CN101976997B - 带式运输机多电机同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带式运输机多电机同步控制系统，包括上位机、同步控制器、RS-485总线系统、变频器、电机，其中同步控制器包括电源模块、控制模块、USB接口模块、RS-485通信接口，同步控制器的USB接口与上位机相连，RS-485通信接口通过总线系统与各变频器的RS-485通信接口相连，变频器连接电机，同步控制器通过总线收集系统中各个电机的运行参数，通过对参数的分析并产生控制信号，调整各变频器的参数，控制电机的输出转速，使各运转电机的转速趋向一致，上位机可读写该同步控制器的相关参数，从而可对系统进行在线调试和实施全程监控，降低调试和运行的操作强度；总线系统使结构简化，降低安装费用和维护成本。

Description

带式运输机多电机同步控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种带式运输机多电机同步控制系统。

背景技术

连续运输系统是物料搬运机械的基本组成部分，而带式运输机是连续运输机中效率最高、使用最普遍的一种机型。在20世纪80年代前，带式运输机的驱动装置多为一台电动机，就能满足生产要求，到了80年代，单驱动的动力已经无法满足大型带式运输机的动力要求，驱动装置就开始有了多电动机驱动。随着大型带式运输机的使用，于是出现了系统稳定性问题、能耗问题、安全等问题。对于大型普带运输机的传动电机的同步控制技术主要包括并行控制，主从控制，交叉耦合控制，虚拟总轴控制，偏差耦合控制。其中交叉藕合控制   这种控制策略最初由Koren在1980年提出，交叉藕合控制策略最主要的特点就是将两台电机的速度或者是位置信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号，再将这个附加的反馈信号作为跟踪信号，系统能够反映出任何一台电机的负载变化，从而获得良好的同步控制精度，但是这种控制策略不适合两个以上电动机的同步控制情况。而偏差藕合控制的主要思想是将某一台电机的速度反馈同其它电机的速度反馈分别作差，然后将得到的偏差相加作为该电机的速度补偿信号，增益Kr用来补偿各个电机之间的转动惯量的不同。这种偏差藕合控制策略能够克服以上各种控制策略的缺点，实现很好的同步性能，但是增益Kr的设定十分困难。当前的带式运输机控制系统大都以PLC控制系统为主，主要有如下不足：系统复杂，成本较高；PLC控制系统本身的结构原因，无法实现高级的控制算法，从而多电机同步运动误差大、精度低、协调性差，特别是启停时，皮带系统震动较大，同步性更差。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种通过变频器检测各电机运行参数，并由同步控制器对各电机转速参数进行分析并修正的皮带运输多电机同步控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现的：一种带式运输机多电机同步控制系统，包括上位机、变频器、电机、同步控制器和RS-485总线系统，所述的同步控制器包括为电源模块、控制模块、USB接口、以及RS-485通信接口，所述的电源模块分别与控制模块、USB接口和RS-485通信接口连接，所述的控制模块再分别与USB接口和RS-485通信接口连接，其中USB接口与上位机相连， RS-485通信接口通过总线系统与各变频器的RS-485通信接口端相连，各变频器输出端分别连接到电机。

作为优选，所述的控制模块选用微控制器STM32F103V8T6，作为同步控制器的信号处理单元。

作为优选，所述的电源模块选用低压差稳压器LD1086D2M33，为同步控制器提供工作电源。

一种带式运输机多电机同步控制方法，其步骤如下：

A:同步控制器的USB接口连接上位机，其RS-485通信接口通过总线连接各变频器；

B:上位机通过USB接口可设置同步控制器的相关参数，读取同步控制器相关信息，并进行显示；

C:运行过程中，同步控制器的控制模块通过总线以数字信号的形式获取各变频器采集的电机转速等参数；

D:同步控制器的控制模块对获取的电机转速等参数进行分析、判断并产生控制信号，控制信号经总线调整各变频器的速度等参数，控制各电机的输出转速；

E:上位机与同步控制器交互信息，验证同步控制器控制合理性，完成对控制系统的调试。

在步骤C中，所述的同步控制器的控制模块通过总线定时获取各变频器采集的电机的转速等参数。

在步骤D中，其他电机的转速先暂时跟随受干扰电机的转速变化，再同时以同步的速度接近给定的转速。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：选用RS-485总线系统，使现场接线十分简单，简化的系统结构，节省费用，数字信号传输方式提高了系统的工作可靠性；同步控制器选用USB接口实现控制器与上位机信息交互以及同时可以从计算机的USB接口获取同步控制器的工作电源，进一步简化了结构；方便查询各电机的运行状态，便于早期分析、排除故障，缩短了维护停工时间；整个系统的调试运行都在上位机上进行，无需到现场，减轻了系统调试、运行的劳动强度；方便的编程，克服了PLC控制系统无法实现高级控制算法的缺点；同时该同步控制器能充分发挥变频器的性能，系统运转稳态精度和动态精度高，使各电机以稳定的转速同步运转。

