海頓直線步進(jìn)電機(jī)在壓路機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用
2012/5/2 15:22:48
摘 要:本文介紹了一種應(yīng)用于雙鋼輪壓路機(jī)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)電氣控制的新技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)的遠(yuǎn)程控制并使發(fā)動(dòng)機(jī)的全程自動(dòng)化調(diào)速性能得到充分發(fā)揮。
關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 PLC 閉環(huán)控制 直線步進(jìn)電機(jī) 高速計(jì)數(shù) PID
全液壓雙鋼輪壓路機(jī)是在現(xiàn)代路面施工中對(duì)路面進(jìn)行壓實(shí),使其達(dá)到預(yù)定密實(shí)度、平整度要求的一種施工設(shè)備。由于壓路機(jī)主要是利用它的行走及振動(dòng)進(jìn)行工作,因此,其行走速度和激振力則決定了施工質(zhì)量的關(guān)鍵。作為主動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī),其工作狀況和工作效率直接影響壓路機(jī)整機(jī)工作性能和壽命;其工作轉(zhuǎn)速直接影響整機(jī)輸出功率。為了提高壓路機(jī)整機(jī)工作性能、工作效率,最大限度發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)全程調(diào)速性能,我們通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)來達(dá)到上述目的。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
1.1 概述
在傳統(tǒng)工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中,大多通過手動(dòng)拉桿或腳踏板調(diào)節(jié)油門來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不進(jìn)行控制,這樣,不僅影響其本身的性能還使壓路機(jī)原有的一些優(yōu)越性能的發(fā)揮受到限制:發(fā)動(dòng)機(jī)升、降速操作極不方便,很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制,另外,壓路機(jī)在振動(dòng)和非振動(dòng)工作模式下負(fù)載變化大;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的波動(dòng)而波動(dòng),影響發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的工作效率;發(fā)動(dòng)機(jī)難以在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)作,如果負(fù)載較大(低轉(zhuǎn)速下行走或打開空調(diào)),極易造成發(fā)動(dòng)機(jī)掉速甚至熄火;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。針對(duì)這些情況,我們開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制裝置以解決上述問題,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
1.2 控制原理分析
雙鋼輪壓路機(jī)在正常工作中有三種狀態(tài):靜碾壓行走、振動(dòng)行走和轉(zhuǎn)場(chǎng)高速行走,這三種狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的功率輸出是不同的,將行駛手柄、檔位開關(guān)及振動(dòng)開關(guān)三個(gè)開關(guān)量信號(hào)輸入到PLC,通過相互間的邏輯關(guān)系可分別確定發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速,同時(shí)PLC還接收到來至發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼上的轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號(hào),兩個(gè)信號(hào)一同送入PLC中PID調(diào)節(jié)器,通過某種運(yùn)算,輸出一個(gè)高速脈沖和方向信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器將其轉(zhuǎn)換為兩個(gè)相位差180°的驅(qū)動(dòng)脈沖串給直線步進(jìn)電機(jī),電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定轉(zhuǎn)角使花鍵軸發(fā)生相應(yīng)直線位移,并帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門拉桿精確到達(dá)給定位置,最終使發(fā)動(dòng)機(jī)在所給定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行,保證了發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出與動(dòng)力需求的最佳匹配。
考慮到實(shí)際工況的特殊要求以及在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)丟失等情況,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速閉環(huán)和開環(huán)控制兩種模式,并可以通過文本顯示器進(jìn)行自由切換,在開環(huán)模式下,利用操作臺(tái)的降速、升速控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷∷俚礁叩∷俚臒o級(jí)調(diào)節(jié)。
