自動排線繞線機同步控制準確度的改進

摘 要介紹了自動排線繞線機自動同步技術的工作原理，分析了實際工況中影響跟蹤準確度的幾個因素。針對PLC實現(xiàn)自動同步功能的準確度誤差累計問題，提出了通過修正誤差影響因素，消除誤差累計的方法。并對該方法的設計原理與實踐結(jié)果進行了分析。

【關鍵詞】PLC 旋轉(zhuǎn)編碼器 步進電機 修正

PLC（可編程邏輯控制器）由于其穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)精巧、運算速度快、編程方便快捷直觀等優(yōu)點而在工業(yè)控制中得到廣泛應用。自動排線繞線機也用它實現(xiàn)控制功能。

1 工作原理

如圖1所示，變頻器驅(qū)動主軸電機旋轉(zhuǎn)，電機帶動主軸旋轉(zhuǎn)繞線，與主軸同步的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器輸出1000個/轉(zhuǎn)的脈沖信號，輸入PLC，PLC檢測該脈沖頻率，并結(jié)合線寬、絲桿螺距、步進電機步距角、細分比及步進電機傳動比等參數(shù)進行運算后輸出一定頻率的脈沖給步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器根據(jù)該脈沖和方向信號實現(xiàn)步進電機驅(qū)動，并不斷檢測增量型旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率，同時刷新輸出頻率。

在1臺小型自動排線繞線機中實例中，主軸最高轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分，實際操作中低于120轉(zhuǎn)/分；主軸啟動時間（從0速勻加速到最大速度的時間）設為3秒，主軸停止時間（從最大速度勻減速到0速的時間）設為1秒；線寬限制在5.00毫米內(nèi)并有2位小數(shù)的精度；絲桿螺距為2.00毫米；步進電機步距角為1.8?也即200個脈沖1轉(zhuǎn)；考慮到PLC實際最高脈沖限制35KHz，細分取10細分；步進電機直接傳動絲桿即1：1變比；

PLC對輸入口X2的脈沖進行密度檢測，本例中是在每25毫秒內(nèi)檢測脈沖個數(shù)Mn，由PLC的專用指令SPD完成；乘以線寬（以0.01毫米為單位）Mn*x，再除以10，即得到輸出頻率，表示為

Mn*x/10

用PLC專用指令PLSY由Y2口中斷輸出。

2 影響同步準確度的幾個因素

上述工作原理中， 旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖輸出準確度、步進電機驅(qū)動器和步進電機的步距準確度都是固定并不可改變的，經(jīng)試驗，只要做到旋轉(zhuǎn)編碼器的電源單獨提供，脈沖信號在線路傳輸上采用屏蔽線分離傳輸，這些誤差即可控制在可忽略程度中。本文只考慮在PLC中的準確度誤差。

PLC是以1毫秒為單位中斷處理X2口的脈沖密度，其精度是1個脈沖個數(shù)，即有零點幾的誤差，并且是單向誤差（偏小）。25毫秒是這樣選取的：主軸從0速開始加速，到旋轉(zhuǎn)編碼器有1個脈沖輸出的時間段中t，要求PLC脈沖密度檢測不漏檢，即脈沖密度檢測>該時間段t。由勻加速公式

t=（2s/a）0.5。

由上述參數(shù)算出t=34.64毫秒。

如果選取最接近1000能被整除的數(shù)即40毫秒，則1秒能檢測25次，到達最快速度的連續(xù)2次檢測得到的脈沖密度數(shù)為：198、196，乘以25即：4950、4900，有50的偏差和50的遞增量；不夠精細；考慮到主軸變速過程中同步的及時性，可以要求PLC脈沖密度檢測在主軸從第1個脈沖輸出開始加速，到旋轉(zhuǎn)編碼器第2個脈沖輸出的時間段t2中不漏檢，即脈沖密度檢測>該時間段t2。算出t2=14.35毫秒；本例中考慮到PLC程序運行循環(huán)周期為20毫秒左右，選取≤20毫秒的數(shù)實際上并不能得到及時的輸出脈沖頻率更新，故選取25毫秒，則1秒能檢測40次，到達最快速度的連續(xù)2次檢測得到的脈沖密度數(shù)為：124、124，乘以40即：4960、4960，有40的偏差和0的遞增量，這樣可以大大加快同步的及時性。這里同步不及時（脈沖密度每秒的檢測次數(shù)少）的誤差是使誤差累計的主要因素，脈沖密度檢測的非整數(shù)丟失是平均單向小數(shù)分布的誤差。

脈沖密度檢測之后運算過程中除以10，即產(chǎn)生小數(shù)丟失，引起誤差。

3 改進的算法

針對脈沖密度檢測的非整數(shù)丟失可以在運算結(jié)果中非零加20*K，K為系數(shù)，在實際調(diào)試中確定，一般為≤1的小數(shù)。針對跟蹤不及時引起的誤差，采用方法如下：第n次檢測到的脈沖密度Mn，修正為

Mn +[（Mn-Mn-1）/2]

將誤差在下一個25毫秒內(nèi)補償回去（其中Mn-1為第n-1次檢測到的脈沖密度）；并且將（Mn-Mn-1）/2中的小數(shù)部分累計到第n+1次的脈沖密度修正項中，即

Mn+[（Mn-Mn-1）/2]+[（Mn-1-Mn-2）/2-[（Mn-1-Mn-2）/2]]，記為Mn。

針對第n次脈沖密度檢測之后運算過程中除以10產(chǎn)生的小數(shù)丟失，也采用在第n+1次檢測到的脈沖密度運算之后加一該小數(shù)修正項來解決，并且將第n+1次運算后加小數(shù)修正項后的小數(shù)累計到第n+2次中，即

Mn*X/10+[ Mn-1*X/10-[Mn-1*X/10] ]

+[ （Mn-2*X/10-[Mn-2*X/10]）-[ Mn-2*X/10-[Mn-2*X/10] ] ]

總體上，這些方法的主導想法是在PLC編程中上1次的小數(shù)余量到下1次去修正；這里要注意啟動和停止時的0速的特殊處理，0速時就不必修正了。

4 結(jié)果

由上述改進算法指導編程的PLC程序應用在1臺小型自動排線繞線機中，經(jīng)過實際調(diào)試試用，自動排線同步效果非常理想，主軸繞線100匝，線寬從0.1～5.00范圍內(nèi)，誤差≤5%線寬，不會產(chǎn)生疊線或間隙問題。

5 結(jié)論

用PLC實現(xiàn)自動排線繞線機排線自動同步控制功能，由于PLC特有的局限性導致的控制算法誤差，采用小數(shù)累計補償和滯后累計補償方法，可以大大降低這些誤差。本文從自動排線繞線機排線自動同步控制功能及其誤差的影響因素角度分析，提出的改進算法切實可行有效，可以在其他設備控制的類似問題中借鑒。

作者簡介

勵小峰（1977-），男， 浙江省象山線人。大學本科學歷，現(xiàn)為寧波天安電力電子有限公司高級電氣工程師。研究方向為電力電子技術、高壓變頻器、SVG。

作者單位

寧波天安電力電子有限公司 浙江省寧波市 315040