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”。

“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。

為實(shí)現(xiàn)兩臺牽引電機(jī)的速度同步,采用兩臺變頻電機(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(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分別采集兩臺電機(jī)的速度脈沖信號,并將該信號送到PLC的高速計(jì)數(shù)模塊中。PLC以這兩個(gè)速度信號數(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,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MW1000。

MW1000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,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（tt）=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)定的輸入信號而不是某一瞬時(shí)值的輸入信號進(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。

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)對速度控制的可靠性與靈活性。