微機(jī)聯(lián)控在多電機(jī)隨動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：隨動控制是伺服控制的一種，屬于一種反饋控制。它的給定值在很大范圍內(nèi)變化，可使系統(tǒng)的隨動變量快速、準(zhǔn)確地跟隨給定值任意變化。主要解決一定精度的跟隨問題。本文介紹使用多臺自整角機(jī)分別實(shí)現(xiàn)對多臺驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的檢測，應(yīng)用單片機(jī)對采集到的信號進(jìn)行處理和傳送，提出基于單片機(jī)和變頻器對異步電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)施閉環(huán)控制的隨動伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高性能的電機(jī)異地隨動控制。
關(guān)鍵詞：伺服控制；自整角機(jī)；單片機(jī)；變頻器；伺服電機(jī)

1 問題的提出與現(xiàn)狀分析
    現(xiàn)有的電機(jī)控制系統(tǒng)主要分為兩大類，一是傳統(tǒng)的繼電器-交流接觸器控制系統(tǒng)，目前仍廣泛應(yīng)用于電機(jī)運(yùn)行的簡單控制中，例如完成電機(jī)的點(diǎn)長動、正反轉(zhuǎn)、星三角變換等常規(guī)運(yùn)行控制。二是微機(jī)控制技術(shù)與交流接觸器、變頻器控制系統(tǒng)結(jié)合，主要的控制形式是可編程序控制器(PLC)在電機(jī)控制電路中的應(yīng)用，控制電路中除了保留主電路中的交流接觸器外，其邏輯控制部分如：自鎖互鎖、延時定時、順序控制、機(jī)械手臂動作控制等都由PLC編程實(shí)現(xiàn)，極大地簡化了控制回路的外連電路，提高了控制精度、穩(wěn)定性和可靠性。如果用PLC和變頻器相結(jié)合共同控制電機(jī)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的變速、調(diào)速運(yùn)行。這兩大類控制技術(shù)目前都已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且得到了廣泛應(yīng)用。
    盡管如此，還是有許多電機(jī)應(yīng)用場合的控制功能得不到滿足，例如：雙電機(jī)或多電機(jī)的異地驅(qū)動中，要求轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步的驅(qū)動控制；集群式太陽能采集板多電機(jī)的轉(zhuǎn)角同步控制等等。對電機(jī)的這種并行同步控制需求，顯然不能簡單應(yīng)用上述兩種控制方式來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡S著被控單元數(shù)量的增加和物理空間分布的分散，需要使用的PLC數(shù)量也會增加，控制系統(tǒng)的成本將激增，極大地降低了控制系統(tǒng)的性價比。本文從雙電機(jī)的同步驅(qū)動出發(fā)，探討多電機(jī)的同步驅(qū)動問題，應(yīng)用角度傳感器(自整角機(jī))和單片機(jī)組成多微機(jī)聯(lián)控的”集散式”隨動控制系統(tǒng)，通過單片機(jī)-變頻器-伺服電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速驅(qū)動方式，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)或多電機(jī)的轉(zhuǎn)速”隨動同步”控制。

2 異地隨動轉(zhuǎn)速同步控制原理
2．1 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差形成的原因與危害
    交流電機(jī)控制電路中，通常采用開環(huán)的位式控制或采用變頻器的變速控制。盡管各電機(jī)參數(shù)相同，給定的電壓或頻率也相同，但由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩不同，還是會產(chǎn)生實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差，若電機(jī)的機(jī)械特性較硬，則這個偏差不大，在不要求轉(zhuǎn)速嚴(yán)格同步的應(yīng)用場合此問題可以忽略；但要求嚴(yán)格同步時則可能產(chǎn)生嚴(yán)重問題。例如大跨距的大型龍門吊，其雙軌行程的并行電機(jī)驅(qū)動控制中，較小的轉(zhuǎn)速偏差隨時間積累將形成很大的行程偏差，加大了輪轂與鋼軌的側(cè)向摩擦力，甚至別死車輪；又如多電機(jī)聯(lián)軸驅(qū)動不接差速器時，偏差積累的強(qiáng)大力矩會使鋼軸變形等。

