摘要：本次設(shè)計(jì)基于可編程控制器（PLC）硬件平臺(tái)的異步電動(dòng)機(jī)綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器（PLC）來控制變頻器，最終實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。并通過HMI面板直觀的顯示出來。具體設(shè)計(jì)是P、I調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。經(jīng)過多次參數(shù)設(shè)定比較后，系統(tǒng)能得到比較滿意的控制效果，最大超調(diào)只有兩度多，穩(wěn)定后能保持在±10r/ｓ以內(nèi)。負(fù)載改變后轉(zhuǎn)速可以很快的達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；速度控制；PLC；PID

前言

變頻器(Variable-frequencyDrive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。變頻器的用途：通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。采用變頻器一是可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動(dòng)化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。用戶根據(jù)自己的實(shí)際工藝要求和運(yùn)用場(chǎng)合選擇不同類型的變頻器。在調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的優(yōu)點(diǎn)是：一、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍大。通過控制器的控制，變頻器的輸出頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流小、動(dòng)負(fù)荷小、調(diào)速平滑而無沖擊。二、調(diào)速精度高。電動(dòng)機(jī)在自然特性上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的外特性硬，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小。三、動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。可使提升機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速過程的時(shí)間降至最少，具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。四、易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的換向，當(dāng)頻率降低至零后即可反向開車，采用控制器改變相序即可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，因此可在四象限內(nèi)平滑的過渡。五、節(jié)電效果顯著。變頻調(diào)速比轉(zhuǎn)子回路串接電阻的調(diào)速方法節(jié)約電能20%~40%。本次設(shè)計(jì)采用的是西門子MM420變頻器。

可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是繼續(xù)計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動(dòng)裝置。它具有抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)樸，易學(xué)易用等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域中被廣泛地使用。

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性能突飛猛進(jìn)。交流異步電動(dòng)機(jī)以其低廉的造價(jià)、堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在交流傳動(dòng)的許多應(yīng)用場(chǎng)合中，均對(duì)電機(jī)的調(diào)速性能和定位性能提出了較高的要求。異步電動(dòng)機(jī)以其大功率、高性價(jià)比的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而占有一席之地，但同時(shí)其調(diào)速性能和定位性能卻不甚完美，尚需完善。本次實(shí)驗(yàn)基于可編程控制器（PLC）硬件平臺(tái)的異步電動(dòng)機(jī)綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器（PLC）來控制變頻器，最終實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。并通過HMI面板直觀的顯示出來。

1、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制電壓直接控制電機(jī)觸發(fā)電路。但系統(tǒng)靜特性差，在轉(zhuǎn)矩變化的情況下轉(zhuǎn)速變化很大。閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是調(diào)速性能好，系統(tǒng)特性曲線較硬，轉(zhuǎn)矩變化對(duì)系統(tǒng)速度擾動(dòng)幾乎不記。在許多工業(yè)場(chǎng)合，需要電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨給定轉(zhuǎn)速，因此采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)就是基于PLC的變頻器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機(jī)。首先通過設(shè)置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經(jīng)由變頻器來控制電機(jī)，隨后將電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖：

PID控制器結(jié)構(gòu)圖：

PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)過程控制中不可替代的主要技術(shù)之一。PID控制分為三個(gè)環(huán)節(jié)，分別是比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)。

比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減小偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)時(shí)間；但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至消除誤差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)；反之積分作用就越弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器是最常用的調(diào)節(jié)器。

微分調(diào)節(jié)作用反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒形成之前，已被積分作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。

變頻調(diào)速原理：異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n可以表示為

式中，n2為同步轉(zhuǎn)速，Δn1為轉(zhuǎn)差損失的轉(zhuǎn)速，p為磁極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為電源的頻率。可見，改變電源頻率就可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

頻率的下降會(huì)導(dǎo)致磁通的增加，造成磁路飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱。顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時(shí)還要降壓。這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。此外，在許多場(chǎng)合，為了保持在調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，亦需要維持磁通不變，這亦由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速，簡(jiǎn)稱變頻調(diào)速。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及控制器（MCU／DSP）等部分組成。

2、硬件接線

系統(tǒng)接線圖：

電機(jī)機(jī)組為異步電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)同軸相連，對(duì)于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，定子繞組為△型接法，需將A-Z、B-X、C-Y分別短接，他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)由實(shí)驗(yàn)臺(tái)DC220V電源進(jìn)行勵(lì)磁，電樞繞組串接實(shí)驗(yàn)臺(tái)0-1000歐可變電阻。

