智能立體車庫中PLC與矢量變頻器控制方法的分析設計

馬德智，寇志偉，李文軍，徐明娜，孫萬利

（內蒙古工業大學 工程訓練教學部，呼和浩特 010051）

隨著汽車家庭化的實現，我國汽車保有量正與日俱增，停車難成為全國各大中城市不得不面臨的困境。立體車庫以其占地面積小，存車容量大，自動化程度高等諸多突出優勢，正被各城市紛紛采用，其控制系統的結構與方法也表現出諸多形式。伴隨可編程邏輯控制器PLC與變頻技術的高速發展與應用，電力拖動系統的控制模式表現出極大的便利性和智能化。因此，越來越多的立體車庫舍棄了單片機或者工業計算機的核心控制方法，以PLC作為整個系統的主要控制單元，使系統更為簡單、經濟、實用、安全和穩定[1]。在此以巷道堆垛式立體車庫為例，分析研究PLC與變頻器結合電動機的控制模式及改進辦法。

1 巷道堆垛式立體車庫

根據實際所需，立體車庫的機械結構多種多樣。其中，巷道堆垛式立體車庫的結構類似于倉儲貨架，采用電動機驅動的單臺或多臺搬運機械，在地面巷道、空中巡回運作，將入庫或出庫車輛放置于對應的位置或移出，圖1展示了一個兩列四層式巷道堆垛式立體車庫的俯視和側視。此類型的車庫運動系統設計簡單、經濟，停車位置固定，空間利用率高。

圖1 兩列四層巷道堆垛式立體車庫示意Fig.1 Structure of two-row four-story garage

存車時，司機將車輛停穩至搬運機構之上，系統自動尋找無車存車格，縱移電機將車輛水平移動至存車格所在存車列，曳引電機將車輛抬升至所在層面，再由橫移電機將車輛移至存車格內部，隨后搬運機構退出，等待下一次指令[2]。

2 控制系統的整體設計結構

綜上所述，系統的動力源為電動機，而對于電動機的控制為采用PLC與變頻器、多種傳感器及其它低壓電器的組合。PLC作為整個系統的控制核心接受來自傳感器及人工控制端的信號并向各變頻器發出指令，以驅動電動機工作。

常規立體車庫控制系統設計方法中，通常利用變頻器優良的軟啟動性能，調節加減速時間，再配以相應的減速器，進行電動機的啟動或停止過程。這樣的設計簡單、實用，但對于電動機而言，不論是何種負載情況，都工作于相同運行頻率，浪費時間，耗費成本，啟動過程生硬、死板。

如將常規控制方法中的普通V/F變頻器控制替換成矢量變頻控制，與PLC智能、精確的控制策略相互配合，便能根據當前的負載狀況改變電動機的運行模式，提高工作效率，進一步降低運行成本[3]。

立體車庫的載車平臺，其負載輕重一般是隨機的，無規律可循。經調研，小型家用汽車的整備質量為700～2000 kg。在搬運機構接到指令前去就位的過程中電動機空載運行，因此依據負載的大小去改變電動機的運行模式，提高機構的運行速度，將節省運行時間，有利于電動機的負重，給用戶和管理者以更為高效的體驗。

電動機控制系統總體結構方案如圖2所示。該系統擬采用西門子公司的S7-300系列PLC作為核心控制環節，其兼容性強，性價比高，體積小巧，I/O點靈活搭配[4]；由于整個系統將運用變頻器的轉矩控制功能，因此選擇西門子公司的MM440矢量變頻器作為電動機調速終端；而重力檢測部分采用四點支撐的壓力傳感器，當車輛施加于稱重臺上，稱重臺會輸出壓電信號，信號大小與車輛的重量成正比，之后被送至放大器經放大后，再經模數轉換器轉換成數字量，進入PLC的數字量輸入端口，提供準確數據。

圖2 電動機控制系統總體結構方案Fig.2 Whole frame of motor control system

3 轉矩、轉速雙饋閉環控制系統

矢量變頻器技術是基于“d-q軸理論”而產生，其將電動機的電流分解為d軸電流和q軸電流，其中d軸為勵磁電流，q軸為力矩電流[5]；如此，便可以將交流電動機的勵磁電流和力矩電流分開控制，使得變頻器既可控制電動機的轉速又可控制轉矩。

一般而言，矢量控制系統的反饋信號分為電流反饋和速度反饋2種，電流反饋用于反應負載的情況，使直流信號中與轉矩對應的分量能夠隨著負載發生變化，從而模擬出類似于直流電機的工作狀態。然而，針對于立體車庫控制系統，電動機在一定的工作時間內，負載不會發生自主變化，如果直接設置電流反饋，出現系統擾動時，反而會造成搬運過程的不穩定。因此，系統將轉矩信號直接傳送至S7-300，經CPU的運算將轉矩根據車重固定，用于電動機的啟動或停機過程。