附图说明

图1为带式运输机多电机同步控制系统连接框图；

图2为带式运输机多电机同步控制系统电机同步控制框图；

图3为带式运输机多电机同步控制系统控制程序流程框图；

图4为同步控制器中断程序流程框图；

图5为同步控制器连接示意框图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1和图5中所示，带式运输机多电机同步控制系统包括上位机、同步控制器、变频器、电机和RS-485总线系统，所述的同步控制器包括电源模块、控制模块、USB接口以及RS-485通信接口，电源模块分别与控制模块、USB接口和RS-485通信接口连接，所述的控制模块再分别与USB接口和RS-485通信接口连接，其中电源模块可以通过同步控制器的USB接口从主机中获取同步控制器工作电源，也可以从独立的电源中获取同步控制器工作电源，电源模块将获取的电源电压转换为适合同步控制器的工作电源电压，保障电源供给；同步控制器的USB接口与上位机连接，USB连接有利于提高了上位机与同步控制器之间的数据传输速率，同步控制器的RS-485通信接口通过总线系统与各变频器的RS-485通信接口端相连，各变频器输出端分别再连接电机，每一台变频器分别与一台电机相连，控制的电机数目根据不同的带式运输机有所不同，不限于图中所示的电机数，所述的上位机、同步控制器、变频器、电机和总线系统共同构成带式运输机多电机同步控制系统。

如图3中所示，作为同步控制器核心部件的控制模块的程序存储器中预先存有以偏差藕合控制与模糊控制算法相结合的控制程序，首先初始化系统，设置USB、串口和定时器等寄存器，通过上位机对同步控制器参数进行设置并保存在控制模块的Flash内存中，上位机向同步控制器发送指令，通过同步控制器的控制模块解析后再经由RS-485总线系统向各变频器发送运行参数和开机指令，变频器启动电机运行，并周期性的采集各电机运行参数信号包括电机的转速参数信号，同步控制器的控制模块通过RS-485总线系统接收各变频器采集的电机运行参数信息，并对收集的运行参数信息进行分析、处理、并产生控制信号，通过RS-485总线系统向各变频器发送控制信号，通过各变频器分别控制各电机输出速度，使各电机的转速先趋向于一致，再同步向给定的转速靠近，同步控制器调整各变频器的参数时，控制模块通过USB接口向上位机上传同步控制器的控制模块产生的控制信号和各电机的运行参数信号，并显示于上位机。其中，同步控制器的控制模块工作在无操作系统的单任务实时状态，其采样周期由定时器中断确定。

如图2和图4中所示，同步控制器的控制模块预存有偏差藕合控制与模糊控制算法相结合的控制程序，在有速度测量负反馈的矢量控制作用下，变频器保证各电机的转速跟随给定值ω，某一电机n在干扰作用下转速发生变化最大时，其他的电机的转速也要暂时跟随该电机n的转速而变化，之后各电机再同步接近给定值ω，使各电机在整个运行中实时地保持一致，实现各电机的同步运行。具体中断服务程序流程如下：在定时器中断时，同步控制器的控制模块通过相连的总线系统读取各变频器采集的各电机的转速，如ω₁、ω₂、…、ω_n，控制模块参考各电机在前一时刻的转速值计算各电机的转速的变化量，如d₁、d₂、…、d_n，并确定最大转速变化量的电机#n，其中电机数n不限于图1中所示的电机数目，不同的带式运输机采用的传动电机数有所不同。同步控制器通过控制模块预存的模糊PID算法确定各电机与电机#n的同步系数k_n，根据各电机的转速、同步系数k_n和给定值ω，通过PI算法计算各电机的控制量，通过RS-485总线系统输出到各变频器，同时通过USB接口单元将各电机的转速和控制量输出到上位机以便显示、分析等，然后定时中断返回。

