基于PLC的交流异步电机转速闭环控制系统设计

　　摘要：本设计主要以可编程控制器（PLC）为运算终端即控制机构，以直流测速电机和触摸屏为信号输入和命令输入机构，以变频器为执行机构，从而控制三相异步电机为达到转速恒定的目的

　　关键词：PLC；交流异步电机；转速闭环

　　可编程控制器（PLC）是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

　　交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。

　　变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。

　　图1闭环系统结构框图

　　工作原理：一个单闭环反馈控制系统。给定与反馈回来的偏差输入控制器，经过控制器PID运算在输出给执行器，执行器输出给被控对象，被控对象输出一个值，这个值会反复变化接近给定。

　　PID控制器：控制器为PLC，PID为PLC中的一个模块。在模块中只要将给定和反馈量设定好，其输出结果就是PID运算后的结果。当然采样时间，KP，TI，TD，需要自己设定。具体的设定值要根据机器的不同来确定。

　　变频调速原理：被控对象是一个交流异步鼠笼电机，根据交流异步电机的特性，其转速与供电三相电源的频率有关，有公式理想转速。因此可以通过变频器改变供电电源的频率对转速进行调节。

　　设计中主要接线就是PLC与变频器，变频器与负载电机，以及测速电机和PLC之间的接线，其中为了能实现电机正反转，选取PLC的Q0.0和Q0.1作为正反转的信号输出端，电机的转速用PLC的模拟量输出端口给变频器传送数值，PLC主要用模拟量输入模块采集测速电机发出的数据。

　　图2闭环系统硬件接线图

　　为更直观的反馈和现实电机调速的整个过程，此设计还增加了一个用于人际互动的交互式触摸屏结合组态软件从而更好的控制电机和反馈相关参数。

　　最左边是认为输入数据，设定电机转速，电机设定速度与实际转速均采用柱状图形式显示，这样更直观明了，同时可以做一个对比，上面四个按钮用于控制电机的正转，反转，停止和退出控制，其中由于电机速度永远大于零，所以为了区分电机正反转，在电机反转是采用反转按钮闪烁来标明电机反转状态，按钮下方是电机转速趋势图，这样工作中可直观看出电机转速变化情况，最下方是用于监测电机运行时间。

　　外围接线，屏幕设计工作后最重要的是编写PLC主控制程序部分程序

　　网络1和网络2用于控制电机正反转和停止（Q0.0正转，Q0.1反转），网络3用于电机转速标幺化，网络4用于反馈转速值，网络5为PID程序的调用，网络6和网络7用于实际转速在人机界面上显示，网络8和网络9用于计算系统运行时间并在人机界面上显示，PLC程序设计完成后还有一个重要任务是PID参数，设置确定比列系数Kp时：首先去掉PID的积分项和微分项，输入设定系数允许输出最大的60%-70%，比列系数由Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现震荡，再反过来，直至系统震荡消失。记录此时的比例系数Kp，设定的比例系数为当前值的60%-70%。设定一个较大的积分时间常数，然后逐渐减小Ti直至出现震荡，然后在反过来逐渐增大积分时间常数，直至系统振荡消失。记录此时的Ti。微分时间常数设为0。

　　设计说明：由于最后一个要求显示系统运行时间，只是在测试时使用，所以就只用了一个计数器（C9）和特殊功能寄存器（SM0.5）结合，所以最大计时时间只是32767S，如果在工业中应用，应使用多个计数器扩展构成长定时电路。由于控制要求简单，只是实现转速闭环，而没有电流闭环和一些其他要求。所以直接调用了PLC内部的PID模块，建立一个PID向导，这个模块的主要工作是根据测得的反馈电压，调节比列系数Kp，积分时间Ti，微分时间Td参数，还有一种方法建立子程序，参照PID回路表中各个参数的地址偏移量设置各项参数，在主程序中调用。

　　参考文献

　　[1]杨江平.中学多媒体物理课件的教学功能初探[J].白城师范高等专业学校学报，2002（1）.