基于PLC的電機(jī)同步數(shù)字控制模型研究

周秀君，鄧榆林

（廣東省佛山市順德學(xué)院，廣東順德528333）

1 引言

電機(jī)的同步性能會(huì)直接影響著系統(tǒng)的可靠性、產(chǎn)品的質(zhì)量和市場(chǎng)銷(xiāo)售。目前，基于單片機(jī)、DSP等為控制核心的同步系統(tǒng)較多。實(shí)際中，PLC為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了安全可靠和比較完善的控制應(yīng)用，在自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行的PLC上增加部分硬件，推導(dǎo)一種新型電機(jī)算法設(shè)計(jì)的原理和公式，將電機(jī)的速度同步問(wèn)題轉(zhuǎn)換成位置跟蹤同步問(wèn)題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的流程，編寫(xiě)關(guān)鍵控制程序，提供外加同步誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了一種具有較高應(yīng)用價(jià)值的同步控制。通過(guò)實(shí)踐證明，克服了影響電機(jī)同步性能的各種因素，如各傳動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)特性不匹配、同型號(hào)設(shè)備之間的誤差、同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)的誤差和負(fù)載的擾動(dòng)等。另外，采用系統(tǒng)中本身固有PLC作為控制器可以使工業(yè)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本。

2 控制方案

目前，多電機(jī)同步控制主要有等狀態(tài)耦合控制和主從控制兩種結(jié)構(gòu)。等狀態(tài)耦合控制中的各傳動(dòng)軸之間的速度協(xié)調(diào)關(guān)系由同步系數(shù)決定，其控制器采用同一給定速度參考指令，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但隨環(huán)境的變化和電機(jī)負(fù)載特性的影響，同步性能很難得到保證?，F(xiàn)有的方案是采用主從控制結(jié)構(gòu)，即將主電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出根據(jù)時(shí)間、速度和頻率之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變換成脈沖數(shù)作為從電機(jī)的脈沖數(shù)設(shè)定值，同時(shí)進(jìn)行位置和速度的PID調(diào)節(jié)，從而調(diào)整從動(dòng)機(jī)的輸出頻率，使從機(jī)的輸出量能準(zhǔn)確無(wú)誤地跟蹤主機(jī)的輸出量變化并能復(fù)現(xiàn)，它們之間組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而保證兩臺(tái)電機(jī)的同步運(yùn)行，多個(gè)從機(jī)之間可采用級(jí)聯(lián)或并聯(lián)方式。

3 數(shù)學(xué)模型的建立

模型建立力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、便于推廣應(yīng)用。主電機(jī)可采用任意電機(jī)，從電機(jī)以二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，采用全脈沖數(shù)字控制，控制核心是利用控制設(shè)備運(yùn)行的PLC（FX2n48MT）、光電素子（EE-SX670A型）和光電盤(pán)。光電盤(pán)用于位置檢測(cè)，光電素子產(chǎn)生光源和吸收透過(guò)碼盤(pán)后的電脈沖，分別將主從電機(jī)的負(fù)載位置轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，輸入到PLC的高速輸入端（X0和X1），鑒向器鑒別給定信號(hào)的旋轉(zhuǎn)方向，驅(qū)動(dòng)模塊［1]（ST-2HB04X型）放大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主從電機(jī)傳動(dòng)鏈上的零件（如變速器、碼盤(pán)等）參數(shù)分別完全相同，模型圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型圖

首先假定X0端的計(jì)數(shù)元件為C200，反饋端X1的計(jì)數(shù)元件為C201，在T1（取樣時(shí)間）時(shí)間內(nèi)X0端和X1反饋端的光電盤(pán)旋轉(zhuǎn)各產(chǎn)生一串方波脈沖，采樣脈沖波形如圖2所示。

圖2 采樣脈沖波形圖

令C ′＝C200-C201，則有：

C′＝0，Y0端輸出脈沖數(shù)為零，電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)；

C′＞0，Y0端輸出脈沖數(shù)，電機(jī)朝著縮小偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直至給定角度和反饋角度相等，系統(tǒng)處于新的靜止?fàn)顟B(tài)［2]；

C′＜0，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向情況相反。

再假設(shè)給定/反饋光電盤(pán)光柵格數(shù)A，變速傳動(dòng)比為i，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定細(xì)分值所對(duì)應(yīng)的“步∕圈”數(shù)為B，則將脈沖值轉(zhuǎn)換為速度如下：

將兩速度值相減，速度差值：nc＝nr-nf。差值信號(hào)經(jīng)PID調(diào)節(jié)后，可得：

經(jīng)查閱，二相步進(jìn)電機(jī)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=200*細(xì)分?jǐn)?shù)［3],變成在時(shí)間上連續(xù)且具有一定頻率的脈沖輸出，其輸出頻率為：

該輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變速機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得相應(yīng)的速度。這種方法也適用于其它不同的電機(jī)。

4 軟件實(shí)施

為實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化和快速跟蹤同步，在滿足原有控制系統(tǒng)功能的前提下，增加電機(jī)同步控制功能流程［4]，采用位置和速度的PID調(diào)節(jié)，流程規(guī)劃為數(shù)據(jù)采集取樣、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、數(shù)值調(diào)節(jié)處理和驅(qū)動(dòng)輸出等環(huán)節(jié)，軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

4.1 PID調(diào)節(jié)

將計(jì)數(shù)器C200和C201中脈沖數(shù)分別存入相應(yīng)地址單元中，根據(jù)上述算法進(jìn)行速度位置計(jì)算（梯形圖省略），將主電機(jī)/從電機(jī)光電盤(pán)的脈沖數(shù)差值以及速度差值分別存入單元D100和D200地址單元中，根據(jù)不同的電機(jī)同步系統(tǒng)，通過(guò)人機(jī)界面改變PID參數(shù)，調(diào)出理想的目標(biāo)速度值，程序如圖4所示。

圖4 PID調(diào)節(jié)程序梯形圖

4.2 脈沖驅(qū)動(dòng)輸出

將變速傳動(dòng)比i、常數(shù)K200和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)細(xì)分值B分別存入單元D4、D5和D6地址單元中，計(jì)算脈沖輸出指令的頻率和脈沖數(shù)，然后進(jìn)行脈沖輸出，程序如圖5所示。

圖5 脈沖輸出程序梯形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同步控制成了現(xiàn)代工業(yè)中最為關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，科技人員一直致力于同步控制系統(tǒng)及如何提高同步控制精度等方面的研究工作。本文基于PLC的同步數(shù)字控制技術(shù)研究，既解決了同步可靠性問(wèn)題，又降低工業(yè)系統(tǒng)的成本，而且系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的精度高達(dá)±0.5%。希望在工業(yè)環(huán)境下PLC控制的工業(yè)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并為其他控制系統(tǒng)和其他電機(jī)的同步控制提供可資借鑒的技術(shù)依據(jù)。

［1] 王宗培，程樹(shù)康.雙極性驅(qū)動(dòng)的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)［J] .微特電機(jī)，1981，（2）.

［2] 盧道英.微型直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的一種方法［J] .微特電機(jī)，1985，（3）.

［3] 張文海.一種測(cè)試微型直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法［J] .無(wú)線電，1978，（3）.

［4] 秦繼榮.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.