基于PLC的位置跟随控制系统.pdf

置 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 1 0 4 1 ． 2 0 1 0 ． 0 5 ． 0 0 6 基 于 P L C的位置跟 随控 制 系统 李志刚， 杨公源 天津工业大学 电气工程与自动化学院， 天津 3 0 0 1 6 0 摘要 本文介绍的位置跟随控制系统 的核心是两 台交流 电机的 同步控 制， 该控制 系统以 OMR ONP L C为控制 中心． 结合变频器． 对两台交流 电机进行同步控制。在工业生产中应用广泛 。 如许多工厂的生产 线、 装 配线或纺织 、 印染、 造纸的锭翼和卷绕等都会用到这类同步驱动。该 系 统选用了高速计数单元， 对编码器的高速脉冲信号处理后及时反馈给 变频器 ， 从而控制电机速度以达到位 置的 同步控 制。实 际应用表 明该 系统具有较高的控制精度和性能。 关键词 位置控 制；协调控制 ； P L C 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A Co n t r o l s y s t e m f o r p o s i t i o n t r a c k i n g a nd c o o r d i n a t i o n b a s e d o n PLC LI Z h i - g a n g。YANG Go n g y u a n T i a n j i n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g a n d Au t o ma t i o n I n s t i t u te，T i a n j i n 3 0 0 1 6 0， C h i n a Ab s t r a c t Th i s t ex t i n t r o du c t s a t r a c k i n g a n d c oo r d i n a t i o n c on t roI s y s t e rn wh ich ma i n c o n t rol led me mb er ar e t wo e l e c t r ic mO t o r s。s y n c hro n iz i n g t h e s p e e d o f t wo AC mo t o r s i S c o n t r o ll e d b y t h is c o n t rol s y s t e rn． wh i c h u s es 0MR0N PL C a s c o n t r o I c e n t e r an d t r a n s d u c e r ．Ap - p li e d e x t e n s iv e i n t h e in du s t r y。s u c h a s man y pr o d u c t ion Ii n e。 a s s emb ly li n e s o r s p i n n in g I p r in t i n g。 t h e t a b l e t o f t h e d e c k l e wi n g a n d i n v olu t i o n e t c． S ． 1 1 1 i s s y s t e m u s e s h ig h s p e e d c ou n t in g u n it 。wh i c h ma k e s h ig h - s p e e d p u l s e s i g n a l p r o c e s s in g a n d t h en f e ed b a c k s t o t h e t r a n s d u c e r 。 wh ic h a t I a i n s t h e s yn c hr o n o u s c On l r 0 l o f t h e p o s it ion ． Ph y s ic a l ly a p pli e d e x p r es s e s t he s y s t em h a s t h e h i g h er C O n t r o I a c c u r a c y a n d f u n ction ． Ke y wor dsp o s it ion c on t r o l ；c oo r di n a o n c on t r ol ；PL C O 引言 在工业生产中常采用多台交流电机或直流电机作为拖动 装置， 而多台电机的同步传动控制是系统的关键问题． 从驱动 电机之间的连接关系来看一般可以分为两类 一类是各 电机 之间相互独立， 电机之问不存在物理连接， 采用多电机同步驱 动主要是生产工艺或功率的需要， 如钢厂的连铸机 、 轧钢机等 都属于这类同步驱动； 另一类是各电机间存在柔性的物理连 接， 各电机的工作状态有相互影响， 彼此之间存在着严重的耦 合作用， 比如许多工厂的生产线 、 装配线或纺织、 印染、 造纸的 锭翼和卷绕等就属于这类同步驱动。 本题正是针对第二类问题而设计的一套具有实用价值 的 控制系统。经验证 ， 该系统具有较高的性能和控制精度。 1 工艺 要求及 工 作原 理 位置跟随系统示 意 图如 图 1所示， 图中， 转 轴直径 为 9 0 0 ra m， 长度为 8 0 0 0 ra m。转轴两端的螺母分别由丝杠 1和丝 杠2传动。丝杠 1和丝杠 2的有效工作长度为 6 0 0 0 m m。 