摘要：本次設計基于可編程控制器（PLC）硬件平臺的異步電動機綜合控制系統。該系統通過可編程邏輯控制器（PLC）來控制變頻器，最終實現異步電動機轉速的閉環控制。并通過HMI面板直觀的顯示出來。具體設計是P、I調節電機轉速。經過多次參數設定比較后，系統能得到比較滿意的控制效果，最大超調只有兩度多，穩定后能保持在±10r/ｓ以內。負載改變后轉速可以很快的達到給定轉速。

關鍵詞：異步電機；速度控制；PLC；PID

前言

變頻器(Variable-frequencyDrive，VFD)是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源的頻率來控制交流電動機的電力控制設備。通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。變頻器的用途：通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。采用變頻器一是可以提高勞動生產率、改善產品質量、提高設備自動化程度、提高生活質量及改善生活環境等要求；二是為了節約能源、降低生產成本。用戶根據自己的實際工藝要求和運用場合選擇不同類型的變頻器。在調速系統中變頻器的優點是：一、調速平滑、調速范圍大。通過控制器的控制，變頻器的輸出頻率可以連續調節，實現無級調速，使電動機起動電流小、動負荷小、調速平滑而無沖擊。二、調速精度高。電動機在自然特性上運轉時的外特性硬，轉速隨負載變化小。三、動態品質好。可使提升機的起動、制動、反轉和調速過程的時間降至最少，具有良好的動態品質。四、易實現電動機的換向，當頻率降低至零后即可反向開車，采用控制器改變相序即可實現反轉，因此可在四象限內平滑的過渡。五、節電效果顯著。變頻調速比轉子回路串接電阻的調速方法節約電能20%~40%。本次設計采用的是西門子MM420變頻器。

可編程控制器（PLC）可編程控制器是一種工業控制計算機，是繼續計算機、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動裝置。它具有抗干擾能力強，價格便宜，可靠性強，編程簡樸，易學易用等特點，在工業領域中深受工程操作人員的喜歡，因此PLC已在工業控制的各個領域中被廣泛地使用。

隨著變頻調速技術的不斷發展，交流傳動系統的性能突飛猛進。交流異步電動機以其低廉的造價、堅固的結構得到了越來越廣泛的應用。在交流傳動的許多應用場合中，均對電機的調速性能和定位性能提出了較高的要求。異步電動機以其大功率、高性價比的獨特優勢而占有一席之地，但同時其調速性能和定位性能卻不甚完美，尚需完善。本次實驗基于可編程控制器（PLC）硬件平臺的異步電動機綜合控制系統。該系統通過可編程邏輯控制器（PLC）來控制變頻器，最終實現異步電動機轉速的閉環控制。并通過HMI面板直觀的顯示出來。

1、系統硬件結構框圖

對于控制電機轉速，開環系統結構簡單，控制電壓直接控制電機觸發電路。但系統靜特性差，在轉矩變化的情況下轉速變化很大。閉環系統結構復雜，但是調速性能好，系統特性曲線較硬，轉矩變化對系統速度擾動幾乎不記。在許多工業場合，需要電機轉速能夠很好地跟隨給定轉速，因此采用閉環控制系統。本次設計就是基于PLC的變頻器實現轉速閉環調速系統。

系統主要由三個部分構成，即可編程邏輯控制器件PLC、變頻器和電機。首先通過設置給定輸入給PLC，再通過PLC控制變頻器，再經由變頻器來控制電機，隨后將電機的轉速反饋給PLC，經比較后輸出給變頻器從而實現無靜差調速。

閉環調速系統的硬件結構框圖：

PID控制器結構圖：

PID控制器以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業過程控制中不可替代的主要技術之一。PID控制分為三個環節，分別是比例環節、積分環節、微分環節。

比例調節作用是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用以減小偏差。比例作用大，可以加快調節時間；但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。

積分調節作用是使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至消除誤差。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強；反之積分作用就越弱。加入積分調節可使系統的動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。PI調節器是最常用的調節器。

