基于PLC的永磁無刷直流電機調速控制研究

張靖輝

基于PLC的永磁無刷直流電機調速控制研究

張靖輝

PLC是一種可靠性高、抗干擾性強的控制設備，將PLC應用到永磁無刷直流電機中能有效解決轉矩波動干擾的問題，對促進永磁無刷直流電機的革新和發展意義重大。本文將對PLC技術、永磁刷機以及基于PLC的永磁無刷直流電機調速控制技術進行分析、探討。

PLC；永磁無刷直流電機：調速控制

一、PLC技術

（一）PLC概念

PLC（Programmable Controller可編程程序控制器）是一種計算機控制系統，該系統將微處理器作為核心，并把自動控制技術、通信技術和綜合計算技術融入其中，它由硬件和軟件兩部分組成。PLC的硬件選配得根據實際需要進行，其軟件要根據控制要求進行設計。

（二）PLC的組成部分及各組成部分的作用

1．PLC的組成。PLC是一種廣受歡迎的工業控制產品，它主要由以下幾個部分組成：微處理器（CPU）、電源器、存儲器、輸入和輸出部件、編程器、其他外部設備。各個部分的有效組合使得PLC具有可靠、安全等特點。

2．PLC各組成部分的作用。1）中央處理器（CPU）：控制器、運算器和寄存組是中央處理單元的關鍵組成部分，CPU的主要功能在于不斷采集輸入信號，執行用戶輸入的程序代碼，使系統輸出不斷刷新；2）存儲器：PLC的存儲器分為系統存儲器和用戶存儲器兩種，系統存儲器的作用在于存放PLC的系統程序，而用戶存儲器的功能在于存放用戶程序；3）電源器：電源器的作用在于向PLC系統供電，以保證PLC系統的正常運行；4）輸入輸出接口單元：PLC的輸入接口電路用于將按鈕、開關等產生的信號傳輸到CPU，PLC的輸出接口電路主要是將中央處理器向外傳輸的信號變為可以驅動外部執行元件的信號，以此來有效地保護內部電路。基于PLC的永磁無刷直流電機調速控制系統具有控制簡單有效、工作方式自由、定時寬、運行可靠、維護性好等優點。

（三）PLC的工作原理

PLC的控制功能主要通過用戶輸入程序完成，其對用戶程序的執行通過循環掃描進行。在開始工作時，PLC首先會清除輸入和輸出區的內容，然后進行自我診斷，自動檢測中央處理器和輸入、輸出裝置，如果檢測合格，則將開始進行正常工作。掃描過程可以概括為采樣輸入、程序執行和輸出刷新三個步驟。

二、永磁無刷直流電機

永磁無刷電機是一種基于永磁體建立的直流電機，它被廣泛地應用于各種日常電子設備中，如錄音機等。不僅如此，在機電行業和高端電子行業中也有永磁無刷電機的身影。

（一）永磁無刷電機的基本結構

永磁無刷電機與電刷電機不同，它通過把電樞繞組和永磁磁鋼分開，實現了電機的無機械接觸，它實質上就是一個“倒裝式直流電機”。根據下面的框圖（圖1）的顯示，可以對無刷直流電機的工作原理有直觀的了解。

圖1　無刷直流電機原理框圖

（二）永磁無刷電機的優點

與其他電機相比，永磁無刷電機具有效率高、高效區范圍寬、啟動時轉矩大、電流小、功率密度高、控制性好、結構簡單等獨特優勢，其憑借這些優點受到電機行業的青睞。

（三）永磁無刷電機的轉矩波動問題

永磁無刷電機具有效率高、適應性好、控制性能高以及結構簡單等諸多優點，已經取代傳統的有刷直流電機而被廣泛運用。然而，在平滑運行尤其是低速運行的情況下，無刷直流電機經常會出現轉矩波動的問題。

在進行永磁無刷直流電機的應用時，一定要考慮到轉矩波動問題，將PLC技術運用到永磁無刷電機之中，可以有效地解決這一問題。有研究表明，給定一臺電機，如果其反電勢是一定的，要減弱轉矩波動的情況，只需通過定子電流的優化，就可以解決這一問題。

三、基于PLC的永磁無刷直流電機調速控制

（一）調速控制系統的要求

這次主要是對電機進行8段有級調速控制，其具體要求是，不論是按下電機的正轉按鈕還是反轉按鈕，只要電動機正常工作，其運轉速度為10Hz；當按下加速按鈕時，電機按15Hz運行，每按一下，速度都升一級，直到達到50Hz。

將PLC應用到永磁無刷直流電機中，主要是為了解決電機中存在的轉矩波動的問題，因此，維持系統穩定是基于PLC的永磁無刷直流電機調速控制系統的主要要求之一。

（二）系統硬件設計方案

由PLC控制的永磁無刷直流電機系統的硬件包括操控顯示單元和控制主機單元。操控顯示單元主要用于控制信號，控制主機單元由PLC（可編程控制器）、伺服系統變頻器、執行元件（無刷電機）以及反饋元件（光電編碼器）組成。其中PLC（可編程控制器）在控制主機單元里處于核心地位，它的功能在于采集光電編碼器的脈沖信號，根據電機轉動的角度變化，對無刷機的運動進行控制。

（三）控制系統分析與設計

基于PLC的永磁無刷直流電機的控制系統由電流環、速度環和位置環三環組成。整個系統由電流環、位置環和速度環三個環節構成，具有位置調節、速度調節、電流調節和脈寬調節四個調節程序。使用PI調節器進行電流調節和速度調節，雖然其在變頻器內已經集成，但我們仍然可以對其進行調節。在位置環，一般地，我們采用PDF控制器進行控制。系統各部分進行有序配合，在系統運行時，我們可以準確把握系統電流實際值、速度電壓實際值以及位置實際脈沖值，掌握這些數值對我們控制系統運行是十分關鍵的。

（四）控制系統軟件設計1．系統的程序設計圖（圖2）

圖2　系統程序設計圖

2．系統設計程序的指令表。根據梯形圖與系統的硬件連接，可以得到如下表所示的PLC指令表（表1）。

表1　 PLC指令表

永磁無刷電機因其具有的諸多優點而被人們廣泛利用，其轉矩波動問題也將因PLC技術的引入得到有效解決。從上述的系統研究方案和運行結果中，我們可以看出，基于PLC的永磁無刷直流電機可以在解決轉矩波動問題的基礎上，實現了自擾控制，從而可以有效地進行調速控制。由此觀之，將PLC應用到永磁無刷直流電機中是一項十分具有創造力的舉動，勢必會推動整個電機行業的發展。

［1］周鵬.基于PLC的永磁無刷直流電機調速控制［J］.自動化應用，2013（12）.

［2］李春濤.電動汽車用永磁無刷直流電機調速控制器研究［D］.2013.

責任編輯：魏明程

O44

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1671-6531（2015）02-0053-02

張靖輝/鄭州輕工業學院電氣信息工程學院講師（河南鄭州450002），鄭州市電子信息工程學校教師（河南鄭州450007）。