PLC高精度行車起重機多軸伺服控制系統的實現

〔摘 要〕在高精度行車起重機多軸同步控制系統中，同步控制的最終目標在于降低同步誤差與跟蹤誤差。然而，實際應用中，受限于外部硬件條件，同步誤差和跟蹤誤差往往不可避免，甚至需要主動調節。針對實際工況，采用西門子PLC控制系統和S120伺服驅動系統對行車起重機四軸行走進行控制，通過簡化和改進控制結構，將四軸同步優化成雙軸同步與雙軸速度跟隨。經現場驗證，該方法在簡化算法的同時，顯著提升了設備運行的容錯性，可為類似高精度多軸控制的應用場景提供參考。

〔關鍵詞〕高精度行車起重機；PLC；伺服驅動；多軸同步控制

中圖分類號：TP23;TP273 " 文獻標志碼：Ｂ " 文章編號：1004-4345（202５）0１-0023-05

Implementation of Multi-Axis Servo Control System for PLC High-Precision Travelling Crane

XIONG Xianjun， XIE Jianrong， LIN Jiawei

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract In the multi-axis synchronization system of high-precision travelling crane， the ultimate goal of synchronization is to reduce synchronization errors and tracking errors. However， limited by external hardware conditions in practice， synchronization errors and tracking errors are often unavoidable， and even need to be actively adjusted. Siemens PLC control system and S120 servo drive system are adopted to control the four-axis travel of travelling crane according to the actual working conditions， and the four-axis synchronization is optimized into two-axis synchronization and two-axis speed tracking by simplifying and improving the control structure. As verified on site， the method significantly improves the fault tolerance of equipment operation while simplifying the algorithm， which can provide a reference for similar high-precision multi-axis control application scenarios.

Keywords" high precision travelling crane; PLC; servo drive; multi-axis synchronization

行車起重機是一種能夠在一定范圍內水平移動和垂直提升多動作結合的起重機械設備，廣泛應用于重工業領域。傳統的行車起重機主要采用變頻控制，對位置精度要求不高，主要應用于普通物料搬運、倉儲物流等場合。隨著工業自動化水平的不斷提升，一些特殊領域對行車起重機的行走精度提出了更高的要求。例如，在冶金、礦廠、碼頭等現場，高精度行車起重機不僅需要實現物料的快速搬運，還需要確保在復雜環境下的精確定位和穩定運行[1]。

近年來，伺服控制技術的快速發展為高精度行車起重機的控制提供了新的解決方案。伺服控制系統具有響應速度快、定位精度高、動態性能好等優點，能夠滿足高精度行車起重機的控制需求。但多軸伺服控制系統的設計與實現仍面臨諸多技術挑戰，如多軸同步控制、速度環跟隨控制、積分增益的優化等。這些問題的解決對于提高行車起重機的控制精度和運行穩定性具有重要意義。

本文針對高精度行車起重機的控制需求，提出了一種基于PLC的多軸伺服控制系統設計方案。該系統采用西門子1FK7系列伺服電機作為執行機構，控制系統采用西門子SINAMIC驅動控制系統。在控制策略上，采用虛軸作為主軸，主從控制策略，有效提高了系統的同步精度和動態響應性能，滿足高精度行車起重機的控制要求。

1" "機械系統構成

此項目高精度行車起重機的驅動機械結構主要采用4臺伺服電機，在行車起重機4個對稱角進行四輪獨立驅動控制，各輪定義如圖1所示。其中，AB側（即北側）為有導向輪側。伺服電機采用西門子1FK7系列高動態交流同步永磁伺服電機。

2 控制系統

2.1" 硬件系統構成

控制CPU采用西門子1500系列的1516T，該處理器運算能力強大，實時控制性能高效，適用于復雜的運動控制任務。伺服驅動系統則采用SINAMIC系列中的CU320驅動控制單元。該單元集成了先進的伺服控制算法，能夠實現高精度的速度和位置控制。數據交換通過西門子專有的DRIVE-CLIQ總線技術實現，確保了高速、穩定的數據傳輸，同時簡化了系統布線。連接電纜采用防護等級達到IP67的MOTION-CONNECT預裝電纜，具有優異的抗干擾能力和耐久性，適用于惡劣的工業環境。整個系統設計緊湊，可靠性高，能夠滿足高要求的自動化生產需求[2]。

