PMSM伺服電機在高速積放無線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

文/蘇軍偉

隨著微電子技術(shù)、功率半導(dǎo)體制造技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展,，行業(yè)應(yīng)用逐步向智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、應(yīng)用設(shè)備小型化和應(yīng)用場景大型化方向發(fā)展；電商物流行業(yè)的快速發(fā)展，也對物流裝備制造業(yè)產(chǎn)品研發(fā)提出更高要求。

傳統(tǒng)物流BLDC電輥筒輸送積放控制在30kg標準件只能做到70m/min速度以下，在大于70m/min速度時采用傳統(tǒng)BLDC控制制動方式，由于制動距離相對較遠，不能準確停留在傳感器模塊的位置上，導(dǎo)致不能準確對輸送線上貨物定位追蹤，對高速、高效的貨物輸送構(gòu)成應(yīng)用瓶頸。另外由于傳統(tǒng)輸送控制采用PLC+I/O模塊作為主控單元或采用雙驅(qū)動（四驅(qū)動）控制卡以太網(wǎng)、總線控制方式，相對成本較高，應(yīng)用復(fù)雜，制約行業(yè)向更高效、更廣闊的應(yīng)用發(fā)展。

本文設(shè)計了一種PMSM永磁同步伺服電機，實現(xiàn)高速積放控制、既節(jié)約成本，又簡單易用；既可作為大型物流輸送系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，也可作為一個獨立的系統(tǒng)應(yīng)用，使物流變得更聰明和智慧，為行業(yè)應(yīng)用提供一種技術(shù)保障手段。

一、系統(tǒng)特點

與傳統(tǒng)電輥筒物流積放控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下特點：

1.全自動積放運行：根據(jù)積放功能設(shè)置，自動識別是否有貨，達到貨來運行，貨走停止，無人化運行。

2.高速積放控制：可實現(xiàn)30kg標準件70m/min～120m/min高速積放控制運行。

3.模塊化設(shè)計：每個設(shè)備既是獨立設(shè)備，可單獨運行；又是網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點，實現(xiàn)相互通訊與控制。

4.節(jié)約成本：節(jié)省PLC主控設(shè)備、DI/DO控制模塊及外圍電氣設(shè)備材料；節(jié)省現(xiàn)場編程及調(diào)試人力成本。

5.減少布線：不需要控制線與信號線，現(xiàn)場只需一根電源線，節(jié)約材料成本及施工人力成本。

6.保密性強，數(shù)據(jù)可靠：數(shù)據(jù)傳輸采用加密算法、獨立專業(yè)工業(yè)級聯(lián)網(wǎng)，不隨意對外開放端口。

7.節(jié)省調(diào)試時間：設(shè)置參數(shù)，一鍵下載，瞬間完成。

8.升級改造容易：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)增減節(jié)點容易，只需簡單設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)數(shù)量節(jié)點擴展無限制。

9.兼容性強：既是對傳統(tǒng)PLC控制物流積放的升級，又保留PLC控制接口。

10.即插即用：維修設(shè)備更換簡單，不需檢查繁瑣線路及設(shè)置。

二、系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由三部分組成：高速制動控制、聯(lián)網(wǎng)控制、積放控制。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)方面，系統(tǒng)由上位機、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊及多個驅(qū)動單元組成，采用工業(yè)無線聯(lián)網(wǎng)方式鏈接。

