甄任賀

(廣東技術(shù)師范學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州 510635)

0 引言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的深入發(fā)展，基于變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)在大中型自動(dòng)化生產(chǎn)中取得了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線通常采用多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能否實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的協(xié)調(diào)工作，直接關(guān)系到生產(chǎn)的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制已成為研究熱點(diǎn)［1］。本文介紹廣州黃埔長(zhǎng)輝印染有限公司的102－180型三柱軋水烘干機(jī)的變頻技術(shù)改造項(xiàng)目。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

生產(chǎn)過(guò)程中布首先經(jīng)過(guò)漿槽，再在主電機(jī)M0的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入一柱烘干，再進(jìn)入二柱、三柱烘干，最后在落布電機(jī)的作用下，完成出布功能。M1、M2、M3、M4這四個(gè)電機(jī)分別是一柱、二柱、三柱烘筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)和落布電機(jī)。系統(tǒng)要求M0、M1、M2、M3、M4 這幾個(gè)電機(jī)嚴(yán)格同步［2］。

原系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，采用直流調(diào)速技術(shù)。目前，變頻器已成為性價(jià)比極高的單元器件，因此采用變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造。系統(tǒng)采用RS－485總線實(shí)現(xiàn)與變頻器的通信，實(shí)現(xiàn)三柱軋水烘干機(jī)生產(chǎn)線上多臺(tái)異步電機(jī)的同步控制。

1 系統(tǒng)改造的硬件方案

把原系統(tǒng)中的直流電機(jī)變換為對(duì)應(yīng)功率的交流電機(jī)，控制方案如圖2所示。

控制系統(tǒng)以STC12單片機(jī)為核心，以主電機(jī)M0的轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)，通過(guò)編碼器測(cè)速，加到STC單片機(jī)上，作為速度基準(zhǔn)，通過(guò)RS－485總線，分別實(shí)現(xiàn)控制與驅(qū)動(dòng) M0、M1、M2、M3、M4 這幾個(gè)電機(jī)的變頻器通信，使 M1、M2、M3、M4電機(jī)跟隨著M0電機(jī)同步運(yùn)行。另外，編碼器0～編碼器3為各輥軸端安裝的光電編碼器，編碼器4為擺布電機(jī)M4同軸安裝的光電編碼器，反饋信號(hào)一方面作轉(zhuǎn)速反饋，另一方面經(jīng)轉(zhuǎn)換作下一臺(tái)電機(jī)的給定。主電機(jī)M0的測(cè)速編碼器的Z相脈沖用于計(jì)算退卷輥的卷徑;采用PID控制對(duì)同步誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 控制從電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)STC12單片機(jī)。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路，2路脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，8路高速10位 A/D轉(zhuǎn)換(250 K/S)，針對(duì)電機(jī)控制，特別適用于強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

(2)變頻器采用西門子的MM420及MM440，系統(tǒng)通信采用RS－485通信協(xié)議，變頻器接收控制的通信協(xié)議［3］如表1所示。

表1 MM420變頻器接收控制的通信協(xié)議

表中:STX區(qū)是一個(gè)字節(jié)的 ASCIISTX字符(02hex)，表示一條信息的開(kāi)始。LGE區(qū)是一個(gè)字節(jié)，指明這一條信息后跟的字節(jié)數(shù)目。按照USS的技術(shù)說(shuō)明，報(bào)文的長(zhǎng)度是可以變化的，而且報(bào)文的長(zhǎng)度必須在報(bào)文的第2個(gè)字節(jié)(即LGE)中說(shuō)明。根據(jù)配置，可以把報(bào)文定義為固定的長(zhǎng)度?？偩€上的各個(gè)從站結(jié)點(diǎn)可以采用不同長(zhǎng)度的報(bào)文。一條報(bào)文的最大長(zhǎng)度是256個(gè)字節(jié)，LGE是根據(jù)所采用的數(shù)據(jù)字符(數(shù)量n)數(shù)、地址字節(jié)(ADR)和數(shù)據(jù)塊檢驗(yàn)字符(BCC)確定的。顯然，實(shí)際的報(bào)文總長(zhǎng)度比LGE要多2個(gè)字節(jié)，因?yàn)樽止?jié)STX和LGE沒(méi)有計(jì)算在LGE以內(nèi)。ADR區(qū)是一個(gè)字節(jié)，是從站結(jié)點(diǎn)(即變頻器)的地址。PKE設(shè)置為0，IND默認(rèn)為0，VAL設(shè)置為0。STW為變頻器控制動(dòng)作位，正轉(zhuǎn)設(shè)置為47F，反轉(zhuǎn)設(shè)置為C7F。HSW為頻率設(shè)置，設(shè)計(jì)是在程序中進(jìn)行運(yùn)算。BCC區(qū)是長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和，用于檢查該信息是否有效。它是該信息中BCC前面所有字節(jié)“異或”運(yùn)算的結(jié)果。如果根據(jù)校驗(yàn)和的運(yùn)算結(jié)果，表明變頻器接收到的信息是無(wú)效的，則丟棄這一信息，并且不向主站發(fā)出應(yīng)答信號(hào)。

