采用PLC实现异步电动机的综合控制方案

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E6B2-CWZ6C 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。