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現(xiàn)，我國汽車保有量正與日俱增，停車難成為全國各大中城市不得不面臨的困境。立體車庫以其占地面積小，存車容量大，自動化程度高等諸多突出優(yōu)勢，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舍棄了單片機或者工業(yè)計算機的核心控制方法，以PLC作為整個系統(tǒng)的主要控制單元，使系統(tǒng)更為簡單、經(jīng)濟、實用、安全和穩(wěn)定[1]。在此以巷道堆垛式立體車庫為例，分析研究PLC與變頻器結(jié)合電動機的控制模式及改進辦法。

1 巷道堆垛式立體車庫

根據(jù)實際所需，立體車庫的機械結(jié)構(gòu)多種多樣。其中，巷道堆垛式立體車庫的結(jié)構(gòu)類似于倉儲貨架，采用電動機驅(qū)動的單臺或多臺搬運機械，在地面巷道、空中巡回運作，將入庫或出庫車輛放置于對應(yīng)的位置或移出，圖1展示了一個兩列四層式巷道堆垛式立體車庫的俯視和側(cè)視。此類型的車庫運動系統(tǒng)設(shè)計簡單、經(jīng)濟，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示意Fig.1 Structure of two-row four-story garage

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

2 控制系統(tǒng)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)

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

常規(guī)立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計方法中，通常利用變頻器優(yōu)良的軟啟動性能，調(diào)節(jié)加減速時間，再配以相應(yīng)的減速器，進行電動機的啟動或停止過程。這樣的設(shè)計簡單、實用，但對于電動機而言，不論是何種負載情況，都工作于相同運行頻率，浪費時間，耗費成本，啟動過程生硬、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)前的負載狀況改變電動機的運行模式，提高工作效率，進一步降低運行成本[3]。

立體車庫的載車平臺，其負載輕重一般是隨機的，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。在搬運機構(gòu)接到指令前去就位的過程中電動機空載運行，因此依據(jù)負載的大小去改變電動機的運行模式，提高機構(gòu)的運行速度，將節(jié)省運行時間，有利于電動機的負重，給用戶和管理者以更為高效的體驗。

電動機控制系統(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，性價比高，體積小巧，I/O點靈活搭配[4]；由于整個系統(tǒng)將運用變頻器的轉(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機調(diào)速終端；而重力檢測部分采用四點支撐的壓力傳感器，當(dāng)車輛施加于稱重臺上，稱重臺會輸出壓電信號，信號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，進入PLC的數(shù)字量輸入端口，提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

圖2 電動機控制系統(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，其將電動機的電流分解為d軸電流和q軸電流，其中d軸為勵磁電流，q軸為力矩電流[5]；如此，便可以將交流電動機的勵磁電流和力矩電流分開控制，使得變頻器既可控制電動機的轉(zhuǎn)速又可控制轉(zhuǎn)矩。

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

速度反饋反應(yīng)實際轉(zhuǎn)速與給定值之間的差異，并且以最快的響應(yīng)速度進行效正，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。該系統(tǒng)的速度反饋環(huán)節(jié)利用固定于電動機轉(zhuǎn)軸上的光電旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)，編碼器可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(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能夠識別的形式，變頻器再將此信號反饋至PLC，以使控制核心做出反應(yīng)。針對該系統(tǒng)而言，速度反饋主要應(yīng)用于電動機啟動和停止過程。

4 轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速控制模式的切換

對于普通V/F變頻器，自身已具備良好的軟啟動特性，然而在驅(qū)動電動機位于工頻以下工作時，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，如對于運行的平穩(wěn)性要求較高，則只有延長啟動加速時間，獲得較小的加速度，這無疑降低了工作效率。不同的是，矢量變頻器可對轉(zhuǎn)矩在任何時刻進行調(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機運行的平穩(wěn)性。

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

式中：Tz為拖動系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)矩；Tx為電動機輸出轉(zhuǎn)矩；Tf為負載轉(zhuǎn)矩。拖動系統(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)傳動裝置力矩，如減速器等裝置。

電動機啟動過程轉(zhuǎn)矩與速度關(guān)系如圖3所示。圖中，T為電動機的實際轉(zhuǎn)矩。變頻器啟動電機時，由PLC給定轉(zhuǎn)矩信號Tx，隨著時間推移，電動機轉(zhuǎn)矩由零線性增加，克服負載轉(zhuǎn)矩后，電動機開始旋轉(zhuǎn)，由于此時仍未達到Tx的實際值，電動機繼續(xù)加速，可觀察到電動機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)運行，會造成電動機速度持續(xù)增加，無法控制。因此，在矢量變頻器內(nèi)部設(shè)置時，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。

圖3 電動機啟動過程轉(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，為了使電動機因負載的不同而調(diào)節(jié)速度，必須在電動機加速時間之后切換至速度控制模式，速度信號仍然由PLC通過模擬量進行給定，MM440的模擬量輸入端電壓為DC 0～10 V；而切換通常由PLC發(fā)出信號于小型繼電器進行開關(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，切換時間點t2電動機的加速度較大，直接切換勢必造成一定的運行沖擊或抖動，影響搬運安全。因此，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在適合時間點上再次降低轉(zhuǎn)矩以減小電動機的加速度，形成圖4（b）中的平滑上升曲線，并與t2時間點切換至給定的轉(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)受擾動時能及時的糾正與回位，保證了整個搬運機構(gòu)的平穩(wěn)運行。在電動機的停機時段，變頻器再次切換至轉(zhuǎn)矩控制模式，不同的是接收來自PLC的負轉(zhuǎn)矩信號，前半段轉(zhuǎn)矩較小，后半段轉(zhuǎn)矩提升，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測出速度近零時，便可即刻啟動抱閘裝置，使電動機停止。

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)

對于目前的立體車庫機械系統(tǒng)而言，通常采用梳狀載車板，可清晰而便捷地在整個搬運過程中進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縱向車位排布，因而搬運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的問題。因此，根據(jù)載車板受力確定搬運速度和改善速度變化的平滑特性十分必要。文中以存車時縱移電動機的工作流程為例，介紹整個控制系統(tǒng)的工作過程。以存車過程為例的電動機控制系統(tǒng)總體工作流程如圖5所示。

圖5 以存車過程為例的電動機控制系統(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，保障了整個搬運過程的平穩(wěn)過度，進一步提升了車輛在庫中的安全。

6 結(jié)語

對于立體車庫的電動機控制系統(tǒng)，運用PLC和矢量變頻器的聯(lián)合工作可提高立體車庫的工作效率與安全穩(wěn)定性，進一步降低建設(shè)與維護成本，是立體車庫進一步發(fā)展過程中的優(yōu)良選擇。隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展與新進設(shè)備持續(xù)更新，對于立體車庫電動機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。