一種交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案的實(shí)現(xiàn)

單秀文 單錦華

鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院 224005

1 概述

直流調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)，在調(diào)速控制領(lǐng)域有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。但直流電動(dòng)機(jī)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(yīng)用于存在易燃易爆氣體的場合。與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、工作可靠、無換向火花、易于保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，交流電動(dòng)機(jī)的控制比較復(fù)雜，直至20世紀(jì)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(yīng)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(dǎo)體器件和微處理器的性能的不斷提高，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了顯著的發(fā)展。隨著各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中的應(yīng)用，變頻器的性能不斷提高，而且應(yīng)用范圍也越來越廣。

針對普通的三相交流電動(dòng)機(jī)存在的問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于西門子s7-200PLC、EM235擴(kuò)展模塊和交流測速發(fā)電機(jī)，以西門子MM420變頻器為驅(qū)動(dòng)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。盡管只有一個(gè)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(shí)際上該調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)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(jì)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(kuò)展性強(qiáng)，既可以用于實(shí)際生產(chǎn)，也可以用于機(jī)電一體化等專業(yè)課的項(xiàng)目教學(xué)，典型的閉環(huán)結(jié)構(gòu)通過具體器件實(shí)現(xiàn)出來，無疑更有利于學(xué)生的理解。

2 硬件選型與實(shí)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(kuò)展模塊共同實(shí)現(xiàn)，用以完成指令信號(hào)處理、反饋信號(hào)處理、運(yùn)算法則的實(shí)現(xiàn)和控制信號(hào)的輸出。在本設(shè)計(jì)中，為了減小成本，給定信號(hào)采用了PLC自帶的0號(hào)模擬電位計(jì)，其控制字為SMB38，范圍為0～255，電動(dòng)機(jī)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(jī)傳送過來的反饋電壓信號(hào)，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(jī)（TG）的參數(shù)為30V，5000r/min。故實(shí)際轉(zhuǎn)速為：((AIW0)*10/32000))*5000/30；測速發(fā)電機(jī)測速范圍 (5000/30)*10=1666r/min，大于電動(dòng)機(jī)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(dāng)被測對象超過1666r/min，則可考慮為測速發(fā)電機(jī)配一個(gè)分壓電阻，分壓系數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況整定。事實(shí)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(fù)雜程度，故本文不做討論。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的MM420變頻器，應(yīng)根據(jù)電機(jī)參數(shù)以及生產(chǎn)要求進(jìn)行快速調(diào)試，頻率給定源因?yàn)槟M量給定，由EM235的一路0～10V電壓輸出對其進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如下圖所示：

3 軟件實(shí)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(shí)際測得的轉(zhuǎn)速相減，取其差值，若其差值大于零，則說明實(shí)際轉(zhuǎn)速未達(dá)到給定值，則增加EM235的電壓輸出（AQW0），使電機(jī)增速；若其差值小于零，則說明實(shí)際轉(zhuǎn)速超過了給定值，則減小EM235的電壓輸出(AQW0)，使電機(jī)減速。最終，實(shí)際轉(zhuǎn)速在一種動(dòng)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(yùn)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(shí)用性很強(qiáng)。由于采用了軟、硬件分開的體系結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要采用更優(yōu)的控制策略時(shí)，不需要更換任何硬件，只需要把該策略寫成相應(yīng)程序即可，因此具備很大的拓展性。為了有更好的操作體驗(yàn)，還可以在PLC的上層用觸摸屏和組態(tài)軟件開發(fā)人機(jī)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(yīng)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(shí)訓(xùn)（森蘭.西門子）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.