一種交流異步電機轉(zhuǎn)速控制方案的實現(xiàn)

單秀文 單錦華

鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學院 224005

1 概述

直流調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)、動態(tài)指標，在調(diào)速控制領(lǐng)域有著得天獨厚的優(yōu)勢。但直流電動機由于受換向器的限制，維修工作量大，事故率高，壽命相對較短，而且換向火花使其難以應用于存在易燃易爆氣體的場合。與直流電動機相比，交流電機具有結(jié)構(gòu)堅固、工作可靠、無換向火花、易于保養(yǎng)等優(yōu)點。但是，交流電動機的控制比較復雜，直至20世紀70年代，交流調(diào)速系統(tǒng)的研究開發(fā)一直未能得到真正令人滿意的成果，也因此限制了交流調(diào)速系統(tǒng)的推廣應用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，電力半導體器件和微處理器的性能的不斷提高，變頻驅(qū)動技術(shù)也得到了顯著的發(fā)展。隨著各種復雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中的應用，變頻器的性能不斷提高，而且應用范圍也越來越廣。

針對普通的三相交流電動機存在的問題，本文研究設(shè)計了一種基于西門子s7-200PLC、EM235擴展模塊和交流測速發(fā)電機，以西門子MM420變頻器為驅(qū)動器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。盡管只有一個測速反饋環(huán)，但考慮到變頻器內(nèi)部集成了可以由用戶自定義的電流控制策略，因此，實際上該調(diào)速系統(tǒng)是一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，從形式結(jié)構(gòu)上非常類似于經(jīng)典的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。在控制方法上，本設(shè)計沒有采用傳統(tǒng)的PID控制，而是采用了一種非常簡單明了的控制策略。該系統(tǒng)擁有良好的調(diào)速性能，結(jié)構(gòu)簡單，擴展性強，既可以用于實際生產(chǎn)，也可以用于機電一體化等專業(yè)課的項目教學，典型的閉環(huán)結(jié)構(gòu)通過具體器件實現(xiàn)出來，無疑更有利于學生的理解。

2 硬件選型與實現(xiàn)方案

控制核心采用西門子CPU226 DC/DC/DC以及西門子公司的EM235模擬量擴展模塊共同實現(xiàn)，用以完成指令信號處理、反饋信號處理、運算法則的實現(xiàn)和控制信號的輸出。在本設(shè)計中，為了減小成本，給定信號采用了PLC自帶的0號模擬電位計，其控制字為SMB38，范圍為0～255，電動機為三角形連接，額定轉(zhuǎn)速1400r/min。EM235模塊用來處理交流測速發(fā)電機傳送過來的反饋電壓信號，送到AIW0寄存器，輸入范圍單極性0V～10V，全量程范圍0～32000。測速發(fā)電機（TG）的參數(shù)為30V，5000r/min。故實際轉(zhuǎn)速為：((AIW0)*10/32000))*5000/30；測速發(fā)電機測速范圍 (5000/30)*10=1666r/min，大于電動機的額定轉(zhuǎn)速1400r/min，可以滿足測量要求。

值得指出的是，由于EM235最高輸入范圍限于10V，當被測對象超過1666r/min，則可考慮為測速發(fā)電機配一個分壓電阻，分壓系數(shù)可根據(jù)實際情況整定。事實上，使用旋轉(zhuǎn)編碼器可以獲得更精確的轉(zhuǎn)速，測速范圍也更大，但增加了程序的復雜程度，故本文不做討論。

驅(qū)動電機的MM420變頻器，應根據(jù)電機參數(shù)以及生產(chǎn)要求進行快速調(diào)試，頻率給定源因為模擬量給定，由EM235的一路0～10V電壓輸出對其進行控制。整個系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如下圖所示：

3 軟件實現(xiàn)

本文采取了一種非常簡單的控制策略，即把給定轉(zhuǎn)速與實際測得的轉(zhuǎn)速相減，取其差值，若其差值大于零，則說明實際轉(zhuǎn)速未達到給定值，則增加EM235的電壓輸出（AQW0），使電機增速；若其差值小于零，則說明實際轉(zhuǎn)速超過了給定值，則減小EM235的電壓輸出(AQW0)，使電機減速。最終，實際轉(zhuǎn)速在一種動態(tài)平衡下與給定轉(zhuǎn)速保持一致。由于程序算法簡單，加上cpu運算速度很快，因此本算法完全能滿足一般的調(diào)速場合。參考程序如下：

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，實用性很強。由于采用了軟、硬件分開的體系結(jié)構(gòu)，當需要采用更優(yōu)的控制策略時，不需要更換任何硬件，只需要把該策略寫成相應程序即可，因此具備很大的拓展性。為了有更好的操作體驗，還可以在PLC的上層用觸摸屏和組態(tài)軟件開發(fā)人機交互系統(tǒng)，使得系統(tǒng)更加成熟完善。

[1]吳志敏.西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應用教程[M].陽勝峰中國電力出版社，2009.

[2]施利春.變頻器操作實訓（森蘭.西門子）[M].機械工業(yè)出版社，2007.