談PLC和變頻器電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

呂家樂 范金偉

摘 要：在工業(yè)發(fā)展的過程中，繼電器控制技術(shù)已經(jīng)跟不上發(fā)展的腳步了，發(fā)展已經(jīng)逐漸趨于電機(jī)變頻控制技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中，PLC和變頻器的電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了企業(yè)運(yùn)行的基本要求，本文主要論述了PLC和變頻器的電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計研究。

關(guān)鍵詞：PLC;變頻器;電機(jī)控制系統(tǒng);研究

引言

對于大型的設(shè)備來說，變頻調(diào)速能夠有效的提升它們的效率，使用變頻器可以有效的節(jié)省能源，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，節(jié)省勞動力?，F(xiàn)今，因為在使用PLC和變頻器時信號抗干擾的能力強(qiáng)、成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以很多工業(yè)領(lǐng)域開始應(yīng)用它們。

1對系統(tǒng)設(shè)計的功能進(jìn)行分析

1.1閉環(huán)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

電機(jī)的控制系統(tǒng)是由下面三個組成的，電機(jī)、變頻器、PLC。首先對PLC進(jìn)行設(shè)置輸入，讓PLC對變頻器進(jìn)行控制，在通過變頻器對電機(jī)進(jìn)行控制，最后電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以對PLC進(jìn)行反饋，在進(jìn)行比較后輸出到變頻器，可以完成無靜差調(diào)速。PLC以及光電編碼器可以實(shí)現(xiàn)速度的測量。使用S7-200采集速度信號，其采集的功能是高速脈沖的，在采集的頻率上面可以實(shí)現(xiàn)30KHZ，擁有的高速計數(shù)器一共是6個，在進(jìn)行脈沖差值采集時，是在固定的時間間隔內(nèi)的，當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過計算就可以得出了，所謂的閉環(huán)控制，就是PLC接受速度信號的反饋，與給定量進(jìn)行比較，輸出數(shù)據(jù)給到PID控制的部分，從而對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的目標(biāo)。

1.2變頻調(diào)速的系統(tǒng)設(shè)計

控制回路和主電路共同組成了通常使用的變頻器。為異步電動機(jī)電力變換，提供調(diào)節(jié)的電壓和電頻電源，稱之為主電路。主電路包含逆變器、中間直流的環(huán)節(jié)、整流器。（1）在將工頻電源轉(zhuǎn)換為直流電源時，使用的就是整流器。（2）因為異步電機(jī)是逆變器的負(fù)載，這是感性負(fù)載范圍內(nèi)的，所以不管電動機(jī)是在發(fā)電的狀態(tài)，還是電動的狀態(tài)，起始的功率在因數(shù)方面不會是1。所以，在電動機(jī)和中間直流的環(huán)節(jié)，總會出現(xiàn)交換無功功率的情況，在直流環(huán)節(jié)進(jìn)行儲能的元件（電感器、電容器）可以對無功能量進(jìn)行緩沖，所以，中間的直流環(huán)節(jié)其實(shí)就是在中間進(jìn)行儲能的環(huán)節(jié)[3]。（3）逆變器的作用是與整流器相反的，逆變器是對直流功率進(jìn)行交流功率的轉(zhuǎn)化，達(dá)到需要的頻率。6個半導(dǎo)體形式的開關(guān)器件共同組成了逆變器，逆變器電路是三相橋式的，對逆變器中主要的開關(guān)進(jìn)行有規(guī)律的斷開和導(dǎo)通控制，其輸出的頻率可以是任意的，呈現(xiàn)出三相交流的波形[4]。（4）制動電路、驅(qū)動開關(guān)、輸出電路、輸入的控制信號、檢測電路等共同構(gòu)成了控制回路。其主要是用來對逆變器開關(guān)進(jìn)行控制的，控制整流器電壓，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的任務(wù)。控制的方式有數(shù)字控制或者模擬控制。

2控制系統(tǒng)的調(diào)試分析

整定PID參數(shù)的方法是對調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例系數(shù)、微分時間、積分時間的確定，對系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性進(jìn)行改善，讓系統(tǒng)在過渡的時候，可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量指標(biāo)的要求。一般情況下是使用理論計算進(jìn)行確定的。此次測試是PID控制速度，呈現(xiàn)出在速度上的滯后性比較嚴(yán)重，所以，一般在讓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行增強(qiáng)時，要將微分、積分、比例全部投入到使用中，在多次的對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和比較后，在比例系數(shù)設(shè)定為10的時候，積分的時間是0.15，微分的時間是0.01，系統(tǒng)的控制效果是比較滿意的。表1是輸出的情況。在這個表中可以看出，系統(tǒng)在10秒左右到達(dá)額定的轉(zhuǎn)速，之后在額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的運(yùn)行。在對這個控制系統(tǒng)加入一個階躍響應(yīng)的時候，出現(xiàn)的效果如圖1所示。在這個圖中我們可以看出的是，在輸入階躍信號到電機(jī)控制系統(tǒng)的時候，在進(jìn)行階躍響應(yīng)曲線輸出的時候，其過渡的是很平穩(wěn)的，沒有超出過調(diào)量，曲線在波動方面也不大，具有很好的穩(wěn)定性，所以這個實(shí)驗是有效果的。

