智能立體車庫(kù)中PLC與矢量變頻器控制方法的分析設(shè)計(jì)

馬德智，寇志偉，李文軍，徐明娜，孫萬利

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)部，呼和浩特 010051）

隨著汽車家庭化的實(shí)現(xiàn)，我國(guó)汽車保有量正與日俱增，停車難成為全國(guó)各大中城市不得不面臨的困境。立體車庫(kù)以其占地面積小，存車容量大，自動(dòng)化程度高等諸多突出優(yōu)勢(shì)，正被各城市紛紛采用，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與方法也表現(xiàn)出諸多形式。伴隨可編程邏輯控制器PLC與變頻技術(shù)的高速發(fā)展與應(yīng)用，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的控制模式表現(xiàn)出極大的便利性和智能化。因此，越來越多的立體車庫(kù)舍棄了單片機(jī)或者工業(yè)計(jì)算機(jī)的核心控制方法，以PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的主要控制單元，使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全和穩(wěn)定[1]。在此以巷道堆垛式立體車庫(kù)為例，分析研究PLC與變頻器結(jié)合電動(dòng)機(jī)的控制模式及改進(jìn)辦法。

1 巷道堆垛式立體車庫(kù)

根據(jù)實(shí)際所需，立體車庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)多種多樣。其中，巷道堆垛式立體車庫(kù)的結(jié)構(gòu)類似于倉(cāng)儲(chǔ)貨架，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的單臺(tái)或多臺(tái)搬運(yùn)機(jī)械，在地面巷道、空中巡回運(yùn)作，將入庫(kù)或出庫(kù)車輛放置于對(duì)應(yīng)的位置或移出，圖1展示了一個(gè)兩列四層式巷道堆垛式立體車庫(kù)的俯視和側(cè)視。此類型的車庫(kù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，停車位置固定，空間利用率高。

圖1 兩列四層巷道堆垛式立體車庫(kù)示意Fig.1 Structure of two-row four-story garage

存車時(shí)，司機(jī)將車輛停穩(wěn)至搬運(yùn)機(jī)構(gòu)之上，系統(tǒng)自動(dòng)尋找無車存車格，縱移電機(jī)將車輛水平移動(dòng)至存車格所在存車列，曳引電機(jī)將車輛抬升至所在層面，再由橫移電機(jī)將車輛移至存車格內(nèi)部，隨后搬運(yùn)機(jī)構(gòu)退出，等待下一次指令[2]。

2 控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

綜上所述，系統(tǒng)的動(dòng)力源為電動(dòng)機(jī)，而對(duì)于電動(dòng)機(jī)的控制為采用PLC與變頻器、多種傳感器及其它低壓電器的組合。PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心接受來自傳感器及人工控制端的信號(hào)并向各變頻器發(fā)出指令，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。

常規(guī)立體車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，通常利用變頻器優(yōu)良的軟啟動(dòng)性能，調(diào)節(jié)加減速時(shí)間，再配以相應(yīng)的減速器，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或停止過程。這樣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用，但對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，不論是何種負(fù)載情況，都工作于相同運(yùn)行頻率，浪費(fèi)時(shí)間，耗費(fèi)成本，啟動(dòng)過程生硬、死板。

如將常規(guī)控制方法中的普通V/F變頻器控制替換成矢量變頻控制，與PLC智能、精確的控制策略相互配合，便能根據(jù)當(dāng)前的負(fù)載狀況改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式，提高工作效率，進(jìn)一步降低運(yùn)行成本[3]。

立體車庫(kù)的載車平臺(tái)，其負(fù)載輕重一般是隨機(jī)的，無規(guī)律可循。經(jīng)調(diào)研，小型家用汽車的整備質(zhì)量為700～2000 kg。在搬運(yùn)機(jī)構(gòu)接到指令前去就位的過程中電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行，因此依據(jù)負(fù)載的大小去改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式，提高機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度，將節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，有利于電動(dòng)機(jī)的負(fù)重，給用戶和管理者以更為高效的體驗(yàn)。

