基于西門子PLC的滑模變結(jié)構(gòu)控制在汽車內(nèi)飾熱壓包邊設(shè)備上的應(yīng)用

沈彬，路林吉

基于西門子PLC的滑模變結(jié)構(gòu)控制在汽車內(nèi)飾熱壓包邊設(shè)備上的應(yīng)用

沈彬，路林吉

對熱壓包邊成型兩工位的機械結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理及生產(chǎn)工藝進行了簡單的介紹，以Siemens PLC和HMI作為人機界面，采用Siemens S120變頻器做驅(qū)動控制。利用紅外輻射加熱燈管對產(chǎn)品進行加熱。由于在生產(chǎn)工藝過程中，往往壓力超調(diào)導(dǎo)致工件報廢，所以，也提出滑模控制原理對同步電機進行控制，并且與傳統(tǒng)的PID控制理論進行比對后，發(fā)現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)控制在魯棒性方面的優(yōu)勢明顯。

Siemens PLC；熱壓包邊設(shè)備；滑?？刂?/p>

0 引言

汽車工業(yè)起步在國內(nèi)較晚，但是我國汽車工業(yè)的發(fā)展速度非常驚人，而且上升趨勢明顯。這一方面得益于國家大力扶持，另一方面也和我國汽車消費市場巨大有著直接的連續(xù)。汽車工業(yè)無疑是中國制造行業(yè)當中非常重要的一個支柱型行業(yè)，將高薪技術(shù)應(yīng)用到汽車工業(yè)不僅是對整個產(chǎn)業(yè)的提高有著巨大的推動作用，更可以提升我國制造行業(yè)在國際領(lǐng)域的地位，提升自主創(chuàng)新的能力。

隨著工業(yè)自動化控制技術(shù)的發(fā)展，對內(nèi)飾系統(tǒng)的生產(chǎn)裝備線和自動化設(shè)備的要求也在不斷的提高。目前國內(nèi)汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)線裝備技術(shù)相對于國外先進水平還處于落后階段。為了能夠改變當前的格局，我們首先要了解內(nèi)飾件生產(chǎn)工藝過程的難點，從而對控制系統(tǒng)提出更高的要求，將更多先進的自動化控制技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)設(shè)備當中，從而整體提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)備機械結(jié)構(gòu)

自動熱壓包邊機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分設(shè)備機構(gòu)和模具機構(gòu)兩大部分。設(shè)備機構(gòu)由一個同步伺服電機驅(qū)動主齒輪，齒輪從而帶動設(shè)備上方的四根齒條進行傳動，由此上框架進行提升運動。此外，設(shè)備整個機構(gòu)包括有上模鎖模氣缸、下模頂升氣缸、安全插銷伸出氣缸、氣動剎車氣缸、冷卻風(fēng)機、齒輪潤滑泵等，如圖1所示：

圖1 設(shè)備機械結(jié)構(gòu)圖

1.2 設(shè)備電氣控制結(jié)構(gòu)

如圖2所示：

圖2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電氣控制系統(tǒng)硬件上用Profibus總線搭建，以PLC作為主控制單元，S120變頻器作為驅(qū)動控制單元，此外還用Siemens ET200和 Festo模塊作為分布控制從站，采用Siemens OP25作為人機界面，而上位機主要負責(zé)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)追溯。

2 滑模變結(jié)構(gòu)控制算法

2.1 電機數(shù)學(xué)模型

一般而言，為了簡化分析，會在理想環(huán)境內(nèi)構(gòu)造同步電機的數(shù)學(xué)模型。這里的理想環(huán)境主要是忽略了定子鐵心的飽和，鐵心渦流和磁滯損耗，同時假設(shè)電感參數(shù)不會變化，轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組等。

同步伺服電機上的定子電壓、電流、電勢和磁勢等變量都是交流量，電機內(nèi)部空間矢量在空間上是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的。矢量控制原理中所使用的坐標系是分為靜止坐標系和旋轉(zhuǎn)坐標系兩類。靜止坐標系中是由三相定子a-b-c坐標系和固定在a軸上a軸及與之垂直的B軸所組成的兩相定子a-B坐標系；旋轉(zhuǎn)坐標系當中包含了d軸固定在轉(zhuǎn)子軸線上的d-q垂直坐標系和M軸固定在定向磁鏈上的M-T定向坐標系，如上圖3所示：