3變頻器在多電機(jī)時的控制方式

3.1正弦脈寬調(diào)制的控制方式

使用這種控制方式，主要是為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩-速度這一特性，讓電動機(jī)在磁通方面不變化的情況下，對電源進(jìn)行頻率的改變，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。一般使用的變頻器就是使用正弦脈寬調(diào)制的控制方式，實(shí)際上這種變頻器具有非常簡單的組成結(jié)構(gòu)，但是因為使用的控制方式是開環(huán)的，所以在不能很好的完成控制的要求，在低頻的狀態(tài)時，就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，對低頻轉(zhuǎn)矩進(jìn)行特性方面的更改?？刂品绞降奶攸c(diǎn)主要表現(xiàn)是：低成本的控制電路、比較簡單的結(jié)構(gòu)、在機(jī)械特性方面具有較好的硬度，對于平滑調(diào)速的需求一般是可以進(jìn)行滿足的，目前來說，已經(jīng)有很多領(lǐng)域使用這個控制方式了。

3.2矢量控制法

所謂的矢量控制，就是將異步電動機(jī)的定子交流電流在三相坐標(biāo)下，Ia、Ib、Ic、之間實(shí)行三相到二相的轉(zhuǎn)換，把交流電流是在兩相靜止坐標(biāo)系下的Ia1和Ib1的效果進(jìn)行相等，然后在使用磁場定向（按轉(zhuǎn)子）對它們變換旋轉(zhuǎn)，達(dá)到Im1、It1的相等效果。通過這種方式對直流電機(jī)進(jìn)行控制方式的模仿，在直流電機(jī)方面，實(shí)現(xiàn)控制量，與其對應(yīng)的坐標(biāo)，進(jìn)行反交換，可以有效的實(shí)現(xiàn)控制異步電動機(jī)。使用這種控制的方式，實(shí)際上就是將直流電機(jī)與交流電機(jī)的效果相等，分別控制其中速度和磁場這兩個分量，通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，讓轉(zhuǎn)子磁鏈變成定向，分解定子電流，最后可以收獲磁場和轉(zhuǎn)矩這兩個分量，通過交換坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)正交或者解耦控制。但是還是會有一些問題，譬如，很難對轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行準(zhǔn)確的觀測，而且矢量變換是比較復(fù)雜的，實(shí)際的效果可能達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。雖然提出了矢量控制的方法，但是結(jié)合實(shí)際情況，還是存在很多影響，使得實(shí)際的結(jié)果與理想的結(jié)果存在差距。

3.3轉(zhuǎn)差頻率的控制方式

這種方式是對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，是在正弦脈寬調(diào)制控制方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合異步電動機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速的電源頻率，在進(jìn)行變頻器輸出頻率調(diào)節(jié)的時候，還需要結(jié)合預(yù)期的轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)就可以得到的相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩輸出，使用這樣的控制方式，需要將速度感應(yīng)器安裝到控制系統(tǒng)中，在實(shí)際的操作中，可能需要進(jìn)行電流反饋，以此來控制電流頻率和電流，這種方法就是閉環(huán)的控制方式，讓變頻器可以保持穩(wěn)定性，并且在出現(xiàn)急速的減速、加速時，或者負(fù)載發(fā)生變化的時候，都可以進(jìn)行良好的響應(yīng)。

3.4直接轉(zhuǎn)矩控制

使用這種控制方式，對矢量控制出現(xiàn)的問題進(jìn)行了解決，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，使其簡潔，有效的對動靜態(tài)性能進(jìn)行了保障。目前來說，在交流傳動功率比較大的方面已經(jīng)廣泛的使用了直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是控制電動機(jī)的磁鏈的轉(zhuǎn)矩，其并不要求直流電機(jī)與交流電機(jī)擁有相等的效果，相比矢量控制來說，省略了很多的復(fù)雜的計算步驟，也不需要模仿直流電機(jī)的控制方式，也就省略了因為解耦而簡單化的數(shù)學(xué)模型。

結(jié)語

PLC自動控制系統(tǒng)在很大程度上促進(jìn)了我國工業(yè)的發(fā)展。它具有一系列優(yōu)點(diǎn)，能有效地優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高控制效果。然而，在未來的發(fā)展中，有必要結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)過程的要求，積極優(yōu)化和研究PLC自動控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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1. 華晨寶馬汽車有限公司，遼寧 沈陽 110000;2.中國有色（沈陽）冶金機(jī)械有限公司，遼寧 沈陽 110000）