黎建軍

摘要：伺服系統(tǒng)是定位控制工程的首選，它最大的特點(diǎn)就是定位精準(zhǔn)，但對(duì)設(shè)備的要求高，投入的資金也是巨大的。而在控制要求沒有那么苛刻，誤差在毫米級(jí)的一些工程中，采用變頻器拖動(dòng)交流異步電機(jī)通過一些數(shù)據(jù)方面的處理，是完全能勝任精準(zhǔn)定位控制的。本文重點(diǎn)分析了變頻器在停止對(duì)電機(jī)輸出時(shí)的特點(diǎn)同時(shí)還對(duì)數(shù)據(jù)處理的方法作了進(jìn)一步的介紹。

關(guān)鍵詞：變頻器；頻率；斜坡；電機(jī)；精準(zhǔn)定位

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.102

變頻器在運(yùn)動(dòng)控制中的定位一直是它的軟肋，時(shí)常也讓設(shè)計(jì)人員絞盡腦汁卻難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。所以人們?cè)诖蠖鄶?shù)精準(zhǔn)位置控制系統(tǒng)中不得已采用伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一功能，這樣位置的控制要求絕對(duì)是達(dá)到了，但成本卻成倍的在增加。有沒有用變頻器也能實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)位置控制的方案呢？答案是肯定的。

1變頻器控制電機(jī)不同的停止方式的特點(diǎn)

（1）兩種電機(jī)停止方式的介紹。變頻器在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，最難讓人捕捉到它特點(diǎn)的時(shí)段是電動(dòng)機(jī)停機(jī)的那段時(shí)間。這段時(shí)間，電動(dòng)機(jī)一般有兩種停機(jī)方式，一種是自由慣性停機(jī)；另一種是按斜坡下降有規(guī)律的停機(jī)。前者牽涉到的因素比較多，首先是前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的阻力，其次還有運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量，還有停止前的運(yùn)動(dòng)速度等等，都會(huì)影響到該物體在變頻器沒有驅(qū)動(dòng)的情況下的運(yùn)動(dòng)的距離。從能量的角度來看，我們可以理解為物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化了克服阻力所移動(dòng)的距離所做的功。然而運(yùn)動(dòng)的阻力，運(yùn)動(dòng)的速度都是一個(gè)不確定的參數(shù)，讓人難以捉摸，也難找到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。但后者的按斜坡下降有規(guī)律停機(jī)則可以讓設(shè)計(jì)人員比較容易找到一些規(guī)律。下面我們主要研究變頻器在斜坡下降階段電機(jī)運(yùn)動(dòng)距離的計(jì)算。

（2）變頻器的兩種參數(shù)的設(shè)置對(duì)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)情況的影響。在變頻器的參數(shù)設(shè)置中，有兩個(gè)重要參數(shù)，一個(gè)是斜坡上升時(shí)間，另一個(gè)是斜坡下降時(shí)間。西門子MM420的這兩個(gè)參數(shù)的默認(rèn)值是10s，這意味著變頻器的在啟動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行過程，速度在逐漸的增加，當(dāng)10s到達(dá)后，變頻器的頻率從0Hz上升到了額定頻率50Hz（這里設(shè)置的最高頻率是50Hz），同樣的，當(dāng)變頻器停止對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)時(shí)，它的頻率會(huì)從50Hz降到OHz。在變頻器輸出50Hz時(shí)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度是最快的，相反，當(dāng)輸出頻率為0Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。通過多次的測(cè)試，在啟動(dòng)與停止的這段時(shí)間，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是很接近勻加速和勻減速運(yùn)動(dòng)的。運(yùn)動(dòng)情況與圖1相似。有了這一規(guī)律性的結(jié)論，下面的工作也就相對(duì)的簡單了。

2如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)定位

在電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定，這時(shí)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率是50Hz嗎？當(dāng)然不可能是這個(gè)數(shù)值，不然的話，這臺(tái)變頻電機(jī)就成了同步電機(jī)了。它的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率是要小于50Hz的，那它的數(shù)值是多少，這個(gè)數(shù)值得想辦法測(cè)試到。

（1）如何求出電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)的速度。如何測(cè)試到勻速運(yùn)行速度，這不是一個(gè)難事。在電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸上加裝一個(gè)編碼器，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)段利用定時(shí)中斷，將高速計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)記錄下來，每段時(shí)間的速度保存在一段存儲(chǔ)空間中，在穩(wěn)定運(yùn)行中對(duì)這個(gè)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，滾動(dòng)的求出最接近的速度數(shù)據(jù)作為定位的依據(jù)。根據(jù)圖1中所示的運(yùn)動(dòng)情況，畫出的流程圖如圖2-1、2-2所示。通過這種方法可以很方便的求出勻速段的平均速度。

（2）定位數(shù)據(jù)的處理。我們的準(zhǔn)備工作已就緒，接下來要進(jìn)行的是定位的數(shù)據(jù)處理。從圖1可以看出，斜坡下降階段電機(jī)所走的距離S3=1/2Vmax*T，公式中的Vmax在上一步中已求出，T為10s。如果電機(jī)要走的距離為S，變頻器停止電機(jī)后，電機(jī)還要走完這個(gè)斜坡下降的距離S3。很明顯，S1+S2=S-S3，而S1+S2的距離是可以通過編碼器測(cè)試出來的。有了前面的這些數(shù)據(jù)，電機(jī)停止的時(shí)刻就清楚了，利用求出停止運(yùn)行的脈沖數(shù)，就可以在某一脈沖數(shù)時(shí)停止電機(jī)的運(yùn)行。這樣就可以精準(zhǔn)的控制設(shè)備所走的距離了。

（3）定位誤差修正的辦法。通過實(shí)際操作，在大多數(shù)情況下，上述理論能滿足精準(zhǔn)的定位控制。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)沒有達(dá)到定位點(diǎn)、或超過了定位點(diǎn)就停下來的情況，當(dāng)然此時(shí)的誤差已是很小了。最后還有一個(gè)誤差修正的辦法。用實(shí)驗(yàn)法找出電機(jī)沒有到達(dá)定位點(diǎn)就停機(jī)的這段最大的距離，同時(shí)將此距離的數(shù)值保存在控制器（PLC或單片機(jī)）里作為一個(gè)修改誤差的參數(shù)。如果讓電機(jī)多走出這個(gè)長度，就不會(huì)出現(xiàn)沒有走到定位點(diǎn)的情況。當(dāng)然有時(shí)也會(huì)造成電機(jī)要多運(yùn)動(dòng)一些距離而越過目標(biāo)點(diǎn)。通過前面的數(shù)據(jù)處理，這個(gè)修改參數(shù)并不大，這樣電機(jī)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)它的運(yùn)動(dòng)速度也就很低，幾乎接近到0速。當(dāng)電機(jī)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，果斷地讓電機(jī)停下來。因速度極小是不會(huì)出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。這里可以采用機(jī)械制動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)來對(duì)誤差的最小控制。

3結(jié)論

在實(shí)際采用變頻器對(duì)定位控制的項(xiàng)目中，雖然這種控制的效果沒有伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)那樣精準(zhǔn)，但它的控制效果還是非常明顯的，運(yùn)行的過程也很平穩(wěn)，可以達(dá)到對(duì)大多數(shù)設(shè)備的定位控制要求，是一種成本較低而控制效果理想的方案。望讀者能體會(huì)到這種控制理論的原理，并在實(shí)際項(xiàng)目中加以靈活應(yīng)用，特別是在一些只能采用變頻器的定位控制方案中。