袁雄兵

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會遇到物料提升裝置高精度、速度穩(wěn)定的運動控制要求。其主要控制要求是實現(xiàn)提升裝置的精確定位，同時要求運行速度穩(wěn)態(tài)性能好。目前使用較廣泛的是使用可編程邏輯控制器控制步進電機或交流伺服電機從而實現(xiàn)提升裝置的定位控制。伺服電機主要根據(jù)脈沖來定位，其速度、位置精度控制準確，過載能力強，且可使被控對象的位置、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨給定值的任意變化而變化，但其定位控制較復雜、成本高。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制電機，做定位控制時一般都為開環(huán)控制，位置控制精度較好，且起停和反轉(zhuǎn)響應快，但容易產(chǎn)生共振，轉(zhuǎn)速不高，且轉(zhuǎn)矩較小，高速運行時會產(chǎn)生振動和噪聲。該文擬采用四象限變頻器傳動普通三相異步電機(帶抱閘裝置)，電機軸端設(shè)置增量式編碼器檢測實際位置和速度，利用PLC實現(xiàn)位置和速度雙閉環(huán)控制的物料提升功能。

1 物料提升裝置及控制系統(tǒng)

物料提升裝置的功能為把物料從低位提升到高位，而且可實現(xiàn)任意位置的停車，同時要求提升加速度大、且加速度為定值，勻速階段速度穩(wěn)定性好。因此控制的重點是位置和速度控制。

物料提升裝置見圖1，其主要包括以下設(shè)備：電氣控制柜、現(xiàn)場操作箱、上行程開關(guān)、下行程開關(guān)、回零開關(guān)、提升電機、提升裝置等。

控制系統(tǒng)見圖2，其由控制器、操作箱、顯示裝置、變頻器、編碼器、上行程開關(guān)、下行程開關(guān)、回零開關(guān)等組成，共同實現(xiàn)物料提升裝置的定位控制，控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的運算、控制、顯示燈功能，回零開關(guān)用于系統(tǒng)重新上電后提升零位的確定，編碼器與變頻器實現(xiàn)系統(tǒng)的速度閉環(huán)和位置閉環(huán)控制，提升電機用于實現(xiàn)提升裝置的提升與下放。顯示裝置可實時顯示提升裝置的速度、位置等參數(shù)，也可進行參數(shù)設(shè)置或系統(tǒng)控制。

2 位置與速度雙閉環(huán)控制原理

2.1 旋轉(zhuǎn)編碼器

增量式編碼器又稱脈沖式編碼器，將被控對象的角度位移或直線位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再將電信號轉(zhuǎn)變成脈沖，脈沖的數(shù)量與位置移動大小成正比。因轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計算脈沖數(shù)量才確定位置，編碼器不旋轉(zhuǎn)或者停電時，只能依靠設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置，故停電時，編碼器必須保持靜止，重新上電時，也不能丟失脈沖，否則計算脈沖的設(shè)備零點會產(chǎn)生不確定的漂移，結(jié)果也將會變的不確定。因此，設(shè)置1個接近開關(guān)，其信號送入變頻器的數(shù)字輸入點作為編碼器的零位參考點，并固化在脈沖計算設(shè)備中，每次系統(tǒng)重新上電時，先尋找該參考點作為提升零位。

該系統(tǒng)選擇主動回零方式，即采用接近開關(guān)和編碼器零脈沖共同確定回零點，系統(tǒng)重新上電后，啟動回零命令，按照變頻器預先設(shè)置的搜索方向，到達接近開關(guān)后，以最大減速度停車，同時搜索編碼器的零脈沖，然后停止在零位參考點，完成主動回零的過程。

為了避免振動對編碼器的影響，將旋轉(zhuǎn)編碼器安裝于提升電機軸端上，根據(jù)減速比，可從編碼器的脈沖數(shù)推算出提升裝置的移動距離。同時，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速和傳動半徑，可推算出提升電機的實際速度。對比實際位置與設(shè)定位置、實際速度與設(shè)定速度，理論上就可以實現(xiàn)位置和速度的雙閉環(huán)控制。

2.2 變頻器讀取編碼器的脈沖數(shù)

該文中，傳動裝置選用西門子的S120系列變頻器，集V/F控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅(qū)動系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計，各模塊間(包括整流單元、控制單元、電機單元、電機編碼器等通過高速驅(qū)動通訊接口DRIVE-CLIQ相互連接。同時，S120支持標準的PROFIBUS DP接口，可確保自動化系統(tǒng)解決方案中的各組件之間無縫通訊，同時，還具有基于以太網(wǎng)技術(shù)的PROFIBUS NET接口，通過具有實時特性或同步實時特性的設(shè)備快速交換控制數(shù)據(jù)，可應用于多軸驅(qū)動中。

