基于PLC的異步電動(dòng)機(jī)綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性能突飛猛進(jìn)。交流異步電動(dòng)機(jī)以其低廉的造價(jià)、堅(jiān) 固的結(jié)構(gòu)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在交流傳動(dòng)的許多應(yīng)用場(chǎng)合中，均對(duì)電機(jī)的調(diào)速性能和定位性能提出 了較高的要求。例如在加工設(shè)備和機(jī)床的主軸伺服系統(tǒng)中，主軸應(yīng)兼?zhèn)渌俣群臀恢每刂频墓δ?在住宅小 區(qū)和高層建筑的恒壓供水系統(tǒng)中，要求電機(jī)有較高的調(diào)速性能;在煉鋼轉(zhuǎn)爐的準(zhǔn)確定位、堆垛機(jī)械的位置 控制系統(tǒng)中，要求電機(jī)有精確的定位功能。在上述應(yīng)用場(chǎng)合中，異步電動(dòng)機(jī)以其大功率、高性價(jià)比的獨(dú)特 優(yōu)勢(shì)而占有一席之地，但同時(shí)其調(diào)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(tái)的異步電動(dòng)機(jī)綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在沒有增加 硬件投資的情況下集異步電動(dòng)機(jī)速度控制和位置控制為一體，應(yīng)用模糊控制策略，達(dá)到了一定的控制精度。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　異步電動(dòng)機(jī)綜合控制系統(tǒng)硬件如圖1所示。圖1中，上位計(jì)算機(jī)和PLC通過變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速 度和位置控制。通過旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)值可以獲得異步電動(dòng)機(jī)的速度和位置信息。脈沖計(jì)數(shù)由PLC完 成，并不斷與上位機(jī)通訊，將計(jì)數(shù)值傳送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)PLC傳送過來(lái)的脈沖計(jì)數(shù)值得到速度和位 置信息，根據(jù)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PLC的A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，異步電動(dòng)機(jī)采用YZA5*S 三相180W 異步電動(dòng)機(jī)，額定電壓380 伏，額定頻率50Hz， 額定轉(zhuǎn)速1400r/min，額定電流0.66A;旋轉(zhuǎn)編碼器采用的是E6B2-CWZ6C 型三相旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率為 1000P/R(采用上下計(jì)數(shù)方式可達(dá)4000P/R)，額定電壓5VDC-5%~24VDC+5%，集電極開路輸出;變頻器為西門子公司的MICRO MASTER440;PLC 采用OMRON CQM1H。

　　在開環(huán)控制工況下，MICRO MASTER440 變頻器可以通過BOP 板或者數(shù)字量輸入端口接收啟動(dòng)、停 止、正反轉(zhuǎn)等指令控制電機(jī)運(yùn)行方式，并通過BOP 板、模擬量輸入端口和數(shù)字量輸入端口三種方式接收 速度調(diào)節(jié)指令。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是閉環(huán)控制，因此由PLC 的開關(guān)量輸出端口向變頻器的數(shù)字量輸入端口發(fā)布 電機(jī)運(yùn)行方式的控制指令，同時(shí)由PLC A/D 轉(zhuǎn)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(diào)節(jié) 指令。

　　CQM1H PLC 提供了一個(gè)RS232C 通訊口，用電纜將其與上位計(jì)算機(jī)串口相連，即可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，包括人機(jī)交互界面的顯示、控制指令和參數(shù)的輸入、復(fù)雜控制算法 的實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線的顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、打印等功能。上位機(jī)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(xiàn)

　　3.1 通訊與監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

　　為實(shí)現(xiàn) PLC 與上位機(jī)之間的通訊功能，必須分別對(duì)PLC 和上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定。在CQM1H 中，需要對(duì) 系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)的相關(guān)字節(jié)進(jìn)行設(shè)定，確定串行通訊的波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位等通訊幀格式。如將 DM*6 設(shè)定為：波特率9600K、偶校驗(yàn)、起始位1 位、位長(zhǎng)7 位、停止位2 位等。 在上位計(jì)算機(jī)中，采用高級(jí)語(yǔ)言編寫程序代碼實(shí)現(xiàn)通訊和監(jiān)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)專門的串行通訊控件——MSComm 通訊控件，通過該控件可以設(shè)定通訊幀格式，實(shí)現(xiàn)通訊功能。 具體設(shè)定步驟如下：