1.3 硬件選型分析
目前,在市場(chǎng)上應(yīng)用于電控油門裝置的驅(qū)動(dòng)裝置有直線比例電磁鐵、擺動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和直線步進(jìn)電機(jī),對(duì)比分析如下:
1)直線比例電磁鐵:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,免維護(hù),可靠性高,響應(yīng)快,能實(shí)現(xiàn)位移的精確控制,采用PWM脈沖信號(hào)控制,脈沖頻率較低<200Hz;缺點(diǎn)是沒有自鎖能力,耗用電流大,最大位置時(shí)電流為3.5A,線圈發(fā)熱導(dǎo)致熱穩(wěn)定性差,線性差。
2)擺動(dòng)步進(jìn)電機(jī):可以采用PWM或PTO脈沖信號(hào)控制,響應(yīng)快,抗干擾能力強(qiáng),耗用功率??;缺點(diǎn)是直齒輪傳動(dòng),結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,沒有自鎖能力,閉環(huán)控制時(shí)穩(wěn)定性差。
3)直線步進(jìn)電機(jī):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,免維護(hù),可靠性高,能實(shí)現(xiàn)位移的精確控制,采用PTO脈沖信號(hào)控制,假如步進(jìn)電機(jī)每得到一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一個(gè)轉(zhuǎn)角為5°~12°,轉(zhuǎn)換成直線位移則可達(dá)0.05~0.10mm的精確度,響應(yīng)快,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,十分容易實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng),抗干擾能力強(qiáng),有自鎖能力,缺點(diǎn)是要求脈沖頻率較高>500Hz,必須有極限位置過載保護(hù)裝置。見圖2所示。
圖2直線步進(jìn)電機(jī)剖示圖
圖2直線步進(jìn)電機(jī)剖示圖
綜合以上分析,我們最終選擇了直線步進(jìn)電機(jī),通過提高安裝配合精度,高怠速限位保護(hù)及程序軟保護(hù),不但滿足了恒轉(zhuǎn)速精確控制,控制精度±20RPM,使用壽命也大大提高,已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品批量使用1000小時(shí)無故障。
2、控制程序設(shè)計(jì)
2.1 軟件的結(jié)構(gòu)
程序編制采用模塊化結(jié)構(gòu),包括控制主程序、初始化子程序、開環(huán)控制子程序、閉環(huán)控制子程序、PID子程序和中斷程序等。
主程序:調(diào)用系統(tǒng)初始化子程序,通過確認(rèn)條件位變量M0.1=1和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n>500滿足時(shí)調(diào)用閉環(huán)控制子程序,否則調(diào)用開環(huán)控制子程序,接收來至步進(jìn)電機(jī)限位開關(guān)量信號(hào)控制是否禁止高速脈沖輸出,見圖3主程序流程圖。
圖3主程序流程圖
圖3主程序流程圖
初始化子程序:定義高速脈沖輸出PTO的周期值和脈沖數(shù),執(zhí)行PLS指令;定義高速計(jì)數(shù)HSC及其控制字節(jié),定義定時(shí)中斷時(shí)間間隔,調(diào)用中斷INT0;定義PID各初始化參數(shù)。
閉環(huán)控制子程序:在檢測(cè)到轉(zhuǎn)速給定值與反饋值偏差超過±20RPM,調(diào)用PID控制子程序,否則PID輸入輸出清零,返回主程序,見圖4閉環(huán)控制流程圖。
圖4閉環(huán)控制流程圖
圖4閉環(huán)控制流程圖
2.2 高速計(jì)數(shù)
轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)由安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼上的電磁式傳感器獲得,PLC通過內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器(HSC)對(duì)傳感器的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),采樣時(shí)間由PLC的定時(shí)中斷來提供。定時(shí)中斷的時(shí)間間隔T0為1~255ms,假設(shè)取值為250ms,則PLC每個(gè)中斷周期所采集的脈沖數(shù)×4即為我們想要知道的脈沖頻率f,通過以下公式即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速:
(單位:轉(zhuǎn)/分)
式中:f—轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)頻率
n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
z—飛輪齒數(shù)
2.3 PID調(diào)節(jié)器
測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入PID調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差量進(jìn)行PID運(yùn)算后,將輸出量經(jīng)限幅后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)量的脈沖,同時(shí),還要根據(jù)偏差量的正負(fù)確定輸出一個(gè)開關(guān)量信號(hào),兩個(gè)信號(hào)一起送至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)數(shù)量的步數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向,控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度增加或減少,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化并趨穩(wěn)定。