2．2 雙電機(jī)簡單隨動控制結(jié)構(gòu)及原理
    雙電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)中，為了避免由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的不同，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差，應(yīng)設(shè)雙電機(jī)中任一電機(jī)為主動電機(jī)，另一電機(jī)為隨動電機(jī)。主控電機(jī)直接接受操作控制或變頻器驅(qū)動，設(shè)有主控單片機(jī)控制器，角度／速度傳感器，將主動電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集處理后向隨動電機(jī)控制器串行發(fā)送；隨動控制器接收主控制器發(fā)來的主動電機(jī)數(shù)據(jù)作為給定值，且與角度轉(zhuǎn)速傳感器、變頻驅(qū)動器和伺服驅(qū)動電機(jī)組成有轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。應(yīng)用最少拍控制算法以提高響應(yīng)的實(shí)時性并消除靜差，或應(yīng)用PID控制算法減小過調(diào)量并消除靜差，使隨動電機(jī)與主動電機(jī)的轉(zhuǎn)速真正實(shí)現(xiàn)并行同步。

2．3 多電機(jī)隨動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
    在多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，每臺電機(jī)都設(shè)有專用的單片機(jī)隨動控制器、角度／轉(zhuǎn)速傳感器、變頻驅(qū)動器和伺服驅(qū)動電機(jī)，各自都構(gòu)成有轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其主動電機(jī)數(shù)據(jù)作為給定值是具有群控引領(lǐng)作用的數(shù)據(jù)，各單片機(jī)與主控制器之間采用串口通信或I2C總線連接，構(gòu)成集散式控制系統(tǒng)，各單片機(jī)隨動控制器一方面接收主控制器發(fā)送的轉(zhuǎn)速給定值，同時接收轉(zhuǎn)速傳感器檢測的本機(jī)轉(zhuǎn)速值，同樣應(yīng)用最少拍控制算法以提高響應(yīng)的實(shí)時性并消除靜差，或應(yīng)用PID控制算法減小過調(diào)量并消除靜差，使眾多隨動電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定值轉(zhuǎn)速之間真正實(shí)現(xiàn)并行同步。由于采用串口通信，主控制器可以向各隨動控制器發(fā)送相同的給定值，也可根據(jù)需要發(fā)送不同的給定值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的同步、異步和特殊控制要求。

2．4 單片機(jī)集散式控制系統(tǒng)特點(diǎn)
    單片機(jī)集散式控制系統(tǒng)具有操作和管理集中、多機(jī)現(xiàn)場控制、線路連接簡便、主機(jī)還可擴(kuò)展上位機(jī)的USB接口和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接口，為進(jìn)一步擴(kuò)展工程應(yīng)用范圍，運(yùn)行更復(fù)雜的程序，實(shí)現(xiàn)更多樣的控制功能奠定基礎(chǔ)。由此可知，凡是需要集群多工位電機(jī)并行的群控隨動控制系統(tǒng)，都適用以單片機(jī)集散式控制構(gòu)建控制系統(tǒng)，本文的意義就在于設(shè)計(jì)構(gòu)建結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、性能穩(wěn)定、可并行工作的群控隨動控制系統(tǒng)。(集散式控制方框圖、遠(yuǎn)程串行接口電路詳見《電子技術(shù)》2009，12期《多微機(jī)聯(lián)控在大型三面翻廣告設(shè)備中的應(yīng)用》一文)

3 隨動控制系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的檢測
    實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步隨動的關(guān)鍵之一是轉(zhuǎn)予位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的檢測，可選的檢測方案有多種，這里介紹使用自整角機(jī)的檢測方法。檢測值經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送單片機(jī)作進(jìn)一步的程序分析。(模數(shù)轉(zhuǎn)換電路詳見《電子技術(shù)》2009，12期《多微機(jī)聯(lián)控在大型三面翻廣告設(shè)備中的應(yīng)用》一文)
3．1 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測
    由自整角機(jī)原理可知，發(fā)送方通電轉(zhuǎn)子的電壓有效值一定時，其交變磁場在定子三相繞組中的感生電勢因位置的不同其電壓有效值就不同，對三相電勢有效值的檢測和分析即可獲取轉(zhuǎn)子靜態(tài)和動態(tài)的位置信息。