　　MSComm1.CommPort = 1

　　MSComm1.Settings = "9600,e,7,2" ;設(shè)定通訊幀格式

　　MSComm1.PortOpen = True ;打開通訊端口

　　MSComm1.InBufferCount = 0 ;清除接收緩沖區(qū)

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

　　MSComm1.InputMode=ComInputMode Text ;數(shù)據(jù)以文本形式取回

　　上位機(jī)對(duì)CQM1H 的監(jiān)控方式有兩種。一種是由上位機(jī)向PLC 發(fā)布初始命令，要求PLC 返回相關(guān)運(yùn) 行數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果顯示和控制運(yùn)算，并向PLC 發(fā)布控制指令，直接改變PLC 的數(shù)字量或 模擬量輸出，實(shí)現(xiàn)速度和位置控制;另一種是由PLC 主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送初始命令，提供相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，上 位機(jī)接收數(shù)據(jù)并根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果顯示和控制運(yùn)算等。這里采用前者。

　　為與 CQM1H 的通訊數(shù)據(jù)格式匹配，上位機(jī)發(fā)送命令的格式如下：

　　發(fā)送命令必須以@打頭，節(jié)點(diǎn)號(hào)指出與上位機(jī)通訊的PLC，頭代碼為兩字符命令代碼，正文設(shè)置命令數(shù)據(jù)，F(xiàn)CS 為組檢驗(yàn)序列，終止符固定設(shè)定為*與↙。

　　PLC 的響應(yīng)格式如下：

　　尾代碼返回完成狀態(tài)(是否有錯(cuò)誤發(fā)生)，正文只有在有數(shù)據(jù)時(shí)才返回。當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)于131 個(gè)字符時(shí)， 可分組傳送。PLC 返回的數(shù)據(jù)為ASCII 形式，由于自動(dòng)加入了@、節(jié)點(diǎn)號(hào)、FCS、終止符等，需要在上位 機(jī)中編寫相關(guān)的處理程序，在通訊正常的情況下截取所需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

　　3.2 控制算法的實(shí)現(xiàn)

　　上位機(jī)具備強(qiáng)大而快速的運(yùn)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(xiàn)。這里主要采用模糊控制算法。

　　3.2.1 調(diào)速算法

　　三相異步電動(dòng)機(jī)模型是一個(gè)高階非線性強(qiáng)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(zhuǎn)子的電壓、頻率、磁通，以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子存在機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)子的電阻值會(huì)隨溫度而變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等有可能出現(xiàn)各種隨機(jī)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(dá)到較高的精度要求。而模糊控制算法無(wú) 需被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，且對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)變化不敏感，魯棒性強(qiáng)。因此將變頻器和異步電動(dòng)機(jī)看 作一個(gè)整體，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)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(dá)到期望速度后的穩(wěn)態(tài)階段波動(dòng)比較大。而采用PI控制， 當(dāng)誤差較小時(shí)有較高的穩(wěn)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(gòu)成模糊-PI復(fù)合控制，以 改善模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能。基于模糊-PI復(fù)合控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖2(a)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 2(b)所示(給定轉(zhuǎn)速100 r/min，采樣周期T=150ms，轉(zhuǎn)速誤差≤1.0 r/min)。

　　基于比例因子自調(diào)整的模糊控制系統(tǒng)如圖 3(a)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示(電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn) 行時(shí)定位于0°，采樣周期T=150ms，位置誤差≤0.09°，即1 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的位置間隔)。

　　4 結(jié)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(qiáng)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(yīng)用。本文基于PLC硬件平臺(tái)，充分利用PLC自身資源，設(shè)計(jì)了異步電動(dòng)機(jī)的速度和位置綜合控制系 統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)達(dá)到了一定的控制精度，具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。