伺服电机机械张力智能控制系统探析

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摘要：由于传统系统对伺服电机机械张力控制所消耗的时间较长，为此提出基于PLC的伺服电机机械张力智能控制系统设计。在硬件方面对PLC可编程逻辑控制器和电压数据采集卡进行了选型设计，在软件方面利用大数据聚类技术实现对伺服电机机械张力控制信号拟合，并通过制定模糊控制规则执行系统控制指令，以此完成基于PLC的伺服电机机械张力智能控制系统设计。经实验证明，设计系统耗时少于传统系统。

关键词：PLC；伺服电机；机械张力

引言

伺服电机是一种用于控制机械元件转动的发动机，同时也是一种补助动力装置间接变速的变速装置，伺服电机由于具有精准度高、转速快等优点，已经被广泛应用于多个领域中，尤其是在复合材料制作加工领域中。复合材料制作加工过程中由于原材料的特殊性，需要利用伺服电机通过在轴线上施加一些阻力和摩擦力，带动机械转动，但是在这一过程中机械带动纱团开卷和收卷的作用力会反向给伺服电机带来一个阻力矩，从而使伺服电机产生一个机械张力，这个机械张力如果不能够得到有效控制，将会影响到伺服电机的运行情况。因此伺服电机在运行过程中需要采取一些手段控制其机械张力，以此保证伺服电机的有效运行。针对伺服电机机械张力的控制问题，相关领域也得到了一些较好的研究成果，目前采取的常见方法就是利用智能控制系统控制伺服电机机械张力，大部分控制系统通过控制伺服电机的电流和电压允许参数，从而实现对其机械张力的控制，但是这种系统存在控制精度较低的问题。后来相关研究学者提出通过构建时变非线性动力学模型来控制伺服电机的机械张力，该系统虽然精度有所提高，但是在实际应用中控制系统会随着机械张力的增加，系统的耗时时间也会随之增加，由此可以看出目前传统系统已经无法满足伺服电机机械张力的控制需求，为此提出基于PLC的伺服电机机械张力智能控制系统设计。

1智能控制系统硬件设计

1.1PLC可编程逻辑控制器选型设计

在对伺服电机机械张力智能控制系统的设计过程中，考虑到伺服电机机械张力控制的复杂性，以及伺服电机运行过程中会受到多种因素影响，使得信号干扰较大问题，此次通过引进PLC可编程逻辑控制器的方式，实现伺服电机机械张力智能控制系统的控制功能[1]。对PLC可编程逻辑控制器当中，包含中央处理器、存储器和I/O系统等部件需要进行选型。综合不同型号PLC可编程逻辑控制器的应用效果，本文选用BNKKLS-99DA1980型号PLC可编程逻辑控制器作为系统的主要控制装置，该型号PLC可编程逻辑控制器当中含有一个10V、260mA直流电源，可为系统外部连接的少量传感设备提供充足的电源，例如系统电源开关、传感器等硬件设备[2]。对于本文系统当中存在的部分执行机构，其直流电源供电需要额外设置[3]。同时，BNKKLS-99DA1980型号PLC可编程逻辑控制器当中包含52路模拟量，属于中型控制器，系统用户能够根据不同的控制要求，对52路模拟量进行选择和组合，同时与对应指令控制接口连接，实现对多种不同运行动作的执行。BNKKLS-99DA1980型号PLC可编程逻辑控制器输入输出点各32个，属于继电器输出类型，其程序容量可达到32K/步，包含基础指令15条，其余均为功能指令。通过硬件接口将PLC可编程逻辑控制器安装部署在伺服电机两侧，用于并执系统控制指令。

1.2电压数据采集卡选型设计

电压数据采集卡的作用是用于收集到伺服电机允许过程中电压数据，将采集到的电压数据整合到PLC可编程逻辑控制器机端，其是搭建数据采集与伺服电机机械张力智能控制系统的基础。根据伺服电机机械张力控制需求，本文选用SHJDF-S2F54S型号多功能电压数据采集卡，该电压数据采集卡能够同时兼顾伺服电机机械张力测量值输入和系统控制信号输出两个功能，其数据采集能力和稳定性较好，并且SHJDF-S2F54S型号多功能电压数据采集卡能够为系统提供25AI、13AO、24DIO以及5个16位计数器和定时器，其中以AO作为数据模拟量输出，以AI作为数据模拟量输入，以DIO作为输入与输出可支配的数字量。[4]此外SHJDF-S2F54S型号多功能电压数据采集卡总线类型为PCI，模拟输入的分辨率为15.5bits，共有6通道和9通道两种，在对电压数据采集过程中具有较高的采集效率。