電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。該系統(tǒng)擬采用西門子公司的S7-300系列PLC作為核心控制環(huán)節(jié)，其兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高，體積小巧，I/O點(diǎn)靈活搭配[4]；由于整個(gè)系統(tǒng)將運(yùn)用變頻器的轉(zhuǎn)矩控制功能，因此選擇西門子公司的MM440矢量變頻器作為電動(dòng)機(jī)調(diào)速終端；而重力檢測(cè)部分采用四點(diǎn)支撐的壓力傳感器，當(dāng)車輛施加于稱重臺(tái)上，稱重臺(tái)會(huì)輸出壓電信號(hào)，信號(hào)大小與車輛的重量成正比，之后被送至放大器經(jīng)放大后，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，進(jìn)入PLC的數(shù)字量輸入端口，提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

圖2 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案Fig.2 Whole frame of motor control system

3 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速雙饋閉環(huán)控制系統(tǒng)

矢量變頻器技術(shù)是基于“d-q軸理論”而產(chǎn)生，其將電動(dòng)機(jī)的電流分解為d軸電流和q軸電流，其中d軸為勵(lì)磁電流，q軸為力矩電流[5]；如此，便可以將交流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和力矩電流分開控制，使得變頻器既可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速又可控制轉(zhuǎn)矩。

一般而言，矢量控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)分為電流反饋和速度反饋2種，電流反饋用于反應(yīng)負(fù)載的情況，使直流信號(hào)中與轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的分量能夠隨著負(fù)載發(fā)生變化，從而模擬出類似于直流電機(jī)的工作狀態(tài)。然而，針對(duì)于立體車庫(kù)控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)在一定的工作時(shí)間內(nèi)，負(fù)載不會(huì)發(fā)生自主變化，如果直接設(shè)置電流反饋，出現(xiàn)系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)，反而會(huì)造成搬運(yùn)過程的不穩(wěn)定。因此，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)矩信號(hào)直接傳送至S7-300，經(jīng)CPU的運(yùn)算將轉(zhuǎn)矩根據(jù)車重固定，用于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或停機(jī)過程。

速度反饋反應(yīng)實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定值之間的差異，并且以最快的響應(yīng)速度進(jìn)行效正，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。該系統(tǒng)的速度反饋環(huán)節(jié)利用固定于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的光電旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)，編碼器可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量形式輸出，該數(shù)字量直接進(jìn)入矢量變頻器的PG（pulse generator）卡即矢量變頻器固有的脈沖發(fā)生器，將編碼器發(fā)出的脈沖轉(zhuǎn)換成變頻器CPU能夠識(shí)別的形式，變頻器再將此信號(hào)反饋至PLC，以使控制核心做出反應(yīng)。針對(duì)該系統(tǒng)而言，速度反饋主要應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止過程。

4 轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速控制模式的切換

對(duì)于普通V/F變頻器，自身已具備良好的軟啟動(dòng)特性，然而在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)位于工頻以下工作時(shí)，基本都執(zhí)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，雖然速度由慢及快，但轉(zhuǎn)矩不發(fā)生變化，如對(duì)于運(yùn)行的平穩(wěn)性要求較高，則只有延長(zhǎng)啟動(dòng)加速時(shí)間，獲得較小的加速度，這無疑降低了工作效率。不同的是，矢量變頻器可對(duì)轉(zhuǎn)矩在任何時(shí)刻進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且轉(zhuǎn)矩的輸出同樣是由零逐步增加到規(guī)定值，一定程度地滿足了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，拖動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)矩取決于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。即：

式中：Tz為拖動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)矩；Tx為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度與狀態(tài)轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，即：

式中：Gd2為系統(tǒng)傳動(dòng)裝置力矩，如減速器等裝置。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)矩與速度關(guān)系如圖3所示。圖中，T為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。變頻器啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，由PLC給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)Tx，隨著時(shí)間推移，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由零線性增加，克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，由于此時(shí)仍未達(dá)到Tx的實(shí)際值，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，可觀察到電動(dòng)機(jī)速度的上升曲線較恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速更為柔軟和平滑。此方式如持續(xù)運(yùn)行，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)速度持續(xù)增加，無法控制。因此，在矢量變頻器內(nèi)部設(shè)置時(shí)，應(yīng)規(guī)定轉(zhuǎn)矩控制的速度上限nm，以抑制速度的攀升趨勢(shì)。

