伺服電機機械張力智能控制系統探析

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摘要：由于傳統系統對伺服電機機械張力控制所消耗的時間較長，為此提出基于PLC的伺服電機機械張力智能控制系統設計。在硬件方面對PLC可編程邏輯控制器和電壓數據采集卡進行了選型設計，在軟件方面利用大數據聚類技術實現對伺服電機機械張力控制信號擬合，并通過制定模糊控制規則執行系統控制指令，以此完成基于PLC的伺服電機機械張力智能控制系統設計。經實驗證明，設計系統耗時少于傳統系統。

關鍵詞：PLC；伺服電機；機械張力

引言

伺服電機是一種用于控制機械元件轉動的發動機，同時也是一種補助動力裝置間接變速的變速裝置，伺服電機由于具有精準度高、轉速快等優點，已經被廣泛應用于多個領域中，尤其是在復合材料制作加工領域中。復合材料制作加工過程中由于原材料的特殊性，需要利用伺服電機通過在軸線上施加一些阻力和摩擦力，帶動機械轉動，但是在這一過程中機械帶動紗團開卷和收卷的作用力會反向給伺服電機帶來一個阻力矩，從而使伺服電機產生一個機械張力，這個機械張力如果不能夠得到有效控制，將會影響到伺服電機的運行情況。因此伺服電機在運行過程中需要采取一些手段控制其機械張力，以此保證伺服電機的有效運行。針對伺服電機機械張力的控制問題，相關領域也得到了一些較好的研究成果，目前采取的常見方法就是利用智能控制系統控制伺服電機機械張力，大部分控制系統通過控制伺服電機的電流和電壓允許參數，從而實現對其機械張力的控制，但是這種系統存在控制精度較低的問題。后來相關研究學者提出通過構建時變非線性動力學模型來控制伺服電機的機械張力，該系統雖然精度有所提高，但是在實際應用中控制系統會隨著機械張力的增加，系統的耗時時間也會隨之增加，由此可以看出目前傳統系統已經無法滿足伺服電機機械張力的控制需求，為此提出基于PLC的伺服電機機械張力智能控制系統設計。

1智能控制系統硬件設計

1.1PLC可編程邏輯控制器選型設計

在對伺服電機機械張力智能控制系統的設計過程中，考慮到伺服電機機械張力控制的復雜性，以及伺服電機運行過程中會受到多種因素影響，使得信號干擾較大問題，此次通過引進PLC可編程邏輯控制器的方式，實現伺服電機機械張力智能控制系統的控制功能[1]。對PLC可編程邏輯控制器當中，包含中央處理器、存儲器和I/O系統等部件需要進行選型。綜合不同型號PLC可編程邏輯控制器的應用效果，本文選用BNKKLS-99DA1980型號PLC可編程邏輯控制器作為系統的主要控制裝置，該型號PLC可編程邏輯控制器當中含有一個10V、260mA直流電源，可為系統外部連接的少量傳感設備提供充足的電源，例如系統電源開關、傳感器等硬件設備[2]。對于本文系統當中存在的部分執行機構，其直流電源供電需要額外設置[3]。同時，BNKKLS-99DA1980型號PLC可編程邏輯控制器當中包含52路模擬量，屬于中型控制器，系統用戶能夠根據不同的控制要求，對52路模擬量進行選擇和組合，同時與對應指令控制接口連接，實現對多種不同運行動作的執行。BNKKLS-99DA1980型號PLC可編程邏輯控制器輸入輸出點各32個，屬于繼電器輸出類型，其程序容量可達到32K/步，包含基礎指令15條，其余均為功能指令。通過硬件接口將PLC可編程邏輯控制器安裝部署在伺服電機兩側，用于并執系統控制指令。

1.2電壓數據采集卡選型設計

電壓數據采集卡的作用是用于收集到伺服電機允許過程中電壓數據，將采集到的電壓數據整合到PLC可編程邏輯控制器機端，其是搭建數據采集與伺服電機機械張力智能控制系統的基礎。根據伺服電機機械張力控制需求，本文選用SHJDF-S2F54S型號多功能電壓數據采集卡，該電壓數據采集卡能夠同時兼顧伺服電機機械張力測量值輸入和系統控制信號輸出兩個功能，其數據采集能力和穩定性較好，并且SHJDF-S2F54S型號多功能電壓數據采集卡能夠為系統提供25AI、13AO、24DIO以及5個16位計數器和定時器，其中以AO作為數據模擬量輸出，以AI作為數據模擬量輸入，以DIO作為輸入與輸出可支配的數字量。[4]此外SHJDF-S2F54S型號多功能電壓數據采集卡總線類型為PCI，模擬輸入的分辨率為15.5bits，共有6通道和9通道兩種，在對電壓數據采集過程中具有較高的采集效率。

