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1 問題的提出與現狀分析 現有的電機控制系統主要分為兩大類，一是傳統的繼電器-交流接觸器控制系統，目前仍廣泛應用于電機運行的簡單控制中，例如完成電機的點長動、正反轉、星三角變換等常規運行控制。二是微機控制技術與交流接觸器、變頻器控制系統結合，主要的控制形式是可編程序控制器(PLC)在電機控制電路中的應用，控制電路中除了保留主電路中的交流接觸器外，其邏輯控制部分如：自鎖互鎖、延時定時、順序控制、機械手臂動作控制等都由PLC編程實現，極大地簡化了控制回路的外連電路，提高了控制精度、穩定性和可靠性。如果用PLC和變頻器相結合共同控制電機，可以很方便地實現交流電機的變速、調速運行。這兩大類控制技術目前都已經相當成熟，而且得到了廣泛應用。 盡管如此，還是有許多電機應用場合的控制功能得不到滿足，例如：雙電機或多電機的異地驅動中，要求轉速嚴格同步的驅動控制；集群式太陽能采集板多電機的轉角同步控制等等。對電機的這種并行同步控制需求，顯然不能簡單應用上述兩種控制方式來實現，因為隨著被控單元數量的增加和物理空間分布的分散，需要使用的PLC數量也會增加，控制系統的成本將激增，極大地降低了控制系統的性價比。本文從雙電機的同步驅動出發，探討多電機的同步驅動問題，應用角度傳感器(自整角機)和單片機組成多微機聯控的”集散式”隨動控制系統，通過單片機-變頻器-伺服電機的閉環調速驅動方式，實現雙電機或多電機的轉速”隨動同步”控制。 2 異地隨動轉速同步控制原理 2．1 電機實際轉速偏差形成的原因與危害 交流電機控制電路中，通常采用開環的位式控制或采用變頻器的變速控制。盡管各電機參數相同，給定的電壓或頻率也相同，但由于負載轉矩不同，還是會產生實際轉速的偏差，若電機的機械特性較硬，則這個偏差不大，在不要求轉速嚴格同步的應用場合此問題可以忽略；但要求嚴格同步時則可能產生嚴重問題。例如大跨距的大型龍門吊，其雙軌行程的并行電機驅動控制中，較小的轉速偏差隨時間積累將形成很大的行程偏差，加大了輪轂與鋼軌的側向摩擦力，甚至別死車輪；又如多電機聯軸驅動不接差速器時，偏差積累的強大力矩會使鋼軸變形等。 2．2 雙電機簡單隨動控制結構及原理 雙電機驅動控制系統中，為了避免由于負載轉矩的不同，導致電機轉速產生偏差，應設雙電機中任一電機為主動電機，另一電機為隨動電機。主控電機直接接受操作控制或變頻器驅動，設有主控單片機控制器，角度／速度傳感器，將主動電機的轉子位置、轉速、轉向數據采集處理后向隨動電機控制器串行發送；隨動控制器接收主控制器發來的主動電機數據作為給定值，且與角度轉速傳感器、變頻驅動器和伺服驅動電機組成有轉速反饋的閉環控制系統。應用最少拍控制算法以提高響應的實時性并消除靜差，或應用PID控制算法減小過調量并消除靜差，使隨動電機與主動電機的轉速真正實現并行同步。 2．3 多電機隨動控制系統結構及原理 在多電機驅動系統中，每臺電機都設有專用的單片機隨動控制器、角度／轉速傳感器、變頻驅動器和伺服驅動電機，各自都構成有轉速反饋的閉環控制系統。其主動電機數據作為給定值是具有群控引領作用的數據，各單片機與主控制器之間采用串口通信或I2C總線連接，構成集散式控制系統，各單片機隨動控制器一方面接收主控制器發送的轉速給定值，同時接收轉速傳感器檢測的本機轉速值，同樣應用最少拍控制算法以提高響應的實時性并消除靜差，或應用PID控制算法減小過調量并消除靜差，使眾多隨動電機轉速與給定值轉速之間真正實現并行同步。由于采用串口通信，主控制器可以向各隨動控制器發送相同的給定值，也可根據需要發送不同的給定值，實現轉速的同步、異步和特殊控制要求。 