图 1 位置跟随控制系统示意圈 欢迎订 阅 欢迎撰稿 欢 迎发 布产品广告信息 在加工过程中， 转轴从右端向左运行 ， 要求螺母 2跟随螺 母 1移动， 保证转轴始终与丝杠成垂直状况， 螺母 1为主令部 件， 螺 母 2为跟 随部件， 构 成位置 跟随 系统， 要求 在全 程 6 0 0 0 mm的跟随过程中， 跟随过程 中以及到达终点时的位置误 差不大于 1 m m。 2 控制系统设计 控制系统框图如图 2所示。系统由触摸屏、 P L C、 变频器 1 、 主令电机 1 、 增量式编码器 1 、 变频器 2 、 跟随电机 2 、 增量式 编码器2 、 接近开关以及常规电器等组成。 图 2位 置跟 随控 制 系统 框 图 文件 名 2 ． 1 高速计数单元 CT 0 2 1 在本系统中， 利用高速计数单元 C 2 0 0 H C T 0 2 1分别对主 令电机编码器 P G 1的脉冲和跟随电机编码器 P G 2的脉冲进行 计数， P L C对两路脉冲数之差即位置误差进行运算处理， 处理 结果经数字量／ 模拟量输出单元 D A 0 0 3输 出， 控制变频器 2和 跟 随电机 2 ， 从 而实现位置跟随控制 。 在选用高速计数单元时， 应考虑它与减速器和编码器 的 匹配问题。本 系统采用 的编码器 P G 1和 P G 2均为 3 6 0 P ／ R 3 6 0个脉 冲／ 每转 ， 减速 器的减速 比为 4 o ， 丝杠 1 和丝杠 2的 螺距均为 1 2毫米， 即每个脉冲对应螺母移动距离为0 ． 8 3 3微 米。丝杠工作长度为 6 0 0 0 m m， 对应于 7 2 0 0 0 0 0个编码器脉冲， C T 0 2 1的计数范围是 一8 3 8 8 6 0 8～8 3 8 8 6 0 7 ， 就计数范 围而言 ， 满足工艺要求 。 编码器位于电机非负载轴端， 电机的额定转速为 9 2 0 r p m， 相应的编码器输出脉冲频率为 5 ． 5 2 k H z ， C T 0 2 1的最高计数频 率为5 0 k H z ， 就计数频率而言， 也满足工艺要求。 2 ． 2 驱动器 动 力装 置 采用德国西门子公司的MI C R O MA S T E R 4 4 0型变频器 以 下简称 4 4 0变频器 。4 4 0变频器是适合用于三相电动机速度 控制和转矩控制的变频器系列， 功率范围涵盖 1 2 0 W 至 2 0 0 k W 恒转矩 V T方式 或 2 5 0 k W 变转矩 V T方式的多种型 号可供用户选用。变频器由微处理器控制并采用具有现代先 进技术水平的绝缘栅双极型晶体管 I G B T作为功率输 出器件 ， 因此具有很高的运行可靠性和功能的多样性 ， 其脉冲宽度调 制的开关频率是可选的， 因而降低了电动机运行的噪声。全面 而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。 4 4 0变频器具有默认的工厂设置参数时， 它是为简单电动 机变速驱动系统供电的理想变频驱动装置。由于 4 4 0变频器 具有全面而完善的控制功能， 在设置相关参数以后， 它也适合 用于需要多种功能的电动机控制系统。4 4 0变频器既可用于 单机驱动系统也可集成到 自动化系统中。 EI C VO 1 ． 1 7 2 01 0 No ． 5 1 1 口科研设计成果口 2 ． 2 ． 1 电动机数据的 自动检测 为了实现变频器与电动机的最佳匹配， 应该计算等效电 路的数据和电动机的磁化特性。MM 4 4 0变频器具有检测电动 机技术数据的功能。 设定参数 P 1 9 1 01 ， 自动检测电动机的数据和变频器的 特性 ， 并改写以下参数的数值 1 P o 3 5 0 定子电阻 2 P 0 3 5 4 转子电阻 3 P o 3 5 6 定子漏抗 4 P o 3 5 8 转子漏抗 5 P o 3 6 O 主 电抗 6 P 1 8 2 5 I G B T的通态 电压 7 P 1 8 2 8 触发控制单元联锁时 间补偿 门控死区 电动机的磁化特性是通过运行电动机数据自动检测程序 得到的， 如果要求电动机一变频器系统在弱磁区运行， 特别是 要求采用矢量控制的情况下 ， 就必须得到磁化特性 ， 有了磁化 特性以后， 变频器可以更精确地计算在弱磁区里产生磁通的 电流， 并由此得到精度更高的转矩计算值。 设定参数 P 1 9 1 0 3 ， 自动检测饱和曲线， 并改写以下参数 的数值 1 P 0 3 6 2一P o 3 6 5 磁化曲线的磁通 l 一 4 2 P 0 3 6 6～P 0 3 6 9 磁化曲线的磁化电流 1 ～ 4 电动机的铭牌数据是进行技术参数 自动检测的原始数 据， 因此在确定上述数据时必须键入正确和协调一致 的铭牌 数据。 2 ． 2 ． 2 P I D参数 自动整定 P I D参数 自动整定是系统参数 自动辨识和控制器 P I D参 数 自动整定相结合的一种 自适应控制技术。参数 P 2 3 5 0用于 P I D参数 自动整定。 P 2 3 5 0 0 禁止 P I D参数 自动整定 P 2 3 5 01 标准的Z i e g l e r N i c h o l s Z N 参数整定， 属于对阶 跃信号 1 ／ 4阻尼的响应特性。 P 2 3 5 0 2 按照这种参数整定 P I D时， 对阶跃信号的响应 有一些超调 ， 但其响应速度比P 2 3 5 0选择 l时要快一些。 P 2 3 5 0 3 按照这种参数整定 P I D时， 对阶跃信号的响应 有微小的超调或没有超调， 但其响应速度不如 P 2 3 5 0选择 2 时快。 