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1 前言 可編程控制器（PC）包括可編程邏輯控制器（PLC）和可編程計算機控制器（PCC）。無(wú)論是PLC還是它的升級產(chǎn)品PCC，其基本組成和工作原理部是相同的。但是，PCC具有一般PLC所不具備的特點(diǎn)：① PCC已經(jīng)采用了多任務(wù)操作系統；② PCC不但支持梯形圖和C語(yǔ)言等各種高低編程語(yǔ)言，還具有專(zhuān)為工業(yè)控制開(kāi)發(fā)的高級語(yǔ)言，它比通用的高級語(yǔ)言，如C 語(yǔ)言更適用于工業(yè)控制，更易于編程；③ PCC可以支持多個(gè)主CPU同時(shí)工作，而且還具有智能處理器，如專(zhuān)門(mén)的時(shí)間處理單元守（TPU）。綜上所述可看出，PCC在很多方面突破傳統，在PLC中引入了新的思想和編程思想，更易于實(shí)現日趨復雜的控制要求[1]。步進(jìn)電機在工業(yè)領(lǐng)域應用非常廣泛，實(shí)現PCC控制的步進(jìn)電機具有很大的實(shí)用價(jià)值。 2 步進(jìn)電機的控制 步進(jìn)電機的性能對控制系統的設計具有重要的意義，在設計時(shí)需要綜合考慮步進(jìn)電機的步距角、細分數、保持力矩等，使調速系統具有高的可靠性。 在步進(jìn)式PCC調速器中，根據步進(jìn)電機的控制脈沖生成方式，它的控制方式分為直接控制和間接控制兩種方式。前者，由PCC完成脈沖生成和脈沖分配，并輸出與步進(jìn)電機相適應的脈沖，再經(jīng)過(guò)功率放人驅動(dòng)步進(jìn)電機；后者，由PCC完成脈沖生成并輸出步進(jìn)脈沖和方向控制信號，再由硬件或其他裝置（如步進(jìn)電機驅動(dòng)器）實(shí)現脈沖分配和功率放大。采用直接控制方式時(shí)，步進(jìn)電機運動(dòng)頻率由高速任務(wù)組的掃描周期決定，步進(jìn)電機的運動(dòng)頻率愈高，則要求高速任務(wù)組的掃描周期愈短，這樣，占用CPU的時(shí)間就愈長(cháng)；采用間接控制方式時(shí)，其功能由TPU完成，不占用CPU 資源；脈沖分配由步進(jìn)電機驅動(dòng)器完成，且具有更完善和靈活的控制功能（如升降速等）。因此在步進(jìn)式PCC調速器中主要采用間接控制力式。 圖1 示出以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機為例，采用間接控制方式的控制結構。在PCC間接控制方式下，方向控制信號根據控制量增量值的正負確定，輸出脈沖信號經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機驅動(dòng)器完成脈沖的分配，使步進(jìn)電機按照所要求的力向和位移量或角度轉動(dòng)。 圖1 兩相步進(jìn)電機PCC控制電路 步進(jìn)電機選用美國Palker 公司的OEM83 一135 , 驅動(dòng)器選用Palker 公司的OEM750 , PCC模塊選用奧地利B&R公司的POWER PANEL.PP41 ，數字量輸出模塊選用可與TPU 通道相連接的高速輸出模塊DOl35 。PCC通過(guò)數字量輸出模塊輸出步進(jìn)脈沖信號和方向控制信號，送入OEM750 步進(jìn)電機驅動(dòng)器的相應端口， 由OEM750 步進(jìn)電機驅動(dòng)器產(chǎn)生與步進(jìn)電機相適應的驅動(dòng)脈沖驅動(dòng)步進(jìn)電機。在PCC 內部控制步進(jìn)電機的脈沖信號通過(guò)調用TPU功能塊LTXPestXO 產(chǎn)生，該模塊專(zhuān)門(mén)為步進(jìn)電機設計，具有與步進(jìn)電機驅動(dòng)器相適應的兩個(gè)輸出信號，即步進(jìn)脈沖信號和方向電平信號。PCC 輸出的步進(jìn)脈沖信號用于控制步進(jìn)電機的位置和速度。也就是說(shuō)，驅動(dòng)器每接受一個(gè)脈沖就驅動(dòng)步進(jìn)電機旋轉一個(gè)步距角，改變脈沖頻率，則同時(shí)使步進(jìn)電機的轉速改變，控制脈沖的個(gè)數，則可使步進(jìn)電機精確定位，以實(shí)現步進(jìn)電機調速和定位的目的。PCC輸出方向的控制信號用于控制步進(jìn)電機的旋轉方向，此端為高電平時(shí)，電機順時(shí)針旋轉，反之，電機逆時(shí)針旋轉。 