驅(qū)動單元由PMSM電機模塊，積放控制驅(qū)動模塊、光電傳感器模塊、無線通訊模塊組成。其組成架構(gòu)圖，如圖1。

1.高速制動控制

由于電商以及物流企業(yè)日處理貨物流量越來越大，對輸送線輸送要求越來越高；目前國內(nèi)外輸送線輸送積放運動控制大都在70m/min以下，已越來越不能滿足日益增長的流量輸送要求，需要對目前的控制方式進行升級改造。目前存在貨物大于30kg，包裝較小、速度大于70m/min時，積放輸送在河流分揀口，剎車制動位置在電輥筒上制動距離較遠（大于300mm），導(dǎo)致貨物不能準確停留在光電傳感器模塊位置上，不能準確對輸送線上貨物定位追蹤，導(dǎo)致控制錯誤，致使貨物堵塞，造成控制系統(tǒng)失靈，制約行業(yè)向高速高效發(fā)展。如何控制制動距離，是高速積放成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前國內(nèi)外電輥筒輸送線采用BLDC電機驅(qū)動，剎車模式分為標準剎車（三相MOS管下橋臂打開）、無剎車和伺服剎車模式（三相MOS管上橋臂打開）。幾種剎車模式相比較，標準剎車制動力矩較大，距離最近，但不能對位置鎖死，貨物較重或速度較高時，制動力不足滑行距離較遠，因此在高速積放運行時不能滿足制動距離要求。

由于我國稀土成本下降，PMSM電機成本大幅下降，PMSM伺服電機得到越來越多的廣泛應(yīng)用，永磁同步電機兼有感應(yīng)電機和無刷直流機的特點。帶有繞組的定子結(jié)構(gòu)在電機氣隙中產(chǎn)生正弦磁通密度，在相同額定值下，永磁同步電機的功率密度高于感應(yīng)電機，因為它無需消耗定子功率用于產(chǎn)生磁場。永磁同步電機減少了體積、重量和轉(zhuǎn)動慣量，剎車力矩增大，另外由于電機控制技術(shù)的發(fā)展，PMSM伺服電機由于自身的低轉(zhuǎn)速大扭矩、噪音低、速度位置控制精確度高等優(yōu)勢，獲得較廣的應(yīng)用。伺服電機由于有三閉環(huán)PID算法，在位置控制方面具有獨到優(yōu)勢。增大制動力克服貨物慣性導(dǎo)致的剎車距離遠，是高速積放控制的優(yōu)先選擇。

PMSM電機模塊在PMSM永磁電機的基礎(chǔ)上，增加光編或磁編碼器傳感器，作為位置或速度傳感器采樣反饋點，如圖2，PMSM電機模塊通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，通過AB光柵信號相位確定轉(zhuǎn)動方向，MCU控制器采集傳感器AB信號，PMSM電機模塊由電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)組成，將輸出的信號通過傳感器反饋到輸入端，以達到位置控制、速度可調(diào)，力矩可控的目的；在三環(huán)控制電流、速度、位置控制中，其回路采用PID控制器算法，負反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流環(huán)PID最內(nèi)環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)部運行，通過檢測傳感器給PMSM電機模塊的各相輸出電流，負反饋給電流的設(shè)定進行PID調(diào)節(jié)，從而達到輸出電流與設(shè)定電流接近，電流環(huán)控制轉(zhuǎn)矩，動態(tài)響應(yīng)最快。速度環(huán)檢測電機編碼器信號進行負反饋PID調(diào)節(jié)，它的內(nèi)環(huán)PID輸出就是電流環(huán)設(shè)定，所以在速度控制的同時也在進行電流的控制，以達到對速度的控制。位置PID，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和編碼器構(gòu)建，動態(tài)響應(yīng)最慢，是在速度PID環(huán)外設(shè)定，此時系統(tǒng)運算量最大，如圖3。根據(jù)外部反饋及偏移，適時予以修正，以實際改善速度值、位置值、以及力矩大小，動態(tài)改變速度、轉(zhuǎn)動角度偏移問題。

面對高速制動問題所遇到的問題，PMSM電機模塊采用PMSM永磁同步伺服電機的三環(huán)控制方式，在電輥筒輸送線上貨物觸發(fā)光電傳感器模塊發(fā)信號給PMSM電機模塊，控制PMSM電機模塊立即減速制動，由于在加不小于30kg負載高速運行下進行剎車制動，貨物的慣性及反電動勢的沖擊給制動距離和系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響，所以要求既要消除慣性和反電動勢干擾，又要使系統(tǒng)平穩(wěn)快速剎車，普通控制方式難以實現(xiàn)，PMSM電機模塊根據(jù)反向電動勢的大小進行PID調(diào)節(jié)，通過理論模型運算,設(shè)置合理的P、I、D參數(shù),可使系統(tǒng)在變速信號輸入下完全消除位置跟蹤的穩(wěn)態(tài)誤差, 減少中間傳動過程中的反電動勢，應(yīng)用PID算法，動態(tài)增加反向制動力矩，高速運行的PMSM電機模塊接到信號后立即進行減速運行一周，使高速PMSM電機模塊降到某一速度值，立即采用能量剎車模式對PMSM電機模塊制動，如圖4?？刂芕DCCON端，使MOS管導(dǎo)通，反電動勢電流通過VIN+泄放電阻、MOS管到VIN-端釋放，減小反電動勢沖擊，再運用位置PID算法，對位置鎖死，既減少慣性又消除大的反電動勢；既增加了整個系統(tǒng)的定位精度，又使貨物中心剛好停止在光電傳感器模塊的位置上；滿足高速積放運行控制要求。

