糊矢量控制的多电机同步控制系统的设计方案

1 引言

随着近年来传动系统的发展，多电机传动系统已经被广泛地应用于各种领域。为了提高多电机传动系统的动态性能和稳态性能，满足一些特定系统对多电机控制的同步要求，多电机协调同步控制方法的研究变得越来越重要。针对交流电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，以及矢量控制的不完全解耦性等缺点，本文引入了智能控制中的模糊控制技术，选用参数自调整模糊控制器，设计了一种基于模糊矢量控制的多电机同步控制方案从而提高系统的动态性能。方案中使用西门子变频器的矢量控制功能对交流电机进行变频调速，在西门子PLC中实现了参数自调整的模糊控制。并通过Matlab进行系统设计的仿真验证和分析。

2 多电机同步控制系统概述

在现代应用系统的设计开发过程中，充分利用计算机仿真、实验技术，对于系统设计开发过程中合理选择系统结构、优化系统参数、检验控制方法，提高系统设计与开发效率有着极其重要的作用。本文依据已提出的矢量变频调速与合成误差补偿主从串联控制方案构建了主从轴协调控制实验系统，为实际应用系统的设计积累经验与资料，硬件结构图如图1所示。由于可编程控制器(PLC)具有硬件简单、编程方便、抗干扰性强等有点，现已广泛的应用与交流电机控制系统中，本章介绍的矢量控制是以PLC作为控制核心的控制系统。

多电机同步控制系统的正常运行对电气传动控制系统的要求基本有以下几点：

(1) 传动系统要有一定的稳定精度和快速动态响应。其中稳态精度±0.01~0.02%，动态精度±0.05~0.5%，同步动态精度为±0.05~0.45%;

(2) 工作速度要有较宽、均匀的调节范围。调节范围为之间;

(3) 具有负荷动态调整的功能，以免造成负荷动态转移而引起的过流或过压;

(4) 具有良好的接口能力。

3工业控制系统的硬件设计

3.1 变频PLC控制系统

在工业自动化控制系统中，最常见的是变频器和PLC的组合应用，并且产生了多种多样的PLC控制变频器的方法，构成了不同类型的变频PLC控制系统。

变频PLC控制系统在变频器控制中属于通用的一种控制系统。一个变频PLC控制系统通常由三部分组成，即变频器本体、可编程控制器PLC部分、变频器与PLC的接口部分。交流电机由西门子变频器进行一对一的传动控制。西门子S7-200PLC负责控制系统的开关量、负责数据的处理和工艺控制。交流变频器通过RS-485实现与PLC之间的通信。

PLC变频控制系统实验室设备结构框图如下图所示：

图1 系统实验结构框图

本文重点研究交流电机的同步控制，为达到研究目的，在上述工业控制网络中，以一台交流电机为主动电机，以其它交流电机为从动电机，按照交叉耦合并行同步控制方式，进行交流电机的同步控制。

系统中，由S7-200系列PLC完成数据的采集、处理和对变频器、电动机等设备的控制任务。主、从电机接受PLC或其他系统的速度指令，通过编码器形成速度反馈，使系统达到精确的速度控制。当主电机获得PLC的启动命令和速度给定时，经过矢量变频器进行处理，调整转矩获得给定的速度。如果从电机并未将力矩传递到负载上，那么从电机将感觉到负载重增加扭矩，同时主电机也将相应的减小扭矩;若主电机负载稍轻，那么主电机就会相应的减小扭矩以保证与从电机保持相应的速度，主从任何一方的负载变化必将反映在另一方的输出转矩变化上。[page]

3.2 变频器装置

西门子6SE70系列变频器是一种电压型矢量变频器。它能利用处理器完成复杂运算、开环和闭环的控制、通讯等任务，保证生产过程控制精度和静态、动态的控制最优化。其动态响应不低于0.25%，静态精度不低于0.01%，能够满足控制系统的要求。本系统是要对交流电机实现高性能的速度控制，以实现交流电机同步速度的跟随，西门子6SE70矢量控制的标准软件包含两种基本的控制型式：频率控制适用于简单应用场合和成组传动高水平同步运转。磁场定向闭环控制(矢量控制)用于动态性能要求较高的传动系统。根据本系统的要求，我们选择闭环速度控制，这样能在较低转速时有较高的动态特性和高转速精度。其原理图如图2所示：

图2 带速度检测的闭环速度控制原理图

在6SE70变频器中，速度调节器为一个传统的比例积分(PI)调节器，无自适应能力。主要表现在两方面：

(1) PI控制器参数整定必须相对于某一系统参数己知的系统。

(2) PI控制器参数一旦整定完毕，便只能适用于已知的系统。

该实验系统中，主从电机为两台不同交流异步机，分别由两台变频调速控制器供电。主轴变频器控制信号由工控机按实验要求与合成误差控制器的叠加给定;从轴变频器控制信号是由工控机经协调控制策略，跟踪偏差实时计算后提供的;发电机分别与从电动机同轴相连的发电机作为双轴的可调负载，两个增量编码器分别与主、从轴发电机同轴相连，由此可获得速度、角位移信号及速度反馈信号。

