异步电机定位控制的研究

    异步机定位，为异步电动机在运转过程中的准确停车问题。应用于自动化生产线中。例如:在主轴高速运转的机床停车时，由于其刀具与主轴的结合处有一个起固定作用的凸起部分，当电机静止时，为了顺利取下刀具，并换用下一刀具，要求主轴的凸起部分总是停在一固定位置，以便刀具能顺利安装吻合。

 

    20世纪70年代到80年代中期，直流电气控制系统占据主导地位，80年代以后，由于控制理论及方法均有突破性进展，使交流电机控制得到迅速的发展，逐渐占据了主导地位。交流电机定位控制的研究经历了较长阶段，传统做法是采用机械挡块来定位。 目前，在各个行业中所用的定位方式可分为四种:机械定位，电气定位,空气定位，光学定位。而采用电气方式的定位控制系统，现在世界上只有德国具有实际产品，在国内尚属空白。由于电气定位控制系统一般是以数字方式工作的，故可以提高精度，十分简便，易于和计算机，PLC等各种控制电路匹配，多用于数控机床或工业机器人的自动定位机构，适用范围广。

 

2 方案设计

 

    在三相交流异步电动机制动的开始阶段，采用常用的变频器控制，当转速降至某一较低值(如50转/分)，切换至本系统。由于交流电机是强耦合，多变量，非线性的复杂受控对象，较难建立其精确的数学模型，而模糊控制并不需要建立精确的被控对象的数学模型，具有较强的鲁棒性。在实际工作中，电机所带的负载是不确定的，但有一定范围的。通过模糊控制来确定定位在某一范围内。交流电机的能耗制动是电机主轴转速为零时，制动转矩为也零，所以，在电机的制动方式选择上采用能耗制动的方式。

 

能耗制动

 

    异步电动机的能耗制动，是将电动机的定子绕组从三相电源上拉开，立即给定子绕组通入直流电流。无直流电源时，可以采用图1a所示的电路;若有直流电源，可采用图b所示的接线方式。图1所示的线路中，接触器KM1的常开接点闭合时，电动机定子接到三相交流电源上，电动机运行于电动状态。若要能耗制动，则使接触器XK的线圈断电，电动机脱离三相交流电源。立即使接触器KM2的线圈有电，KM2的常开接点闭合，定子两相绕组内通入直流电源。

 

制动的物理过程

 

    将定子绕组从三相电源断开，通入直流电时，定子磁场从旋转状态变为位置固定，大小不变恒定磁场，由于机械惯性的影响，转子仍以顺时针方向旋转，转子导体切割恒定磁场。由于切割方向与电动状态时相反，所以产生的转子感应电势和感应电流的方向，也与电动状态时相反，致使电动机的转矩反向，变为逆时针方向。转矩M与转速n方向相反，为制动状态，把异步电动机的动能变为电能，消耗在电动机转子电路的电阻上，所以叫能耗制动。电动机在其转矩和负载转矩的共同作用下，很快降速。当转速等于零时，转子导体不再切割磁场，转子感应电势和感应电流减小到零，电动机不再产生电磁转矩，从而可以控制生产机械精确停车。

 

    分析是基于Xm =常数的条件进行的。能耗制动过程中励磁电抗Xm不是常数。但由于Xm的变化对电机的运行影响不大，所以在理论分析时认为Xm是常数。采用能耗制动时，既要有较大的制动转矩，又不要使定，转子回路电流过大，对图3所示的接线方式，可用如下关系确定异步电动机定子直流励磁电流I_和转子回路所串电阻RΩ。

 

鼠笼式异步电动机 I-=（4～5）I0

 

绕线式异步电动机

 

I-=（2～3）I0

 

I0为异步电动机的空载电流，一般 I0=（0.2～0.5）I1e

 

这样确定I_后，可使最大转矩:Mmm=（1.25～2.2）Me

 

即可实现快速停车。

 

模糊控制器

 

模糊控制设计基本方法为:

 

(1)确定模糊控制器的输入变量与输出变量

 

(2)设计模糊控制器的控制规则

 

(3)确立模糊化与非模糊化的方法

 

(4)选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域并确定模糊控制器的参数(量化因子,比例因子)

 

(5)编制模糊控制算法的应用程序

 

(6)合理选择模糊控制算法的采样时间

 

    一般使用二维模糊控制器,以误差和误差的变化为输入变量,以控制量的变化为输出量。模糊控制规则的设计一般包括:选择描述输入输出变量的词集,定义一个模糊变量的模糊字集及建立模糊控制器的控制规则。输入输出变量的词集一般为{NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB}。定义模糊变量的模糊子集就是要确定模糊子集隶属函数的形状。一般用正态分布。控制规则可用条件语句描述,即If A and B Then C等,然后建立控制规则表。模糊化就是把精确量转为模糊量,可采用公式:Y=12[X(a+b)/2]/(b-a)精确量实际变化范围是[a,b]。模糊控制的输出是一个模糊量,它不能直接控制被控对象,需要将其转为精确量。方法有三:

 

(1) 选取最大隶属度法。该法简单易行,但利用信息少;

 

(2) 取中位数法;

 

(3) 加权平均判决法,该法利用信息多,但计算量大。

 

    控制器的控制算法可写成 if E=A(i)then EC=B(j) then U=C(ij)(i=1,2,3,…m;j=1,2,3,…n)根据采样得到的误差,误差变化,可计算出相应的控制量变化,对所有X,Y中的元素的所有组合全部算出相应的控制量变化,可写成矩阵U(ij)(n*m)将矩阵制成表,为查询表,将其存于内存中。实时控制中,根据模糊量化后的误差值及误差变化值直接查表,再集比例因子即可作为输出去控制被控对象。

 

3 程序设计

 

    异步电动机在低速运转时，当旋转编码器的Z相检测到定位位置信号时，置位25200复位高速计数器，开始计数脉冲，用PLC开始计数从旋转编码器的A相进入PLC的IN04的脉冲，高速计数器计到1000个脉冲，PLC高速计时器算出所需时间T1，把T1与模糊查询表相比较，找出与T1相对应的时间提前量T2，启动定时器，使PLC的继电器开关IR10007在延迟T2时间后关闭，接通直流电源，开启能耗制动，向异步电动机通入直流，电机在能耗制动下慢慢地停下来。，然后根据停的位置在标准位置的前后的多少来调整提前量时间T2 ，使电机停在较为理想的位置。

 

    以上过程都是在空载下进行的。但是电机是要带负载的，慢慢地向电机加负载，重复前面的步骤。考虑到电机的转速降至50-60转/分时，电机在能耗制动下马上停车，当负载加到使电机的转速变为50转/分时，高速计数器计满1000个脉冲后，立即进行能耗制动，不需要任何提前量。

 

    经过多次实验后，数据修正得差不多。随意加一个负载，执行PLC中的程序，电机就会停在令人满意的位置上。

 

4 流程图设计

 

5 设计结果及效果分析

 

    (1) 由于定位精度无从测量，只能通过眼观来判断定位的精确性，把标准位置的两侧90度之内的部分分别等份，最小单位为1度，通过观察，设计结果令人满意，误差为0.5%。

 

    (2) 由于修正数据时，不能很好地把握某区域的中间量，致使有时误差偏大。修正数据时，在一个区间内常常取五个数，执行PLC中的程序，比较谁更合适。取得良好的效果。