圖3 -軸坐標系

2.2 同步電機的矢量控制方法

目前控制同步電機的方式有很多種，常用的是矢量控制控制方式，其控制的基本核心思想是利用電流磁場等效原理，將三相交流電動機等效為直流同步電動機，在定向坐標系內(nèi)，建立一個磁場坐標系，將電機定子電流矢量分解成兩個正交電流，一個是產(chǎn)生磁通的勵磁電流im，另一個是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流。這兩個分量分別正交，因此可以對其每個分量分別加以控制。這就可以對三相交流電動機實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制?；谠谕诫姍C中電機轉(zhuǎn)子磁鏈是固定不變的，也可以通過轉(zhuǎn)子的磁鏈定向方式來控制同步電機，從數(shù)學(xué)的角度分析，就是將定向坐標系的M軸和轉(zhuǎn)子磁鏈重合，并且假設(shè)與其同步旋轉(zhuǎn)，而T軸同樣是逆時針方向超前可M軸90°，可以假設(shè)使軸系和軸系完全重合，這樣就可以控制其分量。

根據(jù)永磁同步電機的不同應(yīng)用場合,其電流矢量控制也可選擇不同的控制方法, 主要的電流控制方法有：

（2）最大轉(zhuǎn)矩電流控制，實現(xiàn)了單位電流輸出轉(zhuǎn)矩最大化，降低了電機運行過程中的銅損；

通常同步伺服電機矢量控制系統(tǒng)都有三個閉環(huán)控制，位于外層的位置控制環(huán)、位于內(nèi)層是電流控制環(huán)、位于中間的速度控制環(huán)。據(jù)系統(tǒng)的要求，同步電機控制方會體使用具體的控制閉環(huán)來對其進行控制，本文設(shè)計的控制是速度和位置控制，所以對于內(nèi)層的電流控制環(huán)不必進行啟用，只需要設(shè)定速度環(huán)和位置環(huán)。

2.3 伺服控制的算法

目前已經(jīng)有很多先進的控制理論被提出，用來提升同步電機的電流控制性能。其中代表的有差值電流前饋控制、解耦電流前饋控制、內(nèi)模前饋控制等。電流前饋方法需要設(shè)計補償器解耦d在軸和q軸上的電流分量，如果忽略了電機反電動勢的因素，就能對同步電機動態(tài)解耦，解耦后的數(shù)學(xué)模型為式(1)：

而本文主要對電流前饋控制魯棒性問題，提出了基于自適應(yīng)快速終端滑模控制方法以提升電流控制性能，滿足永磁同步電機高性能控制要求。

定義電流誤差狀態(tài)方程為式（2）：

為了便于設(shè)計，對d-q軸控制器分別設(shè)計，首先對q軸電流控制進行設(shè)計。電流控制器設(shè)計的主要目標是實現(xiàn)在

有限時間收斂為零，為了提高系統(tǒng)控制性能，采用快速終端滑模控制策略，其滑模面設(shè)計如式（5）：

定理：對于如式（2-3）所示永磁同步電機q軸電流誤差系統(tǒng)，滑模面設(shè)計為如式（2-5）所示的快速終端滑模面，且系統(tǒng)滑模控制律設(shè)計為如式（2-6）、（2-7）和（2-8）形式,同時電機軸電流在有限時間內(nèi)收斂如式（6）、（7）、（8）：

根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定定理，系統(tǒng)將在有限時間達到終端滑模狀態(tài)，即當其達到終端滑模時,e和合也將會在有限時間內(nèi)收斂到零,從e≠0到e＝0所要收斂時間式（9）：

因此，q軸誤差狀態(tài)方程在有限時間內(nèi)收斂于零。

3 實際仿真效果

自適應(yīng)快速終端滑?？刂坪蛡鹘y(tǒng)PI控制下的和響應(yīng)試驗結(jié)果，如圖4和圖5所示：

圖4 電流響應(yīng)對比

圖5 電流誤差對比

電流響應(yīng)的對比曲線。根據(jù)實際檢測電機電流響應(yīng)的結(jié)果能夠知道，相比較傳統(tǒng)PI控制器而言，自適應(yīng)快速終端滑模控制器的動態(tài)影響要更靈敏，而且控制精度也比之前的控制器要高很多。圖4當中藍色部分線段表示的是PI控制器的電流的響應(yīng)曲線，紅色部分線段是自適應(yīng)快速終端?？刂破麟娏鞯捻憫?yīng)曲線，即是兩者系統(tǒng)輸入電流之間的比較，同樣的圖5是控制電流的響應(yīng)曲線對比。

為了驗證快速終端滑模算法的實際應(yīng)用價值，我們利用Siemens電機調(diào)試工具對其進行了現(xiàn)場檢測和分析。在S120Movi tools的環(huán)境下，正確的配置電機接口的參數(shù)，建立正確的通信接口。然后在同等條件下，將所提出的控制算法，與傳統(tǒng)的PI控制算法在性能上進行比對。同步電機的內(nèi)部參數(shù)如表1所示：