S120裝置中參數(shù)r 0482可現(xiàn)實編碼器的實際增量值，r 2521是驅(qū)動在激活基本定位功能后的實際位置值，單位是LU。可通過拆解r 0482的方法得到實時的脈沖數(shù)，具體方法見圖3。

(1)從bit0—bitn-1表示脈沖細分補全碼，即當實際位置處于兩個脈沖之間時，對其進行細分，從而代表的兩個脈沖間的位置值。當下一個脈沖到達后，向上進一位，然后重新計數(shù)。

(2)從bitn—bitn+m-1表示編碼器一轉(zhuǎn)以內(nèi)的整脈沖個數(shù)。

(3)從bitn+m到bit31為當前實際轉(zhuǎn)數(shù)，編碼器每旋轉(zhuǎn)一周由整脈沖數(shù)向上進位得到。

(4)m為p0408編碼器脈沖數(shù)對應的2進制位數(shù)，n為p0418中設(shè)定的脈沖細分率。

3 定位功能實現(xiàn)

3.1 S120的MDI程序步功能

使用MDI程序步功能可實現(xiàn)定位功能，通過計算機編程控制位置、速度來滿足提升裝置的定位控制。MDI程序步功能主要有位置模式和速度模式，速度模式是指提升裝置按照設(shè)定的速度及加減速運行，不考慮實際位置；位置模式是指提升裝置按照系統(tǒng)設(shè)定的位置、速度、加減速運行。這2種模式可任意切換，該系統(tǒng)采用位置模式。

3.2 提升電機控制

閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是在控制器與被控對象之間，存在正負反饋作用，輸入信號與反饋信號之差，稱為偏差信號。偏差信號通過控制器產(chǎn)生的控制量使輸出趨于給定的數(shù)值。閉環(huán)控制系統(tǒng)的實質(zhì)是系統(tǒng)按偏差進行控制，其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生1個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致，具有抑制任何內(nèi)、外擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力，有較高的控制精度。

把設(shè)定的轉(zhuǎn)速輸入至控制器，然后賦給變頻器，變頻器輸出一定的轉(zhuǎn)速值，通過編碼器檢測電機實際轉(zhuǎn)速，反饋至輸入端與設(shè)定轉(zhuǎn)速進行比較，就構(gòu)成了速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，見圖4。

把設(shè)定的位置輸入至控制器，然后賦給變頻器，變頻器通過編碼器模塊輸出位置值，通過編碼器檢測提升裝置實際位置，反饋至輸入端與設(shè)定位置進行比較，構(gòu)成了位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，見圖5。

3.3 程序設(shè)計

該控制系統(tǒng)選用Simatic WinCC v7.5作為開發(fā)工具，選用西門子S7-1500系列可編程控制器，程序開發(fā)環(huán)境為TIA PortalV13，系統(tǒng)軟件流程見圖6。

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，功能包括：變頻器初始化設(shè)置，提升位置回零、提升速度及加速度給定、提升位置給定、速度反饋、位置反饋，對結(jié)果和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計及保存等。

4 定位控制實驗

4.1 實驗方案

利用西門子公司傳動裝置專用調(diào)試軟件Starter進行變頻器在線監(jiān)控、修改裝置參數(shù)，故障檢測和復位，以及跟蹤記錄等。利用6類網(wǎng)線把Starter與變頻器相連，通過以太網(wǎng)通訊方式實現(xiàn)信息交互。硬件連通后，設(shè)定合適的參數(shù)后，利用Starter的跟蹤(Trace)功能，在Time diagram中顯示被記錄參數(shù)(電流或轉(zhuǎn)速)的圖形。

4.2實驗結(jié)果

橙色曲線為提升電機電流曲線圖，見圖7。由圖7可見，電機啟動后進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，電流的波動小，說明提升裝置電機轉(zhuǎn)矩基本恒定，運行較為穩(wěn)定。圖8為轉(zhuǎn)速曲線圖，由圖8可見，電機加減速階段通過設(shè)定的加/減速度值達到給定速度后，速度穩(wěn)定，偏差小，說明系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

通過以上試驗得知，基于編碼器的位置和速度雙閉環(huán)系統(tǒng)，通過增量式編碼器檢測實際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定轉(zhuǎn)速進行比較，可實現(xiàn)提升裝置的速度閉環(huán)控制，確保提升裝置運行速度恒定，保證提升裝置穩(wěn)定可靠運行。同時對比編碼器反饋的實際提升位置與設(shè)定位置，就可實現(xiàn)提升裝置的精準定位控制。