基于Lenze9326變頻器和SJA1000芯片實現(xiàn)多臺異步電機協(xié)調(diào)控制的設(shè)計

多臺異步電機協(xié)調(diào)控制在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。目前實現(xiàn)方法主要有無速度傳感型和有速度傳感型兩類變頻控制方式。無速度傳感型實現(xiàn)價格低，但精度較差。帶速度反饋型精度高，但設(shè)置復雜且價格高?；贚enze9326矢量型伺服變頻器（帶速度反饋）組控制系統(tǒng)采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場控制單元集中現(xiàn)場總線、調(diào)節(jié)器的功能優(yōu)勢，控制功能強大且具有極高的可靠性，實現(xiàn)了生產(chǎn)線各段運行線速度誤差小，在加、減速過程中，能動態(tài)同步的控制目標。本方案對于化工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計及研究都具有較高的參考價值。

系統(tǒng)調(diào)速方案

本方案應用于工藝要求高，傳送帶的運行速度誤差小，生產(chǎn)線工藝連續(xù)性強，自動化程度高，對運行可：靠性，速度協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性等都有比較高要求的場所。在加、減速過程中，要求動態(tài)同步性能好。在恒定速：度運行時，傳送帶傳送連續(xù)片狀物體近似零張力。特別適合紡織，化工原料的連續(xù)生產(chǎn)?？刂颇繕耸潜M量減：小因速度不匹配引起的張力，防止因張力急劇變化而拉斷連續(xù)生產(chǎn)的片狀材料。

方案如圖1所示，采用PC機作基本速度給定，通過實時數(shù)據(jù)采集與處理，在線監(jiān)視各工位的運行狀態(tài)，并通過現(xiàn)場總線將給定線速度值由監(jiān)控站傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器（PLC）和主變頻器11，主變頻器11輔助速度由接在主令電機的旋轉(zhuǎn)變壓器給出。變頻器12的主速度給定由變頻器11通過CAN總線發(fā)送，輔助速度由激光位移傳感器給定。變頻器13的主速度給定由變頻器12通過CAN總線發(fā)送，輔助速度由激光位移傳感器給定。變頻器14的主速度給定由變頻器13通過CAN總線發(fā)送，輔助速度由激光位移傳感器給定。通過速度依次傳遞，實現(xiàn)各段傳送帶速度平穩(wěn)跟隨。從而實現(xiàn)生產(chǎn)線運行速度的實時調(diào)整和狀態(tài)監(jiān)控。傳送帶運行速度從35～120m/s，并在此范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)以Lenze公司的93系列變頻器9326和基于SJA1000的PCI卡為核心。主要包括監(jiān)控站PC監(jiān)控機、四臺9326變頻器、四臺Lenze公司生產(chǎn)的45kW變頻專用電機、CAN總線接口卡、激光位移傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器。本文設(shè)計的基于CAN總線的分布式多電機同步控制系統(tǒng)的模型如圖1所示。

從硬件圖2可知，位于兩條傳送帶之間的被輸送片狀物質(zhì)無設(shè)備承托，因重力的作用將出現(xiàn)弧狀彎曲。當傳送帶1速度比傳送帶2速度快時，張力使傳送帶1和傳送帶2之間的被傳送片狀物質(zhì)的彎曲部分曲率變小，激光位移傳感器測到的位移將變小，激光位移傳感器將信號送變頻器，修正傳送帶2的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，使傳送帶2的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速增高，實現(xiàn)傳送帶1速度和傳送帶2速度匹配，使傳送帶1和傳送帶2之間的被傳送片狀物質(zhì)的彎曲部分所受張力減小。當傳送帶1速度比傳送帶2速度慢時，激光位移傳感器的反饋信號將使驅(qū)動傳送帶2的電機轉(zhuǎn)速減小，使傳送帶1速度和傳送帶2速度匹配，減小彎曲部分所受張力。傳送帶3和傳送帶4速度修正同傳送帶2。

