基于PLC的交流異步電機轉速閉環控制系統設計

楊古榮

摘 要：本設計主要以可編程控制器（PLC）為運算終端即控制機構，以直流測速電機和觸摸屏為信號輸入和命令輸入機構，以變頻器為執行機構，從而控制三相異步電機為達到轉速恒定的目的

關鍵詞：PLC；交流異步電機；轉速閉環

可編程控制器（PLC）是一種工業控制計算機，是繼續計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學易用等特點，在工業領域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業控制的各個領域中被廣泛地使用。

交流異步電動機是一種將電能轉化為機械能的電力拖動裝置。它主要由定子、轉子和它們之間的氣隙構成。對定子繞組通往三相交流電源后，產生旋轉磁場并切割轉子，獲得轉矩。三相交流異步電動機具有結構簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強及使用、安裝、維護方便等優點，被廣泛應用于各個領域。

變頻調速已被公認為是最理想、最有發展前景的調速方式之一，采用變頻器構成變頻調速傳動系統的主要目的，一是為了滿足提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環境等要求；二是為了節約能源、降低生產成本。用戶根據自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。

圖1 閉環系統結構框圖

工作原理：一個單閉環反饋控制系統。給定與反饋回來的偏差輸入控制器，經過控制器PID運算在輸出給執行器，執行器輸出給被控對象，被控對象輸出一個值，這個值會反復變化接近給定。

PID控制器：控制器為PLC，PID為PLC中的一個模塊。在模塊中只要將給定和反饋量設定好，其輸出結果就是PID運算后的結果。當然采樣時間，KP，TI，TD，需要自己設定。具體的設定值要根據機器的不同來確定。

變頻調速原理：被控對象是一個交流異步鼠籠電機，根據交流異步電機的特性，其轉速與供電三相電源的頻率有關，有公式理想轉速。因此可以通過變頻器改變供電電源的頻率對轉速進行調節。

設計中主要接線就是PLC與變頻器，變頻器與負載電機，以及測速電機和PLC之間的接線，其中為了能實現電機正反轉，選取PLC的Q0.0和Q0.1作為正反轉的信號輸出端，電機的轉速用PLC的模擬量輸出端口給變頻器傳送數值，PLC主要用模擬量輸入模塊采集測速電機發出的數據。

圖2 閉環系統硬件接線圖

為更直觀的反饋和現實電機調速的整個過程，此設計還增加了一個用于人際互動的交互式觸摸屏結合組態軟件從而更好的控制電機和反饋相關參數。

最左邊是認為輸入數據，設定電機轉速，電機設定速度與實際轉速均采用柱狀圖形式顯示，這樣更直觀明了，同時可以做一個對比，上面四個按鈕用于控制電機的正轉，反轉，停止和退出控制，其中由于電機速度永遠大于零，所以為了區分電機正反轉，在電機反轉是采用反轉按鈕閃爍來標明電機反轉狀態，按鈕下方是電機轉速趨勢圖，這樣工作中可直觀看出電機轉速變化情況，最下方是用于監測電機運行時間。

外圍接線，屏幕設計工作后最重要的是編寫PLC主控制程序部分程序

網絡1和網絡2用于控制電機正反轉和停止（Q0.0正轉，Q0.1反轉），網絡3用于電機轉速標幺化，網絡4用于反饋轉速值，網絡5為PID程序的調用，網絡6和網絡7用于實際轉速在人機界面上顯示，網絡8和網絡9用于計算系統運行時間并在人機界面上顯示，PLC程序設計完成后還有一個重要任務是PID參數，設置確定比列系數Kp時：首先去掉PID的積分項和微分項，輸入設定系數允許輸出最大的60%-70%，比列系數由Kp由0開始逐漸增大，直至系統出現震蕩，再反過來，直至系統震蕩消失。記錄此時的比例系數Kp，設定的比例系數為當前值的60%-70%。設定一個較大的積分時間常數，然后逐漸減小Ti直至出現震蕩，然后在反過來逐漸增大積分時間常數，直至系統振蕩消失。記錄此時的Ti。微分時間常數設為0。

設計說明：由于最后一個要求顯示系統運行時間，只是在測試時使用，所以就只用了一個計數器（C9）和特殊功能寄存器（SM0.5）結合，所以最大計時時間只是32767S，如果在工業中應用，應使用多個計數器擴展構成長定時電路。由于控制要求簡單，只是實現轉速閉環，而沒有電流閉環和一些其他要求。所以直接調用了PLC內部的PID模塊，建立一個PID向導，這個模塊的主要工作是根據測得的反饋電壓，調節比列系數Kp，積分時間Ti，微分時間Td參數，還有一種方法建立子程序，參照PID回路表中各個參數的地址偏移量設置各項參數，在主程序中調用。