PMSM伺服電機在高速積放無線控制系統中的應用研究

文/蘇軍偉

隨著微電子技術、功率半導體制造技術、材料技術的發展,，行業應用逐步向智能化、模塊化、網絡化、應用設備小型化和應用場景大型化方向發展；電商物流行業的快速發展，也對物流裝備制造業產品研發提出更高要求。

傳統物流BLDC電輥筒輸送積放控制在30kg標準件只能做到70m/min速度以下，在大于70m/min速度時采用傳統BLDC控制制動方式，由于制動距離相對較遠，不能準確停留在傳感器模塊的位置上，導致不能準確對輸送線上貨物定位追蹤，對高速、高效的貨物輸送構成應用瓶頸。另外由于傳統輸送控制采用PLC+I/O模塊作為主控單元或采用雙驅動（四驅動）控制卡以太網、總線控制方式，相對成本較高，應用復雜，制約行業向更高效、更廣闊的應用發展。

本文設計了一種PMSM永磁同步伺服電機，實現高速積放控制、既節約成本，又簡單易用；既可作為大型物流輸送系統的一個子系統，也可作為一個獨立的系統應用，使物流變得更聰明和智慧，為行業應用提供一種技術保障手段。

一、系統特點

與傳統電輥筒物流積放控制系統相比，本系統具有以下特點：

1.全自動積放運行：根據積放功能設置，自動識別是否有貨，達到貨來運行，貨走停止，無人化運行。

2.高速積放控制：可實現30kg標準件70m/min～120m/min高速積放控制運行。

3.模塊化設計：每個設備既是獨立設備，可單獨運行；又是網絡上的一個節點，實現相互通訊與控制。

4.節約成本：節省PLC主控設備、DI/DO控制模塊及外圍電氣設備材料；節省現場編程及調試人力成本。

5.減少布線：不需要控制線與信號線，現場只需一根電源線，節約材料成本及施工人力成本。

6.保密性強，數據可靠：數據傳輸采用加密算法、獨立專業工業級聯網，不隨意對外開放端口。

7.節省調試時間：設置參數，一鍵下載，瞬間完成。

8.升級改造容易：系統網絡增減節點容易，只需簡單設置，網絡數量節點擴展無限制。

9.兼容性強：既是對傳統PLC控制物流積放的升級，又保留PLC控制接口。

10.即插即用：維修設備更換簡單，不需檢查繁瑣線路及設置。

二、系統組成

本系統主要由三部分組成：高速制動控制、聯網控制、積放控制。

系統硬件架構方面，系統由上位機、協議轉換模塊及多個驅動單元組成，采用工業無線聯網方式鏈接。

驅動單元由PMSM電機模塊，積放控制驅動模塊、光電傳感器模塊、無線通訊模塊組成。其組成架構圖，如圖1。

1.高速制動控制

由于電商以及物流企業日處理貨物流量越來越大，對輸送線輸送要求越來越高；目前國內外輸送線輸送積放運動控制大都在70m/min以下，已越來越不能滿足日益增長的流量輸送要求，需要對目前的控制方式進行升級改造。目前存在貨物大于30kg，包裝較小、速度大于70m/min時，積放輸送在河流分揀口，剎車制動位置在電輥筒上制動距離較遠（大于300mm），導致貨物不能準確停留在光電傳感器模塊位置上，不能準確對輸送線上貨物定位追蹤，導致控制錯誤，致使貨物堵塞，造成控制系統失靈，制約行業向高速高效發展。如何控制制動距離，是高速積放成功的關鍵環節。

目前國內外電輥筒輸送線采用BLDC電機驅動，剎車模式分為標準剎車（三相MOS管下橋臂打開）、無剎車和伺服剎車模式（三相MOS管上橋臂打開）。幾種剎車模式相比較，標準剎車制動力矩較大，距離最近，但不能對位置鎖死，貨物較重或速度較高時，制動力不足滑行距離較遠，因此在高速積放運行時不能滿足制動距離要求。

由于我國稀土成本下降，PMSM電機成本大幅下降，PMSM伺服電機得到越來越多的廣泛應用，永磁同步電機兼有感應電機和無刷直流機的特點。帶有繞組的定子結構在電機氣隙中產生正弦磁通密度，在相同額定值下，永磁同步電機的功率密度高于感應電機，因為它無需消耗定子功率用于產生磁場。永磁同步電機減少了體積、重量和轉動慣量，剎車力矩增大，另外由于電機控制技術的發展，PMSM伺服電機由于自身的低轉速大扭矩、噪音低、速度位置控制精確度高等優勢，獲得較廣的應用。伺服電機由于有三閉環PID算法，在位置控制方面具有獨到優勢。增大制動力克服貨物慣性導致的剎車距離遠，是高速積放控制的優先選擇。

