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异步电动机综合控制系统设计


摘要:本文设计了一种基于 PLC 的异步电动机调速与定位综合控制系统,应用模糊-PI 复合 控制算法实现了异步电动机的速度控制,应用比例因子自调整模糊控制算法实现了异步电动 机的位置控制。该系统集异步电动机速度控制和位置控制为一体,达到了一定的控制精度。 1 引言 随着变频调速技术的不断发展,交流传动系统的性能突飞猛进。交流异步电动机以其 低廉的造价、坚 固的结构得到了越来越广泛

的应用。在交流传动的许多应用场合中,均对 电机的调速性能和定位性能提出 了较高的要求。例如在加工设备和机床的主轴伺服系统中, 主轴应兼备速度和位置控制的功能;在住宅小 区和高层建筑的恒压供水系统中,要求电机 有较高的调速性能;在炼钢转炉的准确定位、堆垛机械的位置 控制系统中,要求电机有精 确的定位功能。在上述应用场合中,异步电动机以其大功率、高性价比的独特 优势而占有 一席之地,但同时其调速性能和定位性能却不甚完美,尚需完善。 本文提出了一种基于可编程控制器(PLC)硬件平台的异步电动机综合控制系统。该系 统在没有增加 硬件投资的情况下集异步电动机速度控制和位置控制为一体,应用模糊控制 策略,达到了一定的控制精度。 2 硬件设计 异步电动机综合控制系统硬件如图 1 所示。图 1 中,上位计算机和 PLC 通过变频器对 异步电动机进行速 度和位置控制。通过旋转编码器的脉冲计数值可以获得异步电动机的速 度和位置信息。脉冲计数由 PLC 完 成,并不断与上位机通讯,将计数值传送给上位机。上 位机根据 PLC 传送过来的脉冲计数值得到速度和位 置信息,根据不同的控制策略,得到输 出控制量——速度给定值,再传送给 PLC,经过 PLC 的 A/D 转换模块, 将速度给定值的模 拟量送到变频器的模拟控制端进行控制,形成闭环控制。

在系统实验中,异步电动机采用 YZA5*S 三相 180W 异步电动机,额定电压 380 伏, 额定频率 50Hz, 额定转速 1400r/min,额定电流 0.66A;旋转编码器采用的是 E6B2CWZ6C 型三相旋转编码器,分辨率为 1000P/R(采用上下计数方式可达 4000P/R),额定 电压 5VDC-5%~24VDC+5%,集电极开路输出;变频器为西门子公司的 MICRO MASTER440; PLC 采用 OMRON CQM1H。 在开环控制工况下,MICRO MASTER440 变频器可以通过 BOP 板或者数字量输入端口接 收启动、停 止、正反转等指令控制电机运行方式,并通过 BOP 板、模拟量输入端口和数 字量输入端口三种方式接收 速度调节指令。此系统实现的是闭环控制,因此由 PLC 的开 关量输出端口向变频器的数字量输入端口发布 电机运行方式的控制指令,同时由 PLC A/D 转换模块的输出端口向变频器的模拟量输入端口发布速度调节 指令。 CQM1H PLC 提供了一个 RS232C 通讯口,用电缆将其与上位计算机串口相连,即可构 成一个简单的 监控网络。上位计算机实现监控功能,包括人机交互界面的显示、控制指令 和参数的输入、复杂控制算法 的实现、实验结果曲线的显示、数据的存储、打印等功能。 上位机和 PLC 之间的通讯采用 CQM1H 所要 求的固定格式的通讯协议。 3 软件实现 3.1 通讯与监控功能的实现 为实现 PLC 与上位机之间的通讯功能,必须分别对 PLC 和上位机进行设定。在 CQM1H 中,需要对 系统存储区的相关字节进行设定,确定串行通讯的波特率、起始位、数据位、 停止位等通讯帧格式。如将 DM*6 设定为:波特率 9600K、偶校验、起始位 1 位、位长 7 位、停止位 2 位等。 在上位计算机中,采用高级语言编写程序代码实现通讯和监控功能。 这里采用 Visual Basic 语言,该 软件易于上手,既具有 Windows 所特有的优良性能和 图形工作环境,又具有编程的简易性。在 Visual Basic 中有一个专门的串行通讯控件— —MSComm 通讯控件,通过该控件可以设定通讯帧格式,实现通讯功能。 具体设定步骤如 下: MSComm1.CommPort = 1 MSComm1.Settings = "9600,e,7,2" ;设定通讯帧格式 MSComm1.PortOpen = True ;打开通讯端口 MSComm1.InBufferCount = 0 ;清除接收缓冲区 MSComm1.OutBufferCount = 0 ;清除发送缓冲区 MSComm1.InputMode=ComInputMode Text ;数据以文本形式取回

