一種基于PLC 控制變頻器三相電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【文章摘要】

變頻調(diào)速具有反應(yīng)快、穩(wěn)定高、可控性能好等工業(yè)自動化設(shè)備生產(chǎn)中所需的基本要求。變頻控制系統(tǒng)的流程復(fù)雜，具有實(shí)時性，所以系統(tǒng)要求更先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論。

變頻調(diào)速控制現(xiàn)在被認(rèn)為是最現(xiàn)實(shí)、最具發(fā)展前景的調(diào)速控制方式之一。使用變頻器組成變頻調(diào)速系統(tǒng)的目的，一是提高設(shè)備自動化程度、增加設(shè)備生產(chǎn)效率、完善產(chǎn)品質(zhì)量等要求；二是節(jié)能減排、降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)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(qiáng)大、變更控制性高，經(jīng)常用于設(shè)備的控制和控制設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制技術(shù)為軟件平臺，能實(shí)時顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，遠(yuǎn)程實(shí)時控制電機(jī)調(diào)速，控制界面人性化，使用PLC 對設(shè)備進(jìn)行“智能”化控制。用最普遍的PLC 和變頻器結(jié)合實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制速度、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速和快速制動等。所以，系統(tǒng)具有三個重要部分：核心運(yùn)算、執(zhí)行運(yùn)算和反饋運(yùn)算。核心運(yùn)算主要由PLC 來完成； 執(zhí)行運(yùn)算為變頻器與電機(jī)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路

系統(tǒng)有三部分組成，可編程序控制器（PLC）、變頻器和電機(jī)。即輸入運(yùn)行速度給PLC，再經(jīng)過PLC 運(yùn)算后控制變頻器，最后實(shí)現(xiàn)變頻器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號通過檢測機(jī)構(gòu)反饋至PLC，經(jīng)過比較運(yùn)算后將差值信號輸出至變頻器來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3 PLC 控制器算法及閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制器算法

PLC 的控制器以連續(xù)系統(tǒng)控制規(guī)律作基礎(chǔ)，將其數(shù)字化轉(zhuǎn)換成離散方式控制方程，以離散方程進(jìn)行控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。控制器算法包括3 項(xiàng)，即比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。控制器周期性檢測采集數(shù)據(jù)信號經(jīng)離散化后進(jìn)行核心邏輯運(yùn)算。具體如下：輸出項(xiàng)＝比例項(xiàng)＋積分項(xiàng)＋微分項(xiàng)。

比例項(xiàng)：實(shí)時顯示產(chǎn)生與偏差成比值的調(diào)整作用，比例系數(shù)越大，所產(chǎn)生的調(diào)整作用就越強(qiáng)，控制系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性就越高，比例系數(shù)超差那么控制系統(tǒng)的輸出值變化不穩(wěn)，可控性降低。

積分項(xiàng)：信號偏差有關(guān)，偏差處理結(jié)果大于0，plc 控制處理的結(jié)果輸出將根據(jù)積分作用產(chǎn)生變化，持續(xù)到偏差值消失，控制系統(tǒng)置于穩(wěn)定狀態(tài)。得出積分的目的是過濾穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)精度，由于積分的響應(yīng)變慢，會帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定影響，避免單獨(dú)使用。積分項(xiàng)數(shù)值越大，所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)效應(yīng)越強(qiáng)，過濾穩(wěn)態(tài)誤差的速度變慢。

微分項(xiàng)：實(shí)時誤差值速度進(jìn)行調(diào)整， 處理過程中產(chǎn)生超前性與預(yù)測性的優(yōu)點(diǎn)。微分項(xiàng)系數(shù)增大時，可調(diào)整數(shù)值相應(yīng)變少，控制的動態(tài)穩(wěn)定性增強(qiáng)，系數(shù)增大，控制系統(tǒng)處理值在逼近穩(wěn)定的時候趨緩。

大部分控制系統(tǒng)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(xiàng)控制或積分項(xiàng)與微分項(xiàng)控制，利用設(shè)置參數(shù)對控制回路的控制類型進(jìn)行選擇。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 閉環(huán)控制原理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

組成閉環(huán)控制系統(tǒng)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(jì)數(shù)器。在掃描周期時間間隔內(nèi)采集脈沖差值，經(jīng)過計(jì)算獲得電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

閉環(huán)控制就是將檢測系統(tǒng)獲取的速度信號反饋給PLC，與輸入的速度設(shè)定作比較，再輸出給核心運(yùn)算、執(zhí)行運(yùn)算部分控制器處理，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)速度達(dá)到速度設(shè)定的要求。

4 調(diào)試和數(shù)據(jù)分析

PLC 參數(shù)設(shè)置就是明確調(diào)節(jié)器的比例項(xiàng)Tp、積分項(xiàng)Ti 與微分項(xiàng)Td，達(dá)到改變控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，讓系統(tǒng)達(dá)到不錯的質(zhì)量指標(biāo)要求。通常通過理論計(jì)算確定，存在誤差較大。目前使用普遍的還是工程設(shè)定法：比如經(jīng)驗(yàn)方法、衰減曲線方法、邊界比例試法。通常不再進(jìn)行計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，一般根據(jù)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，使用一組經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，再根據(jù)顯現(xiàn)的效果不斷地修改設(shè)置參數(shù)。

一般調(diào)試的步驟為“先比例，再積分， 最后微分”。

這次設(shè)計(jì)是通過PLC 對速度的控制，速度通常會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的延遲性。普遍為增強(qiáng)控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分等項(xiàng)會全部使用。調(diào)試過程中以多次調(diào)整參數(shù)設(shè)定后以結(jié)果作比較，以設(shè)定比例項(xiàng)P 為15，積分項(xiàng)I 為0.1，微分項(xiàng)D 為0.01 時，控制系統(tǒng)的控制效果就比較滿意，最大超調(diào)只有20′，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定能保持在+1r/min 的范圍內(nèi)。

【參考文獻(xiàn)】

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