PMSM電機模塊在PMSM永磁電機的基礎上，增加光編或磁編碼器傳感器，作為位置或速度傳感器采樣反饋點，如圖2，PMSM電機模塊通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數來確定轉動的角度，通過AB光柵信號相位確定轉動方向，MCU控制器采集傳感器AB信號，PMSM電機模塊由電流環、速度環、位置環閉環系統組成，將輸出的信號通過傳感器反饋到輸入端，以達到位置控制、速度可調，力矩可控的目的；在三環控制電流、速度、位置控制中，其回路采用PID控制器算法，負反饋PID調節系統，電流環PID最內環，此環完全在伺服驅動器內部運行，通過檢測傳感器給PMSM電機模塊的各相輸出電流，負反饋給電流的設定進行PID調節，從而達到輸出電流與設定電流接近，電流環控制轉矩，動態響應最快。速度環檢測電機編碼器信號進行負反饋PID調節，它的內環PID輸出就是電流環設定，所以在速度控制的同時也在進行電流的控制，以達到對速度的控制。位置PID，它是最外環，可以在驅動器和編碼器構建，動態響應最慢，是在速度PID環外設定，此時系統運算量最大，如圖3。根據外部反饋及偏移，適時予以修正，以實際改善速度值、位置值、以及力矩大小，動態改變速度、轉動角度偏移問題。

面對高速制動問題所遇到的問題，PMSM電機模塊采用PMSM永磁同步伺服電機的三環控制方式，在電輥筒輸送線上貨物觸發光電傳感器模塊發信號給PMSM電機模塊，控制PMSM電機模塊立即減速制動，由于在加不小于30kg負載高速運行下進行剎車制動，貨物的慣性及反電動勢的沖擊給制動距離和系統穩定造成影響，所以要求既要消除慣性和反電動勢干擾，又要使系統平穩快速剎車，普通控制方式難以實現，PMSM電機模塊根據反向電動勢的大小進行PID調節，通過理論模型運算,設置合理的P、I、D參數,可使系統在變速信號輸入下完全消除位置跟蹤的穩態誤差, 減少中間傳動過程中的反電動勢，應用PID算法，動態增加反向制動力矩，高速運行的PMSM電機模塊接到信號后立即進行減速運行一周，使高速PMSM電機模塊降到某一速度值，立即采用能量剎車模式對PMSM電機模塊制動，如圖4。控制VDCCON端，使MOS管導通，反電動勢電流通過VIN+泄放電阻、MOS管到VIN-端釋放，減小反電動勢沖擊，再運用位置PID算法，對位置鎖死，既減少慣性又消除大的反電動勢；既增加了整個系統的定位精度，又使貨物中心剛好停止在光電傳感器模塊的位置上；滿足高速積放運行控制要求。

圖5： 點對多點模式

圖7： 點對點模式

2.聯網控制

（1）目前工業應用幾種積放控制聯網方式比較：

①PLC或PAC控制器：國內大多采用I/O或總線MODBUS TCP/MODBUS RTU通信控制方式。歐美采用Profinet或Profibus總線方式通訊.。控制功能強大，但PLC或PAC+I/O及通訊模塊不菲的價格以及大量的編程、調試等工作，成本較高。

②總線控制方式：采用CAN總線或RS485控制方式，CAN總線在汽車電子普遍應用，采用多主多從的控制方式，每個驅動單元或節點，可根據網絡節點的優先級發送或接收。多采用CANOPEN通訊協議進行數據通信。降低速率最高可達1.2km;但是控制邏輯及協議較復雜。另外RS485通訊，多采用MODBUS RTU/ASCII數據通訊格式，采用輪詢的方式，確定貨物所在位置，在實際使用中，輸送線較短；在傳輸距離遠或輸送速率較高時，由于查詢時間較長，而不能準確確定貨物位置；不能精準控制，造成程序失控。

③以太網 或WIFI控制：以太網方式，大多使用Client-Sever架構，采用雙網口通信方式，國內采用TCP/IP或MODBUS TCP協議居多，歐美采用Profinet居多，采用以太網通訊主控MCU需帶MAC控制器，增加PHY的芯片及數據交換芯片.相對成本較高。WIFI控制方式，是基于IEEE 802.11標準的無線局域網技術搭建，一條輸送線幾百米至幾千米等，現場需要多個無線路由做網絡覆蓋。由于現場貨物輸送控制實時性較高，網絡延時導致控制誤差以及WIFI密碼易被破解，造成安全隱患。