(3)該設(shè)計(jì)中采用的旋轉(zhuǎn)編碼器是E6A2系列的，是OMRON增量型旋轉(zhuǎn)式編碼器。在該設(shè)計(jì)中，采用STC12單片機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器相連，采用單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。該旋轉(zhuǎn)編碼器有5根接線，褐色是VCC，黑色、白色、橙色分別是A相、B相、Z相，青色是地端。

2 同步傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方案

控制方案如圖3所示。

圖3 同步傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方案

圖中:ni——一級(jí)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速;

nif——本級(jí)經(jīng)編碼器反饋來(lái)的轉(zhuǎn)速;

ni+1——下一級(jí)電機(jī)的給定;

ki+1——下一級(jí)的放大系數(shù)。

卷徑計(jì)算時(shí)，編碼器的Z相每出現(xiàn)一個(gè)脈沖退卷輥卷徑減小2h(h為織物厚度)，系統(tǒng)［4］:

式中:V——系統(tǒng)給定的線速度;

n0，n1，n2，n3，n4——電機(jī) M0、M1、M2、M3、M4的給定轉(zhuǎn)速;

R0，R1，R2，R3，R4——各電機(jī)對(duì)應(yīng)各輥的半徑;

D0，D1，D3，D3，D4——各電機(jī)對(duì)應(yīng)各輥的直徑;

nf0，nf1，nf2，nf3，nf4——電機(jī) M0、M1、M2、M3、M4由對(duì)應(yīng)編碼器所測(cè)出的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

對(duì)于某一時(shí)刻t，STC12單片機(jī)通過(guò)對(duì)光電編碼器脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)得到五臺(tái)電機(jī)的反饋轉(zhuǎn)速nf0，nf1，nf2，nf3，nf4，同時(shí)得出退卷輥的輥徑，根據(jù)式(1)～(5)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)算得到各臺(tái)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速 n0，n1，n2，n3，n4，則可定義每臺(tái)電機(jī)的同步偏差為

當(dāng) ei=0(i=1，2，3，4)時(shí)，表示在給定線速度下，主從電機(jī)同步;ei≠0時(shí)，表示給定線速度下主從電機(jī)不同步。

同步控制系統(tǒng)的各臺(tái)電機(jī)采用PID控制規(guī)律［5］進(jìn)行調(diào)節(jié)，其連續(xù)表達(dá)式為

式中:Kp——比例系數(shù);

Ti——積分時(shí)間常數(shù);

Td——微分時(shí)間常數(shù)。

將式(7)按采樣周期離散化后，位置型控制算法的遞推算法為

其中:

參數(shù)整定過(guò)程:確定采樣周期T，運(yùn)行比例控制器，形成閉環(huán)，逐漸增大比例系數(shù)，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界狀態(tài)，記下此時(shí)的比例系數(shù)Kr(臨界比例系數(shù))和震蕩周期Tr(臨界震蕩周期)。然后利用經(jīng)典公式(見(jiàn)表2)求取PID控制器的參數(shù)，按求得的參數(shù)運(yùn)行，觀察系統(tǒng)控制效果，微調(diào)有關(guān)參數(shù)，以獲得最佳效果。

表2 比例法參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

4 控制算法流程

程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種初始化設(shè)置，接著對(duì)編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，給定的采樣時(shí)間到時(shí)，單片機(jī)把速度反饋值賦給 nif(i=0，1，2，3，4)，ni(i=0，1，2，3，4)為轉(zhuǎn)速給定，按式(6)可計(jì)算出各電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差，如果系統(tǒng)不同步，按式(8)、(9)即可算出各電機(jī)的Δu(k)和u(k)，u(k)即為各電機(jī)的控制轉(zhuǎn)速，通過(guò)RS－485通信，把轉(zhuǎn)速傳輸給對(duì)應(yīng)的變頻器，由變頻器控制電機(jī)。如果系統(tǒng)已同步，直接把u(k)傳輸給變頻器即可。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

采用STC12單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，通過(guò)RS－485協(xié)議在單片機(jī)和變頻器之間進(jìn)行通信，不但節(jié)省了一般控制系統(tǒng)中的D/A模塊，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，節(jié)省了費(fèi)用開(kāi)支;同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的顯示電路，可以清楚地知道各電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài);另外，通過(guò)與單片機(jī)相連的RS－232總線，可以方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的初始參數(shù)值。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行證明，該系統(tǒng)能可靠地滿足生產(chǎn)廠家的需要，受到廠家的好評(píng)。

圖4 系統(tǒng)的程序流程圖

［1］張良.基于模糊－PID控制的主從電機(jī)同步傳動(dòng)系統(tǒng)［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2008(5):34-37.

［2］常州紡織儀表廠.CYDII系列可控硅整流裝置產(chǎn)品說(shuō)明書［G］.1981.

［3］陳效邦.印染機(jī)械電氣控制［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1989.

［4］陳汝全.實(shí)用微機(jī)與單片機(jī)控制技術(shù)［M］.北京:電子科技大學(xué)出版社，1998.