利用PLC解決車輛分散驅動的同步控制問題

??? 1 前言

　　當車輛驅動電機采用分散驅動時，受電機轉速不同步的影響，可導致車體運行不協調，進而使電機轉速偏離正常值，嚴重時會造成設備損壞。因此,解決車輛驅動電機在分散驅動時產生的電機轉速不同步問題具有現實意義。

　　本文介紹一種利用PLC 解決車輛分散驅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，車輛的運行設備一般采用集中驅動（ 見圖1） 和分散驅動（ 見圖2） 兩種方式。集中驅動變頻器與電機的關系是“一拖多”; 分散驅動時兩者的關系是“一拖一”。

　　圖1 集中驅動布置圖示

　　圖2 分散驅動布置圖示

　　“一拖多”的優點是控制簡單，操作維護方便,但采用集中驅動布置，要求車體具備較大的空間。當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”的分散驅動方式，因為其結構緊湊,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。如果電機轉速不一致，會出現變頻器相對逆向做功，輸出電流過大導致跳閘，影響車輛的工作效率和電氣設備的使用壽命。如果轉速偏差過大，則導致車體變形，影響使用。

　　3 解決方法

　　采用PLC 與變頻器控制方法，實現多個分散驅動電機同步運行。PLC 采用西門子S7400 系列，圖3為網絡拓撲圖。

　　圖3 網絡拓撲圖示

　　為實現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速進行矢量閉環控制，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 聯接，保證輸出信號源的同步性。以牽引電機1 的速度為目標速度，由牽引電機2 的變頻器來調節其速度以跟蹤牽引電機1的速度。將兩臺增量式旋轉編碼器與電機同軸聯接，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 的高速計數模塊中。PLC 以這兩個速度信號數據作為輸入控制量,進行比例積分控制運算（ PID） ，運算結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，經高速計數模塊FM350- 1 進入PLC，轉換成電機速度數據。將兩個電機編碼器的信號相比較，通過PID 調節模塊，調整電機轉速差值，給定電機2 的轉速值。

　　 需要轉化成變頻器能接受的信號。由于PLC的對應4～20mA 值為0～27648，變頻器接收范圍值為0～8192，所以/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 算法是工業控制中最常用的一種數學算法，其基本算式如下:

　　Pou （t t） =Kp×（et） +Ki×Σ（et） +Kd×[ （et） - （et- 1） ]

　　式中:Kp—比例調節系數。是按比例反映系統的偏差,系統一旦出現偏差，比例調節立即產生調節作用，以減少誤差。

　　Ki—積分調節系數。使系統消除穩態誤差，提高無差度。積分作用的強弱取決于積分時間,常數Ti 越小，積分作用就越強。Kd— 微分調節系數。微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。為了減少電源系統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節，即采用一段時間內連續穩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，使轉數在一定的范圍內可調。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的穩定性。

　　4 控制結果

　　利用STEP7 編制PLC 上位機監控程序,Wincc采集速度值并繪制曲線。數據提取的時間間隔為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 的速度發生變化時，牽引電機2 就能及時地響應，進行跟蹤，并且能很快地達到穩定。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，響應快、速度波動幅度較小。

　　圖4 牽引電機的速度曲線

　　5 結束語

　　該控制方法已在各種爐下車輛中應用。實際應用中，走行同步起動效果明顯，車輛運行平穩。實踐證明，采用PLC 解決車輛分散驅動時電機速度同步的控制方法應用效果較好，是一種理想的調速控制方法，滿足了生產工藝要求，減少了設備的維修維護費用，保證了車輛發揮正常的生產效率，經濟效益顯著。隨著PLC 與變頻器控制方法的廣泛應用，必將更好地提高傳動系統對速度控制的可靠性與靈活性。