韓亮

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系,山西長治046011)

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異步電機(jī)的閉環(huán)定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓亮

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系,山西長治046011)

摘要：運(yùn)用PLC和變頻調(diào)速技術(shù)，設(shè)計(jì)了異步電機(jī)的閉環(huán)定位控制系統(tǒng)。異步電機(jī)由變頻器驅(qū)動，編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)作為異步電機(jī)的位置反饋，利用PLC的高速計(jì)數(shù)中斷功能，控制異步電機(jī)在不同位置運(yùn)行不同轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的定位控制。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；變頻調(diào)速；PLC；高速計(jì)數(shù)器；高速計(jì)數(shù)中斷

在精密控制場合，對電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位是經(jīng)常研究的問題。不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)，由于其工作原理不同，所采用的定位控制方式也不同。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]。在文獻(xiàn)[2]中提出利用PLC發(fā)送脈沖給步進(jìn)驅(qū)動器，由所發(fā)送脈沖的頻率和數(shù)量決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度與角位移，是一種步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)定位控制方法。異步電動機(jī)是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的一種交流電機(jī)。

本文以PLC作為控制器、利用編碼器反饋異步電機(jī)的運(yùn)行位置，通過高速計(jì)數(shù)中斷功能，提出一種異步電機(jī)的閉環(huán)定位控制方法。

1異步電機(jī)閉環(huán)定位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能

1.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)主要由PLC控制模塊、變頻器、編碼器、異步電機(jī)、滾珠絲杠(以下簡稱絲杠)、工作臺、定位鐵片、接近開關(guān)等部件組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

接近開關(guān)的位置作為工作臺的原點(diǎn)，當(dāng)定位鐵片靠近原點(diǎn)時(shí)，接近開關(guān)輸出信號。異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈，工作臺在絲杠上移動1個絲距(5 mm)。這樣，電機(jī)的圓周運(yùn)動就轉(zhuǎn)化為工作臺的直線運(yùn)動。因此，對異步電機(jī)的定位控制實(shí)際上就是對工作臺的定位控制[3]。

圖1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2控制系統(tǒng)功能

工作臺在絲杠上的運(yùn)行分為4個工段，每段40 mm。異步電機(jī)的定位控制，就是要在工作臺進(jìn)行直線運(yùn)動時(shí)，自動定位出4個工段的起始位置并使其運(yùn)行在不同的進(jìn)給速度(段速)。工作時(shí)序圖如圖2所示。

當(dāng)工作臺不在原點(diǎn)時(shí)，按下復(fù)位按鈕，使其向左運(yùn)行回到原點(diǎn)。按下啟動按鈕，工作臺以進(jìn)給速1向右運(yùn)行。當(dāng)定位到工作臺運(yùn)行至40 mm處時(shí)，通過PLC對異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，控制工作臺運(yùn)行在進(jìn)給速2，方向不變。以此類推，運(yùn)行完4個工段，而后停止3 s，高速返回原點(diǎn)。在運(yùn)行過程中，如果按下停止按鈕，設(shè)備立刻停止在當(dāng)前位置，再次啟動需要先復(fù)位。

圖2　工作時(shí)序圖

2總體設(shè)計(jì)

首先，工作臺復(fù)位。啟動后，PLC通過模擬量模塊給變頻器設(shè)定1個頻率值，驅(qū)動異步電機(jī)運(yùn)行在段速1。同時(shí)，啟動PLC的高速計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，該脈沖數(shù)作為異步電機(jī)的位置反饋，能夠?qū)ぷ髋_進(jìn)行精確定位。然后，當(dāng)定位到工作臺運(yùn)行至不同的工段時(shí)，執(zhí)行高速計(jì)數(shù)中斷程序，更改變頻器頻率設(shè)置，驅(qū)動異步電機(jī)在每個工段的運(yùn)行速度均不相同。通過PLC、變頻器控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)對異步電機(jī)進(jìn)行定位，構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，硬件設(shè)計(jì)分為PLC控制模塊、變頻調(diào)速模塊、位置反饋模塊3個部分。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1PLC控制模塊

PLC選擇信捷電氣公司生產(chǎn)的XC3系列，型號XC3-32RT-E。該型號PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)為32個，即數(shù)字量輸入點(diǎn)18個，數(shù)字量輸出點(diǎn)14個(詳見信捷電氣股份有限公司《XC系列可編程序控制器用戶手冊(指令篇)》)。XC3系列32點(diǎn)PLC支持3種高速計(jì)數(shù)模式，支持多種高速計(jì)數(shù)中斷，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

