基于PLC的異步電動(dòng)機綜合控制系統設計

　　1 引言

　　隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的不斷發(fā)展，交流傳動(dòng)系統的性能突飛猛進(jìn)。交流異步電動(dòng)機以其低廉的造價(jià)、堅 固的結構得到了越來(lái)越廣泛的應用。在交流傳動(dòng)的許多應用場(chǎng)合中，均對電機的調速性能和定位性能提出 了較高的要求。例如在加工設備和機床的主軸伺服系統中，主軸應兼備速度和位置控制的功能;在住宅小 區和高層建筑的恒壓供水系統中，要求電機有較高的調速性能;在煉鋼轉爐的準確定位、堆垛機械的位置 控制系統中，要求電機有精確的定位功能。在上述應用場(chǎng)合中，異步電動(dòng)機以其大功率、高性?xún)r(jià)比的獨特 優(yōu)勢而占有一席之地，但同時(shí)其調速性能和定位性能卻不甚完美，尚需完善。

　　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(dòng)機綜合控制系統。該系統在沒(méi)有增加 硬件投資的情況下集異步電動(dòng)機速度控制和位置控制為一體，應用模糊控制策略，達到了一定的控制精度。

　　2 硬件設計

　　異步電動(dòng)機綜合控制系統硬件如圖1所示。圖1中，上位計算機和PLC通過(guò)變頻器對異步電動(dòng)機進(jìn)行速 度和位置控制。通過(guò)旋轉編碼器的脈沖計數值可以獲得異步電動(dòng)機的速度和位置信息。脈沖計數由PLC完 成，并不斷與上位機通訊，將計數值傳送給上位機。上位機根據PLC傳送過(guò)來(lái)的脈沖計數值得到速度和位 置信息，根據不同的控制策略，得到輸出控制量——速度給定值，再傳送給PLC，經(jīng)過(guò)PLC的A/D轉換模塊， 將速度給定值的模擬量送到變頻器的模擬控制端進(jìn)行控制，形成閉環(huán)控制。

　　在系統實(shí)驗中，異步電動(dòng)機采用YZA5*S 三相180W 異步電動(dòng)機，額定電壓380 伏，額定頻率50Hz， 額定轉速1400r/min，額定電流0.66A;旋轉編碼器采用的是E6B2-CWZ6C 型三相旋轉編碼器，分辨率為 1000P/R(采用上下計數方式可達4000P/R)，額定電壓5VDC-5%~24VDC+5%，集電極開(kāi)路輸出;變頻器為西門(mén)子公司的MICRO MASTER440;PLC 采用OMRON CQM1H。

　　在開(kāi)環(huán)控制工況下，MICRO MASTER440 變頻器可以通過(guò)BOP 板或者數字量輸入端口接收啟動(dòng)、停 止、正反轉等指令控制電機運行方式，并通過(guò)BOP 板、模擬量輸入端口和數字量輸入端口三種方式接收 速度調節指令。此系統實(shí)現的是閉環(huán)控制，因此由PLC 的開(kāi)關(guān)量輸出端口向變頻器的數字量輸入端口發(fā)布 電機運行方式的控制指令，同時(shí)由PLC A/D 轉換模塊的輸出端口向變頻器的模擬量輸入端口發(fā)布速度調節 指令。

　　CQM1H PLC 提供了一個(gè)RS232C 通訊口，用電纜將其與上位計算機串口相連，即可構成一個(gè)簡(jiǎn)單的 監控網(wǎng)絡(luò )。上位計算機實(shí)現監控功能，包括人機交互界面的顯示、控制指令和參數的輸入、復雜控制算法 的實(shí)現、實(shí)驗結果曲線(xiàn)的顯示、數據的存儲、打印等功能。上位機和PLC 之間的通訊采用CQM1H 所要 求的固定格式的通訊協(xié)議。

　　3 軟件實(shí)現

　　3.1 通訊與監控功能的實(shí)現

　　為實(shí)現 PLC 與上位機之間的通訊功能，必須分別對PLC 和上位機進(jìn)行設定。在CQM1H 中，需要對 系統存儲區的相關(guān)字節進(jìn)行設定，確定串行通訊的波特率、起始位、數據位、停止位等通訊幀格式。如將 DM*6 設定為：波特率9600K、偶校驗、起始位1 位、位長(cháng)7 位、停止位2 位等。 在上位計算機中，采用高級語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼實(shí)現通訊和監控功能。這里采用 Visual Basic 語(yǔ)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(jiǎn)易性。在Visual Basic 中有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的串行通訊控件——MSComm 通訊控件，通過(guò)該控件可以設定通訊幀格式，實(shí)現通訊功能。 具體設定步驟如下：

