多电机系统

多电机系统（精选10篇）

多电机系统 篇1

1 引言

吊挂式舞台升降系统由四台7.5 Kw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2.5 m m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。F C N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/mi n。

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7 N.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7 N.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7 N.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

[1]刘福才,张学莲.多级电机传动同步控制理论与应用研究[J].控制工程,2002,9(4):87-89.

[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.

[3]彭思远,李旭宁,马宏绪.舞台系统中多电机同步控制研究与仿真[J].微计算机信息,2009,25(8):19-22.

[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.

[5]翁震平,赵凯岐,刘胜.深水试验水池大型升降平台多电机同步控制[J].中国造船2009,50(4):30-32.

[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.

多电机系统 篇2

电气控制系统的作用是确保风力机运行过程的安全性和可靠性，提高机组的运行效率和发电供电质量。离网型风力发电机组电气控制系统分为直流和交流系统。直流系统是由风力机驱动直流发电机、经过调压限流器向蓄电池充电及向电阻性负载供电。交流系统包括交流发电机、整流装置、控制器、分流卸载电阻箱、蓄电池组、逆变器和负载。它是一个由交流发电机经整流装置整流后向蓄电池充电及向电阻性负载供电，还可以在蓄电池之后连接逆变器向交流负载供电的交直流供电系统。发电机 按类型分为同步和异步发电机；励磁和永磁发电机；直流和交流发电机。按运行方式又分为内转子和外转子。现有国产离网型风力发电机多采用同步三相永磁式交流发电机，而且是直接驱动的低转速、内转子运行方式。这种发电机为永磁体转子，无励磁电流损耗，它比同容量电励磁发电机效率高、重量轻、体积小、制造工艺简便、无输电滑环，运转时安全可靠，容易实现免维护运行。它的缺点是电压调节性能差。

一种爪极无刷自励磁交流发电机，具备励磁电流自动调节功能。在为独立运行的小型风力发电机配套时，可以有效的避免因风速变化，发电机转速变化而引起的端电压波动，使发电机的电压和电流输出保持平稳。控制器功率容量几千瓦的离网型风电系统常配置简易的控制器。它包括三相全桥整流、电压限制、分流卸载电阻箱、对蓄电池充电时的充放保护和容量10kVA以下逆变电源。逆变电源输出的交流电波形分正弦波和方波，感性负载宜采用正弦波形的逆变电源。

比较完善的控制器采用：PWM斩波整流，使电气控制系统具备了AC-DC/DC-AC双向变换功能；（2）PWM升压型（Boost型）整流，弥补了永磁发电机在低风速、低转速时电压偏低的缺陷；（3）根据风力发电机的运行特性切入了最大功率跟踪技术（PTTP）；（4）向蓄电池智能充电功能；（5）通过改善输出的交流波形，大幅提高风力发电系统的运行效率和年发电量；（6）设置风速及风力机转速传感器并在风速和转速达到限定值时启动执行机构实施制动停机；（7）设置了状态显示和主参数通讯接口。功能完善的控制系统能保障风力机技术性能可靠，运行稳定安全。

离网型风力发电系统对配套控制系统的基本要求如下：

（1）整流器件的耐电压、耐电流的高限值要有充足的裕度，推荐3倍以上；

（2）向蓄电池充电的控制系统，以充电电流为主控元素，控制蓄电池的均充、浮充转换，以均充电流、浮充电压、充电时间作为控制条件，按蓄电池的充电、放电技术规范进行充、放电；

（3）向逆变器供电的控制系统应满足逆变电源所需直流电压和容量的要求；

（4）卸荷分流要兼容电压调控分流和防止风力机超转速加载两项控制；

（5）检测风力机转速、输出电压、输出电流、机组振动等状态超过限定值或允许范围时，控制系统自动给风力机加载，同时实施制动；

（6）应具备短路、直流电压“+”、“-”反接、蓄电池过放电、防雷击等安全保护功能。蓄电池组风能是随机性的能源，高峰和低谷落差甚大，且具有间歇性，极不稳定。为有效地利用风能必须配备蓄能装置。当前风力发电系统可选择的蓄能方式有：蓄电池蓄能、飞轮蓄能、提水蓄能、压缩空气蓄能、电解水制氢蓄能等几种。离网风力发电系统广泛采用蓄电池作为蓄能装置。蓄电池的作用是当风力强劲、风力机发电量大，或用电负荷少时，将电能存入蓄电池；当风力较弱，或用电负荷较大时，蓄电池中的电能向负荷供电，以补充风电的不足，保持风力发电系统持续稳定供电的运行状态。

目前，离网风力发电系统较多采用储能型（固定）铅酸蓄电池，它的单体电动势为2V，单体容量从几百安时到数千安时。电池组配套时可根据风力发电系统的要求，以串、并联接方式组合成所需要的端电压（V）和总容量（Ah）。

蓄电池经多次充放电之后，其充放电转换效率和电池容量会迅速降低，寿命即终结，继续使用已很不经济。

影响蓄电池使用寿命的因素很多，其中主要有：

（1）未按技术规范配制符合要求的电解液；

（2）未严格实行均充、浮充分阶段充电规程；

（3）蓄电池过度充电、深度放电；

（4）蓄电池在亏电状态下，久置未及时充电。

参考书目

《风力发电》中国电力出版社2003年3月 王承煦张源 主编

《风力发电机组原理与应用》机械工业出版社2011年6月 姚兴佳 宋俊编著

多电机系统 篇3

【关键词】PLC;变频调速器;多电机控制

1.引言

PLC具有简单、灵活、方便、可靠等优点，以为控制系统提供控制接口和标准化的控制程序为目的，已经成为了当前国内外采用最普遍的电机控制技术。而且在一些生产环境较为恶劣的领域中，PLC 仍能保持稳定可靠的工作性能，并对外界的干扰具有较强的抵抗能力，因此备受关注。

现代化工业生产对多电机协作控制的要求越来越高，而变频器则是协调多电机共同完成生产任务的关键，但如果给每一个变频调速器和电动机都配备专门的控制器，则不仅会增大多电机协调控制程序的编写难度和系统的运行维护难度，还会增加投入成本。因此，目前基于一台PLC控制多台变频调速器的控制方案是主要研究方向。本文设计了一种基于一台PLC控制多台变频调速器的控制方案，该方案完全满足工业生产中对多台电机的同步控制需求。

2.PLC控制器概述

PLC是采用计算机技术为基础的一种新型的控制装置，其硬件组成部分主要包括：

（1）电源。通过PLC电源模块的整流、滤波和稳压等处理过程，外部交流电被转换为PLC内部电路工作需要的直流电，这对PLC系统控制功能的实现意义重大。正常情况下，交流电压的波动不会超过+15%，所以可直接将PLC接到交流电网上。

（2）CPU。CPU是整个 PLC 的核心，相当于控制系统的“大脑”。PLC在一个扫描周期内主要完成的工作包括：输入处理、程序执行、输出处理以及其间响应各种外部设备的工作请求。

（3）存储器。存放用户编写的程序和数据。

（4）I/O接口电路。输入接口电路是连接PLC与现场各种输入设备的接口，其目的是将外部设备的状态或信息读入CPU，而输出接口电路是将CPU程序处理过的數据传送给执行机构的接口，且它们一般都配有电子变换、光耦合器和阻容滤波等电路。

（5）通信接口。PLC配有各种通信接口。

3.基于PLC的变频调速器控制方案

基于PLC的变频调速器系统主要由PLC和变频调速器组成，能够满足同步控制、比例控制以及同速控制等不同的控制需求，并且已经广泛地应用于各种工业生产领域。以同步控制为例，本文采用主从同步控制方式，以其中一台电机为主电机，其余皆为从属电机。对于所有从属电机而言，它们都接受由主电机给定的输出共享信号。如果将这些电机串联，则除去整个系统的主电机外，其余每一台从属电机都和前一台电机进行速度同步比较，每台从属电机（除了最后一台从属电机外）都同时扮演前一台电机的从属电机和后一台电机的“主电机”角色。

系统控制方案如下：采用施耐德 PLC TWDLMDA40DTK作为主控单元，通过RS-485总线跟变频调速器连接。在该系统中，每台变频调速器分别控制一台主电机，而每台电机都带有旋转编码器反馈转速。旋转编码器将转速信号同时反馈给变频调速器和PLC，PLC根据实际转速确定补偿值。上位机监控软件通过 RS-485 总线连接到网络中，实现对下位机的监控功能。

4.基于PLC的变频调速器硬件构成

整个系统有PC机、PLC、变频调速器等组成。控制系统采用施耐德PLC TWDLMDA40DTK作为主控单元，PLC是实时控制的核心，它和变频器之间采用DFP11A通讯模块（满足RS485总线通讯技术要求）进行通讯，读取变频器中各电机的速度，计算出各个电机的速度补偿值，然后根据补偿值将速度控制指令发送给各个变频器，从而实现多电机的协调运转。

