一種基于PLC和變頻器的行車行走高精度控制方法＊

王 巍 程榮濤

（1.中國人民解放軍92557部隊 廣州 510000）（2.海軍駐武漢438廠軍代室 武漢 430064）

1 引言

隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，交流變頻調速方式已成為交流電力驅動的主流調速方式，是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優點而被國內外公認為交流電動機最理想、最有前途的調速方案［1］。

可編程序控制器（PLC）與變頻器結合，由可編程序控制器進行復雜的控制運算，由變頻器實現交流電機的驅動控制，可以實現復雜、有效、高質量的運動控制［2］。這種方式在當今國內外自動化運動控制設備中廣泛應用，尤其在連鑄連軋生產線、高速造紙生產線、電纜光纖生產線、化纖生產線、建材生產線等對控制的復雜性、控制精度和動態響應都有很高要求的場合。

利用這種控制方式可以實現行車運動中兩側同步進給，可以保證在對行車行走具有較高精確度和平穩度要求的場合，能夠達到良好的控制效果，也可以消除行車在運行中由于兩側不同步造成的兩側車輪、橫梁以及地面導軌的扭壓力，基本消除兩側由于受力可能導致的機械變形，保證設備具有長時間的使用壽命［3］。

2 方案設計

研究對象為一臺具有四個驅動輪的行車，行車跨度為20m。現采用位置閉環控制方式對行車兩側進給量進行動態調節，使其四個驅動輪的每一個都能提供兩側同步的進給速度和均衡進給動力，從而實現行車在一定速度范圍內精確的兩側同步進給，可實現兩個方向的平移運動，無級調速，且調速過程沖擊小，穩定運行中速度平穩，制動快捷。

總體思路是采用高性能可編程序控制器和變頻器實現系統的運動控制。為實現行車較為精確的兩側平穩同步進給，需要檢測兩側的實際位置信息反饋到控制系統，由控制器根據此信息實現行車的位置閉環控制。

可編程序控制器作為系統的核心，行車的每個驅動輪分別由一獨立變頻器控制。行車兩側各安裝一個絕對位置編碼器，分別檢測行車兩側所在的實際位置。可編程序控制器讀取兩側實際位置后，同時根據操作手柄的控制信號，采用位置閉環控制算法對行車兩側進給量進行動態調節，形成對四個驅動輪的給定信號，發送給四個輪的相應變頻器，由變頻器控制驅動電機跟隨給定信號運轉，從而實現兩側較為精確的同步進給。

行車的四個驅動輪采用兩級主－從控制方式，驅動輪分成左右兩組：左前輪和左后輪組成左側組，右前輪和右后輪組成右側組。

每側的前后輪采用主從驅動控制模式。以前輪為主動輪，以變頻器進行恒轉速方式控制，后輪為從動輪，為了實現前后提供負荷的均衡，使每組前后兩輪提供相同的轉矩，故組內采用主從驅動控制方式，以前輪為主動輪，采用變頻器進行恒轉速方式控制，而后輪為從動輪，采用變頻器轉矩跟隨的控制方式［4～6］。主動輪電機軸上安裝增量型旋轉編碼器，向變頻器反饋實際速度，構成轉速閉環控制，從而達到轉速控制的高精確性，為兩側組間同步提供了基礎。由主動輪變頻器恒轉速方式中輸出的轉矩信號作為從動輪變頻器的轉矩給定信號。組內主動輪轉速決定了該組輪的轉速，而從動輪轉矩跟隨控制，使得前后兩輪的驅動力矩平衡。

圖1 系統控制原理圖

左右兩組間要實現同步進給，這就需要兩組在單位時間內的進給量相同，也就是兩組的進給速度要一致。但考慮到每組元件設備的參數離散性、偏差和外部擾動，如果直接向兩組給定相同速度參考值，實際中很難達到完全的精確同步進給，所以在兩組之間加入位置控制器通過位置反饋實現精確的同步進給。在兩側無動力導輪上分別安裝多圈絕對位置式旋轉編碼器作為位置反饋信號［7］。位置控制器獲得兩實際位置反饋信號后，比較兩側位移是否相同，如果一側位移較大，則適當減小一側的速度，實現兩側的同步進給［8］。

3 試驗與分析

實驗目的：檢驗行車的同步平衡進給運行效果。

表1 無糾偏模式運行進給位置偏差數據（單位：cm）

分別采用無糾偏運行模式和自動糾偏運行模式，通過計算機連接PLC CPU模塊，或直接從行車綜合數字顯示器動態讀取兩種模式下全運行范圍行車兩側進給位置偏差，并記錄該偏差的最大值和最小值。

表2 自動糾偏模式運行進給位置偏差數據（單位：cm）

試驗數據如表1與表2所示：

試驗結論：在無兩側糾偏運行模式下，行車兩側的位置偏差最大值相對較大，且最小值也很難達到零；在兩側自動糾偏運行模式下，行車兩側進給的位置偏差最大值相對較小，為6cm，達到動態最大偏差為6cm的設計要求，且最小值達到零。實際運行中，最大偏差出現在東西兩側，在中間部分偏差最小。在中間部分行車達到穩定進給狀態，此時靜態進給偏差最大為1cm，達到設計要求。

4 結語

以高性能可編程序控制器與變頻器結合，加之絕對位置傳感器檢測實際位置，構成位置閉環控制的行車同步進給控制系統，可以實現行車的精確動態同步進給［10～11］。同時，系統采用了軟硬件合理比例的分配，提高了可靠性，增強了靈活性，可以對行車實現更加復雜、有效、高質量的運動控制。

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