基于CAN總線的分布式多電機同步控制系統(tǒng)

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，但設置復雜且價格高。基于Lenze9326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。

圖1　系統(tǒng)硬件連接圖　　　　　　　　　　　　　　　

圖2　傳送帶連接示意圖

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)文獻[1]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。控制器還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。具有靈活設定和更改過程數(shù)據(jù)通道等功能。通過設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，根據(jù)文獻[3]這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。