本系統(tǒng)屬于反饋控制和精確的數(shù)字控制,我們成功地通過軟件實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速控制的PID調(diào)節(jié),PID調(diào)節(jié)的模擬表達(dá)式為:
M(t)=Kc*e + Kc ∫0t edt +Minitial + Kc*de/dt
其中:
M(t) PID回路的輸出,是時(shí)間的函數(shù)
Kc PID回路的增益
E PID回路的偏差
Minitial PID回路輸出的初始值
將其離散化后,在PLC中,微分和積分采用如下公式實(shí)現(xiàn):
微分運(yùn)算:[新差值E(n)— 舊差值E(n-1)]÷控制周期Tc
積分運(yùn)算:[舊差值E(n-1)+ 新差值E(n)]×控制周期÷2
由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)重非線性且滯后性較大,如果采用同一個(gè)PID算法,勢(shì)必大大影響系統(tǒng)的精度,為此,我們通過實(shí)踐反復(fù)試驗(yàn),采用逐層分段法,對(duì)非線性區(qū)分割成若干個(gè)近似的線性區(qū),各段設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié),獲得了滿意的效果。由于通過軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié),省掉復(fù)雜的硬件電路,大大地提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖如圖5。
圖5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖
圖5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖
2.4 轉(zhuǎn)速限幅、掉速限位
在壓路機(jī)工作中,如果出現(xiàn)較大負(fù)載突變,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過或低于允許的工作轉(zhuǎn)度,有可能對(duì)設(shè)備造成重大的損壞,為此,需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行多種方式的限幅軟保護(hù)和機(jī)械限位硬保護(hù)。
在發(fā)動(dòng)機(jī)升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中,實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值反饋回PLC,由PLC進(jìn)行高速計(jì)數(shù),步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),高速計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù);步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn),高速計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù),PLC自動(dòng)分析發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)步數(shù),并進(jìn)行運(yùn)算處理得出步進(jìn)電機(jī)允許正轉(zhuǎn)的最高步數(shù),當(dāng)由于意外原因引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速向最高轉(zhuǎn)速上升時(shí),PLC自動(dòng)封鎖步進(jìn)電機(jī),以保證柴油機(jī)不會(huì)超過所允許的最高轉(zhuǎn)速;如果發(fā)動(dòng)機(jī)油門已處于最大開度,而此時(shí)轉(zhuǎn)速值仍低于給定值,PID將出現(xiàn)失調(diào),此時(shí)限位開關(guān)動(dòng)作,關(guān)閉高速脈沖輸出,PID清零,步進(jìn)電機(jī)停止工作。
3 結(jié)束語
我們先后在全液壓雙鋼輪壓路機(jī)、全液膠輪壓路機(jī)上采用了以上控制技術(shù),均取得了良好效果:第一,很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化操作,減輕了操作手勞動(dòng)強(qiáng)度,操作臺(tái)布局更為簡(jiǎn)化和美觀;第二,發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)到不同轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)了負(fù)載與動(dòng)力的最佳匹配,降低了燃油消耗;第三,發(fā)動(dòng)機(jī)可以在低怠速下穩(wěn)定運(yùn)行,并避開了整機(jī)共振區(qū)域,降低了低速機(jī)器振動(dòng)噪音和排放污染。采用本控制裝置不僅大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,整機(jī)的可靠性、可操作性得到提高,優(yōu)越性得到充分發(fā)揮,受到了廣大用戶的一致好評(píng),圖6為YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)實(shí)物照片。
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地址:長(zhǎng)沙市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)三一重工業(yè)城三一重工培訓(xùn)中心
電話:07314031843 13017315263
郵編:410100
[1] 馬勇智, 汪貴行. 汽車檢測(cè)技師培訓(xùn)教材. 人民交通出版社,2003.02
[2] SIMATIC S-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[R]. 西門子(中國(guó))有限公司.
