浅析ＰＬＣ控制的多电机同步系统-职业学院机电一体化专业毕业论文

页 学号1104050419 广西职业技术学院 毕业论文 毕业设计 毕业实习调查报告 请在相应的文章类型中打 系 部 机械与汽车技术系 专业名称机电一体化 年级2011 级 学生姓名代鹏 指导老师廖前行 2014 年 4 月 9 日 浅析 控制的多电机同步系统浅析 控制的多电机同步系统 页 本人声明本人声明 声明内容如下 我声明 本论文 设计 工作是由本人在指导 教师的指导下独立完成的 在完成论文 设计 时所利用的一切 资料均已在参考文献中列出 页 目录目录 摘要 1 1 多电机同步控制系统概述 1 2 系统控制方案 1 2 1 随动系统 1 2 2 闭环系统 2 2 3 随动闭环系统 2 3 控制方案分析 2 4 PLC 程序控制 3 4 1 一般 PLC 程序控制 3 4 2 变频 PLC 控制系统 3 4 3 变频器装置 4 5 系统软件设计 5 6 结束语 6 致谢 7 参考文献 7 广西职业技术学院毕业调查报告 设计 第 1 页 页 浅析 控制的多电机同步系统浅析 控制的多电机同步系统 摘要 通过对不同控制方法的分析 介绍了利用 Omron 系列 PLC 作为主控元件的多 电机同步运行系统 关键词 PLC同步 随动 闭环 电动机 近年来 随着我国包装 分切 印刷 涂层等行业的蓬勃发展 作为配套的电气控 制环节则对产品的质量起着关键的作用 目前以 PLC 作为中心控制元件的设备占有相当 的比重 并以精确的控制 稳定的工作状态占据了十分重要的地位 而在这些控制系统 中核心问题便是各动力轴的同步运行 即各电机的同步运行 本文主要介绍分析几种以 Omron 系列 PLC 作为主控元件来实现多电机同步运行的 方案 1 多电机同步控制系统概述 在现代应用系统的设计开发过程中 充分利用计算机仿真 实验技术 对于系统设 计开发过程中合理选择系统结构 优化系统参数 检验控制方法 提高系统设计与开发 效率有着极其重要的作用 本文依据已提出的矢量变频调速与合成误差补偿主从串联控 制方案构建了主从轴协调控制实验系统 为实际应用系统的设计积累经验与资料 硬件 结构图如图 1 所示 由于可编程控制器 PLC 具有硬件简单 编程方便 抗干扰性强等 有点 现已广泛的应用与交流电机控制系统中 本章介绍的矢量控制是以 PLC 作为控制 核心的控制系统 多电机同步控制系统的正常运行对电气传动控制系统的要求基本有以下几点 1 传动系统要有一定的稳定精度和快速动态响应 其中稳态精度 0 01 0 02 动态精度 0 05 0 5 同步动态精度为 0 05 0 45 2 工作速度要有较宽 均匀的调节范围 调节范围为之间 3 具有负荷动态调整的功能 以免造成负荷动态转移而引起的过流或过压 4 具有良好的接口能力 工业控制系统的硬件设计 2 系统控制方案 2 1 随动系统 随动系统 即以台电机作为主电机 另外一台或多台作为随动电机 随动电机紧跟 着主电机运行 在该系统中由PLC接受来自上位机发来的控制信号经过一定的运算转为执行专制的 控制信号 如变频器的频率 进而驱动主电机运行 通过编码器监视电机的实际运行速 度 并将这一信号作为作为随动电机的控制命令 随动电机紧随这一速度便可实现 两台电机的同步运行 2 2 闭环系统 闭环控制系统 即两台电机由同一控制器 PLC 发出控制信号然后再各自构成闭环 广西职业技术学院毕业调查报告 设计 第 2 页 页 系统 紧随控制器发出的信号 即可实现多电机的同步运行 在这个系统中由 PLC 接受来自上位机发出来的控制信号 经过运算转换为执行装置 的控制信号 同时发出两台电机的驱动器中 由于控制命令是相同的 通过编码器监视 电机的实际运行速度 与控制命令进行比较 构成闭环控制系统 