提高自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)臺(tái)異步電機(jī)定位精度自適應(yīng)控制方法研究

溫國(guó)強(qiáng)，胡順堂，陳 寬，楊國(guó)俊，王 毓，劉曉明

提高自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)臺(tái)異步電機(jī)定位精度自適應(yīng)控制方法研究

溫國(guó)強(qiáng)1,2,3，胡順堂1，陳 寬1，楊國(guó)俊1，王 毓1，劉曉明1

（1. 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 汽車與軌道交通學(xué)院，天津 300350；2. 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；3. 光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

在YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備的分揀單元中，驅(qū)動(dòng)傳送帶的三相異步電機(jī)在制動(dòng)后的滑行距離受變頻器設(shè)定的運(yùn)行頻率和下降時(shí)間影響，存在不確定性，導(dǎo)致工件不能準(zhǔn)確地停在預(yù)定位置。通過(guò)采集大量滑行距離數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)式曲線擬合的方法，構(gòu)建了滑行距離與運(yùn)行頻率和下降時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，并提出提高三相異步電機(jī)定位精度的自適應(yīng)控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法可根據(jù)運(yùn)行頻率和下降時(shí)間，自適應(yīng)控制電機(jī)的停機(jī)位置，工件定位準(zhǔn)確。

自動(dòng)化生產(chǎn)線；異步電機(jī)定位；曲線擬合；自適應(yīng)控制

YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線是面向高職機(jī)電類專業(yè)開發(fā)的集機(jī)械技術(shù)、PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等多種技術(shù)為一體的綜合實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備，也是連續(xù)舉辦過(guò)10年的全國(guó)職業(yè)院校技能大賽高職組“自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試”賽項(xiàng)的指定設(shè)備。國(guó)內(nèi)大部分高職院校機(jī)電類專業(yè)都配備了此設(shè)備，以支撐機(jī)電類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)[1-11]。

雖然YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備非常適合高職院校機(jī)電類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，但也存在一些問(wèn)題有待解決。例如在第五站分揀單元中，三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶將工件輸送至待分揀料槽，停止后再由氣缸推入；但電機(jī)的運(yùn)行頻率和下降時(shí)間影響著工件的停止位置，工件不能被準(zhǔn)確推入料槽，致使職業(yè)技能大賽的參賽選手在比賽中丟分。電機(jī)的運(yùn)行頻率是指經(jīng)過(guò)變頻器處理后的交流電的頻率，頻率越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，反之亦然；下降時(shí)間指電機(jī)停機(jī)時(shí)從運(yùn)行速度下降到最低速度所用時(shí)間。

針對(duì)異步電機(jī)的控制，有關(guān)學(xué)者和技術(shù)人員進(jìn)行了大量研究，例如利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能提高交流異步電機(jī)系統(tǒng)的定位精度，采用模糊控制并結(jié)合矢量控制調(diào)速技術(shù)進(jìn)行異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的精確控 制[12]，采用斷電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器、整流器、交流電磁接觸器等元件使三相異步電機(jī)快速制動(dòng)，縮短滑行距離[13]。本文在分析定位誤差數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用曲線擬合的方法，預(yù)測(cè)工件的停止位置，提高三相異步電機(jī)定位精度的自適應(yīng)控制，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。

1 YL-335B設(shè)備概述

YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備如圖1所示。該系統(tǒng)由供料，加工、裝配、分揀、輸送等5個(gè)單元組成，每一單元為獨(dú)立工作站，既能完成獨(dú)立工作任務(wù)，又能進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)工作。PLC為控制器，接受光電傳感器、磁性開關(guān)、光電編碼器等傳感器的輸入信號(hào)，控制氣缸、電機(jī)完成規(guī)定的動(dòng)作。輸送單元為起始單元，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手在水平導(dǎo)軌上移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)精確定位，將工件搬運(yùn)至指定位置。