表1 同步電機參數(shù)

圖6 電流誤差對比

圖7 電流誤差對比

通過給定系統(tǒng)相同輸入，從電機響應(yīng)的電流和電壓輸出的比較可以得出，本章所提出的自適應(yīng)快速滑?？刂破鞅葌鹘y(tǒng)的PI控制器有著更好的響應(yīng)，電流控制性能要更加的優(yōu)越。

4 總結(jié)

本章主要針對永磁同步電機電流控制中存在電流耦合和反電動勢因素影響等問題，提出了一種快速終端滑模控制概念。在理想條件下建立數(shù)模，得出滑膜控制率，利用李雅諾夫穩(wěn)定理論，從理論上證明所提出算法是穩(wěn)定的，然后通過仿真驗證了這種快速終端滑?？刂品椒ㄏ鄬τ趥鹘y(tǒng)PI控制器具有很好的魯棒性和快速響應(yīng)性能。由于所提出快速終端滑?？刂剖且环N二階滑?？刂?，積分作用可以很好的抑制了滑?？刂贫秳訂栴}，同時解決了永磁同步電機電流耦合問題。

[1] 田永, 韋俊, 等.汽車內(nèi)飾零部件材料的選擇與應(yīng)用[J].汽車與配件，2014，23：117-123.

[2] 張希，陳宗祥，潘俊民，等．永磁直線同步電機的固定邊界層滑模控制[J]．中國電機工程學(xué)報，2006，26(22)：115-121．

[3] 張昌凡，王耀南，何靜．永磁同步伺服電機的變結(jié)構(gòu)智能控制[J]．中國電機工程學(xué)報，2002，22(7)：13-17．

[4] 童克文，張興．基于新型趨近律的永磁同步電動機滑模變結(jié)構(gòu)控制[J]．中國電機工程學(xué)報，2008，28(21).102-106．

[5] 賈洪平，賀益康．永磁同步電機滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(1)：1-6．

[6] 汪海波，周波，方斯?。来磐诫姍C調(diào)速系統(tǒng)的滑模控制[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2009，27(9)：71-77．

[7] 楊文強，蔡旭，姜建國．矢量控制系統(tǒng)的積分型滑模變結(jié)構(gòu)速度控制[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報．2005，39(3)；426-428．

[8] 寇寶泉，程樹康．交流伺服電機及其控制[J]．北京：機械工業(yè)出版社，2008：45-78．

[9] 朱磊，溫旭輝，趙峰，等．永磁同步電機弱磁失控機制及其應(yīng)對策略研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2011，31(18)：67-72．

[10] 羅慧，王軍林，尹泉．PMSM 自適應(yīng)觀測器算法低速穩(wěn)定性研究[J]．電氣傳動，2013，43(8)：3-7．

[11] 童克文，張興，張昱，等．基于新型趨近律的永磁同步電動機滑模變結(jié)構(gòu)控制[J]．中國電機工程學(xué)報，2008，28(21)：102-106．

[12] 達宇輝，汽車內(nèi)飾制造企業(yè)庫存分類方法研究[D] 上海：上海交通大學(xué)，2011：45-78．

[13] 魯文其，胡育文，杜栩楊，等．永磁同步電機新型滑模觀測器無傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)[J]．中國電機工程學(xué)報，2010，30(33)：78-83．

[14] 劉穎，周波，方斯?。谛滦蛿_動觀測器的永磁同步電機滑模控制[J]．中國電機工程學(xué)報，2010，30(9)：80-85．

Application of Siemens PLC Sliding Mode Variable Structure Control in Automotive Interior Equipment Based on the Thermal Pressing Edge

Shen Bin, Lu Linji
(Automation Institute, Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 201240, China)

This paper introduced the mechanical structure and designing principal, the production process of the compression forming machine. It was with Siemens PLC and HMI as the man-machine interface, SEW inverter as the main control unit of constant torque. It realized closed-loop control of temperature of module constant temperature treatment. In the production process, because work pieces were scrapped occasionally caused by pressure overshoot, this paper also presented mcthod to accurately control the pressure, to reduce the pressure overshoot measures, and to overcome the bottleneck encountered in the actual production process.

Constant torque and PLC programmable controller； Frequency converter

TP393.07

A

1007-757X(2016)11-0063-03

2016.05.26）

沈 彬（1986-），男，上海交通大學(xué)自動化系工程碩士研究生，研究方向：嵌入式控制系統(tǒng)研究，上海交大 200030

路林吉（1963-），男，上海交大自動化系副教授，研究方向：工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用，上海交大 200030