提高自動化生產線實訓臺異步電機定位精度自適應控制方法研究

溫國強，胡順堂，陳 寬，楊國俊，王 毓，劉曉明

提高自動化生產線實訓臺異步電機定位精度自適應控制方法研究

溫國強1,2,3，胡順堂1，陳 寬1，楊國俊1，王 毓1，劉曉明1

（1. 天津中德應用技術大學 汽車與軌道交通學院，天津 300350；2. 天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；3. 光電信息技術科學教育部重點實驗室，天津 300072）

在YL-335B自動化生產線實訓考核設備的分揀單元中，驅動傳送帶的三相異步電機在制動后的滑行距離受變頻器設定的運行頻率和下降時間影響，存在不確定性，導致工件不能準確地停在預定位置。通過采集大量滑行距離數據，采用多項式曲線擬合的方法，構建了滑行距離與運行頻率和下降時間的數學模型，并提出提高三相異步電機定位精度的自適應控制方法。實驗結果表明，該控制方法可根據運行頻率和下降時間，自適應控制電機的停機位置，工件定位準確。

自動化生產線；異步電機定位；曲線擬合；自適應控制

YL-335B型自動化生產線是面向高職機電類專業開發的集機械技術、PLC控制技術、傳感器技術、氣動技術、電機驅動技術等多種技術為一體的綜合實訓考核設備，也是連續舉辦過10年的全國職業院校技能大賽高職組“自動化生產線安裝與調試”賽項的指定設備。國內大部分高職院校機電類專業都配備了此設備，以支撐機電類專業的實踐教學[1-11]。

雖然YL-335B型自動化生產線實訓考核設備非常適合高職院校機電類專業的實踐教學，但也存在一些問題有待解決。例如在第五站分揀單元中，三相異步電機驅動傳送帶將工件輸送至待分揀料槽，停止后再由氣缸推入；但電機的運行頻率和下降時間影響著工件的停止位置，工件不能被準確推入料槽，致使職業技能大賽的參賽選手在比賽中丟分。電機的運行頻率是指經過變頻器處理后的交流電的頻率，頻率越高則電機轉速越快，反之亦然；下降時間指電機停機時從運行速度下降到最低速度所用時間。

針對異步電機的控制，有關學者和技術人員進行了大量研究，例如利用神經網絡的自學習功能提高交流異步電機系統的定位精度，采用模糊控制并結合矢量控制調速技術進行異步電機旋轉角度的精確控 制[12]，采用斷電制動型電磁抱閘制動器、整流器、交流電磁接觸器等元件使三相異步電機快速制動，縮短滑行距離[13]。本文在分析定位誤差數據的基礎上，采用曲線擬合的方法，預測工件的停止位置，提高三相異步電機定位精度的自適應控制，同時培養學生理論聯系實踐的能力。

1 YL-335B設備概述

YL-335B自動化生產線實訓考核設備如圖1所示。該系統由供料，加工、裝配、分揀、輸送等5個單元組成，每一單元為獨立工作站，既能完成獨立工作任務，又能進行聯網工作。PLC為控制器，接受光電傳感器、磁性開關、光電編碼器等傳感器的輸入信號，控制氣缸、電機完成規定的動作。輸送單元為起始單元，通過伺服電機驅動機械手在水平導軌上移動，可實現精確定位，將工件搬運至指定位置。

圖1 YL-335B自動化生產線實訓考核設備

圖2(a)所示分別為白色、黑色、金屬材質的套件，這些套件存儲于供料單元的料倉里，當物料臺沒有物料時，料倉中的套件便被氣缸推出，完成供料動作。輸送單元機械手抓取套件，將其搬運至裝配單元；裝配單元將芯件（見圖2(b)）裝到套件中。由于芯件中間橡膠圈的存在，芯件只有一半裝入套件中，如圖2(c)所示。輸送單元再將半成品工件從裝配單元搬運至加工單元；加工單元可將芯件壓入套件，完成加工任務。然后，輸送單元將成品工件輸送至分揀單元，根據不同的任務要求進行工件分揀。依圖2所示的3種套件和3種芯件，套件和芯件可有9種組合。此外，該設備還配備了觸摸屏，用于人機信息交互。

圖2 工件

2 分揀單元

分揀單元由PLC、變頻器、三相異步電機、旋轉編碼器、金屬傳感器、光纖傳感器、氣缸、3個物料槽及其他輔助結構構成，如圖3所示。

上位機編寫的程序可下載到PLC上，PLC通過控制變頻器實現三相異步電機啟停以及運轉速度、運轉方向的控制；編碼器用于測算工件在傳送帶上的移動距離；金屬傳感器和光纖傳感器組合使用，可判別工件的性質。由于分揀過程類似，本文僅考慮白色芯件嵌入白色套件、黑色芯件嵌入黑色套件、金屬芯件嵌入金屬套件的情況，暫不考慮混合嵌套情況，其判別情況如表1所示。

當工件被搬移到傳感器檢測范圍內時，通過表1判別工件是白色、黑色還是金屬材質。根據工件判別情況，傳送帶將工件輸送到相應的物料槽位置，然后由推料氣缸將其推入料槽。通常白色工件進料槽1，黑色工件進料槽2，金屬工件進料槽3。