圖3 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)矩與速度關(guān)系Fig.3 Relationship between torque and speed during motor starting

其次，由于轉(zhuǎn)矩控制階段與轉(zhuǎn)速控制無關(guān)，只可設(shè)置速度上限頻率，因而靈活性大大折扣，為了使電動(dòng)機(jī)因負(fù)載的不同而調(diào)節(jié)速度，必須在電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間之后切換至速度控制模式，速度信號(hào)仍然由PLC通過模擬量進(jìn)行給定，MM440的模擬量輸入端電壓為DC 0～10 V；而切換通常由PLC發(fā)出信號(hào)于小型繼電器進(jìn)行開關(guān)量的輸入。

變頻器控制模式切換過程如圖4所示。切換轉(zhuǎn)速控制之前，由圖4（a）可見，切換時(shí)間點(diǎn)t2電動(dòng)機(jī)的加速度較大，直接切換勢(shì)必造成一定的運(yùn)行沖擊或抖動(dòng)，影響搬運(yùn)安全。因此，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在適合時(shí)間點(diǎn)上再次降低轉(zhuǎn)矩以減小電動(dòng)機(jī)的加速度，形成圖4（b）中的平滑上升曲線，并與t2時(shí)間點(diǎn)切換至給定的轉(zhuǎn)速控制之上。由于具有旋轉(zhuǎn)編碼器的速度反饋環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)經(jīng)受擾動(dòng)時(shí)能及時(shí)的糾正與回位，保證了整個(gè)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行。在電動(dòng)機(jī)的停機(jī)時(shí)段，變頻器再次切換至轉(zhuǎn)矩控制模式，不同的是接收來自PLC的負(fù)轉(zhuǎn)矩信號(hào)，前半段轉(zhuǎn)矩較小，后半段轉(zhuǎn)矩提升，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)出速度近零時(shí)，便可即刻啟動(dòng)抱閘裝置，使電動(dòng)機(jī)停止。

圖4 變頻器控制模式切換過程Fig.4 Switching process of the working mode of inverter

5 控制系統(tǒng)工作流程總結(jié)

對(duì)于目前的立體車庫(kù)機(jī)械系統(tǒng)而言，通常采用梳狀載車板，可清晰而便捷地在整個(gè)搬運(yùn)過程中進(jìn)行載車板的靈活替換與銜接，而在此采用巷道堆垛式立體車庫(kù)縱向車位排布，因而搬運(yùn)過程中存在車輪受力方向與載車板梳狀平行，導(dǎo)致車輛位于載車板之上容易滑動(dòng)的問題。因此，根據(jù)載車板受力確定搬運(yùn)速度和改善速度變化的平滑特性十分必要。文中以存車時(shí)縱移電動(dòng)機(jī)的工作流程為例，介紹整個(gè)控制系統(tǒng)的工作過程。以存車過程為例的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體工作流程如圖5所示。

圖5 以存車過程為例的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體工作流程Fig.5 Working flow chart of motor control system for storage process

縱移電機(jī)在工作過程中歷經(jīng)多次的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制的切換，保障了整個(gè)搬運(yùn)過程的平穩(wěn)過度，進(jìn)一步提升了車輛在庫(kù)中的安全。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于立體車庫(kù)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)用PLC和矢量變頻器的聯(lián)合工作可提高立體車庫(kù)的工作效率與安全穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低建設(shè)與維護(hù)成本，是立體車庫(kù)進(jìn)一步發(fā)展過程中的優(yōu)良選擇。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展與新進(jìn)設(shè)備持續(xù)更新，對(duì)于立體車庫(kù)電動(dòng)機(jī)控制模式的方案必將更加的便捷與精確，以極大提升生活服務(wù)質(zhì)量。