利用PLC解決車輛分散驅(qū)動(dòng)的同步控制問題

??? 1 前言

　　當(dāng)車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用分散驅(qū)動(dòng)時(shí)，受電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步的影響，可導(dǎo)致車體運(yùn)行不協(xié)調(diào)，進(jìn)而使電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離正常值，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備損壞。因此,解決車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)在分散驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步問題具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　本文介紹一種利用PLC 解決車輛分散驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)速度同步的先進(jìn)實(shí)用的控制方法。

　　2 問題的提出

　　目前，車輛的運(yùn)行設(shè)備一般采用集中驅(qū)動(dòng)（ 見圖1） 和分散驅(qū)動(dòng)（ 見圖2） 兩種方式。集中驅(qū)動(dòng)變頻器與電機(jī)的關(guān)系是“一拖多”; 分散驅(qū)動(dòng)時(shí)兩者的關(guān)系是“一拖一”。

　　圖1 集中驅(qū)動(dòng)布置圖示

　　圖2 分散驅(qū)動(dòng)布置圖示

　　“一拖多”的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，操作維護(hù)方便,但采用集中驅(qū)動(dòng)布置，要求車體具備較大的空間。當(dāng)車輛負(fù)載很大或者車體空間受到限制的時(shí)候，通常采用“一拖一”的分散驅(qū)動(dòng)方式，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)緊湊,布局簡單。但"一拖一"對(duì)變頻器和電機(jī)有較高的要求，特別是同步問題難以解決。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速不一致，會(huì)出現(xiàn)變頻器相對(duì)逆向做功，輸出電流過大導(dǎo)致跳閘，影響車輛的工作效率和電氣設(shè)備的使用壽命。如果轉(zhuǎn)速偏差過大，則導(dǎo)致車體變形，影響使用。

　　3 解決方法

　　采用PLC 與變頻器控制方法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)分散驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步運(yùn)行。PLC 采用西門子S7400 系列，圖3為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

　　圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D示

　　為實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)牽引電機(jī)的速度同步，采用兩臺(tái)變頻電機(jī)牽引，并分別采用變頻器調(diào)速進(jìn)行矢量閉環(huán)控制，用PLC直接控制兩臺(tái)變頻器。在控制中，PLC與變頻器之間采用Profibus 聯(lián)接，保證輸出信號(hào)源的同步性。以牽引電機(jī)1 的速度為目標(biāo)速度，由牽引電機(jī)2 的變頻器來調(diào)節(jié)其速度以跟蹤牽引電機(jī)1的速度。將兩臺(tái)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)同軸聯(lián)接，使編碼器1 和編碼器2 分別采集兩臺(tái)電機(jī)的速度脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)送到PLC 的高速計(jì)數(shù)模塊中。PLC 以這兩個(gè)速度信號(hào)數(shù)據(jù)作為輸入控制量,進(jìn)行比例積分控制運(yùn)算（ PID） ，運(yùn)算結(jié)果作為輸出信號(hào)送至PLC 的模擬量模塊，以控制牽引電機(jī)2 的變頻器。這樣，就可以保證牽引電機(jī)2 的速度跟蹤并隨著牽引電機(jī)1 速度的變化而發(fā)生變化。使兩個(gè)速度保持同步。

　　取自編碼器采集的脈沖信號(hào)，經(jīng)高速計(jì)數(shù)模塊FM350- 1 進(jìn)入PLC，轉(zhuǎn)換成電機(jī)速度數(shù)據(jù)。將兩個(gè)電機(jī)編碼器的信號(hào)相比較，通過PID 調(diào)節(jié)模塊，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速差值，給定電機(jī)2 的轉(zhuǎn)速值。

　　 需要轉(zhuǎn)化成變頻器能接受的信號(hào)。由于PLC的對(duì)應(yīng)4～20mA 值為0～27648，變頻器接收范圍值為0～8192，所以/27648×8192 送到模擬量輸出通道，換算成變頻器能接受的電流信號(hào)，以控制牽引電機(jī)2 的變頻器，PID 算法是工業(yè)控制中最常用的一種數(shù)學(xué)算法，其基本算式如下:

　　Pou （t t） =Kp×（et） +Ki×Σ（et） +Kd×[ （et） - （et- 1） ]

　　式中:Kp—比例調(diào)節(jié)系數(shù)。是按比例反映系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減少誤差。

　　Ki—積分調(diào)節(jié)系數(shù)。使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間,常數(shù)Ti 越小，積分作用就越強(qiáng)。Kd— 微分調(diào)節(jié)系數(shù)。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。為了減少電源系統(tǒng)波動(dòng)等因素引起的外來干擾,在編制控制算法時(shí)，必須考慮利用積分環(huán)節(jié)，即采用一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定的輸入信號(hào)而不是某一瞬時(shí)值的輸入信號(hào)進(jìn)行PID 運(yùn)算，以消除累積誤差，使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。這樣，牽引電機(jī)1 和牽引電機(jī)2 就能很好地進(jìn)行同步控制且同步精度較高，從而確保了運(yùn)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

　　4 控制結(jié)果

　　利用STEP7 編制PLC 上位機(jī)監(jiān)控程序,Wincc采集速度值并繪制曲線。數(shù)據(jù)提取的時(shí)間間隔為15ms。實(shí)際上牽引電機(jī)1 和牽引電機(jī)2 速度是相同的，但為了反映牽引電機(jī)2 的跟蹤和波動(dòng)情況，在此特地將其分開，上面是牽引電機(jī)1 的速度曲線，下面是牽引電機(jī)2 的速度曲線（ 見圖4） 。牽引電機(jī)1 的速度發(fā)生變化時(shí)，牽引電機(jī)2 就能及時(shí)地響應(yīng)，進(jìn)行跟蹤，并且能很快地達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，采用PLC 和變頻器的控制方法，能達(dá)到較高的同步要求，響應(yīng)快、速度波動(dòng)幅度較小。

　　圖4 牽引電機(jī)的速度曲線

　　5 結(jié)束語

　　該控制方法已在各種爐下車輛中應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中，走行同步起動(dòng)效果明顯，車輛運(yùn)行平穩(wěn)。實(shí)踐證明，采用PLC 解決車輛分散驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)速度同步的控制方法應(yīng)用效果較好，是一種理想的調(diào)速控制方法，滿足了生產(chǎn)工藝要求，減少了設(shè)備的維修維護(hù)費(fèi)用，保證了車輛發(fā)揮正常的生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。隨著PLC 與變頻器控制方法的廣泛應(yīng)用，必將更好地提高傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)速度控制的可靠性與靈活性。