Lenze變頻器的特點及功能選擇

技術(shù)指標和硬件特點

根據(jù)Lenze變頻器根據(jù)控制方式的不同，分為兩大系列：82系列和93系列。82系列為普通v/f頻率控制型。93系列為矢量控制型。本設(shè)計采用93系列編號為9326的變頻器。該變頻器具有功率因數(shù)高，輸出紋波小，性能可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定性好的特點。變頻器面板上配有較豐富的數(shù)字、模擬量I/O接口、旋轉(zhuǎn)變壓器接口、數(shù)字頻率輸入、數(shù)字頻率輸出、CAN總線接口?？刂破鬟€留有擴充插槽供附加通訊板使用?？赏ㄟ^附加插板實現(xiàn)PROFIBUS-DP、RS-485或光纖接口。

通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇

Lenze9326變頻器具有較強的通訊能力。它擁有多種途徑與外部通訊。對于高水平的自動化系統(tǒng)，通過配裝附加板可實現(xiàn)通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信。CAN遵循ISO的標準模型，它使用數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。不同廠商的產(chǎn)品只要遵循ISO標準就可以實現(xiàn)協(xié)同工作。因此Lenze9326變頻器可同具有CAN接口的任意設(shè)備相聯(lián)接。采用CAN總線，Lenze9326變頻器帶有固定的CAN接口，只需購買一個用于PC機中CAN通信卡即可。如使用PROFIBUS現(xiàn)場總線，即需購買一個用于PC機中PROFIBUS通信卡，還需購買Lenze變頻器專用的PROFIBUS總線模塊，專用的模塊價格昂貴。PROFIBUS總線的傳輸速率是CAN總線的十倍，但CAN總線的通訊容量可以滿足系統(tǒng)實時信息傳送的要求。因此用于聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場總線選擇CAN總線。

9326變頻器控制模式的選擇

Lenze變頻器的矢量控制方式可以精確地測定和控制電機電流的力矩分量和勵磁分量，其控制性能可與直流傳動相媲美，具有調(diào)節(jié)參數(shù)自動化，自動故障顯示與報警的功能。具有靈活設(shè)定和更改過程數(shù)據(jù)通道等功能。通過設(shè)定代碼可選擇速度控制、轉(zhuǎn)矩控制或相位控制模式。本系統(tǒng)用于生產(chǎn)線的線速度控制，因此選擇速度控制方式。

PC機中CAN通信卡

在本項目中使用的是研華PCM3680，是一塊嵌入式的雙口CAN總線通信卡，CAN控制器采用Philips的獨立CAN控制器SJA1000芯片，CAN收發(fā)器采用Philips的P82C250，提供高達1Mb/s的傳輸速度。

集成一體化激光位移傳感器

使用德國米銥OptoNCDT1400集成一體化激光位移傳感器。它利用光三角反射原理非接觸測量位移。由傳感器輸出的光束經(jīng)聚焦，成為一極細小的光點投射到測量體表面。并通過成像折射到極靈敏的光學線性檢波器CCD。信號處理采用集成數(shù)字處理器。測量范圍為0～20cm。輸出電流根據(jù)測量結(jié)果為4～20mA。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

CAN總線節(jié)點要有效，實時的完成任務(wù)，軟件的設(shè)計是關(guān)鍵，也是難點。軟件的設(shè)計主要包括變頻器內(nèi)部模塊的信號流程設(shè)計和PC機中CAN通訊和控制軟件的設(shè)計兩部分。

PC機中CAN通訊和控制軟件的設(shè)計

PC機中的軟件主要完成CAN卡的初始化，主令電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定，主令電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整，以適應生產(chǎn)不同產(chǎn)品的工藝要求。同時應具有故障報警功能。程序框圖如3所示。

主令電機變頻器控制信號流圖設(shè)計

Lenze9326為矢量控制型變頻器。變頻器內(nèi)部共提供996個參數(shù)用于設(shè)定變頻器內(nèi)部70個軟件模塊的工作狀態(tài)。但每次設(shè)定最多使用50個功能模塊。變頻器提供每個模塊的運行時間。所選模塊的運行時間總和不能超過規(guī)定的時間限定。