圖6 YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)
圖6 YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)
關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 PLC 閉環(huán)控制 直線步進(jìn)電機(jī) 高速計(jì)數(shù) PID
全液壓雙鋼輪壓路機(jī)是在現(xiàn)代路面施工中對(duì)路面進(jìn)行壓實(shí),使其達(dá)到預(yù)定密實(shí)度、平整度要求的一種施工設(shè)備。由于壓路機(jī)主要是利用它的行走及振動(dòng)進(jìn)行工作,因此,其行走速度和激振力則決定了施工質(zhì)量的關(guān)鍵。作為主動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī),其工作狀況和工作效率直接影響壓路機(jī)整機(jī)工作性能和壽命;其工作轉(zhuǎn)速直接影響整機(jī)輸出功率。為了提高壓路機(jī)整機(jī)工作性能、工作效率,最大限度發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)全程調(diào)速性能,我們通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)來達(dá)到上述目的。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
1.1 概述
在傳統(tǒng)工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中,大多通過手動(dòng)拉桿或腳踏板調(diào)節(jié)油門來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不進(jìn)行控制,這樣,不僅影響其本身的性能還使壓路機(jī)原有的一些優(yōu)越性能的發(fā)揮受到限制:發(fā)動(dòng)機(jī)升、降速操作極不方便,很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制,另外,壓路機(jī)在振動(dòng)和非振動(dòng)工作模式下負(fù)載變化大;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的波動(dòng)而波動(dòng),影響發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的工作效率;發(fā)動(dòng)機(jī)難以在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)作,如果負(fù)載較大(低轉(zhuǎn)速下行走或打開空調(diào)),極易造成發(fā)動(dòng)機(jī)掉速甚至熄火;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。針對(duì)這些情況,我們開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制裝置以解決上述問題,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
1.2 控制原理分析
雙鋼輪壓路機(jī)在正常工作中有三種狀態(tài):靜碾壓行走、振動(dòng)行走和轉(zhuǎn)場(chǎng)高速行走,這三種狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的功率輸出是不同的,將行駛手柄、檔位開關(guān)及振動(dòng)開關(guān)三個(gè)開關(guān)量信號(hào)輸入到PLC,通過相互間的邏輯關(guān)系可分別確定發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速,同時(shí)PLC還接收到來至發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼上的轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號(hào),兩個(gè)信號(hào)一同送入PLC中PID調(diào)節(jié)器,通過某種運(yùn)算,輸出一個(gè)高速脈沖和方向信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器將其轉(zhuǎn)換為兩個(gè)相位差180°的驅(qū)動(dòng)脈沖串給直線步進(jìn)電機(jī),電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定轉(zhuǎn)角使花鍵軸發(fā)生相應(yīng)直線位移,并帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門拉桿精確到達(dá)給定位置,最終使發(fā)動(dòng)機(jī)在所給定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行,保證了發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出與動(dòng)力需求的最佳匹配。
考慮到實(shí)際工況的特殊要求以及在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)丟失等情況,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速閉環(huán)和開環(huán)控制兩種模式,并可以通過文本顯示器進(jìn)行自由切換,在開環(huán)模式下,利用操作臺(tái)的降速、升速控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷∷俚礁叩∷俚臒o級(jí)調(diào)節(jié)。
1.3 硬件選型分析
目前,在市場(chǎng)上應(yīng)用于電控油門裝置的驅(qū)動(dòng)裝置有直線比例電磁鐵、擺動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和直線步進(jìn)電機(jī),對(duì)比分析如下:
