PLC和變頻器的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

許琴

（江蘇省鹽城技師學(xué)院，江蘇鹽城，224000）

0 引言

對(duì)于大型的設(shè)備來(lái)說(shuō)，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(dòng)力。現(xiàn)今，因?yàn)樵谑褂肞LC和變頻器時(shí)信號(hào)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(kāi)始應(yīng)用它們。

1 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行分析

1.1 閉環(huán)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)的控制系統(tǒng)是由下面三個(gè)組成的，電機(jī)、變頻器、PLC。首先對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)置輸入，讓PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制，在通過(guò)變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，最后電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以對(duì)PLC進(jìn)行反饋，在進(jìn)行比較后輸出到變頻器，可以完成無(wú)靜差調(diào)速。PLC以及光電編碼器可以實(shí)現(xiàn)速度的測(cè)量。使用S7-200采集速度信號(hào)，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(jì)數(shù)器一共是6個(gè)，在進(jìn)行脈沖差值采集時(shí)，是在固定的時(shí)間間隔內(nèi)的，當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)計(jì)算就可以得出了，所謂的閉環(huán)控制，就是PLC接受速度信號(hào)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(duì)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(jì)

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(dòng)機(jī)電力變換，提供調(diào)節(jié)的電壓和電頻電源，稱(chēng)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(shí)，使用的就是整流器。

（2）因?yàn)楫惒诫姍C(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(dòng)機(jī)是在發(fā)電的狀態(tài)，還是電動(dòng)的狀態(tài)，起始的功率在因數(shù)方面不會(huì)是1。所以，在電動(dòng)機(jī)和中間直流的環(huán)節(jié)，總會(huì)出現(xiàn)交換無(wú)功功率的情況，在直流環(huán)節(jié)進(jìn)行儲(chǔ)能的元件（電感器、電容器）可以對(duì)無(wú)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(chǔ)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(duì)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(gè)半導(dǎo)體形式的開(kāi)關(guān)器件共同組成了逆變器，逆變器電路是三相橋式的，對(duì)逆變器中主要的開(kāi)關(guān)進(jìn)行有規(guī)律的斷開(kāi)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(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)、輸出電路、輸入的控制信號(hào)、檢測(cè)電路等共同構(gòu)成了控制回路。其主要是用來(lái)對(duì)逆變器開(kāi)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(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例系數(shù)、微分時(shí)間、積分時(shí)間的確定，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性進(jìn)行改善，讓系統(tǒng)在過(guò)渡的時(shí)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(jì)算進(jìn)行確定的。

此次測(cè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，要將微分、積分、比例全部投入到使用中，在多次的對(duì)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(shí)候，積分的時(shí)間是0.15，微分的時(shí)間是0.01，系統(tǒng)的控制效果是比較滿(mǎn)意的。表1是輸出的情況。

表1 閉環(huán)系統(tǒng)輸出情況

在這個(gè)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(duì)這個(gè)控制系統(tǒng)加入一個(gè)階躍響應(yīng)的時(shí)候，出現(xiàn)的效果如圖1所示。

圖1 效果圖

在這個(gè)圖中我們可以看出的是，在輸入階躍信號(hào)到電機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)候，在進(jìn)行階躍響應(yīng)曲線(xiàn)輸出的時(shí)候，其過(guò)渡的是很平穩(wěn)的，沒(méi)有超出過(guò)調(diào)量，曲線(xiàn)在波動(dòng)方面也不大，具有很好的穩(wěn)定性，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)是有效果的。

3 變頻器在多電機(jī)時(shí)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(dòng)機(jī)在磁通方面不變化的情況下，對(duì)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(jiǎn)單的組成結(jié)構(gòu)，但是因?yàn)槭褂玫目刂品绞绞情_(kāi)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(shí)，就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，對(duì)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(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、在機(jī)械特性方面具有較好的硬度，對(duì)于平滑調(diào)速的需求一般是可以進(jìn)行滿(mǎn)足的，目前來(lái)說(shuō)，已經(jīng)有很多領(lǐng)域使用這個(gè)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(dòng)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(chǎng)定向（按轉(zhuǎn)子）對(duì)它們變換旋轉(zhuǎn)，達(dá)到Im1、It1的相等效果。通過(guò)這種方式對(duì)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(duì)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(dòng)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(chǎng)這兩個(gè)分量，通過(guò)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(chǎng)和轉(zhuǎn)矩這兩個(gè)分量，通過(guò)交換坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)正交或者解耦控制。但是還是會(huì)有一些問(wèn)題，譬如，很難對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行準(zhǔn)確的觀(guān)測(cè)，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(duì)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(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(shí)候，還需要結(jié)合預(yù)期的轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就可以得到的相對(duì)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(lái)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(shí)，或者負(fù)載發(fā)生變化的時(shí)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(duì)矢量控制出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了解決，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，使其簡(jiǎn)潔，有效的對(duì)動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行了保障。目前來(lái)說(shuō)，在交流傳動(dòng)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(dòng)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(lái)說(shuō)，省略了很多的復(fù)雜的計(jì)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?yàn)榻怦疃?jiǎn)單化的數(shù)學(xué)模型。

5 結(jié)語(yǔ)

PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)在很大程度上促進(jìn)了我國(guó)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(guò)程，提高控制效果。然而，在未來(lái)的發(fā)展中，有必要結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的要求，積極優(yōu)化和研究PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)。