　　MSComm1.CommPort = 1

　　MSComm1.Settings = "9600,e,7,2" ;設定通訊幀格式

　　MSComm1.PortOpen = True ;打開(kāi)通訊端口

　　MSComm1.InBufferCount = 0 ;清除接收緩沖區

　　MSComm1.OutBufferCount = 0 ;清除發(fā)送緩沖區

　　MSComm1.InputMode=ComInputMode Text ;數據以文本形式取回

　　上位機對CQM1H 的監控方式有兩種。一種是由上位機向PLC 發(fā)布初始命令，要求PLC 返回相關(guān)運 行數據，進(jìn)而根據該數據進(jìn)行結果顯示和控制運算，并向PLC 發(fā)布控制指令，直接改變PLC 的數字量或 模擬量輸出，實(shí)現速度和位置控制;另一種是由PLC 主動(dòng)向上位機發(fā)送初始命令，提供相關(guān)運行數據，上 位機接收數據并根據該數據進(jìn)行結果顯示和控制運算等。這里采用前者。

　　為與 CQM1H 的通訊數據格式匹配，上位機發(fā)送命令的格式如下：

　　發(fā)送命令必須以@打頭，節點(diǎn)號指出與上位機通訊的PLC，頭代碼為兩字符命令代碼，正文設置命令數據，FCS 為組檢驗序列，終止符固定設定為*與↙。

　　PLC 的響應格式如下：

　　尾代碼返回完成狀態(tài)(是否有錯誤發(fā)生)，正文只有在有數據時(shí)才返回。當數據長(cháng)于131 個(gè)字符時(shí)， 可分組傳送。PLC 返回的數據為ASCII 形式，由于自動(dòng)加入了@、節點(diǎn)號、FCS、終止符等，需要在上位 機中編寫(xiě)相關(guān)的處理程序，在通訊正常的情況下截取所需要的數據內容。

　　3.2 控制算法的實(shí)現

　　上位機具備強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(shí)現。這里主要采用模糊控制算法。

　　3.2.1 調速算法

　　三相異步電動(dòng)機模型是一個(gè)高階非線(xiàn)性強耦合多變量的模型[1]，進(jìn)行控制時(shí)需要考慮多方面的因素。 例如轉子的電壓、頻率、磁通，以及轉子轉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， 轉子存在機電慣性，轉子的電阻值會(huì )隨溫度而變化，負載轉矩、轉動(dòng)慣量等有可能出現各種隨機擾動(dòng)等。 這些因素的影響給控制帶來(lái)了困難，僅采用經(jīng)典的控制方法很難達到較高的精度要求。而模糊控制算法無(wú) 需被控對象的精確數學(xué)模型，且對被控對象的參數變化不敏感，魯棒性強。因此將變頻器和異步電動(dòng)機看 作一個(gè)整體，采用模糊控制算法實(shí)現速度控制。

　　同時(shí)考慮到模糊控制器是一個(gè)有誤差控制器，達到期望速度后的穩態(tài)階段波動(dòng)比較大。而采用PI控制， 當誤差較小時(shí)有較高的穩態(tài)精度[2,3]。故而把增量式PI控制策略引入模糊控制器，構成模糊-PI復合控制，以 改善模糊控制器的穩態(tài)性能?；谀：?PI復合控制的異步電動(dòng)機調速系統如圖2(a)所示，實(shí)驗結果如圖 2(b)所示(給定轉速100 r/min，采樣周期T=150ms，轉速誤差≤1.0 r/min)。

　　基于比例因子自調整的模糊控制系統如圖 3(a)所示，實(shí)驗結果如圖3(b)所示(電機額定轉速運 行時(shí)定位于0°，采樣周期T=150ms，位置誤差≤0.09°，即1 個(gè)計數脈沖的位置間隔)。

　　4 結語(yǔ)

　　一直以來(lái)可編程控制器PLC以其較高的可靠性和較強的抗干擾能力在環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣 泛的應用。本文基于PLC硬件平臺，充分利用PLC自身資源，設計了異步電動(dòng)機的速度和位置綜合控制系 統。實(shí)驗表明該系統達到了一定的控制精度，具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。