如图1和图5中所示，所述的控制模块选用微控制器STM32F103V8T6，其通信接口通过总线的物理接口与各变频器的RS-485通信接口相连，STM32F103x是基于ARMCortex-M3处理器核的微控制器，具有低功耗、短中断延迟、低调试成本等众多优点，简化了编程的复杂性，集高性能、低功耗、低成本于一体，并具有丰富的性能出众的片上外设，包括16通道的12位A／D转换器、7通道的DMA控制器、16位定时器、USART接口、 CAN接口和USB2．0全速接口等。所述的电源模块选用低压差稳压器LD1086D2M33低压差稳压器，通过USB接口与上位机连接，可从上位机中获取整个控制器电路的电源，从而简化了控制系统的接线，降低系统成本。来自USB接口的5v电压通过低压差稳压器LD1086D2M33输出3.3v的电压，为STM32F103V8T6单片机提供电源，可工作在零下40摄氏度到125摄氏度，输出电压精度为±1%，适用范围广，精度高。所述的USB接口可运用针对STM32F芯片系列的USB开发工具包完成对USB接口的配置以及与上位机之间的通信，由于微控制器STM32F103R8T6芯片自身集成了丰富的通讯接口，有多种通讯方式可供选择，加上外围电路就可任选一种通信方式完成通讯功能，由于微控制器STM32F103R8T6内部集成了三个独立的同步和异步串口，每个串口都能以中断或DMA的方式工作，其中一个UART接口通信速率可达4.5兆位/秒，其它UART接口通信速率可达2.25M/S，控制模块22的USART接口可被分配为RS-485通信接口，RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，采用了光电隔离技术，抗共模干扰能力强，即抗噪声干扰性好，提高了同步控制器的抗干扰能力，从而提高了系统的稳定性。传输线可采用屏蔽双绞线传输可达1.5km传输距离，传输距离当大于0.5km时，为了保证通信速率，可选用光纤为传播介质，收发两端再各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5～10km，而采用单模光纤可达50公里的传播距离。

一种带式运输机多电机同步控制方法，其步骤如下：

A:同步控制器的USB接口连接上位机，其RS-485通信接口通过总线连接各变频器；

B: 上位机通过USB接口可设置同步控制器的相关参数，读取同步控制器相关信息，并进行显示；

C: 运行过程中，同步控制器的控制模块通过总线以数字信号的形式获取各变频器采集的电机转速等参数；

D: 同步控制器的控制模块对获取的电机转速等参数进行分析、判断并产生控制信号，控制信号经总线调整各变频器的速度等参数，控制各电机的输出转速；

E:上位机与同步控制器交互信息，验证同步控制器控制合理性，完成对控制系统的调试。

在步骤C中，所述的同步控制器的控制模块在定时中断服务程序中通过RS-485总线定时获取各变频器采集的电机的运行参数，包括获取的各电机转速参数；步骤D中，定时器中断服务程序，对获取的当前时刻电机转速参数，与前一时刻电机转速参数进行比较、判断、产生控制信号，调整各变频器参数，使其他电机的转速先暂时跟随转速变化最大的电机转速而变化，再同步接近给定的转速，这种逐步修正补偿使各电机转速保持同步，再使所有电机同步趋向于给定转速的控制方法，提高了带式运输机电机运行时的动态同步精度。控制模块同时将控制参数和电机运行参数上传至上位机，便于上位机实现集中监控和显示。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (2)

1.一种带式运输机多电机同步控制方法，其步骤如下：

A:同步控制器的USB接口连接上位机，同步控制器的RS-485通信接口通过总线连接各变频器；

B:上位机通过USB接口设置同步控制器的相关参数，读取同步控制器相关信息，并进行显示；

C:运行过程中，同步控制器的控制模块通过总线以数字信号的形式获取各变频器采集的电机转速参数； 

D:同步控制器的控制模块对获取的电机转速参数进行分析、判断并产生控制信号，控制信号经总线调整各变频器的速度参数，控制各电机的输出转速，使得其他电机的转速先暂时跟随受干扰电机的转速变化，各电机再同时以同步的速度接近给定的转速;

E:上位机与同步控制器交互信息，验证同步控制器控制合理性，完成对控制系统的调试。

2.根据权利要求1所述的一种带式运输机多电机同步控制方法，其特征在于：在步骤C中，所述的同步控制器的控制模块通过总线定时获取各变频器采集的电机的转速参数。

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