上位机对 CQM1H 的监控方式有两种。一种是由上位机向 PLC 发布初始命令,要求 PLC 返回相关运 行数据,进而根据该数据进行结果显示和控制运算,并向 PLC 发布控制指令, 直接改变 PLC 的数字量或 模拟量输出,实现速度和位置控制;另一种是由 PLC 主动向上 位机发送初始命令,提供相关运行数据,上 位机接收数据并根据该数据进行结果显示和控 制运算等。这里采用前者。 为与 CQM1H 的通讯数据格式匹配,上位机发送命令的格式如下:

发送命令必须以@打头,节点号指出与上位机通讯的 PLC,头代码为两字符命令代码, 正文设置命令数据,FCS 为组检验序列,终止符固定设定为*与↙。 PLC 的响应格式如下:

尾代码返回完成状态(是否有错误发生),正文只有在有数据时才返回。当数据长于 131 个字符时, 可分组传送。PLC 返回的数据为 ASCII 形式,由于自动加入了@、节点 号、FCS、终止符等,需要在上位 机中编写相关的处理程序,在通讯正常的情况下截取所 需要的数据内容。 3.2 控制算法的实现 上位机具备强大而快速的运算能力,因而 PID 算法、模糊控制算法、人工神经网络控 制算法、遗传算法等各种控制策略都可以方便地实现。这里主要采用模糊控制算法。 3.2.1 调速算法 三相异步电动机模型是一个高阶非线性强耦合多变量的模型[1],进行控制时需要考虑 多方面的因素。 例如转子的电压、频率、磁通,以及转子转速和位置等参量之间互相影响 存在耦合,绕组存在电磁惯性, 转子存在机电惯性,转子的电阻值会随温度而变化,负载 转矩、转动惯量等有可能出现各种随机扰动等。 这些因素的影响给控制带来了困难,仅采 用经典的控制方法很难达到较高的精度要求。而模糊控制算法无 需被控对象的精确数学模

型,且对被控对象的参数变化不敏感,鲁棒性强。因此将变频器和异步电动机看 作一个整 体,采用模糊控制算法实现速度控制。 同时考虑到模糊控制器是一个有误差控制器,达到期望速度后的稳态阶段波动比较大。 而采用 PI 控制, 当误差较小时有较高的稳态精度[2,3]。故而把增量式 PI 控制策略引入 模糊控制器,构成模糊-PI 复合控制,以 改善模糊控制器的稳态性能。基于模糊-PI 复合 控制的异步电动机调速系统如图 2(a)所示,实验结果如图 2(b)所示(给定转速 100 r/min,采样周期 T=150ms,转速误差≤1.0 r/min)。

基于比例因子自调整的模糊控制系统如图 3(a)所示,实验结果如图 3(b)所示 (电机额定转速运 行时定位于 0°,采样周期 T=150ms,位置误差≤0.09°,即 1 个计数 脉冲的位置间隔)。

4 结语 一直以来可编程控制器 PLC 以其较高的可靠性和较强的抗干扰能力在环境恶劣的工业 生产中得到了广 泛的应用。本文基于 PLC 硬件平台,充分利用 PLC 自身资源,设计了异步 电动机的速度和位置综合控制系 统。实验表明该系统达到了一定的控制精度,具有一定的 实用参考价值。

本文作者创新点:本文基于 PLC,将模糊-PI 复合控制、比例因子自调整模糊控制算 法应用到异步电 动机的速度和位置控制中,实现了异步电动机的综合控制。


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