一種基于PLC 控制變頻器三相電機調(diào)速控制系統(tǒng)設計

【文章摘要】

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

變頻調(diào)速控制現(xiàn)在被認為是最現(xiàn)實、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，一是提高設備自動化程度、增加設備生產(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(jīng)常用于設備的控制和控制設備的實時數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制技術為軟件平臺，能實時顯示電機轉(zhuǎn)速，遠程實時控制電機調(diào)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(xiàn)變壓變頻控制速度、電機的正反轉(zhuǎn)、加減速和快速制動等。所以，系統(tǒng)具有三個重要部分：核心運算、執(zhí)行運算和反饋運算。核心運算主要由PLC 來完成； 執(zhí)行運算為變頻器與電機。

2 系統(tǒng)設計的總體思路

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

結構如下圖所示：

3 PLC 控制器算法及閉環(huán)控制設計

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，將其數(shù)字化轉(zhuǎn)換成離散方式控制方程，以離散方程進行控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)信號經(jīng)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(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，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：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(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，由于積分的響應變慢，會帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定影響，避免單獨使用。積分項數(shù)值越大，所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)效應越強，過濾穩(wěn)態(tài)誤差的速度變慢。

微分項：實時誤差值速度進行調(diào)整， 處理過程中產(chǎn)生超前性與預測性的優(yōu)點。微分項系數(shù)增大時，可調(diào)整數(shù)值相應變少，控制的動態(tài)穩(wěn)定性增強，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。比如只要求比例項控制或積分項與微分項控制，利用設置參數(shù)對控制回路的控制類型進行選擇。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)結構示意圖

3.2 閉環(huán)控制原理設計與實現(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數(shù)器。在掃描周期時間間隔內(nèi)采集脈沖差值，經(jīng)過計算獲得電機的當前轉(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，與輸入的速度設定作比較，再輸出給核心運算、執(zhí)行運算部分控制器處理，實現(xiàn)調(diào)節(jié)速度達到速度設定的要求。

4 調(diào)試和數(shù)據(jù)分析

PLC 參數(shù)設置就是明確調(diào)節(jié)器的比例項Tp、積分項Ti 與微分項Td，達到改變控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，讓系統(tǒng)達到不錯的質(zhì)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(jīng)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(jù)以往運行經(jīng)驗，使用一組經(jīng)驗參數(shù)，再根據(jù)顯現(xiàn)的效果不斷地修改設置參數(shù)。

一般調(diào)試的步驟為“先比例，再積分， 最后微分”。

這次設計是通過PLC 對速度的控制，速度通常會出現(xiàn)比較嚴重的延遲性。普遍為增強控制系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，比例、積分、微分等項會全部使用。調(diào)試過程中以多次調(diào)整參數(shù)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(tǒng)的控制效果就比較滿意，最大超調(diào)只有20′，連續(xù)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定能保持在+1r/min 的范圍內(nèi)。

【參考文獻】

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