一种基于PLC 控制变频器三相电机调速控制系统设计

【文章摘要】

变频调速具有反应快、稳定高、可控性能好等工业自动化设备生产中所需的基本要求。变频控制系统的流程复杂，具有实时性，所以系统要求更先进的控制技术和控制理论。

变频调速控制现在被认为是最现实、最具发展前景的调速控制方式之一。使用变频器组成变频调速系统的目的，一是提高设备自动化程度、增加设备生产效率、完善产品质量等要求；二是节能减排、降低企业生产成本。

1 系统功能设计分析

可编程控制器PLC 已成为替换继电器的新型控制电路装置，具有简单可靠，操作简便、使用灵活、体积不大、寿命长且功能更加强大、变更控制性高，经常用于设备的控制和控制设备的实时数据采集； 数据采集与监视控制技术为软件平台，能实时显示电机转速，远程实时控制电机调速，控制界面人性化，使用PLC 对设备进行“智能”化控制。用最普遍的PLC 和变频器结合实现变压变频控制速度、电机的正反转、加减速和快速制动等。所以，系统具有三个重要部分：核心运算、执行运算和反馈运算。核心运算主要由PLC 来完成； 执行运算为变频器与电机。

2 系统设计的总体思路

系统有三部分组成，可编程序控制器（PLC）、变频器和电机。即输入运行速度给PLC，再经过PLC 运算后控制变频器，最后实现变频器控制电机运转，再将电机的转速信号通过检测机构反馈至PLC，经过比较运算后将差值信号输出至变频器来实现调速。

结构如下图所示：

3 PLC 控制器算法及闭环控制设计

3.1 PLC 控制器算法

PLC 的控制器以连续系统控制规律作基础，将其数字化转换成离散方式控制方程，以离散方程进行控制系统的程序设计。控制器算法包括3 项，即比例项、积分项和微分项。控制器周期性检测采集数据信号经离散化后进行核心逻辑运算。具体如下：输出项＝比例项＋积分项＋微分项。

比例项：实时显示产生与偏差成比值的调整作用，比例系数越大，所产生的调整作用就越强，控制系统的静态稳定性就越高，比例系数超差那么控制系统的输出值变化不稳，可控性降低。

积分项：信号偏差有关，偏差处理结果大于0，plc 控制处理的结果输出将根据积分作用产生变化，持续到偏差值消失，控制系统置于稳定状态。得出积分的目的是过滤稳态误差，提高控制系统精度，由于积分的响应变慢，会带来系统的不稳定影响，避免单独使用。积分项数值越大，所产生的稳态效应越强，过滤稳态误差的速度变慢。

微分项：实时误差值速度进行调整， 处理过程中产生超前性与预测性的优点。微分项系数增大时，可调整数值相应变少，控制的动态稳定性增强，系数增大，控制系统处理值在逼近稳定的时候趋缓。

大部分控制系统里，只需要用到P、I、D 中的一种或两种控制类型。比如只要求比例项控制或积分项与微分项控制，利用设置参数对控制回路的控制类型进行选择。

图2 PLC 控制系统结构示意图

3.2 闭环控制原理设计与实现

组成闭环控制系统就是将速度信息反馈给输入。速度信号的检测采集通过光电编码器与PLC 完成。

速度信号的检测采集：PLC 高速脉冲采集模块，测速采集共有多个高速计数器。在扫描周期时间间隔内采集脉冲差值，经过计算获得电机的当前转速。

闭环控制就是将检测系统获取的速度信号反馈给PLC，与输入的速度设定作比较，再输出给核心运算、执行运算部分控制器处理，实现调节速度达到速度设定的要求。

4 调试和数据分析

PLC 参数设置就是明确调节器的比例项Tp、积分项Ti 与微分项Td，达到改变控制系统的静态和动态特性，让系统达到不错的质量指标要求。通常通过理论计算确定，存在误差较大。目前使用普遍的还是工程设定法：比如经验方法、衰减曲线方法、边界比例试法。通常不再进行计算和实验，一般根据以往运行经验，使用一组经验参数，再根据显现的效果不断地修改设置参数。

一般调试的步骤为“先比例，再积分， 最后微分”。

这次设计是通过PLC 对速度的控制，速度通常会出现比较严重的延迟性。普遍为增强控制系统的动态响应速度，比例、积分、微分等项会全部使用。调试过程中以多次调整参数设定后以结果作比较，以设定比例项P 为15，积分项I 为0.1，微分项D 为0.01 时，控制系统的控制效果就比较满意，最大超调只有20′，连续运转稳定能保持在+1r/min 的范围内。

【参考文献】

[1] 范国伟. 电气控制与PLC 应用技术. 人民邮电出版社.2013

[2] 周小益. 检测技术及应用. 哈尔滨工业大学出版社.2012

[3] 郭志勇. 单片机应用技术项目教程. 中国水利水电出版社.2012