整个系统硬件由电气部分和控制部分构成。电气部分主要包括有：

（1）多台三相异步电动机。

（2）PLC。采用一台施耐德PLC TWDLMDA40DTK控制多台变频调速器。TWDLMDA40DTK集成了24输入/16输出共40个I/O点，具有PID特殊功能模块，并支持RS485通讯扩展模块，完全能够满足本系统的控制需求。

（3）通讯适配器。采用TWDNAC485D为TWDLMDA40DTK的通讯适配器，通讯适配器的功能是在PC-PLC通讯系统中作为子网站，以规定网络通讯协议的收信单元使用。

（4）变频调速器。每台电动机都采用一台SEW MDV60A变频调速器对其实施调速。工作中，每个变频器都相当于一个子网站，通过接收PLC经通讯适配器发出的控制指令信息，从而实现对电机的调速控制。

（5）变频调速器网络接口单元。采用DFP11A通讯模块作为变频调速器的网络连接单元，通过该单元能够在网络上实现变频调速器的运行控制（如启动、停止、调节频率）、参数设定和状态监控等功能。

（6）PC机一台。

（7）旋转编码器。每个电机尾端安装一个编码器，将从电机上采到的信号反馈回PLC，组成一个速度闭环。

控制部分将TWDLMDA40DTK作为系统主站，通过DFP11A通讯模块实现PLC和MDV60A变频器的连接，从而形成一个控制网络，完成系统的控制功能。

5.基于PLC的变频调速器软件设计

5.1 通讯协议

按照MODUBUS协议定义PLC与变频器的通讯过程，该过程最多分为以下5个阶段：

（1）PLC发出通讯请求;

（2）MDV60A变频调速器处理等待;

（3）MDV60A作出应答;

（4）PLC处理等待;

（5）PLC作出应答。

根据不同的控制需求完成相应的通讯过程，无论是写数据还是读数据，均由PLC发出请求，变频调速器只是被动接受请求并作出应答。

5.2 PLC编程

基于PLC的变频调速器的软件采用的是Windows XP SP3操作系统，编程环境采用TwidoSoft软件。PLC通过通讯协议实现对变频器的有效控制。通讯协议一般采用子程序方式进行编写，然后通过调用相对应的子程序实现对变频器的控制。

6.结束语

本文设计方案实现了一台PC和PLC控制多台变频调速器，完全满足工业生产中对多台电机的同步控制需求，并且成本较传统的控制方式而言明显降低，值得在实际应用领域进行广泛推广。

参考文献

[1]王俊杰.基于PLC及变频调速器的多电机控制分析[J].中国科技博览，2012，（35）：50.

[2]邝禹聪，姚伟江.PLC与变频器在环形生产线中的应用[J].机械工程师，2012，（11）：68-70.

[3]陈德欣，贺正强.PLC和变频器在多电机控制方面的研究[J].中国科技博览，2011，（13）：44.

[4]崔兴旺，陈志远.PLC实现变频调速器多电机控制[J].华章（初中读写），2007，（2）：155.

作者简介：

王磊（1983—），男，安徽人，大学本科，中广核工程有限公司工程师，研究方向：电气工程及其自动化。

基于DSP的多电机控制系统 篇4

多电机控制问题普遍存在于制造与生产过程自动化控制系统中。然而,迄今为止的设计经验仍主张每台逆变器和电机都拥有专门隶属于自己的DSP控制器[1]。这样的设计会提高系统的成本和复杂度,降低系统的性能和可靠性。针对以上弊端,本文介绍了一种基于DSP的多电机控制系统的设计方案,该系统仅用1片DSP芯片可以控制2台电机,实现2台电机的调速驱动,并减少了额外的硬件,降低了整个系统的成本,同时提高了系统的可靠性。

1 系统整体设计

系统以DSP芯片TMS320F2812为核心,通过外围辅助电路控制2台电机协调运行。DSP接收检测电路传来的电压、电流信号及电机的转速信号,通过调速控制算法得到控制信号,借助驱动控制电路驱动各逆变器控制各台电机的转速。硬件系统包括信号检测电路、控制电路和必要的通信交互接口;软件系统包括调速控制算法及相应的信号处理和通信模块。系统硬件结构框图如图1所示。

1.1 控制部分主电路

(1) 控制核心

系统核心控制芯片采用TMS320F2812。TMS320F281x系列DSP是TI公司新推出的数字信号处理器,该系列处理器是基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器,器件上集成了多种外设接口,为电机及其它运动控制领域应用的实现提供了良好的平台[2]。该芯片计算速度快,能提供高达150 MIPS的计算带宽,外围接口丰富,片上集成了12路PWM输出通道,16路A/D转换通道,6个捕获单元,非常适合同时驱动2台电机。

(2) 电压电流采样电路

TMS320F2812的输入引脚电平均与3.3 V TTL兼容,且不能承受5 V电压,因此电压电流采样信号不能直接送到DSP的A/D引脚,必须先经PT、CT将电压电流信号转换,再经信号调理电路调理,以防高于3.3 V或低于0 V的电压进入DSP。

(3) 捕获单元

事件管理器(EV)分EVA和EVB,每个事件管理器各有3个捕获单元CAP1、CAP2、CAP3和CAP4、CAP5、CAP6。捕获单元能够捕捉到其外部引脚的信号跳变。每个事件管理器模块都有一个正交编码脉冲(QEP)电路,如果电路被使能,可以对CAP1/QEP1和CAP2/QEP2(对于EVA)或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4(对于EVB)引脚上的正交编码脉冲进行解码和计数[3]。QEP电路与光电编码器相连可以获得机器旋转的位置和速度信息。当电机轴上的光电编码器产生正交编码脉冲时,可以通过2路脉冲的先后次序确定电机的转动方向,根据脉冲的个数和频率,分别确定电机的角位置和角速度。

1.2 驱动部分主电路

(1) 三相功率桥

三相功率桥电路如图2所示。续流二极管D1～D6为快恢二极管;电容C1～C3用来吸收直流母线上的尖峰电压,防止过高的母线电压击穿功率管;电阻R用来检测直流母线上的电流,防止电机过流发生故障。

(2) 前级驱动IR2130

IR2130可用来驱动工作在电压不高于600 V的电路中的功率MOS门器件,其可输出的最大正向峰值驱动电流为250 mA,而反向峰值驱动电流可达500 mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络,使用户可以方便地用来保护被驱动的MOS 门功率管。IR2130与功率管的连接电路如图3所示。

2 主要软件模块

(1) 初始化模块

主程序初始化模块(c_int0)初始化各状态寄存器,设置时钟频率,初始化“看门狗”和I/O引脚,初始化事件管理器。

(2) 电机管理模块

负责电机的启动、换向、调速和保护。其中调速算法采用了空间矢量PWM(SVPWM)算法,SVPWM算法由中断子程序完成,增强了实时性。

SVPWM控制方法与经典的PWM控制方法相比,具有直流电压利用率高、控制简单、损耗较小、便于数字化方案实现等优点。

SVPWM中断子程序流程如图4所示。

(3) 交互模块

完成键盘分析、液晶显示和通信功能。

3 结语

本文设计的基于DSP的多电机控制系统采用1片DSP实现了对2台电机的启停、换向和调速等控制,也可实现如过流保护、过压保护、欠压保护及堵转保护等其它辅助功能,且电机具有良好的动态及静态性能。该设计方案有效降低了电机控制系统的硬件成本,并且可显著提高系统的可靠性,具有一定的使用价值和应用前景。

摘要：文章介绍了一种基于DSP的多电机控制系统的设计,给出了系统主要硬件电路和软件的实现方法。该系统采用1片DSP芯片(TMS320F2812)实现了对2台异步电机的控制,采用SVPWM方法对2台电机进行变频调速,具有高性价比的特点。实验结果表明该设计方案切实可行,具有广泛的应用前景。

关键词：多电机,控制系统,SVPWM,DSP,TMS320F2812

参考文献

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[2]苏奎峰,吕强,耿庆锋,等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3]张卫宁.TMS320C28x系列DSP的CPU与外设(上、下)[M].北京:清华大学出版社,2004.