圖1 YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備

圖2(a)所示分別為白色、黑色、金屬材質(zhì)的套件，這些套件存儲(chǔ)于供料單元的料倉(cāng)里，當(dāng)物料臺(tái)沒(méi)有物料時(shí)，料倉(cāng)中的套件便被氣缸推出，完成供料動(dòng)作。輸送單元機(jī)械手抓取套件，將其搬運(yùn)至裝配單元；裝配單元將芯件（見圖2(b)）裝到套件中。由于芯件中間橡膠圈的存在，芯件只有一半裝入套件中，如圖2(c)所示。輸送單元再將半成品工件從裝配單元搬運(yùn)至加工單元；加工單元可將芯件壓入套件，完成加工任務(wù)。然后，輸送單元將成品工件輸送至分揀單元，根據(jù)不同的任務(wù)要求進(jìn)行工件分揀。依圖2所示的3種套件和3種芯件，套件和芯件可有9種組合。此外，該設(shè)備還配備了觸摸屏，用于人機(jī)信息交互。

圖2 工件

2 分揀單元

分揀單元由PLC、變頻器、三相異步電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、金屬傳感器、光纖傳感器、氣缸、3個(gè)物料槽及其他輔助結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖3所示。

上位機(jī)編寫的程序可下載到PLC上，PLC通過(guò)控制變頻器實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)啟停以及運(yùn)轉(zhuǎn)速度、運(yùn)轉(zhuǎn)方向的控制；編碼器用于測(cè)算工件在傳送帶上的移動(dòng)距離；金屬傳感器和光纖傳感器組合使用，可判別工件的性質(zhì)。由于分揀過(guò)程類似，本文僅考慮白色芯件嵌入白色套件、黑色芯件嵌入黑色套件、金屬芯件嵌入金屬套件的情況，暫不考慮混合嵌套情況，其判別情況如表1所示。

當(dāng)工件被搬移到傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)表1判別工件是白色、黑色還是金屬材質(zhì)。根據(jù)工件判別情況，傳送帶將工件輸送到相應(yīng)的物料槽位置，然后由推料氣缸將其推入料槽。通常白色工件進(jìn)料槽1，黑色工件進(jìn)料槽2，金屬工件進(jìn)料槽3。

三相異步電機(jī)的運(yùn)行頻率和停止時(shí)間可由變頻器設(shè)定，并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，停機(jī)時(shí)旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大；同樣，電機(jī)下降時(shí)間越長(zhǎng)，其旋轉(zhuǎn)角度也越大。所以，電機(jī)以不同的運(yùn)行頻率、不同的下降時(shí)間運(yùn)行時(shí)，停機(jī)后旋轉(zhuǎn)角度不同，導(dǎo)致傳送帶不能將工件輸送至準(zhǔn)確的位置，在料槽口左右有偏差，當(dāng)偏差較大時(shí)，氣缸不能將工件推入料槽，這給工件分揀工作造成了很大困難。

圖3 分揀單元

表1 工件判別

3 提高三相異步電機(jī)定位精度自適應(yīng)控制方法

針對(duì)YL-335B型自動(dòng)化生產(chǎn)線三相異步電機(jī)定位精度受變頻器設(shè)定的運(yùn)行頻率和下降時(shí)間的影響的問(wèn)題，提出一種提高三相異步電機(jī)定位精度的自適應(yīng)控制方法。

假設(shè)三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶帶動(dòng)工件A運(yùn)行，將工件A運(yùn)送到圖3(b)所示物料槽2的點(diǎn)時(shí)停下，由推料氣缸2將其推入物料槽。為消除電機(jī)制動(dòng)時(shí)滑行距離的影響，實(shí)現(xiàn)工件A在電機(jī)不同速度（頻率）、不同下降時(shí)間的準(zhǔn)確定位，需要經(jīng)過(guò)如下4個(gè)步驟：

（1）編寫控制程序。當(dāng)工件A運(yùn)行到物料口2中心線位置時(shí)（旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)值為3952），電機(jī)開始制動(dòng)。測(cè)量工件A在電機(jī)不同運(yùn)行頻率、不同下降時(shí)間制動(dòng)時(shí)，從物料槽2中心線點(diǎn)滑行過(guò)的距離，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，如表2所示。由表2可知，最大滑行距離為3 890脈沖（292.9 mm），平均滑行距離為1 129脈沖（73.4 mm）。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 脈沖數(shù)

