采用西門子S7400系列PLC與變頻器解決分散驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步運(yùn)行問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(jiàn)圖1） 和分散驅(qū)動(dòng)（ 見(jiàn)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”。

“ 一拖多”的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)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(jiǎn)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(wèn)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(guò)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(guò)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。

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(lái)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(guò)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MW1000。

MW1000 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MW1000/27648×8192 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(wú)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(jiàn)性， 能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)， 因此能產(chǎn)生超前的控制作用， 在偏差還沒(méi)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(lái)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(kāi)， 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(jiàn)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。

5、 結(jié)束語(yǔ)

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)《a

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