浅谈发电机励磁系统 篇5

在电气运行工作中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。例如发电机的开机升压、停机降压及其日常发电机电压的调整都通过励磁系统完成。学习好励磁系统对于发电机的学习有着很大的帮助。

关键词：励磁系统；自并励励磁系统；带旋转整流器励磁系统；发电机端电压

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0022-02

汽轮发电机励磁系统概述：根据同步发电机工作的基本原理，必须在汽轮发电机转子绕组中通以直流电流才能建立起主磁场，当汽轮机拖动转子旋转时，就能在定子电枢绕组中产生感应电动势。励磁系统的主要任务就是根据发电机的运行状态，向发电机电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机各种运行方式下的需要性能良好，可靠性高的励磁系统是保证发电机安全发电，提高电力系统稳定性所必须的。励磁系统的作用：（1）维持发电机机端电压。（2）在并列运行的发电机间合理分配无功功率。（3）提高电力系统的静态.暂态稳定性。

励磁方式的分类：（1）直流发电机供电的励磁方式，这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大故在10MW以上的机组中很少采用。（2）交流励磁电源加半导体整流器的励磁方式，这种励磁系统中的直流励磁电源是通过把交流励磁电源经半导体整流后得到的（简称半导体励磁方式）。根据交流励磁电源的不同种类，半导体励磁系统又可分为两大类。

1.他励励磁系统。这类励磁系统采用与主发电机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经二极管、晶闸管或全控功率器件进行整流后，供给发电机励磁；这类励磁系统由于交流励磁电源取自主发电机之外的独立电源，故称为他励系统。用作励磁电源的同轴交流发电机称为交流励磁机，也可称为交流励磁机励磁系统。根据半导体整流器是静止的还是旋转的，又可分为交流励磁机静止整流器励磁系统和交流励磁机带旋转整流器励磁系统。其中后者由于半导体整流元件和交流励磁机电枢与主轴一同旋转，直接给主发电机转子励磁绕组供给励磁电流，不需要经过转子滑环及碳刷引入，也称为无刷励磁系统。

2.自励励磁系统。这类励磁系统通常采用变压器提供交流励磁电源，励磁变压器接在发电机机端或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统，故这种励磁方式称为自励励磁系统。自励励磁系统又可进一步细分为多种具体的实现方式，如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外，还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流器或串联变压器，则构成自复励方式。根据励磁变压器和串联变压器结合的方式又可分为：直流侧并联自复励方式；直流侧串联自复励方式；交流侧并联自复励方式；交流侧串联自复励方式。

（1）自并励励磁系统，由励磁变压器、可控硅功率整流装置、自动励磁调节装置、发电机灭磁及过电压保护装置、起励设备及励磁操作设备等部分组成。从发电机的出口母线获得三相交流电，经过励磁变压器变为符合要求的电压较低的交流电，再经过可控硅整流装置后，通过直流刀闸到主备励切换柜，然后到灭磁及过电压保护柜，最后上发电机转子，完成了发电机的励磁过程。开机起励时起励电源经过起励元件到灭磁及过电压保护柜FLM。这种励磁系统的特点是：1）无主、副励磁机，励磁电源取自发电机机端，经整流变压器及可控硅整流器供给发电机励磁绕组励磁；2）无旋转部件，结构简单，轴系短，轴承座少；2）励磁回路中有滑环、碳刷、灭磁装置，响应速度快；4）可以提供较大的励磁功率。采用自并励励磁系统主要缺点有：1）在发电机近端三相短路而切除时间又较长的情况下，不能及时提供足够的强励倍数。2）接于地区网络的发电机，由于短路电流的衰减快，继电保护的配合较复杂，给继电保护来了问题。同样是发电机近端发生三相短路时，自并励系统的强励能力将显著降低，在某些情况下不能使发电机的短路电流维持在使过电流保护动作的水平，带时限的继电保护可能会拒绝动作。

（2）交流励磁机带旋转整流器励磁系统（无刷励磁系统），无刷励磁系统用交流励磁机作为主发电机的励磁电源，根据交流励磁机励磁绕组所取励磁电源的不同，无刷励磁系统又可分为有辅助励磁机和无辅助励磁机两种形式。

（3）无刷励磁系统，此系统中辅助励磁机采用的是永磁发电机。辅助励磁机发出的交流电经过可控硅整流器整流为直流电供给主励磁机的励磁绕组。主励磁机是一台旋转电枢式三相同步发电机，即它的电枢绕组是旋转的，励磁绕组则是静止的，发出的三相交流电经同轴旋转的三相旋转整流器整流为直流电，通入主发电机转子绕组，供给发电机励磁。其中两个整流器，在外部的为可控的整流器与励磁调节器连接，通过控制这个整流器达到控制发电机励磁。内部的为不可控整流器与主轴同轴旋转。无辅助励磁机的无刷励磁的励磁电源则是取自主发电机的端电压或者厂用电。这种励磁方式又可进一步分为端电压励磁、基波谐波混合励磁、谐波励磁和相复励励磁等几种方式，其中相复励励磁是一种较好的励磁方式。无刷励磁的优点：1）结构紧凑。2）没有滑环和碳刷，不需要进行这方面的维护工作，不会因此发生故障，运行的可靠性提高了。3）因为没有碳粉和铜末引起电机绕组污染，故绝缘的寿命较长，4）由于无滑环、碳刷，即使周围环境有易燃易爆气体存在，也不会因整流子、滑环和碳刷间产生火花而造成事故。

有刷励磁和无刷励磁的区别：

通过上面的介绍可以看出，取消了滑环和碳刷是无刷励磁与有刷励磁系统最大的区别。滑环和碳刷的作用就是将发电机励磁电流送到转子磁极上励磁绕组中的桥梁。发电机能够正常发电的两个必要条件：磁场、切割磁力线的运动。大容量发电机均采用旋转磁场，电枢绕组（线圈）安装在定子上，为了将磁场的励磁电流从发电机外部送到发电机转子上，通常采用滑环和碳刷进行电气连接。由于碳刷属于损耗性元件，平均3-4个月需要更换，那么在更换时就会有一定的安全隐患。在淮安热电分厂实习期间，通过工作中的观察，发现了更换时所存在的几点风险。1）碳刷属于带电元件，更换时工作人员有被电击的危险。2）工作人员在更换时需要接近旋转中的主轴，工作人员的衣物有被大轴挂住的危险。3）运行中的碳刷会有火花冒出，会有点燃易燃物的危险。4）在更换时如果操作不当，致使滑环损坏，那么发电机需要停机进行。因此滑环和碳刷的取消降低了运行维护的工作量，回避了由于更换所带来的风险。但是无刷励磁系统取消了滑环和碳刷后也带来了一些问题。由于不可控整流装置同轴旋转，对整流器的可靠性要求很高，并且不能直接控制主励磁电流，因此在调压和灭磁的速度上对技术提出了更高的要求。但是随着科技的发展，今后无刷励磁的一个发展方向是采用光控晶闸管，通过光脉冲触发调节光控晶闸管的导通角，就可调节主励磁电流的大小。由于是直接控制主励磁电流，消除了励磁机这一很大的惯性环节，励磁系统的动态性能有很明显的提高。

无刷励磁系统的整流装置、主励磁机的电枢绕组和发电机的转子绕组，在同一轴上旋转，也就是上图中的旋转元件，而在旋转体上的设备就存在着一定风险。因为旋转着的设备会受到较大的旋转力，并且转动的主轴上会产生振动，这都提高了设备损坏的可能性。无刷励磁的旋转元件当发生故障需要维修时，其维修时间较长，会影响到厂里的生产效益。那么我们要如何降低这种风险呢？我对这个问题进行自己的一个分析；由于设备是成套生产的，在出厂环节有厂家保证。在设备安装环节能最大程度降低旋转元件的损坏风险，对旋转元件在安装时的牢固程度和抗震能力必须要严格监督，要完全符合技术规范。在发电机运行时，由于设备旋转，无法对设备进行维护，我们运行人员可以保证发电机有一个良好的运行环境，在日常工作对发电机的温度要进行时刻的检测，保证发电机温度在规定范围。

参考文献：

[1]唐英魁,曾林锁.25MW汽轮发电机励磁系统的研究与实践[J].中国学术期刊,2005:10-40

[2]盛超.王祥晰一种新型无刷励磁同步发电机投励装置[J].大电机技术,2002,1:30-40

[3]陆继明,毛承雄,王丹.同步发电机微机励磁控制[J].中国电力出版社,2006:1-30

[4]樊俊,陈忠,涂光瑜.同步发电机半导体励磁原理及应用[M].北京:水利电力出版社,2001:40-45

[5]王贵光,王晋川,苏华.励磁系统改造中一些问题的探讨[J].山西电力技术,2001,2:12-13

多电机系统 篇6

由于盾构施工现场环境的约束, 不便于电机更换, 因此在设计时, 需要考虑到器件工作的高可靠性, 对多电机同步控制策略优化设计提出了更高要求。

以往文献集中在介绍多电机同步驱动控制算法、建立数据模型分析、硬件控制系统设计等方面, 较少对刀盘驱动系统多电机同步驱动控制策略进行设计并进行试验数据分析[2]。因此本文着重从盾构控制系统软件方面对刀盘驱动系统多电机同步驱动控制策略进行设计优化及试验数据分析, 并对盾构控制系统中多电机同步控制方法进行深入研究。

1 多电机同步控制理论

在工业控制系统中多电机同步控制存在普通异步电机控制、变频器控制变频电机等方式, 但普通异步电机所组成的多电机同步控制由于精度差、自动化程度低等原因, 使这种控制方式一般应用于控制要求较低的工业场合。

