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1 引言 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。例如在加工設備和機床的主軸伺服系統中，主軸應兼備速度和位置控制的功能；在住宅小 區和高層建筑的恒壓供水系統中，要求電機有較高的調速性能；在煉鋼轉爐的準確定位、堆垛機械的位置 控制系統中，要求電機有精確的定位功能。在上述應用場合中，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。 本文提出了一種基于可編程控制器（PLC）硬件平臺的異步電動機綜合控制系統。該系統在沒有增加 硬件投資的情況下集異步電動機速度控制和位置控制為一體，應用模糊控制策略，達到了一定的控制精度。 2 硬件設計 異步電動機綜合控制系統硬件如圖1所示。圖1中，上位計算機和PLC通過變頻器對異步電動機進行速 度和位置控制。通過旋轉編碼器的脈沖計數值可以獲得異步電動機的速度和位置信息。脈沖計數由PLC完 成，并不斷與上位機通訊，將計數值傳送給上位機。上位機根據PLC傳送過來的脈沖計數值得到速度和位 置信息，根據不同的控制策略，得到輸出控制量——速度給定值，再傳送給PLC，經過PLC的A/D轉換模塊， 將速度給定值的模擬量送到變頻器的模擬控制端進行控制，形成閉環控制。 在系統實驗中，異步電動機采用YZA5*S 三相180W 異步電動機，額定電壓380 伏，額定頻率50Hz， 額定轉速1400r/min，額定電流0.66A；旋轉編碼器采用的是E6B2-CWZ6C 型三相旋轉編碼器，分辨率為 1000P/R（采用上下計數方式可達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。 在開環控制工況下，MICRO MASTER440 變頻器可以通過BOP 板或者數字量輸入端口接收啟動、停 止、正反轉等指令控制電機運行方式，并通過BOP 板、模擬量輸入端口和數字量輸入端口三種方式接收 速度調節指令。此系統實現的是閉環控制，因此由PLC 的開關量輸出端口向變頻器的數字量輸入端口發布 電機運行方式的控制指令，同時由PLC A/D 轉換模塊的輸出端口向變頻器的模擬量輸入端口發布速度調節 指令。 CQM1H PLC 提供了一個RS232C 通訊口，用電纜將其與上位計算機串口相連，即可構成一個簡單的 監控網絡。上位計算機實現監控功能，包括人機交互界面的顯示、控制指令和參數的輸入、復雜控制算法 的實現、實驗結果曲線的顯示、數據的存儲、打印等功能。上位機和PLC 之間的通訊采用CQM1H 所要 求的固定格式的通訊協議。 3 軟件實現 3.1 通訊與監控功能的實現 為實現 PLC 與上位機之間的通訊功能，必須分別對PLC 和上位機進行設定。在CQM1H 中，需要對 系統存儲區的相關字節進行設定，確定串行通訊的波特率、起始位、數據位、停止位等通訊幀格式。如將 DM*6 設定為：波特率9600K、偶校驗、起始位1 位、位長7 位、停止位2 位等。 在上位計算機中，采用高級語言編寫程序代碼實現通訊和監控功能。這里采用 Visual Basic 語言，該 軟件易于上手，既具有Windows 所特有的優良性能和圖形工作環境，又具有編程的簡易性。在Visual Basic 中有一個專門的串行通訊控件——MSComm 通訊控件，通過該控件可以設定通訊幀格式，實現通訊功能。 具體設定步驟如下： MSComm1.CommPort = 1 MSComm1.Settings = "9600,e,7,2" ;設定通訊幀格式 MSComm1.PortOpen = True ;打開通訊端口 MSComm1.InBufferCount = 0 ;清除接收緩沖區 MSComm1.OutBufferCount = 0 ;清除發送緩沖區 MSComm1.InputMode=ComInputMode Text ;數據以文本形式取回 上位機對CQM1H 的監控方式有兩種。一種是由上位機向PLC 發布初始命令，要求PLC 返回相關運 行數據，進而根據該數據進行結果顯示和控制運算，并向PLC 發布控制指令，直接改變PLC 的數字量或 模擬量輸出，實現速度和位置控制；另一種是由PLC 主動向上位機發送初始命令，提供相關運行數據，上 位機接收數據并根據該數據進行結果顯示和控制運算等。這里采用前者。 為與 CQM1H 的通訊數據格式匹配，上位機發送命令的格式如下： 發送命令必須以＠打頭，節點號指出與上位機通訊的PLC，頭代碼為兩字符命令代碼，正文設置命令數據，FCS 為組檢驗序列，終止符固定設定為*與↙。 PLC 的響應格式如下： 尾代碼返回完成狀態（是否有錯誤發生），正文只有在有數據時才返回。當數據長于131 個字符時， 可分組傳送。PLC 返回的數據為ASCII 形式，由于自動加入了＠、節點號、FCS、終止符等，需要在上位 機中編寫相關的處理程序，在通訊正常的情況下截取所需要的數據內容。 3.2 控制算法的實現 上位機具備強大而快速的運算能力，因而PID 算法、模糊控制算法、人工神經網絡控制算法、遺傳算法等各種控制策略都可以方便地實現。這里主要采用模糊控制算法。 3.2.1 調速算法 三相異步電動機模型是一個高階非線性強耦合多變量的模型，進行控制時需要考慮多方面的因素。 例如轉子的電壓、頻率、磁通，以及轉子轉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， 轉子存在機電慣性，轉子的電阻值會隨溫度而變化，負載轉矩、轉動慣量等有可能出現各種隨機擾動等。 這些因素的影響給控制帶來了困難，僅采用經典的控制方法很難達到較高的精度要求。而模糊控制算法無 需被控對象的精確數學模型，且對被控對象的參數變化不敏感，魯棒性強。因此將變頻器和異步電動機看 作一個整體，采用模糊控制算法實現速度控制。 同時考慮到模糊控制器是一個有誤差控制器，達到期望速度后的穩態階段波動比較大。而采用PI控制， 當誤差較小時有較高的穩態精度。故而把增量式PI控制策略引入模糊控制器，構成模糊-PI復合控制，以 改善模糊控制器的穩態性能。基于模糊-PI復合控制的異步電動機調速系統如圖2（a）所示，實驗結果如圖 2（b）所示（給定轉速100 r/min，采樣周期T=150ms，轉速誤差≤1.0 r/min）。 基于比例因子自調整的模糊控制系統如圖 3（a）所示，實驗結果如圖3（b）所示（電機額定轉速運 行時定位于0°，采樣周期T=150ms，位置誤差≤0.09°，即1 個計數脈沖的位置間隔）。 4 結語 一直以來可編程控制器PLC以其較高的可靠性和較強的抗干擾能力在環境惡劣的工業生產中得到了廣 泛的應用。本文基于PLC硬件平臺，充分利用PLC自身資源，設計了異步電動機的速度和位置綜合控制系 統。實驗表明該系統達到了一定的控制精度，具有一定的實用參考價值。 本文作者創新點：本文基于 PLC，將模糊-PI 復合控制、比例因子自調整模糊控制算法應用到異步電 動機的速度和位置控制中，實現了異步電動機的綜合控制。 |
