1 引言
吊挂式舞台升降系统由四台7.5Kw电机驱动,电机经过减速机后带动卷扬机,通过钢丝绳吊动平台进行上下移动。要求电机的额定转速为1600r/min,对应的平台速度为0.1m/s,各电机的同步位置误差控制在2.5mm之内。
本文重点讨论四台电机之间的同步问题,提出了一种实用的最大偏差耦合同步算法,保证平台各电机负载不平衡的条件下,具有很好的同步性。
2 最大偏差耦合控制策略
当前多电机同步控制同步策略主要包括同一给定控制和耦合控制[1]。同一给定控制策略即电机统一设定,电机之间没有耦合。该策略实现简单但同步性能较差。耦合控制策略使电机之间相互耦合,相互影响,共同实现控制[2]。耦合控制主要包括主从控制和偏差耦合控制。主从控制是将多电机设为一台主电机和若干从电机,以主电机的输出转速作为从电机的转速参考值,从电机转速实现对主电机的跟随,该策略控制结构简单,但从电机受到的扰动不会反馈给其他电机,抗干扰不够理想[3]。偏差耦合控制策略的基本思想是将某一台电机的转速同其他电机转速分别进行比较,然后将得到的转速偏差相加后作为该电机的转速补偿信号,用以补偿各个电机之间转动惯量的差异 [4]。
根据舞台升降平台的设计要求,本文提出一种把主从控制和偏差耦合控制相结合,即最大值偏差耦合控制策略。其基本思想是把各台电机的反馈速度进行比较,把最大速度和最小速度进行比较得出最大偏差值,对各电机的统一设定进行补充,具体四电机控制原理框如下图1所示。
3 算法仿真
为了验证算法的合理性,对系统进行了仿真,仿真采用SIMULINK仿真工具[5]。
3.1 系统模型的建立
利用SimPowerSystems工具库建立如图2所示模型。AC2为Simulink->simpowersystems->application libraries->electric drivers library->ac drivers 中的Space vector PWM induction motor drive。即空间矢量PWM控制的三相感应电机模型,其包括三相交流伺服电机及速度环控制环节及PWM波控制环节。demux为Simulink->simpowersystems->machines中的machines measurement demux模块,把电机模型的相关参量分解出来,主要采集其转速的信号。FCN模块为函数模块,主要功能是把转速的速度由rad/s转换为r/min。
3.2 系统仿真操作及分析
(1) 验证启动的同步性[6]
在4台电机上同时加上7N.M的负载,仿真电机的最大速度偏差。取四台电机的最大差值,单位为r/min,横坐标为时间。由图3可知,当启动时最大偏差曲线恒为零。
(2) 验证某电机负载突变条件下,各电机的同步性[7]
A:在第二台电机运行3秒后,加7N.M的负载阶跃信号,如图4所示为最大偏差曲线。当加载阶跃信号时,额定转速为1600r/min,额定上升速度为0.1m/s。最大偏差速度为8r/min,延续时间最大3秒,最大位置误差=8*0.1*3/1600=0.0015m<2.5mm,符合控制要求。
B:去除阶跃信号,3秒后,第二台电机上加上7N.M的脉冲信号,脉冲宽度为1秒,图5为最大偏差曲线图。
当加载为脉冲信号时,最大偏差速度为8r/min,延时时间最大为2秒,则最大位置误差=8*0.1*2/1600=0.001m<2.5mm,符合控制要求。
(3) 在两台电机负载突变的条件下,各电机的同步性能[8]。
在第三台第四台电机上加分别加上7N.M阶跃信号和7N.M脉冲信号,最大偏差曲线如图6所示。则额定转速为1600r/min,额定上升速度为0.1m/s。由于最大偏差速度为10r/min,延续时间最大3秒,则最大位置误差=10*0.1*3/1500=0.0018m<2mm,符合控制要求。
4 算法电气控制实现
本控制系统应用于实际的舞台控制项目,其具体的电气硬件控制系统方案如图7所示,4台7.5Kw的西门子公司的S120变频器控制电机频率、4只数字编码器反馈电机的转速给一台S7-300 PLC,PLC带有CPU模块、以太网通讯模块、输入输出模块和计数器模块,PLC中进行最大偏差耦合同步算法的运算,通过工业以太网把控制频率传输给变频器。
5 结束语
通过仿真和工程的应用结果表明,最大偏差耦合同步算法结构简单易于实现,能满足工程的控制要求,能保证舞台升降平台在载人时各电机负载不平衡的条件下,具有很好的同步性。
参考文献:
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[2] 李炜,王启业,龚建兴.多电机同步控制在升降舞台系统中的应用[J].电气自动化,2010,32(5):25-28.
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[4] 潘湘高,李晓峰.计算机在新型多电机同步系统中的应用[J].微计算机信息,2007,7(1):129-130.
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[6] 张承慧,石庆升,程金.一种基于相邻耦合误差的多电机同步控制策略[J].中国电机工程学报,2007,27(15):59-63.
[7] 崔皆凡,邢丰,赵楠.基于模糊控制器的改进耦合多电机同步控制[J].微电机,2011,44(3):37-39.
[8] 刘然,孙建忠,刘亚琴.基于环形耦合策略的多电机同步控制研究[J].控制与决策,2011,26(6):38-40.
作者简介:赵文兵(1975-),男,讲师,硕士研究生,研究方向:电气控制技术。