使用1塊模擬量擴(kuò)展模塊XC-E3AD4PT2DA。該模塊有3路模擬量輸入，2路模擬量輸出。模擬量電壓輸出的分辨率為1/1 023(詳見信捷電氣股份有限公司《XC系列擴(kuò)展模塊用戶手冊》)。利用該模塊，實(shí)現(xiàn)PLC對變頻器的控制。

3.2變頻調(diào)速模塊

變頻調(diào)速模塊由變頻器和異步電機(jī)組成，該模塊控制工作臺在絲杠上進(jìn)行直線運(yùn)動。

變頻器接收PLC模擬量模塊發(fā)出的信號，驅(qū)動異步電機(jī)運(yùn)行。異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度由該模擬量信號決定；運(yùn)行方向由變頻器上的運(yùn)行控制端子(FWP、REW)決定。

變頻器選擇信捷電氣公司生產(chǎn)的VB5N系列。該系列變頻器具有體積小、高性能、低噪音等特點(diǎn)(詳見信捷電氣股份有限公司《VB5N系列通用變頻器用戶手冊》)。

使用變頻器之前，需要對以下主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1)恢復(fù)出廠設(shè)置。

2)將加減速時(shí)間設(shè)為0.1 s。

3)設(shè)置端子運(yùn)行命令通道，以便接受來自PLC的控制信號。

4)設(shè)置CI模擬量給定及其輸入類型參數(shù)。將CI設(shè)為1，設(shè)定其接收來自外部的0～10 V電壓信號。當(dāng)外部信號在該范圍內(nèi)變化時(shí)，變頻器將按照線性關(guān)系在0～50 Hz內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的變頻調(diào)速。

異步電機(jī)選擇廈門金研的YS標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，型號80YS25GY22。該系列電機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)，安全美觀，具有低噪音、壽命長、可靠性高等特點(diǎn)。該型號電機(jī)輸出功率25 W，工作頻率50 Hz，單相220 V供電，額定電流0.19 A，額定轉(zhuǎn)速1 300 r/min。

3.3位置反饋模塊

編碼器作為定位控制系統(tǒng)的位置反饋模塊，選擇無錫特樂德生產(chǎn)的GZK3808系列。

編碼器與異步電機(jī)、絲杠同軸安裝。異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周，絲杠上的工作臺水平移動1個絲距(5 mm)，編碼器會發(fā)出1 000個脈沖。每個工段40 mm，需要異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)8圈，編碼器會發(fā)出8 000個脈沖。該脈沖數(shù)作為異步電機(jī)的位置反饋，由PLC的高速計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)。

GZK3808系列的AB相編碼器，PLC的輸入端子X0作為A相計(jì)數(shù)口、X1作為B相計(jì)數(shù)口，編碼器硬件接線圖參見圖3。

4軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式，有1個主程序，4個高速計(jì)數(shù)中斷程序。下面分別介紹各程序的設(shè)計(jì)方法，并給出I/O分配情況。

4.1I/O分配列表

PLC及其擴(kuò)展模塊的輸入端分配如表1所示。

表1　輸入端分配列表

輸出端分配：Y3異步電機(jī)正轉(zhuǎn)；Y4異步電機(jī)反轉(zhuǎn)(接近開關(guān)方向)。

4.2主程序設(shè)計(jì)

主程序中完成復(fù)位、數(shù)據(jù)初始化、啟動高速計(jì)數(shù)器、工作臺的運(yùn)動控制等任務(wù)。

按下復(fù)位按鈕，使工作臺回到原點(diǎn)位置。數(shù)據(jù)初始化與中斷程序有關(guān)，將在下一節(jié)中介紹。按下啟動按鈕，PLC的模擬量模塊給變頻器預(yù)置頻率值25 Hz，使異步電機(jī)以段速1在第一工段運(yùn)行，同時(shí)啟動高速計(jì)數(shù)器。當(dāng)PLC統(tǒng)計(jì)到8 000個脈沖，意味著工作臺走到第二工段，此時(shí)執(zhí)行高速計(jì)數(shù)中斷程序，更改變頻器頻率值為20 Hz，控制工作臺以段速2運(yùn)行。以此類推，走完4段。主程序流圖如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