2.2" 控制策略

當前，多電機同步運動控制領域的主流控制策略包括主令控制方式、主從控制方式以及耦合式控制方式。

1）主令控制方式指通過單一控制器對各電機進行集中式調控，通過統一的指令實現多軸同步。其核心思想是將統一的控制指令直接發送到系統中的每個動作單元。在這種模式下，所有動作單元共享相同的控制信號，從而確保各單元在理論上能夠實現一致的動作[３]。然而，這種控制方法存在一定的局限性。由于各動作單元之間并未實現完全耦合，每個單元的運行狀態相對獨立，導致單元之間的擾動無法相互抵消或補償。這種獨立擾動的存在使系統的同步性難以形成閉環，尤其是在面對負載擾動或外部環境變化時，系統的穩定性和適應性會受到顯著影響。因此，主令控制方法在復雜或動態負載環境中的應用受到限制，需要進一步優化或結合其他控制策略以提高系統的魯棒性和同步性能。參考模型可見圖2所示。

2）主從控制方式則是通過設定主電機與從電機的層級關系，使從電機跟隨主電機的運動軌跡。其核心思想是以主運動單元的輸出反饋作為從運動單元的控制輸入。這種控制方式能夠有效實現從運動單元對主運動單元的精確跟隨，滿足同步運動控制的需求。當主運動單元在運行過程中出現負載側跳變或速度階躍時，從運動單元能夠迅速響應并精準跟隨這些變化，從而保持系統的同步性。此外，主從控制方式還支持一主多從的控制架構，能夠同時對多個從運動單元進行精確控制，適用于需要多軸協同工作的復雜場景。然而，主從控制方式也存在一定的局限性。當某一從運動單元出現負載側跳變或速度階躍時，主運動單元無法直接獲取從運動單元的反饋狀態，這可能導致主從單元之間的非同步狀態，進而影響系統的整體性能[４]。因此，在實際應用中，主從控制方式更適用于負載特性相似的運動軸，以減少因負載差異導致的控制誤差。同時，這種控制方式對現場環境的要求較高，需要確保系統的硬件配置和控制參數能夠滿足精確控制的需求，以避免因外部干擾或參數不匹配而影響控制效果。參考模型如圖3所示。

3）耦合式控制方式是通過建立電機間的動態耦合關系，實現多電機系統的協同運行。其核心在于各運動軸之間存在著多種形式的參數耦合關系。這種耦合關系可能是機械耦合、電氣耦合或控制算法層面的耦合，具體形式因系統設計而異。在這種控制方式下，每個運動軸的運動狀態不僅取決于其自身的輸入參考命令，還受到其他運動軸運動狀態的顯著影響。通過這種相互依賴的關系，系統能夠實現各軸之間的精確協調與同步運動，從而完成復雜的運動任務[5]。這種控制方式的優勢在于其強大的魯棒性，能夠有效應對外界干擾和系統參數變化，確保運動精度和穩定性。然而，這種控制方式的實現也面臨著顯著的挑戰。由于參數之間的復雜耦合關系，控制算法的計算量大幅增加，特別是在多軸系統中，實時計算和協調各軸運動狀態的需求使運算復雜度呈指數級增長。如果這種控制方式應用于工廠級PLC控制系統，將需要更高性能的處理器和更復雜的控制算法，這不僅會增加硬件成本，還會提高軟件開發和維護的難度。因此，盡管耦合式控制方式在理論上具有顯著的優勢，但在實際工業應用中，其高成本和復雜性往往成為限制因素，需要根據具體應用場景進行權衡和選擇。參考模型見圖4。