1)直線比例電磁鐵:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,免維護(hù),可靠性高,響應(yīng)快,能實(shí)現(xiàn)位移的精確控制,采用PWM脈沖信號(hào)控制,脈沖頻率較低<200Hz;缺點(diǎn)是沒有自鎖能力,耗用電流大,最大位置時(shí)電流為3.5A,線圈發(fā)熱導(dǎo)致熱穩(wěn)定性差,線性差。
2)擺動(dòng)步進(jìn)電機(jī):可以采用PWM或PTO脈沖信號(hào)控制,響應(yīng)快,抗干擾能力強(qiáng),耗用功率??;缺點(diǎn)是直齒輪傳動(dòng),結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,沒有自鎖能力,閉環(huán)控制時(shí)穩(wěn)定性差。
3)直線步進(jìn)電機(jī):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,免維護(hù),可靠性高,能實(shí)現(xiàn)位移的精確控制,采用PTO脈沖信號(hào)控制,假如步進(jìn)電機(jī)每得到一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一個(gè)轉(zhuǎn)角為5°~12°,轉(zhuǎn)換成直線位移則可達(dá)0.05~0.10mm的精確度,響應(yīng)快,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,十分容易實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng),抗干擾能力強(qiáng),有自鎖能力,缺點(diǎn)是要求脈沖頻率較高>500Hz,必須有極限位置過載保護(hù)裝置。見圖2所示。
圖2直線步進(jìn)電機(jī)剖示圖
圖2直線步進(jìn)電機(jī)剖示圖
綜合以上分析,我們最終選擇了直線步進(jìn)電機(jī),通過提高安裝配合精度,高怠速限位保護(hù)及程序軟保護(hù),不但滿足了恒轉(zhuǎn)速精確控制,控制精度±20RPM,使用壽命也大大提高,已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品批量使用1000小時(shí)無故障。
2、控制程序設(shè)計(jì)
2.1 軟件的結(jié)構(gòu)
程序編制采用模塊化結(jié)構(gòu),包括控制主程序、初始化子程序、開環(huán)控制子程序、閉環(huán)控制子程序、PID子程序和中斷程序等。
主程序:調(diào)用系統(tǒng)初始化子程序,通過確認(rèn)條件位變量M0.1=1和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n>500滿足時(shí)調(diào)用閉環(huán)控制子程序,否則調(diào)用開環(huán)控制子程序,接收來至步進(jìn)電機(jī)限位開關(guān)量信號(hào)控制是否禁止高速脈沖輸出,見圖3主程序流程圖。
圖3主程序流程圖
圖3主程序流程圖
初始化子程序:定義高速脈沖輸出PTO的周期值和脈沖數(shù),執(zhí)行PLS指令;定義高速計(jì)數(shù)HSC及其控制字節(jié),定義定時(shí)中斷時(shí)間間隔,調(diào)用中斷INT0;定義PID各初始化參數(shù)。
閉環(huán)控制子程序:在檢測(cè)到轉(zhuǎn)速給定值與反饋值偏差超過±20RPM,調(diào)用PID控制子程序,否則PID輸入輸出清零,返回主程序,見圖4閉環(huán)控制流程圖。
圖4閉環(huán)控制流程圖
圖4閉環(huán)控制流程圖
2.2 高速計(jì)數(shù)
轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)由安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼上的電磁式傳感器獲得,PLC通過內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器(HSC)對(duì)傳感器的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),采樣時(shí)間由PLC的定時(shí)中斷來提供。定時(shí)中斷的時(shí)間間隔T0為1~255ms,假設(shè)取值為250ms,則PLC每個(gè)中斷周期所采集的脈沖數(shù)×4即為我們想要知道的脈沖頻率f,通過以下公式即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速:
(單位:轉(zhuǎn)/分)
式中:f—轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)頻率
n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
z—飛輪齒數(shù)
2.3 PID調(diào)節(jié)器
測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入PID調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差量進(jìn)行PID運(yùn)算后,將輸出量經(jīng)限幅后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)量的脈沖,同時(shí),還要根據(jù)偏差量的正負(fù)確定輸出一個(gè)開關(guān)量信號(hào),兩個(gè)信號(hào)一起送至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)數(shù)量的步數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向,控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度增加或減少,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化并趨穩(wěn)定。
本系統(tǒng)屬于反饋控制和精確的數(shù)字控制,我們成功地通過軟件實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速控制的PID調(diào)節(jié),PID調(diào)節(jié)的模擬表達(dá)式為:
