伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)探析

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摘要：由于傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力控制所消耗的時(shí)間較長(zhǎng)，為此提出基于PLC的伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在硬件方面對(duì)PLC可編程邏輯控制器和電壓數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，在軟件方面利用大數(shù)據(jù)聚類(lèi)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力控制信號(hào)擬合，并通過(guò)制定模糊控制規(guī)則執(zhí)行系統(tǒng)控制指令，以此完成基于PLC的伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)耗時(shí)少于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：PLC；伺服電機(jī)；機(jī)械張力

引言

伺服電機(jī)是一種用于控制機(jī)械元件轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)也是一種補(bǔ)助動(dòng)力裝置間接變速的變速裝置，伺服電機(jī)由于具有精準(zhǔn)度高、轉(zhuǎn)速快等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中，尤其是在復(fù)合材料制作加工領(lǐng)域中。復(fù)合材料制作加工過(guò)程中由于原材料的特殊性，需要利用伺服電機(jī)通過(guò)在軸線上施加一些阻力和摩擦力，帶動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，但是在這一過(guò)程中機(jī)械帶動(dòng)紗團(tuán)開(kāi)卷和收卷的作用力會(huì)反向給伺服電機(jī)帶來(lái)一個(gè)阻力矩，從而使伺服電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械張力，這個(gè)機(jī)械張力如果不能夠得到有效控制，將會(huì)影響到伺服電機(jī)的運(yùn)行情況。因此伺服電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要采取一些手段控制其機(jī)械張力，以此保證伺服電機(jī)的有效運(yùn)行。針對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力的控制問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域也得到了一些較好的研究成果，目前采取的常見(jiàn)方法就是利用智能控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)機(jī)械張力，大部分控制系統(tǒng)通過(guò)控制伺服電機(jī)的電流和電壓允許參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其機(jī)械張力的控制，但是這種系統(tǒng)存在控制精度較低的問(wèn)題。后來(lái)相關(guān)研究學(xué)者提出通過(guò)構(gòu)建時(shí)變非線性動(dòng)力學(xué)模型來(lái)控制伺服電機(jī)的機(jī)械張力，該系統(tǒng)雖然精度有所提高，但是在實(shí)際應(yīng)用中控制系統(tǒng)會(huì)隨著機(jī)械張力的增加，系統(tǒng)的耗時(shí)時(shí)間也會(huì)隨之增加，由此可以看出目前傳統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足伺服電機(jī)機(jī)械張力的控制需求，為此提出基于PLC的伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1PLC可編程邏輯控制器選型設(shè)計(jì)

在對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到伺服電機(jī)機(jī)械張力控制的復(fù)雜性，以及伺服電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到多種因素影響，使得信號(hào)干擾較大問(wèn)題，此次通過(guò)引進(jìn)PLC可編程邏輯控制器的方式，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)的控制功能[1]。對(duì)PLC可編程邏輯控制器當(dāng)中，包含中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O系統(tǒng)等部件需要進(jìn)行選型。綜合不同型號(hào)PLC可編程邏輯控制器的應(yīng)用效果，本文選用BNKKLS-99DA1980型號(hào)PLC可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)的主要控制裝置，該型號(hào)PLC可編程邏輯控制器當(dāng)中含有一個(gè)10V、260mA直流電源，可為系統(tǒng)外部連接的少量傳感設(shè)備提供充足的電源，例如系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)、傳感器等硬件設(shè)備[2]。對(duì)于本文系統(tǒng)當(dāng)中存在的部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其直流電源供電需要額外設(shè)置[3]。同時(shí)，BNKKLS-99DA1980型號(hào)PLC可編程邏輯控制器當(dāng)中包含52路模擬量，屬于中型控制器，系統(tǒng)用戶能夠根據(jù)不同的控制要求，對(duì)52路模擬量進(jìn)行選擇和組合，同時(shí)與對(duì)應(yīng)指令控制接口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同運(yùn)行動(dòng)作的執(zhí)行。BNKKLS-99DA1980型號(hào)PLC可編程邏輯控制器輸入輸出點(diǎn)各32個(gè)，屬于繼電器輸出類(lèi)型，其程序容量可達(dá)到32K/步，包含基礎(chǔ)指令15條，其余均為功能指令。通過(guò)硬件接口將PLC可編程邏輯控制器安裝部署在伺服電機(jī)兩側(cè)，用于并執(zhí)系統(tǒng)控制指令。

1.2電壓數(shù)據(jù)采集卡選型設(shè)計(jì)

電壓數(shù)據(jù)采集卡的作用是用于收集到伺服電機(jī)允許過(guò)程中電壓數(shù)據(jù)，將采集到的電壓數(shù)據(jù)整合到PLC可編程邏輯控制器機(jī)端，其是搭建數(shù)據(jù)采集與伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)伺服電機(jī)機(jī)械張力控制需求，本文選用SHJDF-S2F54S型號(hào)多功能電壓數(shù)據(jù)采集卡，該電壓數(shù)據(jù)采集卡能夠同時(shí)兼顧伺服電機(jī)機(jī)械張力測(cè)量值輸入和系統(tǒng)控制信號(hào)輸出兩個(gè)功能，其數(shù)據(jù)采集能力和穩(wěn)定性較好，并且SHJDF-S2F54S型號(hào)多功能電壓數(shù)據(jù)采集卡能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供25AI、13AO、24DIO以及5個(gè)16位計(jì)數(shù)器和定時(shí)器，其中以AO作為數(shù)據(jù)模擬量輸出，以AI作為數(shù)據(jù)模擬量輸入，以DIO作為輸入與輸出可支配的數(shù)字量。[4]此外SHJDF-S2F54S型號(hào)多功能電壓數(shù)據(jù)采集卡總線類(lèi)型為PCI，模擬輸入的分辨率為15.5bits，共有6通道和9通道兩種，在對(duì)電壓數(shù)據(jù)采集過(guò)程中具有較高的采集效率。