三相異步電機的運行頻率和停止時間可由變頻器設定，并且電機的轉速越高，停機時旋轉過的角度越大；同樣，電機下降時間越長，其旋轉角度也越大。所以，電機以不同的運行頻率、不同的下降時間運行時，停機后旋轉角度不同，導致傳送帶不能將工件輸送至準確的位置，在料槽口左右有偏差，當偏差較大時，氣缸不能將工件推入料槽，這給工件分揀工作造成了很大困難。

圖3 分揀單元

表1 工件判別

3 提高三相異步電機定位精度自適應控制方法

針對YL-335B型自動化生產線三相異步電機定位精度受變頻器設定的運行頻率和下降時間的影響的問題，提出一種提高三相異步電機定位精度的自適應控制方法。

假設三相異步電機驅動傳送帶帶動工件A運行，將工件A運送到圖3(b)所示物料槽2的點時停下，由推料氣缸2將其推入物料槽。為消除電機制動時滑行距離的影響，實現工件A在電機不同速度（頻率）、不同下降時間的準確定位，需要經過如下4個步驟：

（1）編寫控制程序。當工件A運行到物料口2中心線位置時（旋轉編碼器計數值為3952），電機開始制動。測量工件A在電機不同運行頻率、不同下降時間制動時，從物料槽2中心線點滑行過的距離，形成數據庫，如表2所示。由表2可知，最大滑行距離為3 890脈沖（292.9 mm），平均滑行距離為1 129脈沖（73.4 mm）。

表2 實驗數據 脈沖數

（2）將運行頻率設為自變量，下降時間設為自變量，滑行距離設為因變量。將表2所示的實驗數據載入Matlab軟件，進行多項式曲線擬合，得出滑行距離與運行頻率和下降時間的數學關系式，圖4所示為Matlab曲線擬合結果。

圖4 曲線擬合結果

由圖4可知，滑行距離與運行頻率和下降時間之間存在非線性關系。根據曲線擬合結果，并對曲線擬合結果做修正，得出滑行距離與運行頻率及下降時間之間的數學關系式為

（4）當工件A到達1時，程序控制電機開始制動，經過一段距離滑行后，工件正好到達物料槽2中心線位置點并停下，實現準確定位。將自適應控制算法應用于電機停機控制后，實際停機時，工件位置相對于點的偏差如圖5所示。

由圖5可知，位置最大偏差為20脈沖距離（1.3 mm），平均偏差為6脈沖距離（0.4 mm），而之前的最大偏差為3890脈沖距離（292.9 mm），平均偏差1129脈沖距離（73.4 mm），極大地提高了定位精度，該方法還可用于其他位置的電機制動情況。

但是，上述三相異步電機停機自適應控制方法具有一定的適用范圍。假設傳送帶將工件從開始位置輸送到目標位置，距離為0，電機開始制動時，已經按照設定狀態運行。根據式（2），電機應提前停止的位置為0－(2＋3)。當0－(2＋3)≥0時，工件能夠實現準確定位；當0－(2＋3)＜0時，該方法則不適用。應設定電機運行參數，使0－(2＋3)≥0，滿足上述自適應控制方法的使用條件。

4 結語

針對YL-335B自動化生產線實訓考核設備分揀單元中，因傳送帶滑行距離的不確定性導致工件不能被準確地推入料槽的問題，提出多項式曲線擬合的方法，得出滑行距離與下降時間和運行頻率的數學關系，可根據運行頻率和下降時間自適應調節提前停止的點。經實驗證明，該方法提高了電機的定位精度，實現了電機停機的自適應控制，使工件能被準確地推入物料槽。

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Research on self-adaptive control method for improving positioning accuracy of asynchronous motor in automatic production line training station

WEN Guoqiang1,2,3, HU Shuntang1, CHEN Kuan1, YANG Guojun1, WANG Yu1, LIU Xiaoming1

(1. Automobile and Rail Transportation School, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China; 2. College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. Key Laboratory of Opto-electronics Information and Technical Science of Ministry of Education, Tianjin 300072, China)

The uncertainty exists in the sorting unit of YL-335B automatic production line training and assessment equipment and in the effect on the sliding distance of three-phase asynchronous motor driving conveyor belt after braking by the frequency and time of frequency converter setting, which leads to the inaccurate stop of workpiece in pre-positioning. By collecting a large amount of gliding distance data and using polynomial curve fitting method, a mathematical model of gliding distance, running frequency and falling time is constructed, and an adaptive control method to improve the positioning accuracy of three-phase asynchronous motor is proposed. The experimental results show that the control method can self-adaptively control the stop position of the motor and locate the workpiece accurately according to the running frequency and falling time.

automatic production line; asynchronous motorpositioning; curve fitting; self-adaptive control

TP273.2；TM343

A

1002-4956(2019)09-0145-04

2019-03-11

全國教育科學規劃課題教育部青年項目（EJA180469）

溫國強（1984—），男，河北張家口，在讀博士研究生，講師，主要研究方向為光機一體化技術、智能制造技術。

E-mail: wgqdiamond@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.036