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基于CAN总线的分布式多电机同步控制系统

多台异步电机协调控制在工业生产中占有重要地位。当前实现方法主要有无速度传感型和有速度传感型两类变频控制方式。无速度传感型实现价格低, 但精度较差。带速度反馈型精度高, 但设置复杂且价格高。基于Lenze9326矢量型伺服变频器(带速度反馈)组控制系统采用CAN总线网络结构, 现场控制单元集中现场总线、 调节器的功能优势, 控制功能强大且具有极高的可靠性, 实现了生产线各段运行线速度误差小, 在加、 减速过程中, 能动态同步的控制目标。本方案对于化工生产线控制系统的设计及研究都具有较高的参考价值。
系统调速方案
本方案应用于工艺要求高, 传送带的运行速度误差小, 生产线工艺连续性强, 自动化程度高, 对运行可: 靠性, 速度协调性与稳定性等都有比较高要求的场所。在加、 减速过程中, 要求动态同步性能好。在恒定速: 度运行时, 传送带传送连续片状物体近似零张力。特别适合纺织, 化工原料的连续生产。控制目标是尽量减: 小因速度不匹配引起的张力, 防止因张力急剧变化而拉断连续生产的片状材料。
方案如图1所示, 采用PC机作基本速度给定, 经过实时数据采集与处理, 在线监视各工位的运行状态, 并经过现场总线将给定线速度值由监控站传输到系统控制器(PLC)和主变频器11, 主变频器11辅助速度由接在主令电机的旋转变压器给出。变频器12的主速度给定由变频器11经过CAN总线发送, 辅助速度由激光位移传感器给定。变频器13的主速度给定由变频器12经过CAN总线发送, 辅助速度由激光位移传感器给定。变频器14的主速度给定由变频器13经过CAN总线发送, 辅助速度由激光位移传感器给定。经过速度依次传递, 实现各段传送带速度平稳跟随。从而实现生产线运行速度的实时调整和状态监控。传送带运行速度从35～120m/s, 并在此范围内实现无级调速。
控制系统硬件设计
该系统以Lenze公司的93系列变频器9326和基于SJA1000的PCI卡为核心。主要包括监控站PC监控机、 四台9326变频器、 四台Lenze公司生产的45kW变频专用电机、 CAN总线接口卡、 激光位移传感器、 旋转变压器。本文设计的基于CAN总线的分布式多电机同步控制系统的模型如图1所示。

图1　系统硬件连接图　　　　　　　　　　　　　　　

图2　传送带连接示意图
从硬件图2可知, 位于两条传送带之间的被输送片状物质无设备承托, 因重力的作用将出现弧状弯曲。当传送带1速度比传送带2速度快时, 张力使传送带1和传送带2之间的被传送片状物质的弯曲部分曲率变小, 激光位移传感器测到的位移将变小, 激光位移传感器将信号送变频器, 修正传送带2的驱动电机转速, 使传送带2的驱动电机转速增高, 实现传送带1速度和传送带2速度匹配, 使传送带1和传送带2之间的被传送片状物质的弯曲部分所受张力减小。当传送带1速度比传送带2速度慢时, 激光位移传感器的反馈信号将使驱动传送带2的电机转速减小, 使传送带1速度和传送带2速度匹配, 减小弯曲部分所受张力。传送带3和传送带4速度修正同传送带2。
Lenze变频器的特点及功能选择
技术指标和硬件特点
根据文献[1]Lenze变频器根据控制方式的不同, 分为两大系列: 82系列和93系列。82系列为普通v/f频率控制型。93系列为矢量控制型。本设计采用93系列编号为9326的变频器。该变频器具有功率因数高, 输出纹波小, 性能可靠 系统稳定性好的特点。变频器面板上配有较丰富的数字、 模拟量I/O接口、 旋转变压器接口、 数字频率输入、 数字频率输出、 CAN总线接口。控制器还留有扩充插槽供附加通讯板使用。可经过附加插板实现PROFIBUS-DP、 RS-485或光纤接口。
通讯网络的选择
Lenze9326变频器具有较强的通讯能力。它拥有多种途径与外部通讯。对于高水平的自动化系统, 经过配装附加板可实现经过PROFIBUS-DP网络通信。CAN遵循ISO的标准模型, 它使用数据链路层和物理层。不同厂商的产品只要遵循ISO标准就能够实现协同工作。因此Lenze9326变频器可同具有CAN接口的任意设备相联接。采用CAN总线, Lenze9326变频器带有固定的CAN接口, 只需购买一个用于PC机中CAN通信卡即可。如使用PROFIBUS现场总线, 即需购买一个用于PC机中PROFIBUS通信卡, 还需购买Lenze变频器专用的PROFIBUS总线模块, 专用的模块价格昂贵。PROFIBUS总线的传输速率是CAN总线的十倍, 但CAN总线的通讯容量能够满足系统实时信息传送的要求。因此用于联网的现场总线选择CAN总线。
9326变频器控制模式的选择
Lenze变频器的矢量控制方式能够精确地测定和控制电机电流的力矩分量和励磁分量, 其控制性能可与直流传动相媲美, 具有调节参数自动化, 自动故障显示与报警的功能。具有灵活设定和更改过程数据通道等功能。经过设定代码可选择速度控制、 转矩控制或相位控制模式。本系统用于生产线的线速度控制, 因此选择速度控制方式。
PC机中CAN通信卡
在本项目中使用的是研华PCM3680, 根据文献[3]这是一块嵌入式的双口CAN总线通信卡, CAN控制器采用Philips的独立CAN控制器SJA1000芯片, CAN收发器采用Philips的P82C250, 提供高达1Mb/s的传输速度。
集成一体化激光位移传感器
使用德国米铱OptoNCDT1400集成一体化激光位移传感器。它利用光三角反射原理非接触测量位移。由传感器输出的光束经聚焦, 成为一极细小的光点投射到测量体表面。并经过成像折射到极灵敏的光学线性检波器CCD。信号处理采用集成数字处理器。测量范围为0～20cm。输出电流根据测量结果为4～20mA。
控制系统软件设计
CAN总线节点要有效, 实时的完成任务, 软件的设计是关键, 也是难点。软件的设计主要包括变频器内部模块的信号流程设计和PC机中CAN通讯和控制软件的设计两部分。

