基于PLC的交流电机速度控制系统设计

摘要：本次设计基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统。该系统通过可编程逻辑控制器（PLC）来控制变频器，最终实现异步电动机转速的闭环控制。并通过HMI面板直观的显示出来。具体设计是P、I调节电机转速。经过多次参数设定比较后，系统能得到比较满意的控制效果，最大超调只有两度多，稳定后能保持在±10r/ｓ以内。负载改变后转速可以很快的达到给定转速。

关键词：异步电机；速度控制；PLC；PID

前言

变频器(Variable-frequencyDrive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率来控制交流电动机的电力控制设备。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器的用途：通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。采用变频器一是可以提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在调速系统中变频器的优点是：一、调速平滑、调速范围大。通过控制器的控制，变频器的输出频率可以连续调节，实现无级调速，使电动机起动电流小、动负荷小、调速平滑而无冲击。二、调速精度高。电动机在自然特性上运转时的外特性硬，转速随负载变化小。三、动态品质好。可使提升机的起动、制动、反转和调速过程的时间降至最少，具有良好的动态品质。四、易实现电动机的换向，当频率降低至零后即可反向开车，采用控制器改变相序即可实现反转，因此可在四象限内平滑的过渡。五、节电效果显著。变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能20%~40%。本次设计采用的是西门子MM420变频器。

可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

随着变频调速技术的不断发展，交流传动系统的性能突飞猛进。交流异步电动机以其低廉的造价、坚固的结构得到了越来越广泛的应用。在交流传动的许多应用场合中，均对电机的调速性能和定位性能提出了较高的要求。异步电动机以其大功率、高性价比的独特优势而占有一席之地，但同时其调速性能和定位性能却不甚完美，尚需完善。本次实验基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统。该系统通过可编程逻辑控制器（PLC）来控制变频器，最终实现异步电动机转速的闭环控制。并通过HMI面板直观的显示出来。

1、系统硬件结构框图

对于控制电机转速，开环系统结构简单，控制电压直接控制电机触发电路。但系统静特性差，在转矩变化的情况下转速变化很大。闭环系统结构复杂，但是调速性能好，系统特性曲线较硬，转矩变化对系统速度扰动几乎不记。在许多工业场合，需要电机转速能够很好地跟随给定转速，因此采用闭环控制系统。本次设计就是基于PLC的变频器实现转速闭环调速系统。

系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。

闭环调速系统的硬件结构框图：

PID控制器结构图：

PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业过程控制中不可替代的主要技术之一。PID控制分为三个环节，分别是比例环节、积分环节、微分环节。

比例调节作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减小偏差。比例作用大，可以加快调节时间；但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至消除误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强；反之积分作用就越弱。加入积分调节可使系统的动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。PI调节器是最常用的调节器。

微分调节作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没形成之前，已被积分作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调和调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。

变频调速原理：异步电机的转速n可以表示为

式中，n2为同步转速，Δn1为转差损失的转速，p为磁极对数，s为转差率，f为电源的频率。可见，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。

频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变，亦需要维持磁通不变，这亦由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速，简称变频调速。实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。

2、硬件接线

系统接线图：

电机机组为异步电动机和直流发电机同轴相连，对于鼠笼式异步电动机，定子绕组为△型接法，需将A-Z、B-X、C-Y分别短接，他励直流发电机由实验台DC220V电源进行励磁，电枢绕组串接实验台0-1000欧可变电阻。

3、软件设计

3.1触摸屏组态画面

3.2PID向导

1、指定回路号码：指定配置哪一个PID回路。如果项目包含使用STEP7Micro/WIN3.2版建立的现有PID配置，必须在继续执行步骤1之前选择编辑其中一个现有配置或建立一个新配置。

2、设置回路参数：回路给定是为向导生成的子程序提供的一个参数。指定回路给定(SP)应当如何标定。为“范围低限”和“范围高限”选择任何实数；指定下列回路参数：比例增益、采样时间、积分时间、微分时间。

3、回路输入和输出选项：回路过程变量（PV）是您为向导生成的子程序指定的一个参数。指定回路过程变量（PV）应当如何标定。可以选择：单极性(0至32000)、双极性(-32000至32000)、20%偏移量(6400至32000，不可变更)。在环路设定值(SP)的下限必须对应于过程变量(PV)的下限，环路设定值的上限必须对应于过程变量的上限，以便PID算法能正确按比例缩放。本次设计计算的上限值为23040。

4、为计算指定存储区：PID指令使用V存储区中的一个36个字节的参数表，存储用于控制回路操作的参数。PID计算还要求一个“暂存区”，用于存储临时结果。需要指定该计算区开始的V存储区字节地址。一般选择建议地址就行。

5、指定初始化子程序和中断程序：如果项目中包含一个激活PID配置，已经建立的中断程序名被设为只读。因为项目中的所有配置共享一个公用中断程序，项目中增加的任何新配置不得改变公用中断程序的名称。向导为初始化子程序和中断程序指定了默认名称。可以编辑默认名称。

6、生成代码该屏幕显示PID向导生成的POU列表，并对如何把它们集成进用户程序作出简要说明。

7、经过以上PID向导配置，点击“完成”，S7-200指令向导将为指定的配置生成程序代码和数据块代码。由向导建立的子程序和中断程序成为项目的一部分。要在程序中使能该配置，每次扫描周期时，使用SM0.0从主程序块调用该子程序。该代码配置PID0。该子程序初始化PID控制逻辑使用的变量，并启动PID中断“PID_EXE”程序。根据PID采样时间循环调用PID中断程序。

通过PID向导方法的代码如下：

3.3PID指令

主程序：

4、结论

在系统运行过程中实际的转速和经过计算的当前转速有比较大的差值，需要把回路输入选项中的范围高限改成自己计算的准确值，以及在计算比例时码盘的输出最大电压测出来带入程序中去就可以保证输出和显示同步了。再通过PID调节控制面板调节P、I参数时，可以先通过自动调节，待系统稳定后用手动调节微调。

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