变频电机可以通过改变电机的工作频率, 达到改变转速的目的, 且这种改变可以实时调节。因此, 采用变频器控制变频电机, 通过传感器实时采集电机运行参数传送给控制器, 利用差值耦合、PID算法、平均值等算法进行运算, 然后把处理后的参数送给变频器进行实时调节。多电机同步控制可分为非耦合控制和耦合控制系统结构。其中, 非耦合同步控制主要有两种方式, 即并行同步控制和主从同步控制;耦合同步控制主要有偏差耦合同步控制、交叉耦合同步控制及电子虚拟总轴同步控制[3]。耦合同步控制结构如图1所示。

2 控制方式

由于盾构刀盘驱动控制系统的多电机同步控制主要是非耦合同步控制, 因此从并行同步控制和主从同步控制方式进行分析:并行同步控制, 即要求多电机同时跟踪同一电机运行参数 (转速或相位) ;主从控制方式, 即设定系统中的一个电机为主电机, 其余为从电机, 控制多个电机的运行参数跟踪主电机运行。

针对一个系统的多电机同步控制设计, 正确选择合适的控制方式与控制策略至关重要, 首要考虑电机本身的动态特性, 使控制系统具有快速的动态跟踪能力, 同时有效地抑制控制系统中的各种扰动因素。

2.1 并行同步控制

并行同步控制是基于统一的给定输入信号, 各电机独立运行的控制模式。其优点在于系统启动、停止阶段的同步性良好, 控制结构简单易实现, 不同的控制单元不受距离的限制, 可满足一定条件下的同步控制要求, 其控制系统结构如图2所示。

采用这种控制方式的系统中, 每个单元的输入信号由系统直接给定, 因此, 各单元获得的输入信号一致, 各驱动单元的输入信号除了受输入信号作用以外, 不受任何其它因素的影响, 所以任一单元的扰动不会影响其它单元的工作。但该控制方式对各电机本身的性能要求严格, 电机之间的差异会影响整个负载控制的同步性, 另外, 由于各控制器之间没有交叉耦合环节, 不适合应用于控制速度要求精确的场合[4]。

2.2 主从同步控制

主从同步控制下是主电机的输出转速作为从电机的输入转速, 即从电机能够反映并跟随任何加在主电机上的速度命令或者是从电机的负载扰动, 其控制系统结构如图3所示。其优点是从电机的扰动不会传到主电机中, 且跟随性较好[5]。

3 控制策略

从并行同步控制方式和主从同步控制方式的优缺点及控制精度可以得出:主从控制方式较适合盾构刀盘驱动控制环境, 在盾构刀盘驱动控制系统设计过程中大多采用优化的主从控制模式, 即采用主电机一用一备, 其余电机为从电机控制模式, 但这种控制方式在盾构实际施工过程还是会产生多电机不同步的现象, 因此, 需要对这种优化的主从控制模式进行改进。

通过改进的主从控制策略是:第一台电机为主电机, 每一个控制周期结束, 通过对所有电机参数比较, 确定下一个主电机, 其余为从电机实时跟随控制, 依次类推, 所有电机充当双重角色, 既是主电机, 又是从电机, 结合控制软件的数值分析算法, 实现对其控制, 其控制系统结构如图4所示。但该控制策略对主控器的数据处理速度及动态响应能力要求较高, 且能够对所有电机的控制参数实时判断、处理。

4 控制原理

西门子传动装置控制软件STARTER进行设计, 该软件是西门子公司针对传动装置进行现场调试、测试而开发的。能够实现在线实时监控、修改装置参数、故障检测及复位, 以及跟踪记录等强大的调试功能。

针对改进型主从同步控制策略, 在实验平台上设计一个多电机同步控制系统, 对其进行控制策略方面的理论实验。采用基于该软件平台开发的控制软件, 可实现对盾构多电机同步控制测试。该系统由电抗器、西门子伺服驱动器、伺服电机SINAMICS S120、编码器, PROFIBUS总线等组成, 其控制原理如图5所示, 其主控制系统是由西门子S7-400H PLC实现控制。

5 控制流程

根据改进型主从同步控制策略, 结合盾构刀盘驱动控制系统软件设计多电机同步驱动控制流程如图6所示。

6 实验分析

6.1 实验目的

解决现场多电机驱动不同步的理论问题。

6.2 实验原理

对于多电机同步控制系统来说, 实现的是电机转速的跟随, 受到扰动的电机的转速会发生变化, 其它的电机跟随这台电机的转速变化。在系统受到扰动后的初始状态, 电机之间的转速趋于同步越快越好, 即应尽快消除转速偏差。因此多电机同步控制系统设计必须针对电机和机械系统本身的动态特性, 兼顾跟踪能力和系统扰动的特殊性。

6.3 实验过程

控制策略选择改进型主从同步控制策略, 在该实验过程中3个电机依次设定为主电机, 其它电机为从电机, 通过这种控制可以兼顾多电机和机械系统本身的动态特性和系统扰动的特殊性。在实验过程中通过STARTER实时监测电机转速, 与设定转速进行比较、判断, 进行多电机转速跟踪调节。

6.4 实验结果

通过实验, 得到刀盘多电机同步驱动系统控制实验的转速设定曲线如图7, 1号电机转速曲线如图8所示, 2号电机转速曲线如图9所示, 3号电机转速曲线如图10所示。

通过转速曲线图之间的对比、分析, 可以看出当设定转速V≈2.8 9 6 r p m时, 对应3个电机的转速V1≈2.8 9 5 r p m, V2≈2.895rpm, V3≈2.895rpm, 当设定转速变化为V≈2.46rpm, 对应3个电机的转速V1≈2.46rpm, V2≈2.46rpm, V3≈2.46rpm, 从多电机驱动控制理论研究方面达到较好的多电机转速同步效果。

尤其是在多电机处于荷载不均匀的情况下, 通过改进型主从控制策略, 理论上各电机可以实现负载的动态平衡, 该控制策略较适合盾构在非均匀地质工况下刀盘驱动系统的多电机同步控制。

7 结论与建议

在盾构刀盘驱动控制系统软件设计思路分析基础上, 提出改进型主从多电机同步控制策略, 并对其进行实验测试及结果分析, 从控制理论和测试结果分析得出改进型主从同步控制策略较适合盾构在非均匀地质工况下刀盘驱动系统的多电机同步控制。但控制算法及控制策略只在实验平台进行测试, 没有在盾构刀盘驱动控制系统运行过程中进行测试, 望在后续的研究过程中能够对该控制策略及控制算法进行现场试验。

参考文献

[1]连继军, 基于模糊.PID控制的多电机同步控制系统的分析与设计[J].煤矿机械, 2014, (3) :210-211.

[2]姜晓平, 朱奕, 伞冶.大功率随动试验台多永磁同步电机同步控制[J].电机与控制学报, 2014, (4) :88-89.

[3]程斯一, 纪文刚.多电机同步控制技术研究平台的设计[J].工业仪表与自动化装置, 2014, (2) :29-30.

[4]史步海, 李伟青.盾构机刀盘驱动系统同步控制技术的研究[J].计算机测量与控制, 2012, 20 (5) :1258-1259.

多电机系统 篇7

1 微控制器简析

1.1 分类方式

微控制器的分类方式较多。我们既可以根据数据总线的宽度将其分为8位机、16位机和32位机, 也可以根据存储器的具体结构将其分为Harvard结构和Von Neumann结构, 还可以根据其组成结构中程序存储器的不同将其分为OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和闪存Flash等不同类型的微控制器。

1.2 程序存储器

程序存储器是微控制器的重要组成部分。我们可以根据数据总线的宽度将其存储器在逻辑上分为成对的8 KB、16 KB或32 KB等不同的种类, 然后使用不同的闪存单元来支持相应的应用编程。

1.3 运行模式

运行模式对微控制器的影响是非常显著的。在启动微控制器的器件之后, 根据其运行模式的设定, 可以执行驻留于器件内部专用ROM的加载程序。在这一过程中, 每当收到一个回车符号, 其内部的串口就能执行自动的波特率功能, 并且还能与主机的波特率同步。除此之外, 在分析其运行模式的过程中, 由于其具有简单的引导加载程序接口, 因此实际上允许其使用几种方法来实现PC机与目标微控制器间的通信。

2 多电机同步控制系统分析

多电机同步控制系统的结构如图1所示。由图1可以看出, 多电机同步控制系统是由同步控制器、工控机、协议转换器和变频器组成。其中, 同步控制器具有最重要的通讯、检测、控制三大功能模块, 是整个控制系统的核心;协议转换器是上位机与同步控制器之间的桥梁, 其主要功能就是实现协议的转换记忆同步传动参数的双向传递;变频器的主要功能是驱动同步电机。一般情况下, 一块同步控制器能够实现对五路电机的同步控制。

3 多电机同步控制算法与系统设计

3.1 PID控制算法

PID控制算法是基于微控制器的多电机同步控制算法的基础和前提, 主要是以比例、积分和微分为理论基础的控制算法。在PID控制算法40余年的应用过程中, 其对诸多新兴控制策略的诞生和完善都起到了重要作用。根据该算法在多电机领域中的应用, 其作为一个低阶和可预测的控制算法, 始终具有良好的控制效果。

