周秀君，鄧榆林

（廣東省佛山市順德學院，廣東順德528333）

1 引言

電機的同步性能會直接影響著系統(tǒng)的可靠性、產(chǎn)品的質(zhì)量和市場銷售。目前，基于單片機、DSP等為控制核心的同步系統(tǒng)較多。實際中，PLC為各種各樣的自動化控制設備提供了安全可靠和比較完善的控制應用，在自動化設備運行的PLC上增加部分硬件，推導一種新型電機算法設計的原理和公式，將電機的速度同步問題轉(zhuǎn)換成位置跟蹤同步問題，設計相應的流程，編寫關(guān)鍵控制程序，提供外加同步誤差補償，實現(xiàn)了一種具有較高應用價值的同步控制。通過實踐證明，克服了影響電機同步性能的各種因素，如各傳動軸的驅(qū)動特性不匹配、同型號設備之間的誤差、同一設備驅(qū)動信號的誤差和負載的擾動等。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)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。

2 控制方案

目前，多電機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)簡單，容易實現(xiàn)，但隨環(huán)境的變化和電機負載特性的影響，同步性能很難得到保證。現(xiàn)有的方案是采用主從控制結(jié)構(gòu)，即將主電機的轉(zhuǎn)速輸出根據(jù)時間、速度和頻率之間的關(guān)系進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變換成脈沖數(shù)作為從電機的脈沖數(shù)設定值，同時進行位置和速度的PID調(diào)節(jié)，從而調(diào)整從動機的輸出頻率，使從機的輸出量能準確無誤地跟蹤主機的輸出量變化并能復現(xiàn)，它們之間組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而保證兩臺電機的同步運行，多個從機之間可采用級聯(lián)或并聯(lián)方式。

3 數(shù)學模型的建立

模型建立力求結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、便于推廣應用。主電機可采用任意電機，從電機以二相步進電動機為例，采用全脈沖數(shù)字控制，控制核心是利用控制設備運行的PLC（FX2n48MT）、光電素子（EE-SX670A型）和光電盤。光電盤用于位置檢測，光電素子產(chǎn)生光源和吸收透過碼盤后的電脈沖，分別將主從電機的負載位置轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，輸入到PLC的高速輸入端（X0和X1），鑒向器鑒別給定信號的旋轉(zhuǎn)方向，驅(qū)動模塊［1]（ST-2HB04X型）放大功率驅(qū)動電機，主從電機傳動鏈上的零件（如變速器、碼盤等）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端的計數(shù)元件為C200，反饋端X1的計數(shù)元件為C201，在T1（取樣時間）時間內(nèi)X0端和X1反饋端的光電盤旋轉(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，電機轉(zhuǎn)速為零，系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)；

C′＞0，Y0端輸出脈沖數(shù)，電機朝著縮小偏差的方向運動，直至給定角度和反饋角度相等，系統(tǒng)處于新的靜止狀態(tài)［2]；

C′＜0，系統(tǒng)運動方向情況相反。

再假設給定/反饋光電盤光柵格數(shù)A，變速傳動比為i，步進電機驅(qū)動器設定細分值所對應的“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。差值信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)后，可得：

經(jīng)查閱，二相步進電機的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=200*細分數(shù)［3],變成在時間上連續(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)動器驅(qū)動電機和變速機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)獲得相應的速度。這種方法也適用于其它不同的電機。

4 軟件實施

為實現(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)運算處理、數(shù)值調(diào)節(jié)處理和驅(qū)動輸出等環(huán)節(jié)，軟件程序設計流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

4.1 PID調(diào)節(jié)

將計數(shù)器C200和C201中脈沖數(shù)分別存入相應地址單元中，根據(jù)上述算法進行速度位置計算（梯形圖省略），將主電機/從電機光電盤的脈沖數(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)不同的電機同步系統(tǒng)，通過人機界面改變PID參數(shù)，調(diào)出理想的目標速度值，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)動輸出

將變速傳動比i、常數(shù)K200和步進驅(qū)動細分值B分別存入單元D4、D5和D6地址單元中，計算脈沖輸出指令的頻率和脈沖數(shù)，然后進行脈沖輸出，程序如圖5所示。

圖5 脈沖輸出程序梯形圖

5 結(jié)束語

隨著科學技術(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)問題。長期以來，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)定運行時的精度高達±0.5%。希望在工業(yè)環(huán)境下PLC控制的工業(yè)系統(tǒng)中得到廣泛應用，并為其他控制系統(tǒng)和其他電機的同步控制提供可資借鑒的技術(shù)依據(jù)。

［1] 王宗培，程樹康.雙極性驅(qū)動的三相反應式步進電動機［J] .微特電機，1981，（2）.

［2] 盧道英.微型直流電動機轉(zhuǎn)速測量的一種方法［J] .微特電機，1985，（3）.

［3] 張文海.一種測試微型直流電機轉(zhuǎn)速的方法［J] .無線電，1978，（3）.

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