PMSM伺服电机在高速积放无线控制系统中的应用研究

文/苏军伟

随着微电子技术、功率半导体制造技术、材料技术的发展,，行业应用逐步向智能化、模块化、网络化、应用设备小型化和应用场景大型化方向发展；电商物流行业的快速发展，也对物流装备制造业产品研发提出更高要求。

传统物流BLDC电辊筒输送积放控制在30kg标准件只能做到70m/min速度以下，在大于70m/min速度时采用传统BLDC控制制动方式，由于制动距离相对较远，不能准确停留在传感器模块的位置上，导致不能准确对输送线上货物定位追踪，对高速、高效的货物输送构成应用瓶颈。另外由于传统输送控制采用PLC+I/O模块作为主控单元或采用双驱动（四驱动）控制卡以太网、总线控制方式，相对成本较高，应用复杂，制约行业向更高效、更广阔的应用发展。

本文设计了一种PMSM永磁同步伺服电机，实现高速积放控制、既节约成本，又简单易用；既可作为大型物流输送系统的一个子系统，也可作为一个独立的系统应用，使物流变得更聪明和智慧，为行业应用提供一种技术保障手段。

一、系统特点

与传统电辊筒物流积放控制系统相比，本系统具有以下特点：

1.全自动积放运行：根据积放功能设置，自动识别是否有货，达到货来运行，货走停止，无人化运行。

2.高速积放控制：可实现30kg标准件70m/min～120m/min高速积放控制运行。

3.模块化设计：每个设备既是独立设备，可单独运行；又是网络上的一个节点，实现相互通讯与控制。

4.节约成本：节省PLC主控设备、DI/DO控制模块及外围电气设备材料；节省现场编程及调试人力成本。

5.减少布线：不需要控制线与信号线，现场只需一根电源线，节约材料成本及施工人力成本。

6.保密性强，数据可靠：数据传输采用加密算法、独立专业工业级联网，不随意对外开放端口。

7.节省调试时间：设置参数，一键下载，瞬间完成。

8.升级改造容易：系统网络增减节点容易，只需简单设置，网络数量节点扩展无限制。

9.兼容性强：既是对传统PLC控制物流积放的升级，又保留PLC控制接口。

10.即插即用：维修设备更换简单，不需检查繁琐线路及设置。

二、系统组成

本系统主要由三部分组成：高速制动控制、联网控制、积放控制。

系统硬件架构方面，系统由上位机、协议转换模块及多个驱动单元组成，采用工业无线联网方式链接。

驱动单元由PMSM电机模块，积放控制驱动模块、光电传感器模块、无线通讯模块组成。其组成架构图，如图1。

1.高速制动控制

由于电商以及物流企业日处理货物流量越来越大，对输送线输送要求越来越高；目前国内外输送线输送积放运动控制大都在70m/min以下，已越来越不能满足日益增长的流量输送要求，需要对目前的控制方式进行升级改造。目前存在货物大于30kg，包装较小、速度大于70m/min时，积放输送在河流分拣口，刹车制动位置在电辊筒上制动距离较远（大于300mm），导致货物不能准确停留在光电传感器模块位置上，不能准确对输送线上货物定位追踪，导致控制错误，致使货物堵塞，造成控制系统失灵，制约行业向高速高效发展。如何控制制动距离，是高速积放成功的关键环节。

目前国内外电辊筒输送线采用BLDC电机驱动，刹车模式分为标准刹车（三相MOS管下桥臂打开）、无刹车和伺服刹车模式（三相MOS管上桥臂打开）。几种刹车模式相比较，标准刹车制动力矩较大，距离最近，但不能对位置锁死，货物较重或速度较高时，制动力不足滑行距离较远，因此在高速积放运行时不能满足制动距离要求。

由于我国稀土成本下降，PMSM电机成本大幅下降，PMSM伺服电机得到越来越多的广泛应用，永磁同步电机兼有感应电机和无刷直流机的特点。带有绕组的定子结构在电机气隙中产生正弦磁通密度，在相同额定值下，永磁同步电机的功率密度高于感应电机，因为它无需消耗定子功率用于产生磁场。永磁同步电机减少了体积、重量和转动惯量，刹车力矩增大，另外由于电机控制技术的发展，PMSM伺服电机由于自身的低转速大扭矩、噪音低、速度位置控制精确度高等优势，获得较广的应用。伺服电机由于有三闭环PID算法，在位置控制方面具有独到优势。增大制动力克服货物惯性导致的刹车距离远，是高速积放控制的优先选择。