（2）將運(yùn)行頻率設(shè)為自變量，下降時(shí)間設(shè)為自變量，滑行距離設(shè)為因變量。將表2所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)載入Matlab軟件，進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合，得出滑行距離與運(yùn)行頻率和下降時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，圖4所示為Matlab曲線擬合結(jié)果。

圖4 曲線擬合結(jié)果

由圖4可知，滑行距離與運(yùn)行頻率和下降時(shí)間之間存在非線性關(guān)系。根據(jù)曲線擬合結(jié)果，并對(duì)曲線擬合結(jié)果做修正，得出滑行距離與運(yùn)行頻率及下降時(shí)間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

（4）當(dāng)工件A到達(dá)1時(shí)，程序控制電機(jī)開始制動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段距離滑行后，工件正好到達(dá)物料槽2中心線位置點(diǎn)并停下，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。將自適應(yīng)控制算法應(yīng)用于電機(jī)停機(jī)控制后，實(shí)際停機(jī)時(shí)，工件位置相對(duì)于點(diǎn)的偏差如圖5所示。

由圖5可知，位置最大偏差為20脈沖距離（1.3 mm），平均偏差為6脈沖距離（0.4 mm），而之前的最大偏差為3890脈沖距離（292.9 mm），平均偏差1129脈沖距離（73.4 mm），極大地提高了定位精度，該方法還可用于其他位置的電機(jī)制動(dòng)情況。

但是，上述三相異步電機(jī)停機(jī)自適應(yīng)控制方法具有一定的適用范圍。假設(shè)傳送帶將工件從開始位置輸送到目標(biāo)位置，距離為0，電機(jī)開始制動(dòng)時(shí)，已經(jīng)按照設(shè)定狀態(tài)運(yùn)行。根據(jù)式（2），電機(jī)應(yīng)提前停止的位置為0－(2＋3)。當(dāng)0－(2＋3)≥0時(shí)，工件能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位；當(dāng)0－(2＋3)＜0時(shí)，該方法則不適用。應(yīng)設(shè)定電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，使0－(2＋3)≥0，滿足上述自適應(yīng)控制方法的使用條件。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)YL-335B自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備分揀單元中，因傳送帶滑行距離的不確定性導(dǎo)致工件不能被準(zhǔn)確地推入料槽的問(wèn)題，提出多項(xiàng)式曲線擬合的方法，得出滑行距離與下降時(shí)間和運(yùn)行頻率的數(shù)學(xué)關(guān)系，可根據(jù)運(yùn)行頻率和下降時(shí)間自適應(yīng)調(diào)節(jié)提前停止的點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法提高了電機(jī)的定位精度，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)停機(jī)的自適應(yīng)控制，使工件能被準(zhǔn)確地推入物料槽。

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Research on self-adaptive control method for improving positioning accuracy of asynchronous motor in automatic production line training station

WEN Guoqiang1,2,3, HU Shuntang1, CHEN Kuan1, YANG Guojun1, WANG Yu1, LIU Xiaoming1

(1. Automobile and Rail Transportation School, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China; 2. College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. Key Laboratory of Opto-electronics Information and Technical Science of Ministry of Education, Tianjin 300072, China)

The uncertainty exists in the sorting unit of YL-335B automatic production line training and assessment equipment and in the effect on the sliding distance of three-phase asynchronous motor driving conveyor belt after braking by the frequency and time of frequency converter setting, which leads to the inaccurate stop of workpiece in pre-positioning. By collecting a large amount of gliding distance data and using polynomial curve fitting method, a mathematical model of gliding distance, running frequency and falling time is constructed, and an adaptive control method to improve the positioning accuracy of three-phase asynchronous motor is proposed. The experimental results show that the control method can self-adaptively control the stop position of the motor and locate the workpiece accurately according to the running frequency and falling time.

automatic production line; asynchronous motorpositioning; curve fitting; self-adaptive control

TP273.2；TM343

A

1002-4956(2019)09-0145-04

2019-03-11

全國(guó)教育科學(xué)規(guī)劃課題教育部青年項(xiàng)目（EJA180469）

溫國(guó)強(qiáng)（1984—），男，河北張家口，在讀博士研究生，講師，主要研究方向?yàn)楣鈾C(jī)一體化技術(shù)、智能制造技術(shù)。

E-mail: wgqdiamond@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.036