2智能控制系统软件设计

2.1伺服电机机械张力控制信号拟合

为实现伺服电机机械张力智能控制系统对伺服电机的各项操作指令的远程控制，首先需要对伺服电机机械张力控制信号进行拟合。伺服电机机械张力控制信号的拟合采用大数据聚类技术，对伺服电机中传动控制数据进行优化聚类。根据伺服电机运行需要，构建伺服电机机械张力控制信号分布式结构模型。根据模糊控制理论，完成系统对伺服电机机械张力智能控制[5]。假设伺服电机机械张力控制数据集合为，数据聚类空间为。当伺服电机机械张力控制数据集合的聚类信道拟合因子数值为零时，则应当满足如下公式：γγwγ=21+exp-m·sgnγwγ.（1）公式（1）中，γwγγ表示为聚类信道拟合因子；m表示为伺服电机在运行过程中控制系统发出的机械张力迭代控制次数[6]。根据模糊控制理论和机械张力控制的拟合思想，将系统控制数据按照如下公式（2）的方式进行机械张力控制信号拟合：Xeγ，fγ=Σei，fiγγ-ei+E，fiΣγ+FγΣ2.（2）公式（2）中：Xeγ，fγ表示为系统控制机械张力数据特征点函数；E和F表示为伺服电机运行过程中某一横轴方向的机械张力数据和对应的阻力矩；ei表示为最大机械张力，fi表示为最小机械张力差值；p表示伺服电机产生的最大阻力矩，q表示伺服电机产生的最小阻力矩。根据上述公式（2）完成对伺服电机机械张力控制信号的拟合处理，方便后续伺服电机机械张力模糊控制规则的制定。

2.2制定伺服电机机械张力模糊控制规则

在伺服电机机械张力控制信号拟合的基础上，制定模糊控制规则，模糊控制规则是一种能够模仿人类思维的控制技术，根据模糊控制规则实现系统对伺服电机机械张力智能控制，其控制过程如图1所示。在模糊控制规则中制定了K1、K2、K3三个输出变量，划分了三个模糊子集，其偏差的实际论域为[-3，3]，输出的比例因子根据伺服电机机械张力实际值进行调整，根据该规则实现伺服电机机械张力智能化控制，以此完成了基于PLC的伺服电机机械张力控制系统设计。

3实验论证分析

实验以某伺服电机为实验对象，该伺服电机功率为1500W，采用的是增量式编码器类型，轴型为划键轴型，V90系列高惯量伺服电机，实验利用此次设计系统与传统系统对该伺服电机机械张力进行控制。实验令该伺服电机始终处于运行状态，在运行过程中不断提高伺服电机的机械张力，机械张力的增长范围设定为50~100N，在伺服电机机械张力设定的情况下，两个系统对其进行控制，将机械张力控制在30N以下，实验利用MJI软件计算出两个系统对控制伺服电机机械张力的耗时时间，实验将其作为实验结果，对两个系统的控制耗时情况进行对比分析，实验结果如表1所示。从表1可以看出，随着伺服电机机械张力的增长，设计系统对机械张力控制所消耗的时间变化不大，且耗时较短，而传统系统随着伺服电机机械张力的提高，其控制所消耗的时间也随之提高，并且耗时远远高于设计系统，因此实验证明了基于PLC的伺服电机机械张力控制系统具有良好的实用性。

4结语

本文在传统控制系统基础上，融合了PLC可编程逻辑控制器，提出了一套基于PLC的伺服电机机械张力控制系统，并利用实验论证了此次研究具有一定的有效性。此次研究内容对伺服电机机械张力控制具有良好的借鉴意义，为伺服电机机械张力智能控制系统的设计与开发提供了良好的理论依据，对提高伺服电机机械张力智能控制系统控制精度，降低控制系统耗时时间，保证伺服电机稳定运行具有重要的现实意义。

参考文献

[1]陈星旭，胡明，马维东.模糊非线性积分滑模张力控制系统的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2020（3）：103-105；110.

[2]陈宏博，杜向党，汪旭海.基于恒张力控制的小型波浪补偿装置的设计与实现[J].机械与电子，2020（3）：35-38.

[3]王永敢，陈灵，李怀.Simulink仿真中PID参数对直流伺服电机驱动性能的影响[J].焦作大学学报，2019（4）：60-62.

[4]徐坤，朱灯林，梅志千，等.非对称液压缸伺服泵控系统控制模型及其参数辨识研究[J].机电工程，2019（5）：524-528.

[5]林君焕，林海波.基于粒子群优化算法的多线切割机恒张力免疫反馈控制仿真研究[J].系统仿真技术，2020（2）：85-89.

[6]李世超，曹如月，季宇寒，等.基于不同电机的拖拉机自动导航转向控制系统性能对比[J].农业机械学报，2019（SUPPLE1）：40-49.

作者:张瑞林 单位:驻马店职业技术学院