全数字化矢量控制变频传动是指以矢量控制(VC)技术为主构成控制回路，以交流变频为主回路换能方式，控制交流电机运行。由于VC技术的采用，交流电机数学模型与直流电机有了某种程度的一致。原来高品质直流传动中使用的成熟的控制手段和控制理论得以借鉴。全数字化的应用还解决了模拟系统中电子器件参数受环境因素影响的问题，特别是温度漂移问题。从而对系统精度的不可控影响因素得以消除，控制精度仅受微机字长、检测元件精度影响，可以利用现有技术达到较高的传动性能指标。

4 系统软件设计

4.1速度闭环和矢最控制的实现

针对同步方案的结构特点和矢量控制的特点，如果能用一个模糊控制器取代变频器的速度PI调节器，能有效的提高整个系统的控制性能。而6SE70变频器是一个工业产品，可通过参数设置，将速度PI调节器的积分部分关闭，将比例环节增益设置为1，同时将模糊控制器的输出作为变频器电流调节器的输入，这样就实现了交流电机速度控制环的模糊控制。其相关参数设置如下：

(1) 设置P315=1。P315为Pl调节器增益的功能参数;

(2) 设置P240为23001。P240为速度调节器积分时间功能参数，此设置封锁积分作用;

(3) 设置P220=0。读入速度调节器转速实际值;

(4) 将参数自调整模糊控制器的输出写入P438。

其中第1步、第2步的设置关闭了变频器的速度调节器，第3步设置关闭了速度反馈环节，第4步设置则用参数自调整模糊控制器取代了原有的速度调节器，完成了速度的闭环控制。

为了实现变频器的矢量控制，就必须对变频器的参数进行设置，选择相应的控制方式。设置步骤如下：

(1) 选择功能参数菜单。P060有8个参数值，分别对应8种不同的功能菜单，我们选择P060=5进入系统设置菜单;

(2) 选择开环/闭环控制方式。P100有5个参数值，分别对应着V/F控制、V/F控制(纺织工业用)、V/F控制+速度控制、无测速机的速度控制、有测速机的速度控制和转矩控制，其中后3个属于矢量控制。根据系统的要求我们选择了有测速机的速度控制，即选择Pl00=4;

(3) 输入交流电机参数。在P101、P102、P107和P108，分别输入交流电机的额定电压、额定电流、额定频率和额定转速。而P103的电机励磁电流和P109电机极对数会由系统自动计算;

(4) 选择工艺条件。根据本系统的特点，我们选择Pll4=0，即选择快速加速系统;

(5) 电机编码器的选择。选择P130=11，即选择脉冲编码器;

(6) 返回到参数菜单。选择P060=1，即退出了系统设置回到参数菜单，此时输入的参数值将被检验是否合理。

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4.2 S7-200的模糊控制

系统中使用了一台西门子S7-200PLC作为控制系统的核心，它负责读取电机速度值v1和电机速度值v2，并计算v1和v2的差值e和差值变化率ec，查询在S7-200PLC内部建立的模糊控制规则，得到一个控制量，通过现场总线将控制量传送给变频器，通过变频器实现对交流电机的速度控制，最终实现交流电机速度的同步控制。

系统的模糊控制器选用计算机离线计算，在线查表的方法实现参数自调整模糊控制。把复杂的模糊推理过程交给计算机离线完成，得到模糊控制器的总控制规则表和参数自调整规则表。以数据模块的形式分别存入S7-200PLC系统的内存中，由查询表子程序管理。

首先建立速度误差E、速度误差变化率EC和输出U的赋值表。

E={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL};

EC={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL};

U={NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL};

依据实际工作情况和操作经验，选取各输入量与输出量的论域：

E的模糊论域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6];

EC的模糊论域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6];

U的模糊论域取[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6]。

隶属度函数的形状有很多种，由于人们对事物的判断往往沿用正态分布的思维特点，所以采用正态分布的隶属函数，即把三个模糊变量速度误差E、速度误差变化率EC和输出U看成是正态分布的，那么它们三个模糊子集的赋值表可用正态分布的隶属函数

得到。通过计算可以得到速度误差E、速度误差变化率EC和输出U的赋值表。

4.3 系统软件构成

1、主程序的设计

本系统的主程序框图如图3所示。图中按照控制工艺要求给电机传送给定。当中断时间到达时，即进行参数自调整的模糊控制。参数自调整的模糊控制的框图如图4所示。

图3 主程序框图

图4 参数自调整的模糊控制框图

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5 仿真研究

在Matlab/Simulink仿真环境下，根据前面的设计，采用永磁同步电动机模型构建多电机同步控制系统仿真框图。图5为采用模糊控制补偿器的情况下三电动机速度响应曲线图。

图5 电动机速度响应曲线

由仿真结果比较可以看出：采用模糊控制器的补偿方法时候，系统的同步性能、抗干扰性能力强，因而适合同步精度要求较高的场合。