3．2 電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測
    自整角機(jī)三相定子繞組中任一相感生電勢有效值的大小變化速率，正比于轉(zhuǎn)子位置的變化速率。若轉(zhuǎn)子靜止不動，則定子感生電勢大小不變；反之定子電壓有效值變化越快，說明轉(zhuǎn)子位置變化越快。對電壓有效值變化速率的檢測和分析，即可獲得被測電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。(參看圖5自整角變壓器)
3．3 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的檢測
    由于轉(zhuǎn)子靜止時，必有某相感生電勢有效值較大，另兩相較小。根據(jù)三相定子繞組空間分布情況，設(shè)ABC三相在某時刻為B相電勢有效值較大，A、C兩相電勢有效值較小，則下一時刻若A相電勢減小、C相電勢增大，說明轉(zhuǎn)子在順時針旋轉(zhuǎn)；反之若A相電壓增大、C相電壓減小，說明轉(zhuǎn)子作逆時針旋轉(zhuǎn)。
3．4 系統(tǒng)中主動電機(jī)的選擇
    自整角機(jī)可以用來檢測主動電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等數(shù)據(jù)，也可用來檢測隨動電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等數(shù)據(jù)，在雙電機(jī)驅(qū)動中，只要兩電機(jī)的機(jī)電常數(shù)相同，飛輪轉(zhuǎn)矩相同，則主動與隨動可以較方便地切換；在多電機(jī)隨動中，主動電機(jī)只能有一個，通常選擇在控制系統(tǒng)中具有主導(dǎo)作用或引領(lǐng)作用的電機(jī)為主動電機(jī)。
    例如：在由雷達(dá)天線主導(dǎo)的自動高炮群隨動控制系統(tǒng)中，雷達(dá)天線的驅(qū)動電機(jī)作為主動電機(jī)；在群控太陽能采集板控制系統(tǒng)中，具有光線方向采集與識別的太陽能采集板驅(qū)動電機(jī)作為主動電機(jī)。

4 最少拍控制與PID控制的特點(diǎn)
4．1 最少拍控制算法的特點(diǎn)
    在結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的最少拍控制系統(tǒng)中，一個采樣周期稱為一拍，對特定給定的輸入量，能在最少采樣周期數(shù)內(nèi)使系統(tǒng)輸出量達(dá)到無靜差的穩(wěn)定狀態(tài)，所以又稱為最少拍控制或時間最優(yōu)控制。
    設(shè)特定的輸入量為r(k)，系統(tǒng)輸出為c(k)，被控對象的傳遞函數(shù)為G(Z)，數(shù)字控制器的控制算法為D(Z)，控制偏差為E(z)；當(dāng)G(Z)D(z)=1時，c(k)能即時準(zhǔn)確跟蹤r(k)必須滿足的條件有兩個，即：a．G(Z)穩(wěn)定；b．D(Z)可實(shí)現(xiàn)。
    所以其特點(diǎn)是：
    (1)對特定的r(k)，當(dāng)ess=lim[r(k)-c(k)]=O時，系統(tǒng)輸出無靜差；
    (2)且c(k)準(zhǔn)確跟蹤r(k)所需的采樣周期數(shù)為最少；
    (3)控制系統(tǒng)穩(wěn)定；
    (4)控制算法D(Z)可實(shí)現(xiàn)。
    以下給出結(jié)構(gòu)最優(yōu)化最少拍控制系統(tǒng)的單位階躍序列的計(jì)算機(jī)仿真響應(yīng)曲線(圖6)和單位斜坡序列的計(jì)算機(jī)仿真響應(yīng)曲線(圖7)。

4．2 PID控制算法的特點(diǎn)
    圖8 PID階躍響應(yīng)曲線
    PID是經(jīng)典的工業(yè)過程控制算法，通常應(yīng)用于工作速度不很高的控制過程中。根據(jù)不同的控制對象和控制要求，可分別采用比例控制P，比例一積分控制PI，比例一微分控制PD和比例-積分-微分控制。其中比例控制P的主要作用是對偏差的放大量，以提高控制靈敏度，但輸出量是以偏差的存在為依存基礎(chǔ)的，通常輸出存在靜差；積分控制I的主要作用就是消除靜差，但會使響應(yīng)速度減??；微分控制則可提高響應(yīng)速度，也存在靜差。有階躍響應(yīng)曲線圖8可以看出，采用PID調(diào)節(jié)是響應(yīng)速度最快的無靜差控制。
    各控制品質(zhì)用單位階躍響應(yīng)曲線表示如圖8所示。

