利用PLC解決車輛分散驅(qū)動的同步控制問題

??? 1 前言

　　當車輛驅(qū)動電機采用分散驅(qū)動時，受電機轉(zhuǎn)速不同步的影響，可導致車體運行不協(xié)調(diào)，進而使電機轉(zhuǎn)速偏離正常值，嚴重時會造成設(shè)備損壞。因此,解決車輛驅(qū)動電機在分散驅(qū)動時產(chǎn)生的電機轉(zhuǎn)速不同步問題具有現(xiàn)實意義。

　　本文介紹一種利用PLC 解決車輛分散驅(qū)動時電機速度同步的先進實用的控制方法。

　　2 問題的提出

　　目前，車輛的運行設(shè)備一般采用集中驅(qū)動（ 見圖1） 和分散驅(qū)動（ 見圖2） 兩種方式。集中驅(qū)動變頻器與電機的關(guān)系是“一拖多”; 分散驅(qū)動時兩者的關(guān)系是“一拖一”。

　　圖1 集中驅(qū)動布置圖示

　　圖2 分散驅(qū)動布置圖示

　　“一拖多”的優(yōu)點是控制簡單，操作維護方便,但采用集中驅(qū)動布置，要求車體具備較大的空間。當車輛負載很大或者車體空間受到限制的時候，通常采用“一拖一”的分散驅(qū)動方式，因為其結(jié)構(gòu)緊湊,布局簡單。但"一拖一"對變頻器和電機有較高的要求，特別是同步問題難以解決。如果電機轉(zhuǎn)速不一致，會出現(xiàn)變頻器相對逆向做功，輸出電流過大導致跳閘，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，實現(xiàn)多個分散驅(qū)動電機同步運行。PLC 采用西門子S7400 系列，圖3為網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。

　　圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖示

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

　　取自編碼器采集的脈沖信號，經(jīng)高速計數(shù)模塊FM350- 1 進入PLC，轉(zhuǎn)換成電機速度數(shù)據(jù)。將兩個電機編碼器的信號相比較，通過PID 調(diào)節(jié)模塊，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速差值，給定電機2 的轉(zhuǎn)速值。

　　 需要轉(zhuǎn)化成變頻器能接受的信號。由于PLC的對應(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，以控制牽引電機2 的變頻器，PID 算法是工業(yè)控制中最常用的一種數(shù)學算法，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。積分作用的強弱取決于積分時間,常數(shù)Ti 越小，積分作用就越強。Kd— 微分調(diào)節(jié)系數(shù)。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，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)波動等因素引起的外來干擾,在編制控制算法時，必須考慮利用積分環(huán)節(jié)，即采用一段時間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定的輸入信號而不是某一瞬時值的輸入信號進行PID 運算，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1 和牽引電機2 就能很好地進行同步控制且同步精度較高，從而確保了運行機構(gòu)的穩(wěn)定性。

　　4 控制結(jié)果

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

　　圖4 牽引電機的速度曲線

　　5 結(jié)束語

　　該控制方法已在各種爐下車輛中應(yīng)用。實際應(yīng)用中，走行同步起動效果明顯，車輛運行平穩(wěn)。實踐證明，采用PLC 解決車輛分散驅(qū)動時電機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)備的維修維護費用，保證了車輛發(fā)揮正常的生產(chǎn)效率，經(jīng)濟效益顯著。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系統(tǒng)對速度控制的可靠性與靈活性。