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PLC和变频器的电机控制系统设计研究

2021-04-02 152 上传者：管理员

摘要：在工业发展的过程中，继电器控制技术已经跟不上发展的脚步了，发展已经逐渐趋于电机变频控制技术。在工业生产中，PLC和变频器的电机控制系统已经成为了企业运行的基本要求，本文主要论述了PLC和变频器的电机控制系统的设计研究。

关键词：
PLC
变频器
工业设备
电机控制系统
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对于大型的设备来说，变频调速能够有效的提升它们的效率，使用变频器可以有效的节省能源，提升产品的质量，节省劳动力。现今，因为在使用PLC和变频器时信号抗干扰的能力强、成本低的优点，所以很多工业领域开始应用它们。

1、对系统设计的功能进行分析

1.1闭环系统的硬件设计

电机的控制系统是由下面三个组成的，电机、变频器、PLC。首先对PLC进行设置输入，让PLC对变频器进行控制，在通过变频器对电机进行控制，最后电机的转速可以对PLC进行反馈，在进行比较后输出到变频器，可以完成无静差调速。PLC以及光电编码器可以实现速度的测量。使用S7-200采集速度信号，其采集的功能是高速脉冲的，在采集的频率上面可以实现30KHZ，拥有的高速计数器一共是6个，在进行脉冲差值采集时，是在固定的时间间隔内的，当前电动机的转速，通过计算就可以得出了，所谓的闭环控制，就是PLC接受速度信号的反馈，与给定量进行比较，输出数据给到PID控制的部分，从而对速度进行调节，使其可以实现设定的目标。

1.2变频调速的系统设计

控制回路和主电路共同组成了通常使用的变频器。为异步电动机电力变换，提供调节的电压和电频电源，称之为主电路。主电路包含逆变器、中间直流的环节、整流器。

(1)在将工频电源转换为直流电源时，使用的就是整流器。

(2)因为异步电机是逆变器的负载，这是感性负载范围内的，所以不管电动机是在发电的状态，还是电动的状态，起始的功率在因数方面不会是1。所以，在电动机和中间直流的环节，总会出现交换无功功率的情况，在直流环节进行储能的元件(电感器、电容器)可以对无功能量进行缓冲，所以，中间的直流环节其实就是在中间进行储能的环节[3]。

(3)逆变器的作用是与整流器相反的，逆变器是对直流功率进行交流功率的转化，达到需要的频率。6个半导体形式的开关器件共同组成了逆变器，逆变器电路是三相桥式的，对逆变器中主要的开关进行有规律的断开和导通控制，其输出的频率可以是任意的，呈现出三相交流的波形[4]。

(4)制动电路、驱动开关、输出电路、输入的控制信号、检测电路等共同构成了控制回路。其主要是用来对逆变器开关进行控制的，控制整流器电压，实现保护的任务。控制的方式有数字控制或者模拟控制。

2、控制系统的调试分析

整定PID参数的方法是对调节器进行比例系数、微分时间、积分时间的确定，对系统的动态特性和静态特性进行改善，让系统在过渡的时候，可以实现质量指标的要求。一般情况下是使用理论计算进行确定的。

此次测试是PID控制速度，呈现出在速度上的滞后性比较严重，所以，一般在让系统动态响应进行增强时，要将微分、积分、比例全部投入到使用中，在多次的对参数进行设定和比较后，在比例系数设定为10的时候，积分的时间是0.15，微分的时间是0.01，系统的控制效果是比较满意的。表1是输出的情况。

表1闭环系统输出情况

在这个表中可以看出，系统在10秒左右到达额定的转速，之后在额定转速稳定的运行。

在对这个控制系统加入一个阶跃响应的时候，出现的效果如图1所示。

图1效果图

在这个图中我们可以看出的是，在输入阶跃信号到电机控制系统的时候，在进行阶跃响应曲线输出的时候，其过渡的是很平稳的，没有超出过调量，曲线在波动方面也不大，具有很好的稳定性，所以这个实验是有效果的。

3、变频器在多电机时的控制方式

3.1正弦脉宽调制的控制方式

使用这种控制方式，主要是为了实现目标转矩-速度这一特性，让电动机在磁通方面不变化的情况下，对电源进行频率的改变，实现调速的目的。一般使用的变频器就是使用正弦脉宽调制的控制方式，实际上这种变频器具有非常简单的组成结构，但是因为使用的控制方式是开环的，所以在不能很好的完成控制的要求，在低频的状态时，就需要进行转矩补偿，对低频转矩进行特性方面的更改。控制方式的特点主要表现是：低成本的控制电路、比较简单的结构、在机械特性方面具有较好的硬度，对于平滑调速的需求一般是可以进行满足的，目前来说，已经有很多领域使用这个控制方式了。

3.2矢量控制法

所谓的矢量控制，就是将异步电动机的定子交流电流在三相坐标下，Ia、Ib、Ic、之间实行三相到二相的转换，把交流电流是在两相静止坐标系下的Ia1和Ib1的效果进行相等，然后在使用磁场定向(按转子)对它们变换旋转，达到Im1、It1的相等效果。通过这种方式对直流电机进行控制方式的模仿，在直流电机方面，实现控制量，与其对应的坐标，进行反交换，可以有效的实现控制异步电动机。使用这种控制的方式，实际上就是将直流电机与交流电机的效果相等，分别控制其中速度和磁场这两个分量，通过控制转子磁链，让转子磁链变成定向，分解定子电流，最后可以收获磁场和转矩这两个分量，通过交换坐标，实现正交或者解耦控制。但是还是会有一些问题，譬如，很难对转子磁链进行准确的观测，而且矢量变换是比较复杂的，实际的效果可能达不到预期的目标。虽然提出了矢量控制的方法，但是结合实际情况，还是存在很多影响，使得实际的结果与理想的结果存在差距。

3.3转差频率的控制方式

这种方式是对转矩进行直接控制，是在正弦脉宽调制控制方式的基础上，结合异步电动机在实际运转过程中转速的电源频率，在进行变频器输出频率调节的时候，还需要结合预期的转矩，电动机就可以得到的相对应的转矩输出，使用这样的控制方式，需要将速度感应器安装到控制系统中，在实际的操作中，可能需要进行电流反馈，以此来控制电流频率和电流，这种方法就是闭环的控制方式，让变频器可以保持稳定性，并且在出现急速的减速、加速时，或者负载发生变化的时候，都可以进行良好的响应。

3.4直接转矩控制

使用这种控制方式，对矢量控制出现的问题进行了解决，对系统结构进行创新，使其简洁，有效的对动静态性能进行了保障。目前来说，在交流传动功率比较大的方面已经广泛的使用了直接转矩控制。直接转矩控制是控制电动机的磁链的转矩，其并不要求直流电机与交流电机拥有相等的效果，相比矢量控制来说，省略了很多的复杂的计算步骤，也不需要模仿直流电机的控制方式，也就省略了因为解耦而简单化的数学模型。

4、结语

PLC自动控制系统在很大程度上促进了我国工业的发展。它具有一系列优点，能有效地优化生产过程，提高控制效果。然而，在未来的发展中，有必要结合工业生产过程的要求，积极优化和研究PLC自动控制系统。

参考文献：

[1]孙金召.基于PLC和变频器的多电机速度同步控制[J].山东工业技术,2018,(15):63-63.

[2]白蕾,孟娇娇,辛旗.基于PLC与变频器的恒压供水系统设计[J].电子测量技术,2018,41(4):61-65.

许琴.PLC和变频器的电机控制系统设计研究[J].电子测试,2021(07):120-121.