綜上所述：以上幾種方式，各有利弊。

系統硬件方案：系統由上位機、協議轉換模塊、驅動單元以無線通訊的方式相連，構成整個輸送積放控制系統，數據傳輸采用加密算法，提高系統的安全性，保證穩定可靠運行。

無線通訊采用一種全新的工業無線通信方式。由于無線通訊國家劃分幾個不同的頻段，采用調頻收發機31MHZ～470MHz免費使用頻段，采用5db增益天線，信號穿墻能力強、滿足自動化物流輸送要求，由于輸送系統設備間距離相對較近，不會對周圍或被周圍設備產生影響。

（2）應用策略

根據每個應用場景，貨物的大小、輕重，傳輸分揀的速度要求不同，系統要設定驅動單元PMSM伺服電機模塊的不同運行速度、運行方向，啟動力矩、停止時間、剎車方式等。所以首先需要對整個系統初始化（采用點對多點模式）；初始化完成，根據輸送線積放控制要求運行（采用點對點模式）。具體實現如下：

①系統初始化設置：采用點對多點模式，如圖5，當模塊A的地址設置為0XFFFF時，無線模塊A處于廣播監聽狀態，發送的數據可以被具有相同速率和信道的其它模塊接收。同時，可監聽相同速率和信道上的所有模塊（地址不同）發送過來的數據。現場實際應用系統設置示意圖，如圖6，由上位機軟件設定系統各驅動單元PMSM電機模塊統一的速度，轉動方向、啟停時間、過壓、欠壓、過流報警參數等。由協議轉換模塊和現場驅動單元以點對多點模式通訊；上位機通過USB與協議轉換模塊相連，協議轉換器地址設置為0XFFFF，協議轉換模塊主要完成上位機參數指令轉換為各驅動模塊的初始化參數并以廣播方式傳輸到各驅動單元，各模塊接收到命令參數自動存儲，設置為驅動單元自己的運行參數。

②系統運行模式：采用點對點模式定向傳輸，如圖7，無線模塊A發送數據時修改地址和信道，可以把數據發送到指定的任意地址和信道，但要求發送和接收的速率相同。按照輸送積放控制要求，驅動單元模塊之間需要相互通信，根據貨物在傳感器模塊上的位置實現相互控制，控制彼此驅動單元的PMSM伺服電機啟動與停止，實現貨來運行、貨走停止的自動化連續不間斷的運行方式，系統運行示意圖，如圖8。

3.積放控制

實現了驅動單元之間的相互通訊與控制，根據積放控制邏輯實現單件釋放模式和連續釋放模式：

（1）單件釋放模式：實現單一貨物一件一件從上游向下游傳遞，當上游驅動單元的傳感器模塊探測到有物體時，通知下游驅動單元PMSM電機模塊運行，逐級向下游驅動單元通知啟動；當驅動單元其上傳感器模塊上無貨物時，驅動單元延時一定時間后停止轉動；當下游出現堵塞時，下游驅動單元逐級通知上游驅動單元，逐級停止。當下游堵塞移除后，下游驅動單元逐級通知上游啟動運行，如圖9；達到貨物自動化從上游到下游輸送，貨來輸送、貨走停止的高效、節能的智能物流系統。

（2）連續釋放模式：首先下游末端驅動單元根據輸送積放要求PMSM電機模塊停止運行，上游貨物到來時逐件進行堆積，使每件貨物停留在各驅動單元的傳感器模塊的位置上，示意如圖10；當輸送線堆積滿時，上游頂端驅動單元發出貨物堆積完成信號給下游末端驅動單元，當下游河流無貨物時，下游末端驅動單元自己啟動運行的同時發出運行信號給相鄰的驅動單元，相鄰的驅動單元收到信號后啟動同時向其上游相鄰驅動單元發出運行信號；逐級向上游傳遞；整個輸送線所有驅動單元運行；達到智能避障、一起運行，提高輸送效率。

三、結束語

本系統不僅解決了目前制約物流自動化高速積放運行控制的瓶頸，也為物流積放運行控制提供了一種低成本控制方式。經過測試能夠穩定運行，滿足物流輸送的需要；不僅適用電商物流自動化，也適用機場、碼頭、工廠自動化等標準件輸送要求，未來使用前景廣闊，可更好地為國民經濟服務。