻器的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)。組內(nèi)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了該組輪的轉(zhuǎn)速，而從動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩跟隨控制，使得前后兩輪的驅(qū)動(dòng)力矩平衡。

圖1 系統(tǒng)控制原理圖

左右兩組間要實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)給，這就需要兩組在單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)給量相同，也就是兩組的進(jìn)給速度要一致。但考慮到每組元件設(shè)備的參數(shù)離散性、偏差和外部擾動(dòng)，如果直接向兩組給定相同速度參考值，實(shí)際中很難達(dá)到完全的精確同步進(jìn)給，所以在兩組之間加入位置控制器通過(guò)位置反饋實(shí)現(xiàn)精確的同步進(jìn)給。在兩側(cè)無(wú)動(dòng)力導(dǎo)輪上分別安裝多圈絕對(duì)位置式旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置反饋信號(hào)［7］。位置控制器獲得兩實(shí)際位置反饋信號(hào)后，比較兩側(cè)位移是否相同，如果一側(cè)位移較大，則適當(dāng)減小一側(cè)的速度，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的同步進(jìn)給［8］。

3 試驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z驗(yàn)行車的同步平衡進(jìn)給運(yùn)行效果。

表1 無(wú)糾偏模式運(yùn)行進(jìn)給位置偏差數(shù)據(jù)（單位：cm）

分別采用無(wú)糾偏運(yùn)行模式和自動(dòng)糾偏運(yùn)行模式，通過(guò)計(jì)算機(jī)連接PLC CPU模塊，或直接從行車綜合數(shù)字顯示器動(dòng)態(tài)讀取兩種模式下全運(yùn)行范圍行車兩側(cè)進(jìn)給位置偏差，并記錄該偏差的最大值和最小值。

表2 自動(dòng)糾偏模式運(yùn)行進(jìn)給位置偏差數(shù)據(jù)（單位：cm）

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1與表2所示：

試驗(yàn)結(jié)論：在無(wú)兩側(cè)糾偏運(yùn)行模式下，行車兩側(cè)的位置偏差最大值相對(duì)較大，且最小值也很難達(dá)到零；在兩側(cè)自動(dòng)糾偏運(yùn)行模式下，行車兩側(cè)進(jìn)給的位置偏差最大值相對(duì)較小，為6cm，達(dá)到動(dòng)態(tài)最大偏差為6cm的設(shè)計(jì)要求，且最小值達(dá)到零。實(shí)際運(yùn)行中，最大偏差出現(xiàn)在東西兩側(cè)，在中間部分偏差最小。在中間部分行車達(dá)到穩(wěn)定進(jìn)給狀態(tài)，此時(shí)靜態(tài)進(jìn)給偏差最大為1cm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

以高性能可編程序控制器與變頻器結(jié)合，加之絕對(duì)位置傳感器檢測(cè)實(shí)際位置，構(gòu)成位置閉環(huán)控制的行車同步進(jìn)給控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)行車的精確動(dòng)態(tài)同步進(jìn)給［10～11］。同時(shí)，系統(tǒng)采用了軟硬件合理比例的分配，提高了可靠性，增強(qiáng)了靈活性，可以對(duì)行車實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、有效、高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)控制。

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