2．4 單片機集散式控制系統特點 單片機集散式控制系統具有操作和管理集中、多機現場控制、線路連接簡便、主機還可擴展上位機的USB接口和互聯網絡接口，為進一步擴展工程應用范圍，運行更復雜的程序，實現更多樣的控制功能奠定基礎。由此可知，凡是需要集群多工位電機并行的群控隨動控制系統，都適用以單片機集散式控制構建控制系統，本文的意義就在于設計構建結構簡單、性價比高、性能穩定、可并行工作的群控隨動控制系統。 3 隨動控制系統中電機轉子位置、轉速、轉向的檢測 實現多電機同步隨動的關鍵之一是轉予位置、轉速、轉向的檢測，可選的檢測方案有多種，這里介紹使用自整角機的檢測方法。檢測值經A／D轉換后的數據送單片機作進一步的程序分析。 3．1 電機轉子位置的檢測 由自整角機原理可知，發送方通電轉子的電壓有效值一定時，其交變磁場在定子三相繞組中的感生電勢因位置的不同其電壓有效值就不同，對三相電勢有效值的檢測和分析即可獲取轉子靜態和動態的位置信息。 3．2 電機轉速的檢測 自整角機三相定子繞組中任一相感生電勢有效值的大小變化速率，正比于轉子位置的變化速率。若轉子靜止不動，則定子感生電勢大小不變；反之定子電壓有效值變化越快，說明轉子位置變化越快。對電壓有效值變化速率的檢測和分析，即可獲得被測電機轉子的轉速。(參看圖5自整角變壓器) 3．3 電機轉子轉向的檢測 由于轉子靜止時，必有某相感生電勢有效值較大，另兩相較小。根據三相定子繞組空間分布情況，設ABC三相在某時刻為B相電勢有效值較大，A、C兩相電勢有效值較小，則下一時刻若A相電勢減小、C相電勢增大，說明轉子在順時針旋轉；反之若A相電壓增大、C相電壓減小，說明轉子作逆時針旋轉。 3．4 系統中主動電機的選擇 自整角機可以用來檢測主動電機轉子位置、轉速、轉向等數據，也可用來檢測隨動電機轉子位置、轉速、轉向等數據，在雙電機驅動中，只要兩電機的機電常數相同，飛輪轉矩相同，則主動與隨動可以較方便地切換；在多電機隨動中，主動電機只能有一個，通常選擇在控制系統中具有主導作用或引領作用的電機為主動電機。 例如：在由雷達天線主導的自動高炮群隨動控制系統中，雷達天線的驅動電機作為主動電機；在群控太陽能采集板控制系統中，具有光線方向采集與識別的太陽能采集板驅動電機作為主動電機。 4 最少拍控制與PID控制的特點 4．1 最少拍控制算法的特點 在結構最優化的最少拍控制系統中，一個采樣周期稱為一拍，對特定給定的輸入量，能在最少采樣周期數內使系統輸出量達到無靜差的穩定狀態，所以又稱為最少拍控制或時間最優控制。 設特定的輸入量為r(k)，系統輸出為c(k)，被控對象的傳遞函數為G(Z)，數字控制器的控制算法為D(Z)，控制偏差為E(z)；當G(Z)D(z)=1時，c(k)能即時準確跟蹤r(k)必須滿足的條件有兩個，即：a．G(Z)穩定；b．D(Z)可實現。 所以其特點是： (1)對特定的r(k)，當ess=lim[r(k)-c(k)]=O時，系統輸出無靜差； (2)且c(k)準確跟蹤r(k)所需的采樣周期數為最少； (3)控制系統穩定； (4)控制算法D(Z)可實現。 以下給出結構最優化最少拍控制系統的單位階躍序列的計算機仿真響應曲線(圖6)和單位斜坡序列的計算機仿真響應曲線(圖7)。 4．2 PID控制算法的特點 圖8 PID階躍響應曲線 PID是經典的工業過程控制算法，通常應用于工作速度不很高的控制過程中。根據不同的控制對象和控制要求，可分別采用比例控制P，比例一積分控制PI，比例一微分控制PD和比例-積分-微分控制。其中比例控制P的主要作用是對偏差的放大量，以提高控制靈敏度，但輸出量是以偏差的存在為依存基礎的，通常輸出存在靜差；積分控制I的主要作用就是消除靜差，但會使響應速度減小；微分控制則可提高響應速度，也存在靜差。