自動排線繞線機(jī)同步控制準(zhǔn)確度的改進(jìn)

摘 要介紹了自動排線繞線機(jī)自動同步技術(shù)的工作原理，分析了實(shí)際工況中影響跟蹤準(zhǔn)確度的幾個(gè)因素。針對PLC實(shí)現(xiàn)自動同步功能的準(zhǔn)確度誤差累計(jì)問題，提出了通過修正誤差影響因素，消除誤差累計(jì)的方法。并對該方法的設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】PLC 旋轉(zhuǎn)編碼器 步進(jìn)電機(jī) 修正

PLC（可編程邏輯控制器）由于其穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)精巧、運(yùn)算速度快、編程方便快捷直觀等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。自動排線繞線機(jī)也用它實(shí)現(xiàn)控制功能。

1 工作原理

如圖1所示，變頻器驅(qū)動主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動主軸旋轉(zhuǎn)繞線，與主軸同步的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器輸出1000個(gè)/轉(zhuǎn)的脈沖信號，輸入PLC，PLC檢測該脈沖頻率，并結(jié)合線寬、絲桿螺距、步進(jìn)電機(jī)步距角、細(xì)分比及步進(jìn)電機(jī)傳動比等參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算后輸出一定頻率的脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)該脈沖和方向信號實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，并不斷檢測增量型旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率，同時(shí)刷新輸出頻率。

在1臺小型自動排線繞線機(jī)中實(shí)例中，主軸最高轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分，實(shí)際操作中低于120轉(zhuǎn)/分；主軸啟動時(shí)間（從0速勻加速到最大速度的時(shí)間）設(shè)為3秒，主軸停止時(shí)間（從最大速度勻減速到0速的時(shí)間）設(shè)為1秒；線寬限制在5.00毫米內(nèi)并有2位小數(shù)的精度；絲桿螺距為2.00毫米；步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8?也即200個(gè)脈沖1轉(zhuǎn)；考慮到PLC實(shí)際最高脈沖限制35KHz，細(xì)分取10細(xì)分；步進(jìn)電機(jī)直接傳動絲桿即1：1變比；

PLC對輸入口X2的脈沖進(jìn)行密度檢測，本例中是在每25毫秒內(nèi)檢測脈沖個(gè)數(shù)Mn，由PLC的專用指令SPD完成；乘以線寬（以0.01毫米為單位）Mn*x，再除以10，即得到輸出頻率，表示為

Mn*x/10

用PLC專用指令PLSY由Y2口中斷輸出。

2 影響同步準(zhǔn)確度的幾個(gè)因素

上述工作原理中， 旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖輸出準(zhǔn)確度、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)的步距準(zhǔn)確度都是固定并不可改變的，經(jīng)試驗(yàn)，只要做到旋轉(zhuǎn)編碼器的電源單獨(dú)提供，脈沖信號在線路傳輸上采用屏蔽線分離傳輸，這些誤差即可控制在可忽略程度中。本文只考慮在PLC中的準(zhǔn)確度誤差。

PLC是以1毫秒為單位中斷處理X2口的脈沖密度，其精度是1個(gè)脈沖個(gè)數(shù)，即有零點(diǎn)幾的誤差，并且是單向誤差（偏?。?5毫秒是這樣選取的：主軸從0速開始加速，到旋轉(zhuǎn)編碼器有1個(gè)脈沖輸出的時(shí)間段中t，要求PLC脈沖密度檢測不漏檢，即脈沖密度檢測>該時(shí)間段t。由勻加速公式

