PLC的異步電動機(jī)綜合控制系統(tǒng)設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 PLC的異步電動機(jī)綜合控制系統(tǒng)設(shè)計 1 引言 隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，交流傳動系統(tǒng)的性能突飛猛進(jìn)。交流異步電動機(jī)以其低廉的造價、堅 固的構(gòu)造得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在交流傳動的許多應(yīng)用場合中，均對電機(jī)的調(diào)速性能和定位性能提出 了較高的要求。例如在加工設(shè)備和機(jī)床的主軸伺服系統(tǒng)中，主軸應(yīng)兼?zhèn)渌俣群臀恢每刂频墓δ?；在住宅?區(qū)和高層建筑的恒壓供水系統(tǒng)中，要求電機(jī)有較高的調(diào)速性能；在煉鋼轉(zhuǎn)爐的準(zhǔn)確定位、堆垛機(jī)械的位置 控制系統(tǒng)中，要求電機(jī)有的定位功能。在上述應(yīng)用場合中，異步電動機(jī)以其大功率、高性價比的獨特 優(yōu)勢而占有一席之地，但同時其調(diào)速性能和定位性能卻不甚完美，尚

2、需完善。 本文提出了一種基于可編程控制器（PLC）硬件平臺的異步電動機(jī)綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在沒有增加 硬件投資的情況下集異步電動機(jī)速度控制和位置控制為一體，應(yīng)用模糊控制策略，到達(dá)了一定的控制精度。 2 硬件設(shè)計 異步電動機(jī)綜合控制系統(tǒng)硬件如圖1所示。圖1中，上位計算機(jī)和PLC通過變頻器對異步電動機(jī)開展速 度和位置控制。通過旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖計數(shù)值可以獲得異步電動機(jī)的速度和位置信息。脈沖計數(shù)由PLC完 成，并不斷與上位機(jī)通訊，將計數(shù)值傳送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)PLC傳送過來的脈沖計數(shù)值得到速度和位 置信息，根據(jù)不同的控制策略，得到輸出控制量速度給定值，再傳送給PLC，經(jīng)過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊， 將

3、速度給定值的模擬量送到變頻器的模擬控制端開展控制，形成閉環(huán)控制。 在系統(tǒng)實驗中，異步電動機(jī)采用YZA5*S 三相180W 異步電動機(jī)，額定電壓380 伏，額定頻率50Hz， 額定轉(zhuǎn)速1400r/min，額定電流0.66A；旋轉(zhuǎn)編碼器采用的是E6B2-CWZ6C 型三相旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率為 1000P/R（采用上下計數(shù)方式可達(dá)4000P/R），額定電壓5VDC-5%24VDC+5%，集電極開路輸出；變頻器為西門子公司的MICRO MASTER440；PLC 采用OMRON CQM1H。 在開環(huán)控制工況下，MICRO MASTER440 變頻器可以通過BOP 板或者數(shù)字量輸入端口接收啟動、停 止、

4、正反轉(zhuǎn)等指令控制電機(jī)運行方式，并通過BOP 板、模擬量輸入端口和數(shù)字量輸入端口三種方式接收 速度調(diào)節(jié)指令。此系統(tǒng)實現(xiàn)的是閉環(huán)控制，因此由PLC 的開關(guān)量輸出端口向變頻器的數(shù)字量輸入端口發(fā)布 電機(jī)運行方式的控制指令，同時由PLC A/D 轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口向變頻器的模擬量輸入端口發(fā)布速度調(diào)節(jié) 指令。 CQM1H PLC 提供了一個RS232C 通訊口，用電纜將其與上位計算機(jī)串口相連，即可構(gòu)成一個簡單的 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。上位計算機(jī)實現(xiàn)監(jiān)控功能，包括人機(jī)交互界面的顯示、控制指令和參數(shù)的輸入、復(fù)雜控制算法 的實現(xiàn)、實驗結(jié)果曲線的顯示、數(shù)據(jù)的存儲、打印等功能。上位機(jī)和PLC 之間的通訊采用CQM1H 所要 求

5、的固定格式的通訊協(xié)議。 3 軟件實現(xiàn) 3.1 通訊與監(jiān)控功能的實現(xiàn) 為實現(xiàn) PLC 與上位機(jī)之間的通訊功能，必須分別對PLC 和上位機(jī)開展設(shè)定。在CQM1H 中，需要對 系統(tǒng)存儲區(qū)的相關(guān)字節(jié)開展設(shè)定，確定串行通訊的波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位等通訊幀格式。如將 DM*6 設(shè)定為：波特率9600K、偶校驗、起始位1 位、位長7 位、停止位2 位等。 在上位計算機(jī)中，采用語言編寫程序代碼實現(xiàn)通訊和監(jiān)控功能。這里采用 Visual Basic 語言，該 軟件易于上手，既具有Windows 所特有的優(yōu)良性能和圖形工作環(huán)境，又具有編程的簡易性。在Visual Basic 中有一個專門的串行通訊控件MS