有階躍響應曲線圖8可以看出，采用PID調節是響應速度最快的無靜差控制。 各控制品質用單位階躍響應曲線表示如圖8所示。 5 電機變頻驅動控制電路 5．1 變頻器多檔轉速控制電路的特點 幾乎所有的變頻器都設置有多當轉速的功能，格擋轉速的轉換是由外接開關的通斷組合來實現的。3個輸入端子可切換8檔轉速(包括0速)。對三菱FR-A540系列變頻器來說，3個輸入端子分別用RL、RM、RH表示；對森蘭SB60變頻器來說，需用編程的方法將Xl、X2、X3定義為多檔頻率端子。 單片機隨動控制器根據給定值(主動方發送的)、檢測值(本機自整角機檢測的)求出偏差，進行PID或最少拍算法編程計算輸出量，輸出量用二進制數表示，用3個輸出端子經接口電路(電平轉換)連接變頻器的3個多檔速端子；另有變頻器的正轉控制端子STR、反轉控制端子STF、急停控制端子STOP、復位端子RES和電平參考端子SD，使用接口的8個端子與變頻器控制端連接；接口電路中還有一個交流接觸器，用來控制給變頻器通斷交流電源；以及故障報警鈴和報警信號燈。 5．2 變頻器功能預置 變頻器多檔速驅動控制需預置各檔轉速對應的頻率，此處從略。 6 雙電機隨動實驗數據分析 6．1 單片機對轉子位置采樣的實驗分析 如前所述，對電機轉子的位置采樣是通過對自整角機定子三相繞組感生電壓的有效值大小來分辨的。有效值變化規律的實驗表明： (1)當電機轉子勻速轉動時，自整角機定子感生電壓有效值大小按正弦量全波整流后的規律變化，頻率與轉速對應固定不變。 (2)當電機轉子轉速快時，自整角機定子感生電壓有效值大小變化的周期短，頻率高；反之，電機轉子轉速低時，自整角機定子感生電壓有效值大小變化的周期長，頻率低。 (3)當電機轉子作變速轉動時，自整角機定子感生電壓有效值大小變化的規律是非正弦的；頻率變化隨加速升高，隨減速降低。 (4)當電機轉子靜止時，自整角機定子感生電壓有效值大小固定不變，各相定子電壓不等；當某相為最大值時，另兩相值較小且相等。 (5)設電機ABC相序為順時針，且設自整角機轉子交變磁極軸線正對B相時，則B相電壓有效值最大，AC兩相有效值相等；此時若順時針轉動，則A相有效值減小、而C相有效值增大；反之，則A相增大、C相減小。 (6)對主動電機轉子位置檢測的精度，取決于對自整角機定子感生電壓模數轉換時數字量的位數；且轉角與有效值的對應關系是非線性的正弦關系。當自整角機轉子交變磁極軸線倒相時，存在”相位模糊”現象。 綜上所述，應用自整角機作為電機轉子位置檢測時，其用作轉速、轉向檢測較為方便準確；用作轉角檢測時，需解決好相位模糊現象并做好非線性處理。在雙電機隨動實驗中，我們采用了轉軸光電脈沖輔助檢測的方法，很好地解決了相位模糊問題。轉角與有效值的非線性關系，在單片機中采用了查表法解決，顯然，若要求精度越高，則所需存儲空間越大。 6．2 隨動電機轉速閉環控制實驗分析 轉速控制精度取決于變頻器的多檔速控制位數，三位控制端具有0～7八檔速控制，由于電機轉速具有慣性，采用PID控制算法的實驗表明：若主動電機的變速平緩，則隨動電機的轉速跟隨作用十分明顯；若主動電機的變速劇烈，則隨動電機的轉速跟隨稍顯滯后，并在給定值左右小幅短時擺動。采用最少拍控制算法，則隨動電機的響應較快，轉速跟隨的實時性好，主從電機轉速差異采用行程累積偏差表示，兩種控制算法在雙輪雙軌行程檢測中的實驗結果表明，PID控制平均誤差為：4mm／10m；最少拍控制平均誤差為：1mm／10m。 有關雙電機轉速隨動控制器的電原理圖、PCB板設計圖；雙電機隨動控制程序；轉子位置、轉速、轉向檢測程序；單片機控制器通信程序都將另著文論述。 |
