1、前言

當(dāng)車輛驅(qū)動電機采用分散驅(qū)動時,受電機轉(zhuǎn)速不同步的影響,可導(dǎo)致車體運行不協(xié)調(diào),進而使電機轉(zhuǎn)速偏離正常值,嚴重時會造成設(shè)備損壞。因此,解決車輛驅(qū)動電機在分散驅(qū)動時產(chǎn)生的電機轉(zhuǎn)速不同步問題具有現(xiàn)實意義。本文介紹一種利用PLC解決車輛分散驅(qū)動時電機速度同步的先進實用的控制方法。

2、問題的提出

目前,車輛的運行設(shè)備一般采用集中驅(qū)動（見圖1）和分散驅(qū)動（見圖2）兩種方式。集中驅(qū)動變頻器與電機的關(guān)系是“一拖多”;分散驅(qū)動時兩者的關(guān)系是“一拖一”。

“一拖多”的優(yōu)點是控制簡單,操作維護方便,但采用集中驅(qū)動布置,要求車體具備較大的空間。當(dāng)車輛負載很大或者車體空間受到限制的時候,通常采用“一拖一”的分散驅(qū)動方式,因為其結(jié)構(gòu)緊湊,布局簡單。但"一拖一"對變頻器和電機有較高的要求,特別是同步問題難以解決。如果電機轉(zhuǎn)速不一致,會出現(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,實現(xiàn)多個分散驅(qū)動電機同步運行。PLC采用西門子S7400系列,圖3為網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。

為實現(xiàn)兩臺牽引電機的速度同步,采用兩臺變頻電機牽引,并分別采用變頻器調(diào)速進行矢量閉環(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1的速度為目標(biāo)速度,由牽引電機2的變頻器來調(diào)節(jié)其速度以跟蹤牽引電機1的速度。將兩臺增量式旋轉(zhuǎn)編碼器與電機同軸聯(lián)接,使編碼器1和編碼器2分別采集兩臺電機的速度脈沖信號,并將該信號送到PLC的高速計數(shù)模塊中。PLC以這兩個速度信號數(shù)據(jù)作為輸入控制量,進行比例積分控制運算（PID）,運算結(jié)果作為輸出信號送至PLC的模擬量模塊,以控制牽引電機2的變頻器。這樣,就可以保證牽引電機2的速度跟蹤并隨著牽引電機1速度的變化而發(fā)生變化。使兩個速度保持同步。

取自編碼器采集的脈沖信號,經(jīng)高速計數(shù)模塊FM350-1進入PLC,轉(zhuǎn)換成電機速度數(shù)據(jù)。將兩個電機編碼器的信號相比較,通過PID調(diào)節(jié)模塊,調(diào)整電機轉(zhuǎn)速差值,給定電機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。積分作用的強弱取決于積分時間,常數(shù)Ti越小,積分作用就越強。

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)波動等因素引起的外來干擾,在編制控制算法時,必須考慮利用積分環(huán)節(jié),即采用一段時間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定的輸入信號而不是某一瞬時值的輸入信號進行PID運算,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1和牽引電機2就能很好地進行同步控制且同步精度較高,從而確保了運行機構(gòu)的穩(wěn)定性。

4、控制結(jié)果

利用STEP7編制PLC上位機監(jiān)控程序,Wincc采集速度值并繪制曲線。數(shù)據(jù)提取的時間間隔為15ms。實際上牽引電機1和牽引電機2速度是相同的,但為了反映牽引電機2的跟蹤和波動情況,在此特地將其分開,上面是牽引電機1的速度曲線,下面是牽引電機2的速度曲線（見圖4）。牽引電機1的速度發(fā)生變化時,牽引電機2就能及時地響應(yīng),進行跟蹤,并且能很快地達到穩(wěn)定。實驗表明,采用PLC和變頻器的控制方法,能達到較高的同步要求,響應(yīng)快、速度波動幅度較小。

5結(jié)束語

該控制方法已在各種爐下車輛中應(yīng)用。實際應(yīng)用中,走行同步起動效果明顯,車輛運行平穩(wěn)。實踐證明,采用PLC解決車輛分散驅(qū)動時電機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)備的維修維護費用,保證了車輛發(fā)揮正常的生產(chǎn)效率,經(jīng)濟效益顯著。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系統(tǒng)對速度控制的可靠性與靈活性。