t=（2s/a）0.5。

由上述參數(shù)算出t=34.64毫秒。

如果選取最接近1000能被整除的數(shù)即40毫秒，則1秒能檢測25次，到達(dá)最快速度的連續(xù)2次檢測得到的脈沖密度數(shù)為：198、196，乘以25即：4950、4900，有50的偏差和50的遞增量；不夠精細(xì)；考慮到主軸變速過程中同步的及時(shí)性，可以要求PLC脈沖密度檢測在主軸從第1個(gè)脈沖輸出開始加速，到旋轉(zhuǎn)編碼器第2個(gè)脈沖輸出的時(shí)間段t2中不漏檢，即脈沖密度檢測>該時(shí)間段t2。算出t2=14.35毫秒；本例中考慮到PLC程序運(yùn)行循環(huán)周期為20毫秒左右，選取≤20毫秒的數(shù)實(shí)際上并不能得到及時(shí)的輸出脈沖頻率更新，故選取25毫秒，則1秒能檢測40次，到達(dá)最快速度的連續(xù)2次檢測得到的脈沖密度數(shù)為：124、124，乘以40即：4960、4960，有40的偏差和0的遞增量，這樣可以大大加快同步的及時(shí)性。這里同步不及時(shí)（脈沖密度每秒的檢測次數(shù)少）的誤差是使誤差累計(jì)的主要因素，脈沖密度檢測的非整數(shù)丟失是平均單向小數(shù)分布的誤差。

脈沖密度檢測之后運(yùn)算過程中除以10，即產(chǎn)生小數(shù)丟失，引起誤差。

3 改進(jìn)的算法

針對脈沖密度檢測的非整數(shù)丟失可以在運(yùn)算結(jié)果中非零加20*K，K為系數(shù)，在實(shí)際調(diào)試中確定，一般為≤1的小數(shù)。針對跟蹤不及時(shí)引起的誤差，采用方法如下：第n次檢測到的脈沖密度Mn，修正為

Mn +[（Mn-Mn-1）/2]

將誤差在下一個(gè)25毫秒內(nèi)補(bǔ)償回去（其中Mn-1為第n-1次檢測到的脈沖密度）；并且將（Mn-Mn-1）/2中的小數(shù)部分累計(jì)到第n+1次的脈沖密度修正項(xiàng)中，即

Mn+[（Mn-Mn-1）/2]+[（Mn-1-Mn-2）/2-[（Mn-1-Mn-2）/2]]，記為Mn。

針對第n次脈沖密度檢測之后運(yùn)算過程中除以10產(chǎn)生的小數(shù)丟失，也采用在第n+1次檢測到的脈沖密度運(yùn)算之后加一該小數(shù)修正項(xiàng)來解決，并且將第n+1次運(yùn)算后加小數(shù)修正項(xiàng)后的小數(shù)累計(jì)到第n+2次中，即

Mn*X/10+[ Mn-1*X/10-[Mn-1*X/10] ]

+[ （Mn-2*X/10-[Mn-2*X/10]）-[ Mn-2*X/10-[Mn-2*X/10] ] ]

總體上，這些方法的主導(dǎo)想法是在PLC編程中上1次的小數(shù)余量到下1次去修正；這里要注意啟動和停止時(shí)的0速的特殊處理，0速時(shí)就不必修正了。

4 結(jié)果

由上述改進(jìn)算法指導(dǎo)編程的PLC程序應(yīng)用在1臺小型自動排線繞線機(jī)中，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試試用，自動排線同步效果非常理想，主軸繞線100匝，線寬從0.1～5.00范圍內(nèi)，誤差≤5%線寬，不會產(chǎn)生疊線或間隙問題。

5 結(jié)論

用PLC實(shí)現(xiàn)自動排線繞線機(jī)排線自動同步控制功能，由于PLC特有的局限性導(dǎo)致的控制算法誤差，采用小數(shù)累計(jì)補(bǔ)償和滯后累計(jì)補(bǔ)償方法，可以大大降低這些誤差。本文從自動排線繞線機(jī)排線自動同步控制功能及其誤差的影響因素角度分析，提出的改進(jìn)算法切實(shí)可行有效，可以在其他設(shè)備控制的類似問題中借鑒。

作者簡介

勵小峰（1977-），男， 浙江省象山線人。大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)為寧波天安電力電子有限公司高級電氣工程師。研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、高壓變頻器、SVG。

作者單位

寧波天安電力電子有限公司 浙江省寧波市 315040