4.3高速計(jì)數(shù)中斷程序設(shè)計(jì)

高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式有遞增模式、脈沖加方向模式、AB相計(jì)數(shù)模式等(詳見信捷電氣股份有限公司《XC系列可編程序控制器用戶手冊(指令篇)》)。在文獻(xiàn)[4]中，給出了高速計(jì)數(shù)器遞增計(jì)數(shù)模式的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)給出AB相計(jì)數(shù)模式及其中斷程序的應(yīng)用。

AB相計(jì)數(shù)，高速計(jì)數(shù)值按照A相和B相2種差分信號進(jìn)行遞增或遞減計(jì)數(shù)，是一種精度較高的高速計(jì)數(shù)模式(詳見信捷電氣股份有限公司《XC系列可編程序控制器用戶手冊(指令篇)》)。XC3系列32點(diǎn)的PLC，AB相計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器為C630。

高速計(jì)數(shù)中斷采用循環(huán)模式，該模式只適用于相對計(jì)數(shù)。C630提供24段高速計(jì)數(shù)中斷循環(huán)，本次設(shè)計(jì)需要4段。在中斷程序1、2、3中完成工作臺在每個工段的變頻調(diào)速；在中斷程序4中完成高速計(jì)數(shù)器的復(fù)位和工作臺回歸原點(diǎn)的頻率設(shè)定。

數(shù)據(jù)寄存器D4000為中斷預(yù)置值的起始地址。每個工段對應(yīng)編碼器的8 000個脈沖，因此在數(shù)據(jù)初始化當(dāng)中設(shè)置D4000、D4002、D4004、D4006的預(yù)置值均為8 000(相對計(jì)數(shù)模式)；D4008的預(yù)置值為0，表示中斷結(jié)束。系統(tǒng)啟動后，C630每次計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)置值，便會執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序來更改變頻器的頻率[5]。高速計(jì)數(shù)中斷程序1～3的流程圖結(jié)構(gòu)相同，在此只給出中斷程序1的流程圖，如圖5所示。

圖5　高速計(jì)數(shù)中斷程序1

工作臺運(yùn)行至第四工段末尾，執(zhí)行中斷程序4。在中斷程序中使C630復(fù)位，并使異步電機(jī)正轉(zhuǎn)復(fù)位，設(shè)定變頻器頻率為50 Hz。跳出中斷程序后，在主程序中控制異步電機(jī)反轉(zhuǎn)，使工作臺高速回歸原點(diǎn)。中斷程序4的流程圖如圖6所示。

圖6　高速計(jì)數(shù)中斷程序4

5定位精度分析

由于控制系統(tǒng)的定位與AB相編碼器的脈沖反饋相關(guān)，因此定位的精度與選擇的編碼器有關(guān)。本文中使用的GZK3808系列編碼器滾珠絲杠的絲距為5 mm，在接近空載的情況下，可以計(jì)算出定位精度為0.005 mm。如果帶大負(fù)載，為了防止工作臺回原點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)過沖的情況，可以在回原點(diǎn)時(shí)設(shè)置減速點(diǎn)來提高定位精度。

6結(jié)語

對于異步電機(jī)的定位控制，提出采用PLC作為主控制器的解決方案。異步電機(jī)由變頻器驅(qū)動，編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)作為異步電機(jī)的位置反饋，利用PLC的高速計(jì)數(shù)中斷功能，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的定位控制與變頻調(diào)速。

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責(zé)任編輯：陳亮

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.03.006

收稿日期：2016- 05- 02

基金項(xiàng)目：山西省高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目(20161128)

作者簡介：韓亮(1981—)，男，碩士，講師。

中圖分類號：TM383.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671- 0436(2016)03- 0022- 05

The Design of Close-Loop Positioning Control System for Induction Motor

HAN Liang

(Department of Electronic and Electrical Engineering，Shanxi Institute of Mechanical and Electrical Engineering,Changzhi 046011)

Abstract：The closed-loop positioning control system of induction motor is designed by the PLC and frequency conversion technology.Induction motor is driven by the inverter.The encoder sends out the pulse.The numbers of pulses as the position feedback of the induction motor are captured by the PLC.High speed count interrupt function is used which can help PLC controlling the induction motor running at different speeds in different position.Experiments show that the system is stable and effective.

Key words：Induction motor；frequency conversion speed regulation；PLC；high speed counter；high speed counter interrupt