PMSM电机模块在PMSM永磁电机的基础上，增加光编或磁编码器传感器，作为位置或速度传感器采样反馈点，如图2，PMSM电机模块通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，通过AB光栅信号相位确定转动方向，MCU控制器采集传感器AB信号，PMSM电机模块由电流环、速度环、位置环闭环系统组成，将输出的信号通过传感器反馈到输入端，以达到位置控制、速度可调，力矩可控的目的；在三环控制电流、速度、位置控制中，其回路采用PID控制器算法，负反馈PID调节系统，电流环PID最内环，此环完全在伺服驱动器内部运行，通过检测传感器给PMSM电机模块的各相输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流与设定电流接近，电流环控制转矩，动态响应最快。速度环检测电机编码器信号进行负反馈PID调节，它的内环PID输出就是电流环设定，所以在速度控制的同时也在进行电流的控制，以达到对速度的控制。位置PID，它是最外环，可以在驱动器和编码器构建，动态响应最慢，是在速度PID环外设定，此时系统运算量最大，如图3。根据外部反馈及偏移，适时予以修正，以实际改善速度值、位置值、以及力矩大小，动态改变速度、转动角度偏移问题。

面对高速制动问题所遇到的问题，PMSM电机模块采用PMSM永磁同步伺服电机的三环控制方式，在电辊筒输送线上货物触发光电传感器模块发信号给PMSM电机模块，控制PMSM电机模块立即减速制动，由于在加不小于30kg负载高速运行下进行刹车制动，货物的惯性及反电动势的冲击给制动距离和系统稳定造成影响，所以要求既要消除惯性和反电动势干扰，又要使系统平稳快速刹车，普通控制方式难以实现，PMSM电机模块根据反向电动势的大小进行PID调节，通过理论模型运算,设置合理的P、I、D参数,可使系统在变速信号输入下完全消除位置跟踪的稳态误差, 减少中间传动过程中的反电动势，应用PID算法，动态增加反向制动力矩，高速运行的PMSM电机模块接到信号后立即进行减速运行一周，使高速PMSM电机模块降到某一速度值，立即采用能量刹车模式对PMSM电机模块制动，如图4。控制VDCCON端，使MOS管导通，反电动势电流通过VIN+泄放电阻、MOS管到VIN-端释放，减小反电动势冲击，再运用位置PID算法，对位置锁死，既减少惯性又消除大的反电动势；既增加了整个系统的定位精度，又使货物中心刚好停止在光电传感器模块的位置上；满足高速积放运行控制要求。

图5： 点对多点模式

图7： 点对点模式

2.联网控制

（1）目前工业应用几种积放控制联网方式比较：

①PLC或PAC控制器：国内大多采用I/O或总线MODBUS TCP/MODBUS RTU通信控制方式。欧美采用Profinet或Profibus总线方式通讯.。控制功能强大，但PLC或PAC+I/O及通讯模块不菲的价格以及大量的编程、调试等工作，成本较高。

②总线控制方式：采用CAN总线或RS485控制方式，CAN总线在汽车电子普遍应用，采用多主多从的控制方式，每个驱动单元或节点，可根据网络节点的优先级发送或接收。多采用CANOPEN通讯协议进行数据通信。降低速率最高可达1.2km;但是控制逻辑及协议较复杂。另外RS485通讯，多采用MODBUS RTU/ASCII数据通讯格式，采用轮询的方式，确定货物所在位置，在实际使用中，输送线较短；在传输距离远或输送速率较高时，由于查询时间较长，而不能准确确定货物位置；不能精准控制，造成程序失控。

③以太网 或WIFI控制：以太网方式，大多使用Client-Sever架构，采用双网口通信方式，国内采用TCP/IP或MODBUS TCP协议居多，欧美采用Profinet居多，采用以太网通讯主控MCU需带MAC控制器，增加PHY的芯片及数据交换芯片.相对成本较高。WIFI控制方式，是基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术搭建，一条输送线几百米至几千米等，现场需要多个无线路由做网络覆盖。由于现场货物输送控制实时性较高，网络延时导致控制误差以及WIFI密码易被破解，造成安全隐患。