这样只要两台电机的 都紧随控制命令实现同步运行 2 3 随动闭环系统 随动闭环控制系统 综合了随动系统和闭环控制系统的特点在随动控制系统的基础 上构成了闭环系统 两台电机驱动器由同一控制器 PLC 发出控制信号 并各自构成闭环系统 将辅 电机的实际速度定时的与主电机进行比较 综合调整 使辅电机紧随主电机的运行速度 即可实现多电机的同步运行 控制系统的基本如图3所示 3控制方案分析 实际的控制系统中 每个电机所带负载都不尽相同 因此在这些控制系统中都需根 据速度设定值利用 PLC 计算出具体的控制参数 首先将上位机发出的线速度设定值进行单位换算 根据电机所带负载的实际路径 计算出对应的电机转速 然后利用三相异步电动机的转速公式计算出这一转速对应的频 率值 并将这一计算值传送控制器 变频器 中 拖动电机运行 并利用编码器实时的 监视该电动机的实际转速 随动控制系统中随动电机将主电机的实际运行速度作为运行命令 利用两台电机负 载的实际路径 计算出第二台电机所需要频率 随动电机紧随主电机运行 便可实现两 台电机的同步运行 第二台电机紧紧的跟随主电机运行 第二台 电机可以是一台电机 也可以是电机群 根据实际系统的大小来确定电机的台数 这种控制系统一般使用在控 制精度要求不高的场合 只是简单的同步而且对各个动力辊间的张力没有特殊的要求 系统简单易于实现 成本较低 闭环控制系统中由上位机发出控制命令 根据各个电动机轴上负载的半径 计算出 各个负载对应的转速再根据电机的转速公式实现到驱动器输出频率的转换 这样便可实 现两台电机的同步运行 两台或多台电动机具有各自闭环控制系统 对速度命令有较高 的响应 该系统常出现在多动力牵引的系统中 随动闭环控制系统是目前采用较多的一种控制方案 它综合前两种方案的优点 控 制精度较高 此方案是在随动控制的基础上 对主电路和随电动机做闭环处置 即将两 台电机的实际速度通过编码器进行实时监控 与各自的控制信号进行比较 构成独立的 闭环控制系统 主电机的闭环系统主要实现对预设速度的准确响应 从而电机的闭环系 统则是为更准确地跟随主电路的实际速度而设置的 目前我国大多数包装分切 印刷 涂层行业的张力开环控制系统都采用此控制方案 由于其速度控制精度较高 利用速度 差实现的张力控制就能满足要求 这便大大降低了系统的设计成本 当然作为配套的电 气控制元件对最终产品的质量也起着关键的作用 广西职业技术学院毕业调查报告 设计 第 3 页 页 4 PLC 程序控制 4 1一般 PLC 程序控制 PLC 的程序可以采用梯形图 语句表 功能模块等形式表示 Omron 公司的 PLC 提 供了大量的 PLC 功能块 功能块是一个包含标准功能 故功能块不包含实际的地址 只 要变量 用户可以在变量中设置地址和常数 利用 CX Programmer 可将单个功能块保存为一个独立的文件 从而使该功能块也适 用于其它 PLC 的应用程序 当创建或调试程序时 反复的使用 成熟 的功能块将节省程 序开发时间 有效的减少人为的编码错误 使程序结构简明清晰 更易于理解 4 2变频 PLC 控制系统 在工业自动化控制系统中 最常见的是变频器和 PLC 的组合应用 并且产生了多种 多样的 PLC 控制变频器的方法 构成了不同类型的变频 PLC 控制系统 变频 PLC 控制系统在变频器控制中属于通用的一种控制系统 一个变频 PLC 控制系 统通常由三部分组成 即变频器本体 可编程控制器 PLC 部分 变频器与 PLC 的接口部 分 交流电机由西门子变频器进行一对一的传动控制 西门子 S7 200PLC 负责控制系统 的开关量 负责数据的处理和工艺控制 交流变频器通过 RS 485实现与 PLC 之间的通信 PLC 变频控制系统实验室设备结构框图如下图所示 本文重点研究以 Omron 