基于位置和速度雙閉環控制在某物料提升裝置的應用

袁雄兵

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

0 引 言

在工業生產過程中，經常會遇到物料提升裝置高精度、速度穩定的運動控制要求。其主要控制要求是實現提升裝置的精確定位，同時要求運行速度穩態性能好。目前使用較廣泛的是使用可編程邏輯控制器控制步進電機或交流伺服電機從而實現提升裝置的定位控制。伺服電機主要根據脈沖來定位，其速度、位置精度控制準確，過載能力強，且可使被控對象的位置、狀態等輸出被控量能夠跟隨給定值的任意變化而變化，但其定位控制較復雜、成本高。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的控制電機，做定位控制時一般都為開環控制，位置控制精度較好，且起停和反轉響應快，但容易產生共振，轉速不高，且轉矩較小，高速運行時會產生振動和噪聲。該文擬采用四象限變頻器傳動普通三相異步電機(帶抱閘裝置)，電機軸端設置增量式編碼器檢測實際位置和速度，利用PLC實現位置和速度雙閉環控制的物料提升功能。

1 物料提升裝置及控制系統

物料提升裝置的功能為把物料從低位提升到高位，而且可實現任意位置的停車，同時要求提升加速度大、且加速度為定值，勻速階段速度穩定性好。因此控制的重點是位置和速度控制。

物料提升裝置見圖1，其主要包括以下設備：電氣控制柜、現場操作箱、上行程開關、下行程開關、回零開關、提升電機、提升裝置等。

控制系統見圖2，其由控制器、操作箱、顯示裝置、變頻器、編碼器、上行程開關、下行程開關、回零開關等組成，共同實現物料提升裝置的定位控制，控制器實現系統的運算、控制、顯示燈功能，回零開關用于系統重新上電后提升零位的確定，編碼器與變頻器實現系統的速度閉環和位置閉環控制，提升電機用于實現提升裝置的提升與下放。顯示裝置可實時顯示提升裝置的速度、位置等參數，也可進行參數設置或系統控制。

2 位置與速度雙閉環控制原理

2.1 旋轉編碼器

增量式編碼器又稱脈沖式編碼器，將被控對象的角度位移或直線位移轉換成周期性的電信號，再將電信號轉變成脈沖，脈沖的數量與位置移動大小成正比。因轉動時輸出脈沖，通過計算脈沖數量才確定位置，編碼器不旋轉或者停電時，只能依靠設備的內部記憶來記住位置，故停電時，編碼器必須保持靜止，重新上電時，也不能丟失脈沖，否則計算脈沖的設備零點會產生不確定的漂移，結果也將會變的不確定。因此，設置1個接近開關，其信號送入變頻器的數字輸入點作為編碼器的零位參考點，并固化在脈沖計算設備中，每次系統重新上電時，先尋找該參考點作為提升零位。

該系統選擇主動回零方式，即采用接近開關和編碼器零脈沖共同確定回零點，系統重新上電后，啟動回零命令，按照變頻器預先設置的搜索方向，到達接近開關后，以最大減速度停車，同時搜索編碼器的零脈沖，然后停止在零位參考點，完成主動回零的過程。

為了避免振動對編碼器的影響，將旋轉編碼器安裝于提升電機軸端上，根據減速比，可從編碼器的脈沖數推算出提升裝置的移動距離。同時，根據電機轉速和傳動半徑，可推算出提升電機的實際速度。對比實際位置與設定位置、實際速度與設定速度，理論上就可以實現位置和速度的雙閉環控制。

2.2 變頻器讀取編碼器的脈沖數

該文中，傳動裝置選用西門子的S120系列變頻器，集V/F控制、矢量控制、伺服控制為一體的多軸驅動系統，具有模塊化的設計，各模塊間(包括整流單元、控制單元、電機單元、電機編碼器等通過高速驅動通訊接口DRIVE-CLIQ相互連接。同時，S120支持標準的PROFIBUS DP接口，可確保自動化系統解決方案中的各組件之間無縫通訊，同時，還具有基于以太網技術的PROFIBUS NET接口，通過具有實時特性或同步實時特性的設備快速交換控制數據，可應用于多軸驅動中。

