一種基于PLC 控制變頻器三相電機調速控制系統設計

【文章摘要】

變頻調速具有反應快、穩定高、可控性能好等工業自動化設備生產中所需的基本要求。變頻控制系統的流程復雜，具有實時性，所以系統要求更先進的控制技術和控制理論。

變頻調速控制現在被認為是最現實、最具發展前景的調速控制方式之一。使用變頻器組成變頻調速系統的目的，一是提高設備自動化程度、增加設備生產效率、完善產品質量等要求；二是節能減排、降低企業生產成本。

1 系統功能設計分析

可編程控制器PLC 已成為替換繼電器的新型控制電路裝置，具有簡單可靠，操作簡便、使用靈活、體積不大、壽命長且功能更加強大、變更控制性高，經常用于設備的控制和控制設備的實時數據采集； 數據采集與監視控制技術為軟件平臺，能實時顯示電機轉速，遠程實時控制電機調速，控制界面人性化，使用PLC 對設備進行“智能”化控制。用最普遍的PLC 和變頻器結合實現變壓變頻控制速度、電機的正反轉、加減速和快速制動等。所以，系統具有三個重要部分：核心運算、執行運算和反饋運算。核心運算主要由PLC 來完成； 執行運算為變頻器與電機。

2 系統設計的總體思路

系統有三部分組成，可編程序控制器（PLC）、變頻器和電機。即輸入運行速度給PLC，再經過PLC 運算后控制變頻器，最后實現變頻器控制電機運轉，再將電機的轉速信號通過檢測機構反饋至PLC，經過比較運算后將差值信號輸出至變頻器來實現調速。

結構如下圖所示：

3 PLC 控制器算法及閉環控制設計

3.1 PLC 控制器算法

PLC 的控制器以連續系統控制規律作基礎，將其數字化轉換成離散方式控制方程，以離散方程進行控制系統的程序設計。控制器算法包括3 項，即比例項、積分項和微分項。控制器周期性檢測采集數據信號經離散化后進行核心邏輯運算。具體如下：輸出項＝比例項＋積分項＋微分項。

比例項：實時顯示產生與偏差成比值的調整作用，比例系數越大，所產生的調整作用就越強，控制系統的靜態穩定性就越高，比例系數超差那么控制系統的輸出值變化不穩，可控性降低。

積分項：信號偏差有關，偏差處理結果大于0，plc 控制處理的結果輸出將根據積分作用產生變化，持續到偏差值消失，控制系統置于穩定狀態。得出積分的目的是過濾穩態誤差，提高控制系統精度，由于積分的響應變慢，會帶來系統的不穩定影響，避免單獨使用。積分項數值越大，所產生的穩態效應越強，過濾穩態誤差的速度變慢。

微分項：實時誤差值速度進行調整， 處理過程中產生超前性與預測性的優點。微分項系數增大時，可調整數值相應變少，控制的動態穩定性增強，系數增大，控制系統處理值在逼近穩定的時候趨緩。

大部分控制系統里，只需要用到P、I、D 中的一種或兩種控制類型。比如只要求比例項控制或積分項與微分項控制，利用設置參數對控制回路的控制類型進行選擇。

圖2 PLC 控制系統結構示意圖

3.2 閉環控制原理設計與實現

組成閉環控制系統就是將速度信息反饋給輸入。速度信號的檢測采集通過光電編碼器與PLC 完成。

速度信號的檢測采集：PLC 高速脈沖采集模塊，測速采集共有多個高速計數器。在掃描周期時間間隔內采集脈沖差值，經過計算獲得電機的當前轉速。

閉環控制就是將檢測系統獲取的速度信號反饋給PLC，與輸入的速度設定作比較，再輸出給核心運算、執行運算部分控制器處理，實現調節速度達到速度設定的要求。

4 調試和數據分析

PLC 參數設置就是明確調節器的比例項Tp、積分項Ti 與微分項Td，達到改變控制系統的靜態和動態特性，讓系統達到不錯的質量指標要求。通常通過理論計算確定，存在誤差較大。目前使用普遍的還是工程設定法：比如經驗方法、衰減曲線方法、邊界比例試法。通常不再進行計算和實驗，一般根據以往運行經驗，使用一組經驗參數，再根據顯現的效果不斷地修改設置參數。

一般調試的步驟為“先比例，再積分， 最后微分”。

這次設計是通過PLC 對速度的控制，速度通常會出現比較嚴重的延遲性。普遍為增強控制系統的動態響應速度，比例、積分、微分等項會全部使用。調試過程中以多次調整參數設定后以結果作比較，以設定比例項P 為15，積分項I 為0.1，微分項D 為0.01 時，控制系統的控制效果就比較滿意，最大超調只有20′，連續運轉穩定能保持在+1r/min 的范圍內。

【參考文獻】

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