图3　PC控制系统软件框图
PC机中CAN通讯和控制软件的设计
PC机中的软件主要完成CAN卡的初始化, 主令电机转速的设定, 主令电机转速的调整, 以适应生产不同产品的工艺要求。同时应具有故障报警功能。程序框图如3所示。
主令电机变频器控制信号流图设计
Lenze9326为矢量控制型变频器。变频器内部共提供996个参数用于设定变频器内部70个软件模块的工作状态。但每次设定最多使用50个功能模块。变频器提供每个模块的运行时间。所选模块的运行时间总和不能超过规定的时间限定。
现给出设定好的控制主令电机的变频器11的信号流程图, 如图4所示。使其工作于最大转矩限定的速度控制模式。图4中功能块均由变频器提供, 设定后即可使用。图4中X5/E1～E5为数字量输入端子, 同PLC的数字量输出点相连, 用于控制电机的急停和互锁。DIGIN为数字量输入单元(设定数字输入高或低电平有效), 控制R/L/Q输入和电机点动开始(JOG)。R/L/Q用于控制电机的正转/反转和急停, 此处设为电机永远正转和接受外部急停信号输入这两项功能, 将R/L/Q的QSP输出端同MCTRL块的QSP输入端相连, 经过MCTRL块最终实现电机急停。
AIN1为模拟量输入单元, 完成给定速度信号的放大功能, 将此信号经过CAN总线发送到变频器12和NSET块(速度设定调节块), NSET块根据NSET块LOAD点和JOG1点输入选择输出N(给定速度)或JOG1(固定速度)到MCTRL(电机控制块), NSET块中LOAD点输入由MCTRL块QSP-OUT点(急停)输出决定。MCTRL块实现电机的相位控制、 速度控制和电机转矩控制。MCTRL块的RESOLVER连接旋转变压器, 实现速度反馈。MCTRL块的LO-M-LIM和HI-M-LIM设定电机的下、 上最大转矩限幅值。MCTRL块的FLD-WEAK点根据所使用的变频电机说明设定电机励磁。MCTRL块的PHI-LIM设定相位控制功能的修正值, MCTRL块的MMAX和IMAX输出显示电机是否运行于转矩限幅状态和电流限幅状态。MCTRL块的NSET输出点(电机的实际线速度)同CMP块(比较块)输入相连, 检测电机速度是否大于50r/min, 将结果送往STAT块(此块信息自动发送到CAN总线供PLC接收, 决定生产线处于手动控制状态/自动控制状态)。
DCTRL块控制变频器处于不同的工作状态(跳闸、 跳闸复位、 快停、 正常), 且将状态信息经过DIGOUT块(数字量输出块)和STAT块输出, 分别供PLC和PC监控机接收。跟随电机的控制变频器信号流程图中主速度设定来自于CAN总线, 用于修正的辅助速度设定来自于集成一体化激光位移传感器。

图4　变频器11信号流程图
CAN总线参数设定
由于变频器距被控制电机约50m。根据文献[1]Lenze变频器9326设置手册, 此时传输速率应设为1Mbits/s能保证通信正常。PC中的CAN卡和可编程控制器的CAN接口传输速率也必须设为1Mbits/s。为了实现各段生产线运行速度的自动跟随, 将变频器11的CAN地址设为1, 发送号设为258, 变频器12的CAN地址设为2, CAN-IN2接收号设为258, CAN-OUT2发送号设为259, 变频器13的CAN地址设为3, CAN-IN2接收号设为259, CAN-OUT2发送号设为260, 变频器14的CAN地址设为4, CAN-IN2接收号设为260。
结论
CAN总线的优点已得到公认。因其高性能, 实现简单等突出优点得到越来越多的研发人员的青睐。文中的控制策略已在某厂生产线的集散控制系统中得到应用。生产运行表明, 整个系统具有控制精度高。运行稳定、 操作简便及维护方便等特点。能够满足生产高质量、 高精度产品的要求。
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