微分調節作用反應系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒形成之前，已被積分作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調和調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的微分調節，對系統抗干擾不利。

變頻調速原理：異步電機的轉速n可以表示為

式中，n2為同步轉速，Δn1為轉差損失的轉速，p為磁極對數，s為轉差率，f為電源的頻率。可見，改變電源頻率就可以改變同步轉速和電機轉速。

頻率的下降會導致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數下降，鐵心和線圈過熱。顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時還要降壓。這就要求頻率與電壓協調控制。此外，在許多場合，為了保持在調速時，電動機產生最大轉矩不變，亦需要維持磁通不變，這亦由頻率和電壓協調控制來實現，故稱為可變頻率可變電壓調速，簡稱變頻調速。實現變頻調速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器（MCU／DSP）等部分組成。

2、硬件接線

系統接線圖：

電機機組為異步電動機和直流發電機同軸相連，對于鼠籠式異步電動機，定子繞組為△型接法，需將A-Z、B-X、C-Y分別短接，他勵直流發電機由實驗臺DC220V電源進行勵磁，電樞繞組串接實驗臺0-1000歐可變電阻。

3、軟件設計

3.1觸摸屏組態畫面

3.2PID向導

1、指定回路號碼：指定配置哪一個PID回路。如果項目包含使用STEP7Micro/WIN3.2版建立的現有PID配置，必須在繼續執行步驟1之前選擇編輯其中一個現有配置或建立一個新配置。

2、設置回路參數：回路給定是為向導生成的子程序提供的一個參數。指定回路給定(SP)應當如何標定。為“范圍低限”和“范圍高限”選擇任何實數；指定下列回路參數：比例增益、采樣時間、積分時間、微分時間。

3、回路輸入和輸出選項：回路過程變量（PV）是您為向導生成的子程序指定的一個參數。指定回路過程變量（PV）應當如何標定。可以選擇：單極性(0至32000)、雙極性(-32000至32000)、20%偏移量(6400至32000，不可變更)。在環路設定值(SP)的下限必須對應于過程變量(PV)的下限，環路設定值的上限必須對應于過程變量的上限，以便PID算法能正確按比例縮放。本次設計計算的上限值為23040。

4、為計算指定存儲區：PID指令使用V存儲區中的一個36個字節的參數表，存儲用于控制回路操作的參數。PID計算還要求一個“暫存區”，用于存儲臨時結果。需要指定該計算區開始的V存儲區字節地址。一般選擇建議地址就行。

5、指定初始化子程序和中斷程序：如果項目中包含一個激活PID配置，已經建立的中斷程序名被設為只讀。因為項目中的所有配置共享一個公用中斷程序，項目中增加的任何新配置不得改變公用中斷程序的名稱。向導為初始化子程序和中斷程序指定了默認名稱。可以編輯默認名稱。

6、生成代碼該屏幕顯示PID向導生成的POU列表，并對如何把它們集成進用戶程序作出簡要說明。

7、經過以上PID向導配置，點擊“完成”，S7-200指令向導將為指定的配置生成程序代碼和數據塊代碼。由向導建立的子程序和中斷程序成為項目的一部分。要在程序中使能該配置，每次掃描周期時，使用SM0.0從主程序塊調用該子程序。該代碼配置PID0。該子程序初始化PID控制邏輯使用的變量，并啟動PID中斷“PID_EXE”程序。根據PID采樣時間循環調用PID中斷程序。

通過PID向導方法的代碼如下：

3.3PID指令

主程序：

4、結論

在系統運行過程中實際的轉速和經過計算的當前轉速有比較大的差值，需要把回路輸入選項中的范圍高限改成自己計算的準確值，以及在計算比例時碼盤的輸出最大電壓測出來帶入程序中去就可以保證輸出和顯示同步了。再通過PID調節控制面板調節P、I參數時，可以先通過自動調節，待系統穩定后用手動調節微調。

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