2智能控制系統軟件設計

2.1伺服電機機械張力控制信號擬合

為實現伺服電機機械張力智能控制系統對伺服電機的各項操作指令的遠程控制，首先需要對伺服電機機械張力控制信號進行擬合。伺服電機機械張力控制信號的擬合采用大數據聚類技術，對伺服電機中傳動控制數據進行優化聚類。根據伺服電機運行需要，構建伺服電機機械張力控制信號分布式結構模型。根據模糊控制理論，完成系統對伺服電機機械張力智能控制[5]。假設伺服電機機械張力控制數據集合為，數據聚類空間為。當伺服電機機械張力控制數據集合的聚類信道擬合因子數值為零時，則應當滿足如下公式：γγwγ=21+exp-m·sgnγwγ.（1）公式（1）中，γwγγ表示為聚類信道擬合因子；m表示為伺服電機在運行過程中控制系統發出的機械張力迭代控制次數[6]。根據模糊控制理論和機械張力控制的擬合思想，將系統控制數據按照如下公式（2）的方式進行機械張力控制信號擬合：Xeγ，fγ=Σei，fiγγ-ei+E，fiΣγ+FγΣ2.（2）公式（2）中：Xeγ，fγ表示為系統控制機械張力數據特征點函數；E和F表示為伺服電機運行過程中某一橫軸方向的機械張力數據和對應的阻力矩；ei表示為最大機械張力，fi表示為最小機械張力差值；p表示伺服電機產生的最大阻力矩，q表示伺服電機產生的最小阻力矩。根據上述公式（2）完成對伺服電機機械張力控制信號的擬合處理，方便后續伺服電機機械張力模糊控制規則的制定。

2.2制定伺服電機機械張力模糊控制規則

在伺服電機機械張力控制信號擬合的基礎上，制定模糊控制規則，模糊控制規則是一種能夠模仿人類思維的控制技術，根據模糊控制規則實現系統對伺服電機機械張力智能控制，其控制過程如圖1所示。在模糊控制規則中制定了K1、K2、K3三個輸出變量，劃分了三個模糊子集，其偏差的實際論域為[-3，3]，輸出的比例因子根據伺服電機機械張力實際值進行調整，根據該規則實現伺服電機機械張力智能化控制，以此完成了基于PLC的伺服電機機械張力控制系統設計。

3實驗論證分析

實驗以某伺服電機為實驗對象，該伺服電機功率為1500W，采用的是增量式編碼器類型，軸型為劃鍵軸型，V90系列高慣量伺服電機，實驗利用此次設計系統與傳統系統對該伺服電機機械張力進行控制。實驗令該伺服電機始終處于運行狀態，在運行過程中不斷提高伺服電機的機械張力，機械張力的增長范圍設定為50~100N，在伺服電機機械張力設定的情況下，兩個系統對其進行控制，將機械張力控制在30N以下，實驗利用MJI軟件計算出兩個系統對控制伺服電機機械張力的耗時時間，實驗將其作為實驗結果，對兩個系統的控制耗時情況進行對比分析，實驗結果如表1所示。從表1可以看出，隨著伺服電機機械張力的增長，設計系統對機械張力控制所消耗的時間變化不大，且耗時較短，而傳統系統隨著伺服電機機械張力的提高，其控制所消耗的時間也隨之提高，并且耗時遠遠高于設計系統，因此實驗證明了基于PLC的伺服電機機械張力控制系統具有良好的實用性。

4結語

本文在傳統控制系統基礎上，融合了PLC可編程邏輯控制器，提出了一套基于PLC的伺服電機機械張力控制系統，并利用實驗論證了此次研究具有一定的有效性。此次研究內容對伺服電機機械張力控制具有良好的借鑒意義，為伺服電機機械張力智能控制系統的設計與開發提供了良好的理論依據，對提高伺服電機機械張力智能控制系統控制精度，降低控制系統耗時時間，保證伺服電機穩定運行具有重要的現實意義。

參考文獻

[1]陳星旭，胡明，馬維東.模糊非線性積分滑模張力控制系統的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2020（3）：103-105；110.

[2]陳宏博，杜向黨，汪旭海.基于恒張力控制的小型波浪補償裝置的設計與實現[J].機械與電子，2020（3）：35-38.

[3]王永敢，陳靈，李懷.Simulink仿真中PID參數對直流伺服電機驅動性能的影響[J].焦作大學學報，2019（4）：60-62.

[4]徐坤，朱燈林，梅志千，等.非對稱液壓缸伺服泵控系統控制模型及其參數辨識研究[J].機電工程，2019（5）：524-528.

[5]林君煥，林海波.基于粒子群優化算法的多線切割機恒張力免疫反饋控制仿真研究[J].系統仿真技術，2020（2）：85-89.

[6]李世超，曹如月，季宇寒，等.基于不同電機的拖拉機自動導航轉向控制系統性能對比[J].農業機械學報，2019（SUPPLE1）：40-49.

作者:張瑞林 單位:駐馬店職業技術學院