计算多电机同步控制系统的偏差的基本公式为:

3.2 模糊控制算法

模糊控制算法对基于微控制器的多电机同步控制算法的重要性是不言而喻的。这一控制算法诞生于1965年, 其以非线性和时变系统为理论基础, 至今得到了很好的发展。该算法是语言类型的控制工具, 这意味着它能够便利地被人类的逻辑和意识所理解与应用。在模糊控制算法的基本结构中, 知识库为最上层结构, 然后下端分别为输入隶属度函数、推理规则和输出隶属度函数。知识库使精确输入通过模糊化、模糊推理和反模糊化之后最终得到精确的输出。

讨论各种模糊现象离不开相应隶属函数的计算。建立模糊隶属函数的方法较多, 不同的模糊问题有不同的方法。通常采用的方法有两种, 分别是统计规律法和随机分割法。

3.2.1 统计规律法

在概率论中, 经常使用统计规律法计算古典概率, 例如在n次试验中, 事件A发生的概率P (A) 为:

古典概率的定义、方法同样适用于隶属函数, 其中, P (A) 相当于隶属函数μA (u) , n表示论域U中的一群元素, “A事件出现的次数”用“u属于模糊子集A的次数”表示, 则:

概率是事件A可能出现的可能性, 隶属函数是元素u从属于子集A的程度。前者充满随机性, 后者则呈现出客观模糊性。

3.2.2 随机分割法

采用统计规律法求得的是隶属函数的值, 而不是函数, 采用随机分割法可求出隶属函数的值。这种方法的要点是随机分割模糊统计试验模型。在分割时, 注意要使用模糊概念, 例如把体积划分成特大、大、较大、中、较小、小、特小等七个不同的级别。

现采用三分法。所谓“三分法”, 就是指把讨论的空间Ω划分成三个子空间A1、A2、A3, 且设A1、A2的分界点 (面) 为ξ, A2、A3的分界点 (面) 为η.这样, 如果确定了 (ξ, η) , 就确定了一次分割。

随机分割法把 (ξ, η) 看作是一对随机变量, 在抽样调查中求出ξ, η的概率分布, 再推导出隶属函数μAi (u) 。其中, i是子空间数。如果是3个子空间, 则i=1, 2, 3.

使用随机分割法计算隶属函数的公式如下。

设 (ξ, η) 是满足p (ξ, η) =1的一组连续随机向量, 又假设 (ξ, η) 的每次取值对应一个映射e, 则e (ξ, η) ︰Ω→U={A1, A2, A3}, 且:

则3个模糊子集对应的3个隶属函数由下列公式确定:

式 (4) (6) 中:Pξ (u) 和Pμ (u) 分别为ξ和μ的边缘分布密度函数。

3.3 控制方式选择

控制方式选择是基于微控制器的多电机同步控制系统设计的核心内容之一。在控制方式选择的过程中, 有主从式结构和平行式结构可供选择, 工作人员在选择时需要考虑多个方面的因素, 例如传动要求和精度、性价比和控制能力等。在选择空中方式时, 工作人员应当注意到其具有一定的滞后性。这一滞后性主要是由其结构形态和其他因素所决定的。

3.4 网络结构设计

网络结构设计是基于微控制器的多电机同步控制系统设计的重中之重。在网络结构设计的过程中, 工作人员应以上位PC机器、CAN总线和DSP控制板为结构的支点。除此之外, CAN总线能够使PC机器更好的通讯, 这一通讯对象也包括CAN总线本身。

3.5 通信模式设计

通信模式设计是基于微控制器的多电机同步控制系统设计的关键环节。在通信模式设计中, CAN总线有效实现了上位机与下位机之间的通信。这意味着上下位机能够通过总线建立联系, 所以在通信模式的设计过程中, 工作人员应当以主电机的转速信号为通信信号, 以DSP为基础设计同步算法, 由此跟踪主电机的转速信号, 使主电机与从电机之间能够达到同步, 并进行有效的信号通信。

4 结束语

在设计系统之前, 首先应全面了解微控制器的基本概念、运行方式和组成结构等基本信息, 然后在此基础上通过大量的技术实践, 不断促进我国多电机同步控制算法与系统设计整体水平的有效提升。

参考文献

[1]张新平.四电机分部传动机纱机的控制系统研究[D].杭州:浙江大学, 2013.

[2]陈曦.造纸机分部传动多电机同步控制系统研究[D].济南:山东大学, 2012.

多电机系统 篇8

1 胶带运输系统基本组成及控制系统要求

由于白坪煤矿主井煤炭运输量大, 胶带运输系统由并行安装、独立运行的2条胶带组成。每条运输胶带采用双滚筒四电机驱动, 其基本结构如图1所示。胶带运输系统型号为DTL120/60/4×450S, 胶带输送倾角为20°~27°~25°~19°50', 总长度为1 375 m, 运煤量为600 t/h, 带速为3.15 m/s, 电机功率为4×450 k W (10 k V) 。驱动装置位于输送机头部, 采用750K CST可控软启动技术, 实现强力胶带机软启动、软停止功能[1,2]。

根据白坪矿主井胶带运输系统的结构特点和运行原理, 设计的控制系统应满足以下要求:

(1) 控制功能。为满足日常运行、检修、故障处理等需要, 具备就地、远程和检修3种控制模式。操作人员可采用不同方式控制各条胶带机的启动和停止。 (1) 地面集中控制。该方式下, 操作人员只需在地面控制中心操作键盘或鼠标, 即可控制井下各条胶带机和给煤机的起、停以及故障解除等, 并通过计算机语音系统发出开车提示命令。 (2) 人工就地控制。日常检修、故障处理或特殊需要时, 操作人员可分别在各条胶带机头通过控制分站实现胶带机的启/停。 (3) 控制方式变换。可通过控制分站上的手动/自动切换开关进行转换, 使得2种控制方式互为备用、互相闭锁, 提高系统的可靠性和灵活性。 (4) 根据输送煤量的大小, 各分站能够自动改变CST的输出速度, 实现胶带输送机运行速度的改变, 且保证各电机的功率平衡。 (5) 故障解除。故障处理完毕后, 重新开机时, 需要上位机给出故障解除指令。

(2) 操作界面及其显示功能。 (1) 具有菜单式操作界面, 易于操作; (2) 采用动画、图形、汉字等方式直观显示设备的运行状态、工况参数等; (3) 能够集中显示胶带运输系统各关联设备的工作状态、料仓料位、胶带运行速度、电机电流等参数。

(3) 故障查询及诊断和保护功能。 (1) 具有胶带跑偏保护、速度检测、打滑和超速保护、沿线急停闭锁、堆煤检测、动力设备温度检测、驱动滚筒的表面温度检测、自动洒水灭火、烟雾检测、胶带纵向撕裂保护、电机电流和开关故障检测、胶带张紧力检测、煤仓煤位检测、CST可控驱动装置运行状态检测保护等; (2) 具有胶带上人自动停车保护; (3) 出现停机保护时, 能够显示故障性质、地点, 实现快速定位故障, 便于维修处理。

(4) 其他功能。 (1) 历史数据记录, 图形动态显示、打印, 报表以及数据存储等功能; (2) 支持多个远方客户端的数据浏览以及监控系统主机的远程控制和参数设置功能。

2 控制装置的硬件总体方案

根据该矿主井胶带运输系统的运行工艺与特点及其对控制系统的要求, 设计的多电机驱动矿用胶带运输系统控制装置由控制主站和2个监控分站组成, 控制器选择西门子S7-300系列PLC控制装置 (图2) 。

主站是控制装置的核心, 配有操作面板和显示屏, 通过分站实现对2台胶带输送机的运行参数设置, 对运行状态进行显示以及远方控制功能。同时配有通信接口, 可与总调度室进行通信[3,4]。

分站是控制装置的执行部件, 主要完成输送机、给煤机等设备的开/停, 胶带运行速度调整, 驱动电机之间功率平衡控制以及各种保护等功能。分站安装在各胶带输送机的控制箱附近, 通过通信线与主站相连。每台分站可单独设定地址号作为通信时的目标地址, 分站只与主站进行通信。

2.1 主站设备选型

(1) 工业控制计算机。采用主、从计算机实现双机热备用, 当一台计算机出现故障时, 可自动切换到另一台计算机, 防止数据丢失或控制失控。计算机型号为启天M6300 (Inteli5 2400, 2GDDRIII, 1TB, n VIDIA Ge Force GT420 1G) 。主要实现功能: (1) 远程启动、停止、复位和测试, 并可进行地面远程编程、故障 (保护) 屏蔽及控制方式转换、给煤机点动操作等控制; (2) 实时显示各胶带机、相关设施及所有信号状况, 并能方便地进行多画面切换, 当井下被测参数超限、保护动作及设备运行状态改变后, 给出语音、文字报警提示; (3) 实时或按时间段打印各胶带机和相关设备的运行参数和运行状态。