速度反饋反應實際轉速與給定值之間的差異，并且以最快的響應速度進行效正，提高系統的動態性能。該系統的速度反饋環節利用固定于電動機轉軸上的光電旋轉編碼器實現，編碼器可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量形式輸出，該數字量直接進入矢量變頻器的PG（pulse generator）卡即矢量變頻器固有的脈沖發生器，將編碼器發出的脈沖轉換成變頻器CPU能夠識別的形式，變頻器再將此信號反饋至PLC，以使控制核心做出反應。針對該系統而言，速度反饋主要應用于電動機啟動和停止過程。

4 轉矩控制與轉速控制模式的切換

對于普通V/F變頻器，自身已具備良好的軟啟動特性，然而在驅動電動機位于工頻以下工作時，基本都執行恒轉矩調速，雖然速度由慢及快，但轉矩不發生變化，如對于運行的平穩性要求較高，則只有延長啟動加速時間，獲得較小的加速度，這無疑降低了工作效率。不同的是，矢量變頻器可對轉矩在任何時刻進行調節，而且轉矩的輸出同樣是由零逐步增加到規定值，一定程度地滿足了電動機運行的平穩性。

根據異步電動機的工作原理，拖動系統的狀態轉矩取決于電動機的輸出轉矩和負載轉矩。即：

式中：Tz為拖動系統的狀態轉矩；Tx為電動機輸出轉矩；Tf為負載轉矩。拖動系統的加速度與狀態轉矩成正比關系，即：

式中：Gd2為系統傳動裝置力矩，如減速器等裝置。

電動機啟動過程轉矩與速度關系如圖3所示。圖中，T為電動機的實際轉矩。變頻器啟動電機時，由PLC給定轉矩信號Tx，隨著時間推移，電動機轉矩由零線性增加，克服負載轉矩后，電動機開始旋轉，由于此時仍未達到Tx的實際值，電動機繼續加速，可觀察到電動機速度的上升曲線較恒轉矩調速更為柔軟和平滑。此方式如持續運行，會造成電動機速度持續增加，無法控制。因此，在矢量變頻器內部設置時，應規定轉矩控制的速度上限nm，以抑制速度的攀升趨勢。

圖3 電動機啟動過程轉矩與速度關系Fig.3 Relationship between torque and speed during motor starting

其次，由于轉矩控制階段與轉速控制無關，只可設置速度上限頻率，因而靈活性大大折扣，為了使電動機因負載的不同而調節速度，必須在電動機加速時間之后切換至速度控制模式，速度信號仍然由PLC通過模擬量進行給定，MM440的模擬量輸入端電壓為DC 0～10 V；而切換通常由PLC發出信號于小型繼電器進行開關量的輸入。

變頻器控制模式切換過程如圖4所示。切換轉速控制之前，由圖4（a）可見，切換時間點t2電動機的加速度較大，直接切換勢必造成一定的運行沖擊或抖動，影響搬運安全。因此，系統應當在適合時間點上再次降低轉矩以減小電動機的加速度，形成圖4（b）中的平滑上升曲線，并與t2時間點切換至給定的轉速控制之上。由于具有旋轉編碼器的速度反饋環節，在系統經受擾動時能及時的糾正與回位，保證了整個搬運機構的平穩運行。在電動機的停機時段，變頻器再次切換至轉矩控制模式，不同的是接收來自PLC的負轉矩信號，前半段轉矩較小，后半段轉矩提升，當旋轉編碼器檢測出速度近零時，便可即刻啟動抱閘裝置，使電動機停止。

圖4 變頻器控制模式切換過程Fig.4 Switching process of the working mode of inverter

5 控制系統工作流程總結

對于目前的立體車庫機械系統而言，通常采用梳狀載車板，可清晰而便捷地在整個搬運過程中進行載車板的靈活替換與銜接，而在此采用巷道堆垛式立體車庫縱向車位排布，因而搬運過程中存在車輪受力方向與載車板梳狀平行，導致車輛位于載車板之上容易滑動的問題。因此，根據載車板受力確定搬運速度和改善速度變化的平滑特性十分必要。文中以存車時縱移電動機的工作流程為例，介紹整個控制系統的工作過程。以存車過程為例的電動機控制系統總體工作流程如圖5所示。

圖5 以存車過程為例的電動機控制系統總體工作流程Fig.5 Working flow chart of motor control system for storage process

縱移電機在工作過程中歷經多次的轉矩調節和轉矩與轉速控制的切換，保障了整個搬運過程的平穩過度，進一步提升了車輛在庫中的安全。

6 結語

對于立體車庫的電動機控制系統，運用PLC和矢量變頻器的聯合工作可提高立體車庫的工作效率與安全穩定性，進一步降低建設與維護成本，是立體車庫進一步發展過程中的優良選擇。隨著自動化技術的不斷發展與新進設備持續更新，對于立體車庫電動機控制模式的方案必將更加的便捷與精確，以極大提升生活服務質量。