系列 PLC 作为主控元件来实现多电机的同步控制 为达到研 究目的 在上述工业控制网络中 以一台交流电机为主动电机 以其它交流电机为从动 电机 按照交叉耦合并行同步控制方式 进行交流电机的同步控制 广西职业技术学院毕业调查报告 设计 第 4 页 页 系统中 由 S7 200系列 PLC 完成数据的采集 处理和对变频器 电动机等设备的控 制任务 主 从电机接受 PLC 或其他系统的速度指令 通过编码器形成速度反馈 使系 统达到精确的速度控制 当主电机获得 PLC 的启动命令和速度给定时 经过矢量变频器 进行处理 调整转矩获得给定的速度 如果从电机并未将力矩传递到负载上 那么从电 机将感觉到负载重增加扭矩 同时主电机也将相应的减小扭矩 若主电机负载稍轻 那 么主电机就会相应的减小扭矩以保证与从电机保持相应的速度 主从任何一方的负载变 化必将反映在另一方的输出转矩变化上 4 3变频器装置 4 3 1 西门子6SE70系列变频器是一种电压型矢量变频器 它能利用处理器完成复 杂运算 开环和闭环的控制 通讯等任务 保证生产过程控制精度和静态 动态的控制 最优化 其动态响应不低于0 25 静态精度不低于0 01 能够满足控制系统的要求 本系统是要对交流电机实现高性能的速度控制 以实现交流电机同步速度的跟随 西门 子6SE70矢量控制的标准软件包含两种基本的控制型式 频率控制适用于简单应用场合 和成组传动高水平同步运转 磁场定向闭环控制 矢量控制 用于动态性能要求较高的传 动系统 根据本系统的要求 我们选择闭环速度控制 这样能在较低转速时有较高的动 态特性和高转速精度 4 3 2 在6SE70变频器中 速度调节器为一个传统的比例积分 PI 调节器 无自适 应能力 主要表现在两方面 1 PI 控制器参数整定必须相对于某一系统参数己知的系统 2 PI 控制器参数一旦整定完毕 便只能适用于已知的系统 该实验系统中 主从电机为两台不同交流异步机 分别由两台变频调速控制器供电 主轴变频器控制信号由工控机按实验要求与合成误差控制器的叠加给定 从轴变频器控 制信号是由工控机经协调控制策略 跟踪偏差实时计算后提供的 发电机分别与从电动 机同轴相连的发电机作为双轴的可调负载 两个增量编码器分别与主 从轴发电机同轴 相连 由此可获得速度 角位移信号及速度反馈信号 全数字化矢量控制变频传动是指以矢量控制 VC 技术为主构成控制回路 以交流变 频为主回路换能方式 控制交流电机运行 由于 VC 技术的采用 交流电机数学模型与 直流电机有了某种程度的一致 原来高品质直流传动中使用的成熟的控制手段和控制理 论得以借鉴 全数字化的应用还解决了模拟系统中电子器件参数受环境因素影响的问 题 特别是温度漂移问题 从而对系统精度的不可控影响因素得以消除 控制精度仅受 微机字长 检测元件精度影响 可以利用现有技术达到较高的传动性能指标 5 系统软件设计 5 1速度闭环和矢最控制的实现 针对同步方案的结构特点和矢量控制的特点 如果能用一个模糊控制器取代变频器 广西职业技术学院毕业调查报告 设计 第 5 页 页 的速度 PI 调节器 能有效的提高整个系统的控制性能 而6SE70变频器是一个工业产品 可通过参数设置 将速度 PI 调节器的积分部分关闭 将比例环节增益设置为1 同时将 模糊控制器的输出作为变频器电流调节器的输入 这样就实现了交流电机速度控制环的 模糊控制 其相关参数设置如下 1 设置 P315 1 P315为 Pl 调节器增益的功能参数 2 设置 P240为23001 P240为速度调节器积分时间功能参数 此设置封锁积分作 用 3 设置 P220 0 读入速度调节器转速实际值 4 将参数自调整模糊控制器的输出写入 P438 其中第1步 第2步的设置关闭了变频器的速度调节器 第3步设置关闭了速度反馈 