(2) 不间断电源。采用MT1000S-pro 1000VA型UPS供电, 防止系统突然断电造成系统数据的丢失以及控制失控, 保证系统不间断运行。

(3) 以太网交换机。型号为CSM377, 实现主站与分站之间通信。

2.2 分站设备选型

每条胶带机机头均设置一个监控分站 (图3) 。主要功能: (1) 完成胶带机启动/停止、检测与保护, 并通过以太环网与监控分站通信, 达到胶带单台、胶带间连锁集控; (2) 驱动本部胶带的所有CST, 实现电机功率平衡控制。

选型情况: (1) PLC的CPU模块型号选择为CPU315-2 DP, 128 KB RAM。 (2) 开关量输入模块 (单台) 。对于单条胶带, 来自现场信号开关量信号有26个, 开关量输入模块选用SM321, 32点输入, 24 V (DC) 。 (3) 开关量输出 (单台) 。由于需要的输出共29个信号, 开关量输出模块选用SM322, 32点输出, 24 V (DC) , 0.5 A。 (4) 模拟量输入模块 (单台) 共7路, 模拟量输入模块 (单台) 选用SM331, 8点输入, 13位分辨率。 (5) 模拟量输出模块 (单台) :CST可控启动传输装置的速度给定信号2路, 模拟量输出模块 (单台) 选用SM332, 4点输出。 (6) 通信模块型号为CP343-1 Lean。用于将PLC连接到工业以太网 (IE) 中。

3 主要传感器选择

多电机驱动矿用胶带运输系统控制装置的传感器布置如图4所示。

(1) 机头设置速度传感器。用于检测胶带速度, 判断是否打滑。若出现打滑现象, 报警或停机。选用GSG6矿用本安型速度传感器。

(2) 机头设置堆煤传感器。堆煤对于胶带运输系统的危害很大, 若发生堆煤现象, 将引起胶带跑偏和胶带表面磨损、甚至造成电机过载烧毁。为此, 选用KG1006堆煤传感器。若出现堆煤现象, 控制分站报警停机。

(3) 滚筒设置温度传感器, 用于对胶带输送机的减速器高速轴、电动机外壳、传动滚筒轴承座表面等处的温度进行检测和保护。选用GW50 (A) 矿用本安型温度传感器。

(4) 机头、机尾以及胶带中部设置跑偏开关, 用于实现胶带跑偏保护。由于白坪矿主井胶带输送机运输距离长, 跑偏发生在头、机尾以及胶带中部。为此, 共设置了3对限位开关, 分别安装在机头、机尾和胶带机中部机架两侧的钢槽上。当胶带跑偏而碰到限位开关, 使其动闭触点闭合, 向PLC控制分站发送一个开关信号, 实现跑偏控制保护。跑偏开关选用KGE28本安型跑偏传感器。

(5) 胶带输送机沿线设置拉绳急停开关。出现紧急情况时, 可人工拉动开关, 由控制分站实现紧急停机, 以保护人员或设备的安全。选用KHJ0.03/12矿用本安型急停开关。

(6) 胶带机头设置烟雾传感器。当胶带输送机的胶带因摩擦发热或其他原因产生烟雾时, 该传感器向PLC控制分站输入一个开关信号, 自动打开洒水电磁阀洒水。

(7) 胶带上方设置物料传感器, 用于监测胶带上所输送煤的厚度。PLC控制分站通过物料传感器送来的煤的厚度信号, 得到输送煤量大小, 通过控制算法改变CST的输出速度, 进而改变胶带输送机的运行速度, 达到节能效果。选用GL3-24矿用隔爆型料流传感器。

(8) 电动机上设置电压电流变送器, 用以监测电动机的运行状态, 并计算其功率输出。用于过流保护和电机的功率平衡控制。电流变送器为KGD5B型;电压变送器为KGD5A型。

(9) 撕裂检测传感器。选用矿用本安型电气设备, 型号为ZSJ01的纵向撕裂传感器。该传感器是一个漏料检测器, 由支点、托盘和平衡锤等组成。由于输送带发生撕裂后, 物料会从裂口落下, 从而触发撕裂传感器, PLC控制分站收到该传感器送来的开关信号, 进行报警停机。由于纵向撕裂大部分发生在装载处, 因此将纵撕检测传感器安装在装载点前10 m处。

(10) 胶带上人检测传感器, 用于胶带上人自动停车保护, 选用GUR5矿用本安型热释红外传感器。在胶带机距离机头30 m处安装2个, 如检测到工人私自乘坐胶带, 提前预警甚至停机。

4 电机功率平衡和输送胶带速度控制原理

4.1 电机控制回路

白坪矿主井胶带输送机采用双滚筒拖动, 每个滚筒由双电机驱动, 共有4台三相异步电动机。三相异步电动机的电气主电路如图5所示。4台三相异步电机分别连接到三相电源上, 通过负荷开关QF、交流接触器KM、热继电器RJ向电机供电。单台电机控制电路原理如图6所示, 可实现控制箱操作和PLC控制分站控制。

4.2 输送胶带速度与电机功率平衡控制

胶带输送机的胶带速度与电机功率平衡控制原理如图7所示。PLC控制分站以胶带运行速度和电动机的消耗功率为控制量, 通过伺服比例阀调节CST可控驱动装置的线性离合器中的油压, 改变动静摩擦片的间隙来调整CST的动静摩擦片之间的油膜剪切力的大小, 实现胶带输送机速度调整与电动机消耗的功率平衡。控制算法采用模糊PID控制模型, 1#CST可控驱动装置和电动机为主动驱动装置, 2#—4#CST可控驱动装置和电动机跟随1#CST可控驱动装置运行。1#电动机消耗的功率作为2#—4#电机给定值。当1#电动机消耗的功率发生变化时, 模糊PID控制算法自动调节2#—4#可控驱动装置的整动静摩擦片之间的油膜剪切力传递力矩, 从而实现胶带运行速度与电动机间消耗的功率平衡。

5 结论

针对白坪矿主井胶带运输系统的结构特点和控制要求, 设计了多电机驱动矿用胶带运输系统控制装置。该系统已经在白坪矿成功运行。应用表明, 该系统完全能够满足现场运行的要求, 实现自动节能运行, 提高了主井胶带运输系统的可靠性和运行安全性。

(1) 针对白坪煤矿主井运输系统煤量变化比较大等问题, 设计了具有煤量自动检测和节能自动控制的PLC控制装置, 其速度和功率的控制误差均在±2%, 并具有完善的安全保护装置, 实现了主井胶带运输系统的高可靠性和安全节能运行。

(2) 该控制系统的使用改善了胶带运输系统的技术性能, 延长了胶带运输系统使用寿命, 减少了维护费用和运行操作人员的劳动强度, 经济效益显著。

摘要：根据白坪矿主井胶带运输系统的结构特点和控制要求, 设计了基于PLC和CST可控驱动装置的多电机驱动矿用胶带运输系统控制装置, 实现了根据运煤量的大小自动改变胶带输送机的运行速度和电机的功率平衡。介绍了控制装置的硬件总体方案、传感器布置与选型、电机功率平衡和胶带运行速度控制原理等。应用表明, 该系统完全能够满足现场运行要求, 实现了自动节能运行, 其速度和功率的控制误差为±2%, 提高了主井胶带运输系统的可靠性和运行安全性。

关键词：矿用胶带运输系统,PLC控制装置,多电机驱动,CST可控驱动装置

参考文献

[1]刘金娃, 于磊.CST可控驱动装置及其性能特点[J].煤矿机械, 2011, 32 (8) :153.

[2]杨振江.CST在胶带输送机上的应用[J].水力采煤与管道运输, 2011 (1) :59-61.

[3]秦永康, 黄和平.PLC集中控制系统在煤矿胶带输送机上的应用[J].工矿自动化, 2011 (2) :98-99.