圖5： 點對多點模式

圖7： 點對點模式

2.聯(lián)網(wǎng)控制

（1）目前工業(yè)應(yīng)用幾種積放控制聯(lián)網(wǎng)方式比較：

①PLC或PAC控制器：國內(nèi)大多采用I/O或總線MODBUS TCP/MODBUS RTU通信控制方式。歐美采用Profinet或Profibus總線方式通訊.。控制功能強大，但PLC或PAC+I/O及通訊模塊不菲的價格以及大量的編程、調(diào)試等工作，成本較高。

②總線控制方式：采用CAN總線或RS485控制方式，CAN總線在汽車電子普遍應(yīng)用，采用多主多從的控制方式，每個驅(qū)動單元或節(jié)點，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的優(yōu)先級發(fā)送或接收。多采用CANOPEN通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。降低速率最高可達1.2km;但是控制邏輯及協(xié)議較復(fù)雜。另外RS485通訊，多采用MODBUS RTU/ASCII數(shù)據(jù)通訊格式，采用輪詢的方式，確定貨物所在位置，在實際使用中，輸送線較短；在傳輸距離遠或輸送速率較高時，由于查詢時間較長，而不能準確確定貨物位置；不能精準控制，造成程序失控。

③以太網(wǎng) 或WIFI控制：以太網(wǎng)方式，大多使用Client-Sever架構(gòu)，采用雙網(wǎng)口通信方式，國內(nèi)采用TCP/IP或MODBUS TCP協(xié)議居多，歐美采用Profinet居多，采用以太網(wǎng)通訊主控MCU需帶MAC控制器，增加PHY的芯片及數(shù)據(jù)交換芯片.相對成本較高。WIFI控制方式，是基于IEEE 802.11標準的無線局域網(wǎng)技術(shù)搭建，一條輸送線幾百米至幾千米等，現(xiàn)場需要多個無線路由做網(wǎng)絡(luò)覆蓋。由于現(xiàn)場貨物輸送控制實時性較高，網(wǎng)絡(luò)延時導(dǎo)致控制誤差以及WIFI密碼易被破解，造成安全隱患。

綜上所述：以上幾種方式，各有利弊。

系統(tǒng)硬件方案：系統(tǒng)由上位機、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動單元以無線通訊的方式相連，構(gòu)成整個輸送積放控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸采用加密算法，提高系統(tǒng)的安全性，保證穩(wěn)定可靠運行。

無線通訊采用一種全新的工業(yè)無線通信方式。由于無線通訊國家劃分幾個不同的頻段，采用調(diào)頻收發(fā)機31MHZ～470MHz免費使用頻段，采用5db增益天線，信號穿墻能力強、滿足自動化物流輸送要求，由于輸送系統(tǒng)設(shè)備間距離相對較近，不會對周圍或被周圍設(shè)備產(chǎn)生影響。

（2）應(yīng)用策略

根據(jù)每個應(yīng)用場景，貨物的大小、輕重，傳輸分揀的速度要求不同，系統(tǒng)要設(shè)定驅(qū)動單元PMSM伺服電機模塊的不同運行速度、運行方向，啟動力矩、停止時間、剎車方式等。所以首先需要對整個系統(tǒng)初始化（采用點對多點模式）；初始化完成，根據(jù)輸送線積放控制要求運行（采用點對點模式）。具體實現(xiàn)如下：