综上所述：以上几种方式，各有利弊。

系统硬件方案：系统由上位机、协议转换模块、驱动单元以无线通讯的方式相连，构成整个输送积放控制系统，数据传输采用加密算法，提高系统的安全性，保证稳定可靠运行。

无线通讯采用一种全新的工业无线通信方式。由于无线通讯国家划分几个不同的频段，采用调频收发机31MHZ～470MHz免费使用频段，采用5db增益天线，信号穿墙能力强、满足自动化物流输送要求，由于输送系统设备间距离相对较近，不会对周围或被周围设备产生影响。

（2）应用策略

根据每个应用场景，货物的大小、轻重，传输分拣的速度要求不同，系统要设定驱动单元PMSM伺服电机模块的不同运行速度、运行方向，启动力矩、停止时间、刹车方式等。所以首先需要对整个系统初始化（采用点对多点模式）；初始化完成，根据输送线积放控制要求运行（采用点对点模式）。具体实现如下：

①系统初始化设置：采用点对多点模式，如图5，当模块A的地址设置为0XFFFF时，无线模块A处于广播监听状态，发送的数据可以被具有相同速率和信道的其它模块接收。同时，可监听相同速率和信道上的所有模块（地址不同）发送过来的数据。现场实际应用系统设置示意图，如图6，由上位机软件设定系统各驱动单元PMSM电机模块统一的速度，转动方向、启停时间、过压、欠压、过流报警参数等。由协议转换模块和现场驱动单元以点对多点模式通讯；上位机通过USB与协议转换模块相连，协议转换器地址设置为0XFFFF，协议转换模块主要完成上位机参数指令转换为各驱动模块的初始化参数并以广播方式传输到各驱动单元，各模块接收到命令参数自动存储，设置为驱动单元自己的运行参数。

②系统运行模式：采用点对点模式定向传输，如图7，无线模块A发送数据时修改地址和信道，可以把数据发送到指定的任意地址和信道，但要求发送和接收的速率相同。按照输送积放控制要求，驱动单元模块之间需要相互通信，根据货物在传感器模块上的位置实现相互控制，控制彼此驱动单元的PMSM伺服电机启动与停止，实现货来运行、货走停止的自动化连续不间断的运行方式，系统运行示意图，如图8。

3.积放控制

实现了驱动单元之间的相互通讯与控制，根据积放控制逻辑实现单件释放模式和连续释放模式：

（1）单件释放模式：实现单一货物一件一件从上游向下游传递，当上游驱动单元的传感器模块探测到有物体时，通知下游驱动单元PMSM电机模块运行，逐级向下游驱动单元通知启动；当驱动单元其上传感器模块上无货物时，驱动单元延时一定时间后停止转动；当下游出现堵塞时，下游驱动单元逐级通知上游驱动单元，逐级停止。当下游堵塞移除后，下游驱动单元逐级通知上游启动运行，如图9；达到货物自动化从上游到下游输送，货来输送、货走停止的高效、节能的智能物流系统。

（2）连续释放模式：首先下游末端驱动单元根据输送积放要求PMSM电机模块停止运行，上游货物到来时逐件进行堆积，使每件货物停留在各驱动单元的传感器模块的位置上，示意如图10；当输送线堆积满时，上游顶端驱动单元发出货物堆积完成信号给下游末端驱动单元，当下游河流无货物时，下游末端驱动单元自己启动运行的同时发出运行信号给相邻的驱动单元，相邻的驱动单元收到信号后启动同时向其上游相邻驱动单元发出运行信号；逐级向上游传递；整个输送线所有驱动单元运行；达到智能避障、一起运行，提高输送效率。

三、结束语

本系统不仅解决了目前制约物流自动化高速积放运行控制的瓶颈，也为物流积放运行控制提供了一种低成本控制方式。经过测试能够稳定运行，满足物流输送的需要；不仅适用电商物流自动化，也适用机场、码头、工厂自动化等标准件输送要求，未来使用前景广阔，可更好地为国民经济服务。