P 2 3 5 0 4 按 照这种参数 整 定 P I D时 ， 只改 变 P和 I 的数 值， 属于对阶跃信号 1 ／ 4阻尼的响应特性。 2 ． 3 控制 系统编程 图2中， I R 1 4 2 、 I R l 4 3 一编码器 P G1 脉冲的计数值， I R 1 4 4、 I R1 4 5 一编码器 P G 2脉冲的计数值， I R1 3 1 一送往变频器 1的控 制信号， I R 1 3 2 一送往变频器 2的控制信号。 工艺上要求变频电机 M2跟随变频电机 M1 运行 ， 即图2 中的螺母 2移动的距离 L 2跟随螺母 1移动距离 u ， 从而使 8 米长的转轴在移动过程中始终与丝杠保持垂直 。 在生产过程， 螺母 1和螺母2要移动6 0 0 0 m m， 在设备上不 便于安装螺母位置检测装置， 因此 ， 本系统采用“ 半闭环” 控制 方式 ， 即变频电机 M的角位置 0 跟随变频电机 M 的角位置 0 。0 l 、 0 与 L 。 、 L 2 的关系为 r一旦 ． 上 ． r 1 、 一 4 0 36 0 17 1 ， 1 2 1 ⋯ L2 。 2 t z 1 2 E I C V0 f ． 1 7 2 01 0 NO ． 5 仪器仪表用户 式中， 数值 1 2 一 丝杠螺距， 数值 4 0 一 减速比。 编码器P G 1 和P G 2 均为3 6 0 P ／ R 3 6 0 个脉冲／ 每转 ， 减速 器的减速比为4 0 ， 丝杠1和丝杠 2 的螺距均为 1 2 mm， 即每个脉 冲对应螺母移动距离为0 ． 8 3 3 m。 则有 L 10 ． 8 3 3 1 0 一 i v , mm 3 L 20 ． 8 3 3 1 0 ～ 1 v 2 mm 4 式 中， Ⅳ。 一 编码器P G 1 产生的脉冲数， Ⅳ2 一编码器 P G 2产生的 脉冲数 。 因此， 对 L 的位置跟随控制就是 N 对 N 的脉冲数跟 随控制 。在图2中， 电机 M 的编码器 P G1发出的脉冲数 N 是跟随系统的位置设定， 跟随电机的编码器 P G 2发 出的脉冲 数 N 为位置反馈， 构成电机角位置闭环控制系统， 即“ 半闭 环” 控制系统。 在 P L C系统中， 高速计数单元 C T 0 2 1 的计数器 1对 N l 脉 冲数进行计数， 计数值在 I R1 4 2和 I R1 4 3中； 计数器计 2对 N 2 脉冲数进行计数， 计数值在 I R 1 4 4和 I R 1 4 5中， 两者之差 A N 乘以 0 ． 8 3 31 0 即为位置误差 △ L 。在 P L C系统中， 对 A N 进行运算处理 ， 处理 的结果经 D ／ A转换送往跟随系统的变 频器 。 在实际操作中， 统一给定信号 U 施加于主令和跟随控制 系统上 ， 计数偏差 位置误差 信号 U 叠加在跟随控制系统的 统一设定信号上 ， 即跟随控制系统的设定信号为 U U 。 ， 其 中， U 可正可负， 取决于脉冲数 N 和 N 的相对大小。M 控 制系统是恒值控制系统 ， M 控制系统是位置跟随控制系统。 3 结束语 为了达到响应快、 不超调且跟随精度高的目标， 设计的位 置跟随控制系统采用了变增益控制， 即将跟随位置误差分为 1 6级， 相应地设置了 l 6个增益值和 1 6个积分时间常数。误 差大时增益大， 随着误差的逐渐减小， 增益自动地随着减小； 误 差大时积分时间常数小， 随着误差的逐渐减小， 积分时间常数 自动地增大。在实际运行中十分稳定 ， 能够较好的运用到生产 使用当中。口 参考文献 [ 1 ]杨公源． 可编程控制器原理与应用 [ M] ． 北京 电子工业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ]杨公 源 ． 机 电控 制 技 术 及应 用 [ M] ． 北 京 电子 工 业 出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]杨 公源 ． 常 用 变 频器 应 用 实例 [ M] ． 北 京 电子 工 业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ]杨公源 ， 黄琦兰． 可编程控制器应用 与实践 [ M] ．北 京 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ]林明星． 电气控制及 可变程序控制器 [ M] ．北京 机械工业 出 版社 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ]丁莉君 ， 邓莎萍． 浅谈 P L C通 信技术 [ J ] ． 电气 传动 自动化 ， 2 0 0 7， 2 9 2 [ 7 ]张燕宾． S P WM变频调速应用技术 [ M] ． 北 京 机械工 业出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 8 ]闻邦椿， 赵春雨， 苏东海． 机械系统的振动同步与控制同步 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 9 ]龚运新． 工业 组态 软件实 用技术 [ M] ．北京 清 华大 学出版 社 ， 2 0 0 5 ． 作者简介 李志刚 ， 男， 硕士研 究生。 研 究方 向 计算机综合 自动化 ； 杨公 源 。 男 。 教授。 收稿 日期 2 0 1 0 -0 4 1 3 欢迎光临本刊网站 h a p ／ ／ w w w． e i c ． C O rn． C t l