2智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1伺服電機(jī)機(jī)械張力控制信號(hào)擬合

為實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的各項(xiàng)操作指令的遠(yuǎn)程控制，首先需要對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力控制信號(hào)進(jìn)行擬合。伺服電機(jī)機(jī)械張力控制信號(hào)的擬合采用大數(shù)據(jù)聚類(lèi)技術(shù)，對(duì)伺服電機(jī)中傳動(dòng)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化聚類(lèi)。根據(jù)伺服電機(jī)運(yùn)行需要，構(gòu)建伺服電機(jī)機(jī)械張力控制信號(hào)分布式結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)模糊控制理論，完成系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制[5]。假設(shè)伺服電機(jī)機(jī)械張力控制數(shù)據(jù)集合為，數(shù)據(jù)聚類(lèi)空間為。當(dāng)伺服電機(jī)機(jī)械張力控制數(shù)據(jù)集合的聚類(lèi)信道擬合因子數(shù)值為零時(shí)，則應(yīng)當(dāng)滿足如下公式：γγwγ=21+exp-m·sgnγwγ.（1）公式（1）中，γwγγ表示為聚類(lèi)信道擬合因子；m表示為伺服電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中控制系統(tǒng)發(fā)出的機(jī)械張力迭代控制次數(shù)[6]。根據(jù)模糊控制理論和機(jī)械張力控制的擬合思想，將系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)按照如下公式（2）的方式進(jìn)行機(jī)械張力控制信號(hào)擬合：Xeγ，fγ=Σei，fiγγ-ei+E，fiΣγ+FγΣ2.（2）公式（2）中：Xeγ，fγ表示為系統(tǒng)控制機(jī)械張力數(shù)據(jù)特征點(diǎn)函數(shù)；E和F表示為伺服電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中某一橫軸方向的機(jī)械張力數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的阻力矩；ei表示為最大機(jī)械張力，fi表示為最小機(jī)械張力差值；p表示伺服電機(jī)產(chǎn)生的最大阻力矩，q表示伺服電機(jī)產(chǎn)生的最小阻力矩。根據(jù)上述公式（2）完成對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力控制信號(hào)的擬合處理，方便后續(xù)伺服電機(jī)機(jī)械張力模糊控制規(guī)則的制定。

2.2制定伺服電機(jī)機(jī)械張力模糊控制規(guī)則

在伺服電機(jī)機(jī)械張力控制信號(hào)擬合的基礎(chǔ)上，制定模糊控制規(guī)則，模糊控制規(guī)則是一種能夠模仿人類(lèi)思維的控制技術(shù)，根據(jù)模糊控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制，其控制過(guò)程如圖1所示。在模糊控制規(guī)則中制定了K1、K2、K3三個(gè)輸出變量，劃分了三個(gè)模糊子集，其偏差的實(shí)際論域?yàn)閇-3，3]，輸出的比例因子根據(jù)伺服電機(jī)機(jī)械張力實(shí)際值進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)該規(guī)則實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)機(jī)械張力智能化控制，以此完成了基于PLC的伺服電機(jī)機(jī)械張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某伺服電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該伺服電機(jī)功率為1500W，采用的是增量式編碼器類(lèi)型，軸型為劃鍵軸型，V90系列高慣量伺服電機(jī)，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)該伺服電機(jī)機(jī)械張力進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)令該伺服電機(jī)始終處于運(yùn)行狀態(tài)，在運(yùn)行過(guò)程中不斷提高伺服電機(jī)的機(jī)械張力，機(jī)械張力的增長(zhǎng)范圍設(shè)定為50~100N，在伺服電機(jī)機(jī)械張力設(shè)定的情況下，兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，將機(jī)械張力控制在30N以下，實(shí)驗(yàn)利用MJI軟件計(jì)算出兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)控制伺服電機(jī)機(jī)械張力的耗時(shí)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的控制耗時(shí)情況進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，隨著伺服電機(jī)機(jī)械張力的增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械張力控制所消耗的時(shí)間變化不大，且耗時(shí)較短，而傳統(tǒng)系統(tǒng)隨著伺服電機(jī)機(jī)械張力的提高，其控制所消耗的時(shí)間也隨之提高，并且耗時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)系統(tǒng)，因此實(shí)驗(yàn)證明了基于PLC的伺服電機(jī)機(jī)械張力控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性。

4結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，融合了PLC可編程邏輯控制器，提出了一套基于PLC的伺服電機(jī)機(jī)械張力控制系統(tǒng)，并利用實(shí)驗(yàn)論證了此次研究具有一定的有效性。此次研究?jī)?nèi)容對(duì)伺服電機(jī)機(jī)械張力控制具有良好的借鑒意義，為伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了良好的理論依據(jù)，對(duì)提高伺服電機(jī)機(jī)械張力智能控制系統(tǒng)控制精度，降低控制系統(tǒng)耗時(shí)時(shí)間，保證伺服電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者:張瑞林 單位:駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院