現(xiàn)給出設(shè)定好的控制主令電機的變頻器11的信號流程圖，如圖4所示。使其工作于最大轉(zhuǎn)矩限定的速度控制模式。圖4中功能塊均由變頻器提供，設(shè)定后即可使用。圖4中X5/E1～E5為數(shù)字量輸入端子，同PLC的數(shù)字量輸出點相連，用于控制電機的急停和互鎖。DIGIN為數(shù)字量輸入單元（設(shè)定數(shù)字輸入高或低電平有效），控制R/L/Q輸入和電機點動開始（JOG）。R/L/Q用于控制電機的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和急停，此處設(shè)為電機永遠正轉(zhuǎn)和接受外部急停信號輸入這兩項功能，將R/L/Q的QSP輸出端同MCTRL塊的QSP輸入端相連，通過MCTRL塊最終實現(xiàn)電機急停。

AIN1為模擬量輸入單元，完成給定速度信號的放大功能，將此信號通過CAN總線發(fā)送到變頻器12和NSET塊（速度設(shè)定調(diào)節(jié)塊），NSET塊根據(jù)NSET塊LOAD點和JOG1點輸入選擇輸出N（給定速度）或JOG1（固定速度）到MCTRL（電機控制塊），NSET塊中LOAD點輸入由MCTRL塊QSP-OUT點（急停）輸出決定。MCTRL塊實現(xiàn)電機的相位控制、速度控制和電機轉(zhuǎn)矩控制。MCTRL塊的RESOLVER連接旋轉(zhuǎn)變壓器，實現(xiàn)速度反饋。MCTRL塊的LO-M-LIM和HI-M-LIM設(shè)定電機的下、上最大轉(zhuǎn)矩限幅值。MCTRL塊的FLD-WEAK點根據(jù)所使用的變頻電機說明設(shè)定電機勵磁。MCTRL塊的PHI-LIM設(shè)定相位控制功能的修正值，MCTRL塊的MMAX和IMAX輸出顯示電機是否運行于轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài)和電流限幅狀態(tài)。MCTRL塊的NSET輸出點（電機的實際線速度）同CMP塊（比較塊）輸入相連，檢測電機速度是否大于50r/min，將結(jié)果送往STAT塊（此塊信息自動發(fā)送到CAN總線供PLC接收，決定生產(chǎn)線處于手動控制狀態(tài)/自動控制狀態(tài)）。

DCTRL塊控制變頻器處于不同的工作狀態(tài)（跳閘、跳閘復位、快停、正常），且將狀態(tài)信息通過DIGOUT塊（數(shù)字量輸出塊）和STAT塊輸出，分別供PLC和PC監(jiān)控機接收。跟隨電機的控制變頻器信號流程圖中主速度設(shè)定來自于CAN總線，用于修正的輔助速度設(shè)定來自于集成一體化激光位移傳感器。

CAN總線參數(shù)設(shè)定

由于變頻器距被控制電機約50m。根據(jù)Lenze變頻器9326設(shè)置手冊，此時傳輸速率應設(shè)為1Mbits/s能保證通信正常。PC中的CAN卡和可編程控制器的CAN接口傳輸速率也必須設(shè)為1Mbits/s。為了實現(xiàn)各段生產(chǎn)線運行速度的自動跟隨，將變頻器11的CAN地址設(shè)為1，發(fā)送號設(shè)為258，變頻器12的CAN地址設(shè)為2，CAN-IN2接收號設(shè)為258，CAN-OUT2發(fā)送號設(shè)為259，變頻器13的CAN地址設(shè)為3，CAN-IN2接收號設(shè)為259，CAN-OUT2發(fā)送號設(shè)為260，變頻器14的CAN地址設(shè)為4，CAN-IN2接收號設(shè)為260。

結(jié)論

CAN總線的優(yōu)點已得到公認。因其高性能，實現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點得到越來越多的研發(fā)人員的青睞。文中的控制策略已在某廠生產(chǎn)線的集散控制系統(tǒng)中得到應用。生產(chǎn)運行表明，整個系統(tǒng)具有控制精度高。運行穩(wěn)定、操作簡便及維護方便等特點?？梢詽M足生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品的要求。