环节 第4步设置则用参数自调整模糊控制器取代了原有的速度调节器 完成了速度的 闭环控制 为了实现变频器的矢量控制 就必须对变频器的参数进行设置 选择相应的控制方 式 设置步骤如下 1 选择功能参数菜单 P060有8个参数值 分别对应8种不同的功能菜单 我们选 择 P060 5进入系统设置菜单 2 选择开环 闭环控制方式 P100有5个参数值 分别对应着 V F 控制 V F 控制 纺 织工业用 V F 控制 速度控制 无测速机的速度控制 有测速机的速度控制和转矩控 制 其中后3个属于矢量控制 根据系统的要求我们选择了有测速机的速度控制 即选 择 Pl00 4 3 输入交流电机参数 在 P101 P102 P107和 P108 分别输入交流电机的额定 电压 额定电流 额定频率和额定转速 而 P103的电机励磁电流和 P109电机极对数会 由系统自动计算 4 选择工艺条件 根据本系统的特点 我们选择 Pll4 0 即选择快速加速系统 5 电机编码器的选择 选择 P130 11 即选择脉冲编码器 6 返回到参数菜单 选择 P060 1 即退出了系统设置回到参数菜单 此时输入的 参数值将被检验是否合理 度控制 即选择 Pl00 4 5 2 S7 200的控制 系统中使用了一台西门子 S7 200PLC 作为控制系统的核心 它负责读取电机速度值 广西职业技术学院毕业调查报告 设计 第 6 页 页 v1和电机速度值 v2 并计算 v1和 v2的差值 e 和差值变化率 ec 查询在 S7 200PLC 内部 建立的模糊控制规则 得到一个控制量 通过现场总线将控制量传送给变频器 通过变 频器实现对交流电机的速度控制 最终实现交流电机速度的同步控制 系统的模糊控制器选用计算机离线计算 在线查表的方法实现参数自调整模糊控 制 把复杂的模糊推理过程交给计算机离线完成 得到模糊控制器的总控制规则表和参 数自调整规则表 以数据模块的形式分别存入 S7 200PLC 系统的内存中 由查询表子程 序管理 首先建立速度误差 E 速度误差变化率 EC 和输出 U 的赋值表 E NL NB NM NS 0 PS PM PB PL EC NL NB NM NS 0 PS PM PB PL U NL NB NM NS 0 PS PM PB PL 依据实际工作情况和操作经验 选取各输入量与输出量的论域 E 的模糊论域取 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 EC 的模糊论域取 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 U 的模糊论域取 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 隶属度函数的形状有很多种 由于人们对事物的判断往往沿用正态分布的思维特 点 所以采用正态分布的隶属函数 即把三个模糊变量速度误差 E 速度误差变化率 EC 和输出 U 看成是正态分布的 那么它们三个模糊子集的赋值表可用正态分布的隶属函数 得到 通过计算可以得到速度误差 E 速度误差变化率 EC 和输出 U 的赋值表 6结束语 PLC 作为先进的自动控制装置 可以应用于多种自动化控制系统中 对于同步性能 要求较高的场合 可以采用 PLC 矢量控制变频器 三相异步电动机 脉冲编码器等构 成高性能调速系统 随着计算机技术数字技术的广泛应用 自动控制领域也随之发生了 巨大的变革 进一步提高拖动系统的控制精度及其稳定性已是必然趋势 广西职业技术学院毕业调查报告 设计 第 7 页 页 致谢 非常感谢我的论文指导老师廖前行老师 他在忙碌的教学工作中挤出时间来审查 修改我的论文 还有教过我的所有老师们 你们严谨细致 一