多电机系统 篇9

提高电力系统运行的可靠性与稳定性一直是电力工程中的重要研究课题之一。保障可靠性的一个重要方面就是采用相应的控制措施使电力系统在各种扰动下,能够保持系统的同步运行。

经典的发电机励磁控制技术有单变量反馈,多变量反馈及线性最优励磁控制技术。在系统实际运行状态过于偏离运行点时,由线性控制方法所设计的控制律便不能满足系统的控制要求,故与提高电力系统大干扰稳定性的要求不相适应。因此有必要用非线性控制理论进行控制设计以提高系统的大干扰稳定性[1,2]。

近年来,发电机励磁系统的非线性控制方法研究得到了许多成果。文献[3]通过将输出函数选取为多状态量的线性组合来实现非线性系统的多性能指标控制,在统一的非线性控制设计框架下对系统中多个状态量的动态和静态性能指标进行协调。文献[4]以功角、有功功率、角速度作为反馈量,基于非线性预测控制理论,设计出具有闭合解析形式控制律的励磁控制器。文献[5]提出了目标全息反馈非线性控制设计方法,将非线性控制系统的全部控制目标转换到线性空间中,使控制目标均在性能指标中得到约束,从而使获得的控制规律包含这些控制目标的全部反馈信息。文献[6]针对电力系统暂态过程的非线性特性,以稳定电压为目标,结合零动态和变结构控制的原理设计了励磁控制器。

FACTS技术结合了现代电力电子技术与传统的潮流控制,利用可靠性很高的大功率可控硅元件代替传统元件中的机械式高压开关,可迅速调整电力系统中影响潮流分布的主要电气参数,以便实现输送功率的合理分配及维持正常的电压,降低功率损耗和发电成本,大幅度提高系统的稳定可靠性。该技术是实现电力系统安全经济和综合控制的重要手段之一,近年来的一些研究和实践也证明了这一点[7,8,9,10]。有关FACTS元件与发电机励磁的非线性协调控制研究近年来也取得了不少重要的进展[11,12]。文献[11]研究了SVC与发电机励磁的能够实现干扰抑制的鲁棒非线性协调控制。文献[12]对超导磁储能系统(Super-conduction magnetic energy storage,SMES)与汽轮发电机的励磁进行了多指标非线性协调控制设计。

BESS作为FACTS家族的新成员,具有控制有功功率流的能力,能够同时对接入点的有功和无功进行调节,为高压输电系统提供快速的响应容量,有效的提高了电力系统的稳定性、可靠性和电能质量。文献[13]介绍了BESS与STATCOM(Static synchronous compensator)结合后可提高电力系统动态稳定性。文献[14]比较了不同类型的能量存储系统在电力系统稳定控制中的作用。文献[15]说明了BESS对于提高系统传输能力及维持系统稳定性具有显著作用。但目前已有的研究成果中,对BESS在电力系统中的应用主要集中在电力负荷的有功功率控制以及新能源发电领域[16,17],尚未对BESS与发电机励磁的协调控制方法进行深入的研究。

本文建立了BESS与发电机联立的数学模型,并将多指标非线性控制设计方法运用到BESS与发电机的协调控制中。根据控制目标建立了以y1=c1∆id、y2=c2∆iq和y3=c3∆Pe为输出函数的非线性综合控制律,有效地提高了系统的稳定性和可靠性。最后通过仿真分析验证了依据该控制律所设计控制器的控制效果。

1 BESS与发电机联立的数学模型

图1为单机无穷大系统并联BESS的示意图,BESS从变压器高压侧接入。通常的BESS装置由蓄电池、直-交流逆变器、控制装置和辅助设备等组成。

根据图1可写出发电机到Us的三阶数学模型为

式中:δ为发电机功角;ω为发电机转子角速度;为发电机暂态电势;D为机组固有阻尼系数;Vf为发电机的励磁电压;Usq为变压器高压侧母线电压Us的交轴分量;Pm为原动机机械功率;Pe为发电机电磁功率;为定子开路时的励磁绕组时间常数;TJ为发电机组的转子惯性时间常数。

根据BESS的基本电路结构。如图2所示,可建立三相系统下的BESS动态模型。

其中:usa、usb和usc是接入点的三相电压;BESS装置中各种损耗及电阻包括开关器件的导通电阻用等效电阻R表示;变压器漏电感及线路电感等用等效电感L表示;ia、ib和ic为接入点的三相电流。

为了使式(2)与式(1)的发电机模型坐标一致,可运用Park变换将式(2)变换到[d,q,0]坐标系中,则用[d,q,0]坐标系变量可表示为

其中:C为Park变换矩阵;C-1为C的逆矩阵。这样可得到以标幺值表示的BESS模型为

式中,id、iq分别为有功电流和无功电流。

本文采用文献[18]所述的电压源型BESS模型,其输入电压经过Park变换可以写成如式(5)形式。

式中:E为5级电平变流器直流侧电容的电压幅值;M为调制比;α为触发角;M和α是BESS的控制量。

BESS的有功、无功输出方程可表示为

将发电机模型与BESS模型联立,即可得到一个5阶系统状态方程如下:

其中,

由于式(7)中与Us的关系尚未确定,故需借助U0推导与Us的关系,根据图1可有如下关系:

由式(9)～(11)可得

根据图(3)所示的系统向量图可得

将式(13)代入式(12)并整理可得:

这里。再将式(14)等号两边的实部和虚部分别平方后求和可得

由式(15)可得

根据电力系统的实际情况,对式(16)中各变量代入合理的值进行运算可确定的表达式应为

为讨论方便,根据式(15)定义关于Us的函数关系式ξ(Us)为

对ξ(Us)分别对Us、δ、ω、、id、iq求偏导数可得Us的微分方程:

用代替可建立以[δ,ω,Us,id,iq]为变量的5阶微分方程作为系统的状态方程。

2 多指标非线性控制规律的设计

根据前面所推导出的BESS与发电机联立的五阶模型,Vf、M、α为控制量。由于M与α两控制量为相乘形式,在求取控制规律时不便处理,因此不妨设Mcosα=uM、Msinα=uα,使uM、uα成为新的控制量,待设计出控制规律时,通过即可求出M和α。因此系统有如下的状态方程:

其中

多指标非线性控制设计的关键是选取合适的输出量,本文所设计控制器的主要目的是维持系统的电压与频率的稳定。而选取∆Pe、∆id、∆iq作为控制系统的输出量,既可监视系统状态量的变化,同时也便于控制器的设计与实现,即

将上式写成如下矩阵的形式为

式中:Cm=[1 1 1]T,Xm=[∆Pe∆id∆iq]T。

为便于叙述,可将式(20)所描述的系统状态方程表示为

式中,各量与式(20)对应关系明确不再赘述。

由此可以建立状态量X与可测量Xm之间的函数关系为

其中:

将式(24)代入式(22)可以得到与式(23)配合的输出函数为

式(23)和式(25)构成了求解多指标非线性控制律的数学模型。

然后对该模型进行坐标变换,令

其中

这里v=(v1,v2,v3)T,∆x=(∆Pe,∆id,∆iq,∆δ,∆ω)T另外

将式(27)代入式(26),可得

其中

若要使所设计的控制系统式(26)保持稳定,则上述方程的系数矩阵(A1-Ak)的特征根实部Re(λA1-Ak)<0,据此可得出满足条件的一组kij(i=1,2,3;j=1,2,…,5)的值使得控制系统稳定。由所得出的kij值可得出v关于∆x的表达式,由于中包含有控制变量Vf、uM、uα,可根据式(23)得出控制变量Vf、uM、uα,关于状态变量δ、ω、Us、id、iq的表达式,至此可得出完整的控制规律。

本文推导出的一组满足条件的kij如式(29)所示。

其中:k15<0;k22>0;k33>0。代入式(27),可得

将式(30)代入式(26)可得系统控制量用状态量表达的关系式为

至此得到了系统的控制规律。

3 仿真分析

仿真采用如下的单机无穷大电力系统模型参数:

xd=xq=2.12 pu,,D=2,

xT=0.080 4 pu,,TJ=4.06 s,

x∑l=xl/2=0.16 pu。

BESS装置及线路的参数:

R=0.05 pu,L=0.1 pu,E=1 pu。

系统的初始运行工况为:

P0=0.75 pu,δ0=25.78°,Us=1.018 7 pu,

U0=1 pu,α0=43.346°,M0=0.5087。

仿真主要模拟了系统在1 s时在线路L上发生三相短路,经0.1 s后故障被切除并重合闸成功的情况下,系统状态量δ、ω及Us的变化情况。有关状态量∆δ、∆ω、∆Us的动态响应曲线,如图4给出。图中虚线所示为不含BESS协调控制器时的系统各状态量响应曲线。

从仿真分析的结果中可以看出,按照非线性控制方法设计的BESS与发电机励磁协调控制器能够使系统在短路故障切除后迅速恢复到正常运行状态,各状态量震荡的时间很短,震荡的幅度也很小。这是因为当发生短路故障的瞬间,端电压下降,发电机向线路发出的无功功率大幅下降,这时为维护系统的电压,BESS装置迅速向系统发出无功功率,达到了向系统输送无功功率以改善系统稳定性的作用。同时BESS在动态过程中迅速吸收有功功率,延缓了发电机转子动能的增加。

4 结论

基于CAN协议的多电机控制 篇10

关键词：CAN总线,协同控制,STM32

0 引言

电机协同控制系统在实际生产过程中的应用相当广泛, 如配料、工业切割、机械手臂、传动等生产过程必须多台电机协同控制。尤其是在大工件切割加工过程中, 由于电机比较多、分布比较广, 采用传统的控制器与电机驱动器一对一的脉冲控制模式, 不仅控制线路复杂, 抗干扰能力差, 且在控制过程中脉冲容易丢失或引进干扰脉冲、可靠性低。

现场总线打破了传统控制系统一对一的结构形式, 采用智能现场设备, 把传统的脉冲传送改为智能型总线数据传送并具有数据完整性校验和重发机制等纠错功能。近年来利用现场总线实现电机群控制有了较多的研究, 本设计利用CAN总线通信方式灵活, 通信速率高, 可靠性、实时性和抗干扰能力强[1], 且低成本的优点, 探索基于CAN总线的电机群控制系统, 通过编制控制协议改善电机群的协同控制性能。