S120裝置中參數r 0482可現實編碼器的實際增量值，r 2521是驅動在激活基本定位功能后的實際位置值，單位是LU。可通過拆解r 0482的方法得到實時的脈沖數，具體方法見圖3。

(1)從bit0—bitn-1表示脈沖細分補全碼，即當實際位置處于兩個脈沖之間時，對其進行細分，從而代表的兩個脈沖間的位置值。當下一個脈沖到達后，向上進一位，然后重新計數。

(2)從bitn—bitn+m-1表示編碼器一轉以內的整脈沖個數。

(3)從bitn+m到bit31為當前實際轉數，編碼器每旋轉一周由整脈沖數向上進位得到。

(4)m為p0408編碼器脈沖數對應的2進制位數，n為p0418中設定的脈沖細分率。

3 定位功能實現

3.1 S120的MDI程序步功能

使用MDI程序步功能可實現定位功能，通過計算機編程控制位置、速度來滿足提升裝置的定位控制。MDI程序步功能主要有位置模式和速度模式，速度模式是指提升裝置按照設定的速度及加減速運行，不考慮實際位置；位置模式是指提升裝置按照系統設定的位置、速度、加減速運行。這2種模式可任意切換，該系統采用位置模式。

3.2 提升電機控制

閉環控制系統的特點是在控制器與被控對象之間，存在正負反饋作用，輸入信號與反饋信號之差，稱為偏差信號。偏差信號通過控制器產生的控制量使輸出趨于給定的數值。閉環控制系統的實質是系統按偏差進行控制，其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現偏差時，必定會產生1個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致，具有抑制任何內、外擾動對被控量產生影響的能力，有較高的控制精度。

把設定的轉速輸入至控制器，然后賦給變頻器，變頻器輸出一定的轉速值，通過編碼器檢測電機實際轉速，反饋至輸入端與設定轉速進行比較，就構成了速度閉環控制系統，見圖4。

把設定的位置輸入至控制器，然后賦給變頻器，變頻器通過編碼器模塊輸出位置值，通過編碼器檢測提升裝置實際位置，反饋至輸入端與設定位置進行比較，構成了位置閉環控制系統，見圖5。

3.3 程序設計

該控制系統選用Simatic WinCC v7.5作為開發工具，選用西門子S7-1500系列可編程控制器，程序開發環境為TIA PortalV13，系統軟件流程見圖6。

系統軟件采用模塊化結構設計，功能包括：變頻器初始化設置，提升位置回零、提升速度及加速度給定、提升位置給定、速度反饋、位置反饋，對結果和數據進行統計及保存等。

4 定位控制實驗

4.1 實驗方案

利用西門子公司傳動裝置專用調試軟件Starter進行變頻器在線監控、修改裝置參數，故障檢測和復位，以及跟蹤記錄等。利用6類網線把Starter與變頻器相連，通過以太網通訊方式實現信息交互。硬件連通后，設定合適的參數后，利用Starter的跟蹤(Trace)功能，在Time diagram中顯示被記錄參數(電流或轉速)的圖形。

4.2實驗結果

橙色曲線為提升電機電流曲線圖，見圖7。由圖7可見，電機啟動后進入穩定運行狀態時，電流的波動小，說明提升裝置電機轉矩基本恒定，運行較為穩定。圖8為轉速曲線圖，由圖8可見，電機加減速階段通過設定的加/減速度值達到給定速度后，速度穩定，偏差小，說明系統運行穩定。

5 結 語

通過以上試驗得知，基于編碼器的位置和速度雙閉環系統，通過增量式編碼器檢測實際轉速，與設定轉速進行比較，可實現提升裝置的速度閉環控制，確保提升裝置運行速度恒定，保證提升裝置穩定可靠運行。同時對比編碼器反饋的實際提升位置與設定位置，就可實現提升裝置的精準定位控制。