①系統(tǒng)初始化設(shè)置：采用點對多點模式，如圖5，當(dāng)模塊A的地址設(shè)置為0XFFFF時，無線模塊A處于廣播監(jiān)聽狀態(tài)，發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被具有相同速率和信道的其它模塊接收。同時，可監(jiān)聽相同速率和信道上的所有模塊（地址不同）發(fā)送過來的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場實際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)置示意圖，如圖6，由上位機軟件設(shè)定系統(tǒng)各驅(qū)動單元PMSM電機模塊統(tǒng)一的速度，轉(zhuǎn)動方向、啟停時間、過壓、欠壓、過流報警參數(shù)等。由協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和現(xiàn)場驅(qū)動單元以點對多點模式通訊；上位機通過USB與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊相連，協(xié)議轉(zhuǎn)換器地址設(shè)置為0XFFFF，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要完成上位機參數(shù)指令轉(zhuǎn)換為各驅(qū)動模塊的初始化參數(shù)并以廣播方式傳輸?shù)礁黩?qū)動單元，各模塊接收到命令參數(shù)自動存儲，設(shè)置為驅(qū)動單元自己的運行參數(shù)。

②系統(tǒng)運行模式：采用點對點模式定向傳輸，如圖7，無線模塊A發(fā)送數(shù)據(jù)時修改地址和信道，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的任意地址和信道，但要求發(fā)送和接收的速率相同。按照輸送積放控制要求，驅(qū)動單元模塊之間需要相互通信，根據(jù)貨物在傳感器模塊上的位置實現(xiàn)相互控制，控制彼此驅(qū)動單元的PMSM伺服電機啟動與停止，實現(xiàn)貨來運行、貨走停止的自動化連續(xù)不間斷的運行方式，系統(tǒng)運行示意圖，如圖8。

3.積放控制

實現(xiàn)了驅(qū)動單元之間的相互通訊與控制，根據(jù)積放控制邏輯實現(xiàn)單件釋放模式和連續(xù)釋放模式：

（1）單件釋放模式：實現(xiàn)單一貨物一件一件從上游向下游傳遞，當(dāng)上游驅(qū)動單元的傳感器模塊探測到有物體時，通知下游驅(qū)動單元PMSM電機模塊運行，逐級向下游驅(qū)動單元通知啟動；當(dāng)驅(qū)動單元其上傳感器模塊上無貨物時，驅(qū)動單元延時一定時間后停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)下游出現(xiàn)堵塞時，下游驅(qū)動單元逐級通知上游驅(qū)動單元，逐級停止。當(dāng)下游堵塞移除后，下游驅(qū)動單元逐級通知上游啟動運行，如圖9；達到貨物自動化從上游到下游輸送，貨來輸送、貨走停止的高效、節(jié)能的智能物流系統(tǒng)。

（2）連續(xù)釋放模式：首先下游末端驅(qū)動單元根據(jù)輸送積放要求PMSM電機模塊停止運行，上游貨物到來時逐件進行堆積，使每件貨物停留在各驅(qū)動單元的傳感器模塊的位置上，示意如圖10；當(dāng)輸送線堆積滿時，上游頂端驅(qū)動單元發(fā)出貨物堆積完成信號給下游末端驅(qū)動單元，當(dāng)下游河流無貨物時，下游末端驅(qū)動單元自己啟動運行的同時發(fā)出運行信號給相鄰的驅(qū)動單元，相鄰的驅(qū)動單元收到信號后啟動同時向其上游相鄰驅(qū)動單元發(fā)出運行信號；逐級向上游傳遞；整個輸送線所有驅(qū)動單元運行；達到智能避障、一起運行，提高輸送效率。

三、結(jié)束語

本系統(tǒng)不僅解決了目前制約物流自動化高速積放運行控制的瓶頸，也為物流積放運行控制提供了一種低成本控制方式。經(jīng)過測試能夠穩(wěn)定運行，滿足物流輸送的需要；不僅適用電商物流自動化，也適用機場、碼頭、工廠自動化等標準件輸送要求，未來使用前景廣闊，可更好地為國民經(jīng)濟服務(wù)。