1 系统设计

本系统设计分为硬件设计、CAN通信网络应用层协议设计、软件设计三个部分。

1.1 硬件设计

基于CAN总线的电机群控制系统的由运动控制器、步进电机或伺服电机 (4台) 及相应带CAN总线的电机驱动器等组成。通过CAN总线连接成一个完整的通讯网络, 实时传输各运行参数、控制命令。系统的控制对象主要是4台电机, 即M1:X轴向运动电机、M2:Y轴方向运行电机、M3:刀头上下移动电机 (Z轴电机) , M4:刀头旋转电机 (U轴) 。电机群控制系统结构图如图1所示:

1.1.1 运动控制模块

本系统的主控制CPU及各个模快控制CPU均选用的基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103RBT6嵌入式处理器。该处理器带有64KB的Flash和20KB的SRAM资源, 主频为72MHz, 信号处理最高可达1.25DMips/MHz, 运算速度快, 非常符合电机群控制系统数据计算量大的需求。因该芯片内部带有2.0A和2.0B的CAN控制器, 不再需要另加CAN控制器, 给CAN通讯外围电路设计带来了便捷。主控制器负责位置、速度数据的运算, 将数据指令通过CAN总线发送各分布式控制模块。各节点运动控制模块接到命令后, 进行相应的操作, 驱动各自所带电机运动。

1.1.2 电机驱动模块

下位节点接收主控制器发送的数据, 并对数据进行分析处理, 将其转成脉冲信号送入步进电机驱动器。由于数据计算量大, 且要求运算速度快, 故下位机同样采用STM32芯片作为CPU。步进电机的驱动选用LV8731V芯片。LV8731V是2ch H桥驱动, 内置1ch PWM电流控制步进电机驱动, 能设定2相/1-2相/W1-2相/4W1-2相励磁模式, 只要输入STEP信号、励磁STEP就可以进行, 非常适合带动步进电机, 并且内置输出短路保护电路, 无需控制电源。切割机电机系统采用激光切割, 只需要一般的步进电机带动激光探头即可。所以这样的组合不需要额外的驱动设备, 结构简单, 性价比高, 非常适合切割机电机系统。

LV8731V的OUTA1, OUTA2, OUTB1, OUTB2管脚, 直接连接步进电机。LV8731V的DC12管脚与stm32 PA7管脚 (TIM1) 相连, 通过设置TIM1来调节输出的PWM波控制速度。励磁模式设定为8细分4W1-2相励磁模式, 通过stm32 PA6, PA7管脚来控制。设定DM接地, 使端子为STM模式, 能控制CLK—IN输入的1ch步进电机。

1.2 CAN通信网络应用层协议设计

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络[2]。从OSI网络模型的角度来看[1], CAN现场总线仅仅定义了第1层即物理层、第2层即数据链路层 (见ISO11898标准) ;没有规定应用层, 需要一个高层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符、8字节数据的使用。目前占领市场主流的应用层协议是:Device Net协议和CANopen协议[5]。但是Device Net和CANopen协议难度大、规范复杂, 开发周期长、成本高。针对本控制系统的控制对象为4台电机的情况, 根据CAN总线的要求, 必须研究一套简单而有效的高层通信协议。

1.2.1 CAN报文的分配

CAN一个数据帧[3]包括了帧起始、仲裁场 (标识符+RTR) 、控制场、数据场 (0-8bytes) 、CRC、应答场、帧结束。用户协议需要自行设计的为仲裁场、控制场和数据场。在本电机群控制系统中, 每一个节点有且只有一个其专属的地址, 地址码和系统中各电机模块对应, 总线上按照地址来传送数据。电机控制系统中主控节点为1, X轴、Y轴、Z轴、U轴电机节点依次为2、3、4、5。由于系统规模比较小, 节点数少于16个, 地址码设定为4位, 同一系统中地址码不能重复。目的地址的标识符定为ID3-ID0, 源地址标识符定ID7-ID4[5]。ID9-ID8定义为功能码, 用于表示报文所要实现的功能。两位标识符定义了4个功能码, 分别是:0X00表示对单个或多个节点写入数据;0X01表示断开与电机控制系统从节点的通讯连接;0X10表示和电机控制系统从节点建立通讯连接;0X11表示检测网络上的ID从节点是否存在[2]。ID10位定义为ACK响应位[4], 该位用来区分帧的类型。当响应标志位为0时, 表示发送的是命令帧, 节点需要应答。控制场有6个位组成, 标准格式里的帧包括数据长度代码、IDE位、保留位r0[5]。数据场由数据帧里的发送数据组成。它可以为0~8个字节, 每个字节包含了8位。第一个字节为命令, 接下来字节都为具体要发送的数据。发送的优先级由节点的ID决定, ID越小[4], 优先级越高。

1.2.2 数据通讯的实现

数据通讯定义了网络中传输数据的内容和传输的方式。电机群控制系统的CAN用户层协议通讯模式由主从方式和事件触发方式构成。两种模式搭配使用, 增强了通讯协议的灵活性。主从通讯模式用于CAN网络中的主站对于从站的访问。事件触发通讯模式用于从站主动向主站传送数据报文。

1.2.3 网络管理

网络管理的对象是于网络中节点和报文发送状态。对于CAN网络管理, 其主要任务是处理网络中的错误, 协调各个节点的状态, 监控报文的发送情况。可以分为节点控制和通讯控制两部分。节点管理[5]是指对总线上所有应用节点进行初始化, 让每个节点在通讯前处于准备状态并排除总线上是否存在相同的节点。通讯管理是管理网络中通讯的报文, 保证报文能够正常地接受发送。

1.2.4 电机设备协议的原则

电机设备协议是网络中电机设备的描述规则, 在本系统中对CAN应用层协议的电机描述设备以及要执行的命令参数定义见表1。

部分主要代码如下:

void CAN1_Init (void) , 在此函数中设置过滤器, 波特率以及管脚配置、中断配置;

void Init_Rx Mes (Can Rx Msg*Rx Message) , 初始化接收帧;

void CAN_Send Init (u8 addr) , 初始化节点, addr为目标地址, 当addr值取0X00时, 表示广播, 各节点都收到信息;

void CANSet Co (u8 addr, s32 co) , 设置坐标, addr为目标地址, co为设置的坐标;

void CANSet Speed (u8 addr, s32 speed) , 设置速度, addr为目标地址, speed为设置的速度;

void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler (void) , 下位机CAN1接收中断处理函数, 更新线圈和寄存器。通过swtich语句来实现不同信息的处理。

1.3 软件设计

在电机群控制系统中, 系统软包括主控制器发送接收模块、运动控制器发送接收模块、CAN通讯模块。主控制器发送接收模块向各个电机的运动控制器发送运动信息 (设定位置、速度等) , 等待来自各运动控制器的反馈信息;运动控制器发送接收模块接收到来自主控制器的命令后, 对命令进行解析, 执行相应的操作控制电机, 并将电机的状态信息反馈给主控制器。CAN通讯模块负责主控制器与各运动控制器之间数据通讯。系统软件流程图如图2所示。本设计采用美国Keil Software公司出品的Keil u Vision4软件开发系统, 使用C语言来开发。

2 测试结果

在试验中, 用2个电机进行模拟测试, 主控制器 (节点1) 向X轴 (节点2) 和Y轴 (节点3) 两个电机的控制器发送指令, 将LA1032逻辑分析仪直接接入节点2和节点3的控制芯片的TIM1上, 同时测量节点2和节点3的脉冲波形, 通过对比分析两电机的协同工作情况及CAN通讯协议的通信效果。

按编制的CAN通讯协议, 节点1先发送一个广播帧对各站点进行初始化, 再向节点2、节点3同时发送周期为140us, 占空比为50%的脉冲;1ms以后, 向节点2、节点3发送周期为14us, 占空比为50%的脉冲, 两种频率不同的脉冲交替发送, 相隔时间为1ms。逻辑分析仪观察到节点2和节点3的波形图如图3。从图3可以看出, 两节点电机的执行命令的时间差在20us左右。表明通信协议是可行的, 两电机的同步控制误差比较小。

3 结束语

以STM32RBT6 ARM芯片为主、从控制器, 通过CAN总线利用总线广播模式实现电机群协同控制, 其CAN总线通信协议比较简单, 电机群的协同控制效果好, 且成本低, 可靠性高, 响应速度快, 该系统可实际应用于工件切割、数控钻孔。

参考文献

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[2]麦毅强, 倪文秀, 王仁龙.基于DSP的CAN总线通信技术研究[J].微计算机信息, 2010, 8-2:111-113.

[3]彭刚.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社, 2011.

[4]刘涛, 王宗义, 孔庆磊, 武光田.基于CAN总线的多电机协调运动控制系统研究[J].机床与液压, 2010:38-3.