2 .1 步進(jìn)電機驅動(dòng)器 OEM75驅動(dòng)器具有分辨率、靜態(tài)鎖定電流、最大驅動(dòng)電流等參數設置以及升降速控制等功能，并具有使用方便、安個(gè)可靠等許多優(yōu)點(diǎn)。 分辨率（步進(jìn)電機運行一圈的步數）的設置可多達16 級，范圍從每圈200 步至每圈508 （ ） 0 步不等，可滿(mǎn)足用戶(hù)的不同要求。設置時(shí)，可通過(guò)對該驅動(dòng)器上的開(kāi)關(guān)2 的2 到5 位進(jìn)行。在PCC調速器中選取每圈步數為1000步，這樣步進(jìn)電機的步距角為0.36度 ，完全滿(mǎn)足了調速系統的要求，同時(shí)由于驅動(dòng)器采用了細分技術(shù)，因此對步進(jìn)電機的低頻震顫也起到了很好的阻尼作用，增強了系統的穩定性和可靠性。 步進(jìn)電機在靜止狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)鎖定電流有4 種不同的電流等級可供選擇。由于PCC 調速器中的鎖定力矩較小，故選取靜態(tài)鎖定電流為最大驅動(dòng)電流的25 % ，以降低步進(jìn)電機溫升并延長(cháng)其壽命。 為使電機能有最大力矩又不引起電機的振蕩和噪音，在PCC調速器中將最大驅動(dòng)電流設置為7.5A , 供電電壓為24v 。電流環(huán)增益按下式計算： Ki= 364 000 LM／U 式中 LM——-電機電感（H） U——-電源電壓 需注意，當電機需要改變運動(dòng)方向時(shí)，必須使改變方向的控制電平信號至少保持200us。 2 .2 TPU功能塊LTXPestXO模塊 TPU 是PP41 模塊微處理器所具有的一個(gè)時(shí)間處理單元，主要用于外部處理事件計數、門(mén)電平時(shí)間測量、頻率測量、脈寬調制等與時(shí)間有關(guān)的任務(wù)（timing tasks ） ，縮短CPU 模塊為處理這些任務(wù)調用中斷服務(wù)程序所占用的時(shí)間。TPU功能模塊包含TPU操作系統、TPU 配置、完成特定功能的TPU 程序模塊等，應用程序通過(guò)它與TPU通訊傳遞參數和數據，該功能模塊由B&R公司專(zhuān)門(mén)研制的TPU 編碼連接器產(chǎn)生，并在CPU 熱啟動(dòng)（warm start）時(shí)，將自己傳入TPU 的RAM 中，由此接管TPU 讓它完成用戶(hù)特定的功能。 在步進(jìn)電機控制中，主要利用功能模塊LTXPestXO，它與D0135 模塊配合使用，占用2 個(gè)TPU 輸出通道，第一通道為控制步進(jìn)電機轉速的脈沖信號，第二通道為控制步進(jìn)電機力向的信號。它能根據絕對位置或相對位置兩種模式調節步進(jìn)電機。該模塊在循環(huán)任務(wù)中調用。需注意，該模塊只能在程序的一個(gè)地方調用，否則不同程序部分調用同一硬件可能引起沖突。 功能模塊LTXPestXO可對包括步進(jìn)電機起／停時(shí)的最小速度和最大速度、步進(jìn)電機升速時(shí)的加速度和減速時(shí)的加速度、絕對目標位置和相 對目標位置等眾多參數進(jìn)行設置，使得PCC與步進(jìn)電機配合使用非常靈活且功能強大，從而實(shí)現對步進(jìn)電機及驅動(dòng)器的良好控制。 3 應用 目前已有多臺步進(jìn)式PCC調速器已在四川越西鐵馬二級電站、四川飛羅電站等水電站投入運行。經(jīng)對四川越西鐵馬二級電站2 號機組調節系統進(jìn)行全面的靜動(dòng)態(tài)特性試驗，其結果表明，性能指標已滿(mǎn)足或優(yōu)于國標GB/T9652.1一1997的要求，其中主要特性試驗結果：① 調速器轉速死區小于0.04 %；② 甩25%額定負荷，接力器不動(dòng)時(shí)間為0.16s；③ 甩100%額定負荷時(shí)，轉速最大上升為額定轉速的118% ，調節時(shí)間為19s；④ 空載時(shí)擾動(dòng)量取8% ，選若干組參數進(jìn)行試驗比較，當Kp＝1.7 , Kz＝0.32, KD= 1.7 時(shí)比較理想，擾動(dòng)后調節時(shí)間較短，接力器擺動(dòng)一次，且機頻超調小。 4 結束語(yǔ) 將PCC控制步進(jìn)電機用于水輪機調節系統，數十座電站的運行結果表明，其設計合理，運行狀況良好，將步進(jìn)電機用于水輪機調速器中，有效地解決了以往調速器存在可靠性低的問(wèn)題，簡(jiǎn)化了調速器結構并降低了造價(jià)，完全能滿(mǎn)足水輪機調速器動(dòng)靜態(tài)的要求，具有很高的可靠性。 |