M(t)=Kc*e + Kc ∫0t edt +Minitial + Kc*de/dt
其中:
M(t) PID回路的輸出,是時(shí)間的函數(shù)
Kc PID回路的增益
E PID回路的偏差
Minitial PID回路輸出的初始值
將其離散化后,在PLC中,微分和積分采用如下公式實(shí)現(xiàn):
微分運(yùn)算:[新差值E(n)— 舊差值E(n-1)]÷控制周期Tc
積分運(yùn)算:[舊差值E(n-1)+ 新差值E(n)]×控制周期÷2
由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)重非線性且滯后性較大,如果采用同一個(gè)PID算法,勢(shì)必大大影響系統(tǒng)的精度,為此,我們通過實(shí)踐反復(fù)試驗(yàn),采用逐層分段法,對(duì)非線性區(qū)分割成若干個(gè)近似的線性區(qū),各段設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié),獲得了滿意的效果。由于通過軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié),省掉復(fù)雜的硬件電路,大大地提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖如圖5。
圖5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖
圖5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制框圖
2.4 轉(zhuǎn)速限幅、掉速限位
在壓路機(jī)工作中,如果出現(xiàn)較大負(fù)載突變,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過或低于允許的工作轉(zhuǎn)度,有可能對(duì)設(shè)備造成重大的損壞,為此,需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行多種方式的限幅軟保護(hù)和機(jī)械限位硬保護(hù)。
在發(fā)動(dòng)機(jī)升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中,實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值反饋回PLC,由PLC進(jìn)行高速計(jì)數(shù),步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),高速計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù);步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn),高速計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù),PLC自動(dòng)分析發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)步數(shù),并進(jìn)行運(yùn)算處理得出步進(jìn)電機(jī)允許正轉(zhuǎn)的最高步數(shù),當(dāng)由于意外原因引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速向最高轉(zhuǎn)速上升時(shí),PLC自動(dòng)封鎖步進(jìn)電機(jī),以保證柴油機(jī)不會(huì)超過所允許的最高轉(zhuǎn)速;如果發(fā)動(dòng)機(jī)油門已處于最大開度,而此時(shí)轉(zhuǎn)速值仍低于給定值,PID將出現(xiàn)失調(diào),此時(shí)限位開關(guān)動(dòng)作,關(guān)閉高速脈沖輸出,PID清零,步進(jìn)電機(jī)停止工作。
3 結(jié)束語
我們先后在全液壓雙鋼輪壓路機(jī)、全液膠輪壓路機(jī)上采用了以上控制技術(shù),均取得了良好效果:第一,很容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化操作,減輕了操作手勞動(dòng)強(qiáng)度,操作臺(tái)布局更為簡(jiǎn)化和美觀;第二,發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載時(shí)能自動(dòng)調(diào)節(jié)到不同轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)了負(fù)載與動(dòng)力的最佳匹配,降低了燃油消耗;第三,發(fā)動(dòng)機(jī)可以在低怠速下穩(wěn)定運(yùn)行,并避開了整機(jī)共振區(qū)域,降低了低速機(jī)器振動(dòng)噪音和排放污染。采用本控制裝置不僅大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,整機(jī)的可靠性、可操作性得到提高,優(yōu)越性得到充分發(fā)揮,受到了廣大用戶的一致好評(píng),圖6為YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)實(shí)物照片。
通訊地址:
地址:長(zhǎng)沙市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)三一重工業(yè)城三一重工培訓(xùn)中心
電話:07314031843 13017315263
郵編:410100
[1] 馬勇智, 汪貴行. 汽車檢測(cè)技師培訓(xùn)教材. 人民交通出版社,2003.02
[2] SIMATIC S-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[R]. 西門子(中國(guó))有限公司.
圖6 YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)
圖6 YZC12Ⅱ全液壓雙鋼輪壓路機(jī)
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