6、Comm 通訊控件，通過該控件可以設(shè)定通訊幀格式，實現(xiàn)通訊功能。 具體設(shè)定步驟如下： MSComm1.CommPort = 1 MSComm1.Settings = 9600,e,7,2 ;設(shè)定通訊幀格式 MSComm1.PortOpen = True ;打開通訊端口 MSComm1.InBufferCount = 0 ;去除接收緩沖區(qū) MSComm1.OutBufferCount = 0 ;去除發(fā)送緩沖區(qū) MSComm1.InputMode=ComInputMode Text ;數(shù)據(jù)以文本形式取回 上位機(jī)對CQM1H 的監(jiān)控方式有兩種。一種是由上位機(jī)向PLC 發(fā)布初始命令，要求PLC 返回相

7、關(guān)運 行數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)該數(shù)據(jù)開展結(jié)果顯示和控制運算，并向PLC 發(fā)布控制指令，直接改變PLC 的數(shù)字量或 模擬量輸出，實現(xiàn)速度和位置控制；另一種是由PLC 主動向上位機(jī)發(fā)送初始命令，提供相關(guān)運行數(shù)據(jù)，上 位機(jī)接收數(shù)據(jù)并根據(jù)該數(shù)據(jù)開展結(jié)果顯示和控制運算等。這里采用前者。 為與 CQM1H 的通訊數(shù)據(jù)格式匹配，上位機(jī)發(fā)送命令的格式如下： 發(fā)送命令必須以打頭，節(jié)點號指出與上位機(jī)通訊的PLC，頭代碼為兩字符命令代碼，正文設(shè)置命令數(shù)據(jù)，F(xiàn)CS 為組檢驗序列，終止符固定設(shè)定為*與。 PLC 的響應(yīng)格式如下： 尾代碼返回完成狀態(tài)（是否有錯誤發(fā)生），正文只有在有數(shù)據(jù)時才返回。當(dāng)數(shù)據(jù)長于131 個字符時， 可分

8、組傳送。PLC 返回的數(shù)據(jù)為ASCII 形式，由于自動參加了、節(jié)點號、FCS、終止符等，需要在上位 機(jī)中編寫相關(guān)的處理程序，在通訊正常的情況下截取所需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容。 3.2 控制算法的實現(xiàn) 上位機(jī)具備強(qiáng)大而快速的運算能力，因而PID 算法、模糊控制算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、遺傳算法等各種控制策略都可以方便地實現(xiàn)。這里主要采用模糊控制算法。 3.2.1 調(diào)速算法 三相異步電動機(jī)模型是一個高階非線性強(qiáng)耦合多變量的模型，開展控制時需要考慮多方面的因素。 例如轉(zhuǎn)子的電壓、頻率、磁通，以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置等參量之間互相影響存在耦合，繞組存在電磁慣性， 轉(zhuǎn)子存在機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)子的電阻值會隨溫度而變化，負(fù)載轉(zhuǎn)

9、矩、轉(zhuǎn)動慣量等有可能出現(xiàn)各種隨機(jī)擾動等。 這些因素的影響給控制帶來了困難，僅采用經(jīng)典的控制方法很難到達(dá)較高的精度要求。而模糊控制算法無 需被控對象的數(shù)學(xué)模型，且對被控對象的參數(shù)變化不敏感，魯棒性強(qiáng)。因此將變頻器和異步電動機(jī)看 作一個整體，采用模糊控制算法實現(xiàn)速度控制。 同時考慮到模糊控制器是一個有誤差控制器，到達(dá)期望速度后的穩(wěn)態(tài)階段波動比較大。而采用PI控制， 當(dāng)誤差較小時有較高的穩(wěn)態(tài)精度。故而把增量式PI控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成模糊-PI復(fù)合控制，以 改善模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能。基于模糊-PI復(fù)合控制的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖2（a）所示，實驗結(jié)果如圖 2（b）所示（給定轉(zhuǎn)速100 r/min，采樣周期T=150ms，轉(zhuǎn)速誤差1.0 r/min）。 基于比例因子自調(diào)整的模糊控制系統(tǒng)如圖 3（a）所示，實驗結(jié)果如圖3（b）所示（電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運 行時定位于0，采樣周期T=150ms，位置誤差0.09，即1 個計數(shù)脈沖的位置間隔）。 4 結(jié)語 一直以來可編程控制器PLC以其較高的可靠性和較強(qiáng)的抗干擾能力在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣 泛的應(yīng)用。本