3、軟件設(shè)計(jì)

3.1觸摸屏組態(tài)畫面

3.2PID向?qū)?/strong>

1、指定回路號(hào)碼：指定配置哪一個(gè)PID回路。如果項(xiàng)目包含使用STEP7Micro/WIN3.2版建立的現(xiàn)有PID配置，必須在繼續(xù)執(zhí)行步驟1之前選擇編輯其中一個(gè)現(xiàn)有配置或建立一個(gè)新配置。

2、設(shè)置回路參數(shù)：回路給定是為向?qū)傻淖映绦蛱峁┑囊粋€(gè)參數(shù)。指定回路給定(SP)應(yīng)當(dāng)如何標(biāo)定。為“范圍低限”和“范圍高限”選擇任何實(shí)數(shù)；指定下列回路參數(shù)：比例增益、采樣時(shí)間、積分時(shí)間、微分時(shí)間。

3、回路輸入和輸出選項(xiàng)：回路過程變量（PV）是您為向?qū)傻淖映绦蛑付ǖ囊粋€(gè)參數(shù)。指定回路過程變量（PV）應(yīng)當(dāng)如何標(biāo)定?？梢赃x擇：?jiǎn)螛O性(0至32000)、雙極性(-32000至32000)、20%偏移量(6400至32000，不可變更)。在環(huán)路設(shè)定值(SP)的下限必須對(duì)應(yīng)于過程變量(PV)的下限，環(huán)路設(shè)定值的上限必須對(duì)應(yīng)于過程變量的上限，以便PID算法能正確按比例縮放。本次設(shè)計(jì)計(jì)算的上限值為23040。

4、為計(jì)算指定存儲(chǔ)區(qū)：PID指令使用V存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)36個(gè)字節(jié)的參數(shù)表，存儲(chǔ)用于控制回路操作的參數(shù)。PID計(jì)算還要求一個(gè)“暫存區(qū)”，用于存儲(chǔ)臨時(shí)結(jié)果。需要指定該計(jì)算區(qū)開始的V存儲(chǔ)區(qū)字節(jié)地址。一般選擇建議地址就行。

5、指定初始化子程序和中斷程序：如果項(xiàng)目中包含一個(gè)激活PID配置，已經(jīng)建立的中斷程序名被設(shè)為只讀。因?yàn)轫?xiàng)目中的所有配置共享一個(gè)公用中斷程序，項(xiàng)目中增加的任何新配置不得改變公用中斷程序的名稱。向?qū)槌跏蓟映绦蚝椭袛喑绦蛑付四J(rèn)名稱?？梢跃庉嬆J(rèn)名稱。

6、生成代碼該屏幕顯示PID向?qū)傻腜OU列表，并對(duì)如何把它們集成進(jìn)用戶程序作出簡(jiǎn)要說明。

7、經(jīng)過以上PID向?qū)渲茫c(diǎn)擊“完成”，S7-200指令向?qū)橹付ǖ呐渲蒙沙绦虼a和數(shù)據(jù)塊代碼。由向?qū)Ы⒌淖映绦蚝椭袛喑绦虺蔀轫?xiàng)目的一部分。要在程序中使能該配置，每次掃描周期時(shí)，使用SM0.0從主程序塊調(diào)用該子程序。該代碼配置PID0。該子程序初始化PID控制邏輯使用的變量，并啟動(dòng)PID中斷“PID_EXE”程序。根據(jù)PID采樣時(shí)間循環(huán)調(diào)用PID中斷程序。

通過PID向?qū)Х椒ǖ拇a如下：

3.3PID指令

主程序：

4、結(jié)論

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)際的轉(zhuǎn)速和經(jīng)過計(jì)算的當(dāng)前轉(zhuǎn)速有比較大的差值，需要把回路輸入選項(xiàng)中的范圍高限改成自己計(jì)算的準(zhǔn)確值，以及在計(jì)算比例時(shí)碼盤的輸出最大電壓測(cè)出來帶入程序中去就可以保證輸出和顯示同步了。再通過PID調(diào)節(jié)控制面板調(diào)節(jié)P、I參數(shù)時(shí)，可以先通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后用手動(dòng)調(diào)節(jié)微調(diào)。

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