以上控制方式各有其適用場景和優勢，在實際應用中需根據具體需求進行選擇和優化[6]。綜合考慮上述幾種控制方法的優缺點后，本文采用耦合控制與主從控制相結合的策略。針對不同軌道側的控制需求，選擇耦合控制中的“虛軸法”作為核心控制手段。虛軸法通過引入一個虛擬的參考軸，能夠有效地協調不同軌道側的運動，確保各軸之間的同步性和穩定性。而對于同側軌道的控制，則采用主從控制方法，通過指定一個主軸和一個從軸，實現速度環的精確控制。

在實際應用中，A軸和C軸與虛軸保持同步，A軸作為B軸的主軸進行速度環控制，C軸作為D軸的主軸進行速度環控制。這種控制方法不僅能夠提高系統的響應速度，還能有效減少各軸之間的運動誤差，從而提高整個系統的控制精度和穩定性。

通過這種耦合控制與主從控制相結合的策略，能夠在不同軌道側和同側軌道之間實現高效、穩定的驅動控制，確保系統在各種工況下都能夠保持良好的運動性能。這種控制方法不僅適用于當前的系統需求，還為未來可能的擴展和優化提供了良好的基礎。具體可見圖5所示。

2.3" 控制方法

由于四軸同時同步虛軸的控制中，不同軌道側的負載反饋差異可能導致失同步現象，且本項目涉及大質量負載行車起重機（車體負載加自身質量最大達65 t），需應對各種復雜工況，如小車運行過程中輪壓不均、軌道軌面沉降和安裝誤差導致的蛇形彎曲等，見圖6。因此，在AC軸同步控制時，應取消非同步輪側電機（C軸）速度環積分功能，以防止產生累計誤差。

首先，在程序中建立一個虛軸工藝對象，將A軸和C軸進行gearin同步，如圖7所示。然后，在驅動端分別將A和B、C和D進行主從速度同步，如圖8所示。接著，將C軸速度環積分項I設成0，以消除因軌道偏移導致的速度差異積分累計。最后，將A軸轉矩輸出作為輔助附加到C軸扭矩上，實現行車起重機運行負載的動態分配，見圖9。

3" "結論

實驗表明，若僅進行A軸和C軸同步虛軸、B軸同步于A軸、D軸同步于C軸的控制策略，且保留比例控制環節，會因負載差異導致一個或多個電機出現位置偏差，進而引發速度階躍現象，見圖10。而采用本文所提的控制方法，即去除C軸速度環積分項，并將A軸轉矩輸出附加到C軸扭矩上，可有效消除累計誤差，如圖11所示。實驗結果表明，該控制方法成功實現了大質量行車起重機的多軸聯動位置控制。

綜上所述，本文提出的高精度行車起重機多軸伺服控制系統設計方案在實際應用中表現出色。通過采用西門子PLC控制系統和S120伺服驅動系統，并結合虛軸和主從控制策略，實現了四軸高精度同步控制。該方法不僅簡化了控制算法，還顯著提升了設備運行的容錯性，為高精度行車起重機控制提供了可靠的解決方案。同時，本研究也為多軸伺服控制系統的設計與優化提供了理論參考和實踐經驗。

參考文獻

[1] 陳煒，劉旭，史婷娜，等．雙軸聯動系統廣義預測交叉耦合位置控制[J]. 控制理論與應用，2018，35（3） ： 399．

[2] 西門子. S120交流驅動器設備手冊[EB/OL]（2021-10-09）[2023-11-20].https：//www.doc88.com/p-67316058861371.html.

[3] 曹陽，李巧梅，吳國慶，等． 液壓同步系統的研究進展[J]．現代制造工程，2014（11）：136．

[4] 范巖. 多電機同步控制策略的改進[J].機電工程，2007（24）：65-66．

[5] 李曉明，李鵬翔. 基于虛軸法的高速液壓同步控制策略研究[C]//中國機械工程學會流體傳動與控制分會.第五屆全國流體傳動與控制學術會議論文集.北京：北京航空航天大學，2008.

[6] 肖亮亮，李曉明，毛曉靖． 基于虛軸法控制的多軸同步運動系統分析[J]． 電氣自動化，2009（6）：5．