基于CAN總線的分布式多電機(jī)同步控制系統(tǒng)

多臺(tái)異步電機(jī)協(xié)調(diào)控制在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。目前實(shí)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(shí)現(xiàn)價(jià)格低，但精度較差。帶速度反饋型精度高，但設(shè)置復(fù)雜且價(jià)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(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)控制單元集中現(xiàn)場(chǎng)總線、調(diào)節(jié)器的功能優(yōu)勢(shì)，控制功能強(qiáng)大且具有極高的可靠性，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線各段運(yùn)行線速度誤差小，在加、減速過程中，能動(dòng)態(tài)同步的控制目標(biāo)。本方案對(duì)于化工生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究都具有較高的參考價(jià)值。

系統(tǒng)調(diào)速方案

本方案應(yīng)用于工藝要求高，傳送帶的運(yùn)行速度誤差小，生產(chǎn)線工藝連續(xù)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，對(duì)運(yùn)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(chǎng)所。在加、減速過程中，要求動(dòng)態(tài)同步性能好。在恒定速：度運(yùn)行時(shí)，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?biāo)是盡量減：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(jī)作基本速度給定，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理，在線監(jiān)視各工位的運(yùn)行狀態(tài)，并通過現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(shí)現(xiàn)各段傳送帶速度平穩(wěn)跟隨。從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)調(diào)整和狀態(tài)監(jiān)控。傳送帶運(yùn)行速度從35～120m/s，并在此范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jī)、四臺(tái)9326變頻器、四臺(tái)Lenze公司生產(chǎn)的45kW變頻專用電機(jī)、CAN總線接口卡、激光位移傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器。本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線的分布式多電機(jī)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(shè)備承托，因重力的作用將出現(xiàn)弧狀彎曲。當(dāng)傳送帶1速度比傳送帶2速度快時(shí)，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(cè)到的位移將變小，激光位移傳感器將信號(hào)送變頻器，修正傳送帶2的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使傳送帶2的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增高，實(shí)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(dāng)傳送帶1速度比傳送帶2速度慢時(shí)，激光位移傳感器的反饋信號(hào)將使驅(qū)動(dòng)傳送帶2的電機(jī)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(diǎn)及功能選擇

技術(shù)指標(biāo)和硬件特點(diǎn)
根據(jù)文獻(xiàn)[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(shè)計(jì)采用93系列編號(hào)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(diǎn)。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(kuò)充插槽供附加通訊板使用?？赏ㄟ^附加插板實(shí)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(qiáng)的通訊能力。它擁有多種途徑與外部通訊。對(duì)于高水平的自動(dòng)化系統(tǒng)，通過配裝附加板可實(shí)現(xiàn)通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信。CAN遵循ISO的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)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(gè)用于PC機(jī)中CAN通信卡即可。如使用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，即需購買一個(gè)用于PC機(jī)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(jià)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(shí)時(shí)信息傳送的要求。因此用于聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)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(cè)定和控制電機(jī)電流的力矩分量和勵(lì)磁分量，其控制性能可與直流傳動(dòng)相媲美，具有調(diào)節(jié)參數(shù)自動(dòng)化，自動(dòng)故障顯示與報(bào)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(jī)中CAN通信卡
在本項(xiàng)目中使用的是研華PCM3680，根據(jù)文獻(xiàn)[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(dú)立CAN控制器SJA1000芯片，CAN收發(fā)器采用Philips的P82C250，提供高達(dá)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(cè)量位移。由傳感器輸出的光束經(jīng)聚焦，成為一極細(xì)小的光點(diǎn)投射到測(cè)量體表面。并通過成像折射到極靈敏的光學(xué)線性檢波器CCD。信號(hào)處理采用集成數(shù)字處理器。測(cè)量范圍為0～20cm。輸出電流根據(jù)測(cè)量結(jié)果為4～20mA。