5 電機(jī)變頻驅(qū)動控制電路
5．1 變頻器多檔轉(zhuǎn)速控制電路的特點(diǎn)
    幾乎所有的變頻器都設(shè)置有多當(dāng)轉(zhuǎn)速的功能，格擋轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換是由外接開關(guān)的通斷組合來實(shí)現(xiàn)的。3個輸入端子可切換8檔轉(zhuǎn)速(包括0速)。對三菱FR-A540系列變頻器來說，3個輸入端子分別用RL、RM、RH表示；對森蘭SB60變頻器來說，需用編程的方法將Xl、X2、X3定義為多檔頻率端子。
    單片機(jī)隨動控制器根據(jù)給定值(主動方發(fā)送的)、檢測值(本機(jī)自整角機(jī)檢測的)求出偏差，進(jìn)行PID或最少拍算法編程計(jì)算輸出量，輸出量用二進(jìn)制數(shù)表示，用3個輸出端子經(jīng)接口電路(電平轉(zhuǎn)換)連接變頻器的3個多檔速端子；另有變頻器的正轉(zhuǎn)控制端子STR、反轉(zhuǎn)控制端子STF、急?？刂贫俗覵TOP、復(fù)位端子RES和電平參考端子SD，使用接口的8個端子與變頻器控制端連接；接口電路中還有一個交流接觸器，用來控制給變頻器通斷交流電源；以及故障報警鈴和報警信號燈。
5．2 變頻器功能預(yù)置
    變頻器多檔速驅(qū)動控制需預(yù)置各檔轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率，此處從略。

6 雙電機(jī)隨動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
6．1 單片機(jī)對轉(zhuǎn)子位置采樣的實(shí)驗(yàn)分析
    如前所述，對電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置采樣是通過對自整角機(jī)定子三相繞組感生電壓的有效值大小來分辨的。有效值變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)表明：
    (1)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動時，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小按正弦量全波整流后的規(guī)律變化，頻率與轉(zhuǎn)速對應(yīng)固定不變。
    (2)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快時，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小變化的周期短，頻率高；反之，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低時，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小變化的周期長，頻率低。
    (3)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子作變速轉(zhuǎn)動時，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小變化的規(guī)律是非正弦的；頻率變化隨加速升高，隨減速降低。
    (4)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時，自整角機(jī)定子感生電壓有效值大小固定不變，各相定子電壓不等；當(dāng)某相為最大值時，另兩相值較小且相等。
    (5)設(shè)電機(jī)ABC相序?yàn)轫槙r針，且設(shè)自整角機(jī)轉(zhuǎn)子交變磁極軸線正對B相時，則B相電壓有效值最大，AC兩相有效值相等；此時若順時針轉(zhuǎn)動，則A相有效值減小、而C相有效值增大；反之，則A相增大、C相減小。
    (6)對主動電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測的精度，取決于對自整角機(jī)定子感生電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換時數(shù)字量的位數(shù)；且轉(zhuǎn)角與有效值的對應(yīng)關(guān)系是非線性的正弦關(guān)系。當(dāng)自整角機(jī)轉(zhuǎn)子交變磁極軸線倒相時，存在”相位模糊”現(xiàn)象。
    綜上所述，應(yīng)用自整角機(jī)作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測時，其用作轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向檢測較為方便準(zhǔn)確；用作轉(zhuǎn)角檢測時，需解決好相位模糊現(xiàn)象并做好非線性處理。在雙電機(jī)隨動實(shí)驗(yàn)中，我們采用了轉(zhuǎn)軸光電脈沖輔助檢測的方法，很好地解決了相位模糊問題。轉(zhuǎn)角與有效值的非線性關(guān)系，在單片機(jī)中采用了查表法解決，顯然，若要求精度越高，則所需存儲空間越大。
6．2 隨動電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)分析
    轉(zhuǎn)速控制精度取決于變頻器的多檔速控制位數(shù)，三位控制端具有0～7八檔速控制，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速具有慣性，采用PID控制算法的實(shí)驗(yàn)表明：若主動電機(jī)的變速平緩，則隨動電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨作用十分明顯；若主動電機(jī)的變速劇烈，則隨動電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨稍顯滯后，并在給定值左右小幅短時擺動。采用最少拍控制算法，則隨動電機(jī)的響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)速跟隨的實(shí)時性好，主從電機(jī)轉(zhuǎn)速差異采用行程累積偏差表示，兩種控制算法在雙輪雙軌行程檢測中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PID控制平均誤差為：4mm／10m；最少拍控制平均誤差為：1mm／10m。
    有關(guān)雙電機(jī)轉(zhuǎn)速隨動控制器的電原理圖、PCB板設(shè)計(jì)圖；雙電機(jī)隨動控制程序；轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向檢測程序；單片機(jī)控制器通信程序都將另著文論述。