直流电机调速的PLC控制

摘 要：可编程控制器PLC自动调速系统作为我国工程实践中许多生产器械设计之初需要调节的重点范畴，在直流电机的应用中，已然完成了诊断、监视、控制、复原、保护等多项直流调速控制所需要的功能改进。本文对直流电机调速的PLC控制进行了探讨分析。

关键词：直流电机调速；PLC控制；系统构建

根据当前工业现代化生产和转型的需求，传统工业生产中应用的大型继电器，逐步被微处理机为载体的PLC系统所代替，本文对PLC控制技术在直流电机调速系统中应用进行了探讨。

1 直流调速系统的控制方法

1.1 自适应控制法

自适应控制法是指通过自动修正系统的特性以适应干扰或者被控对象特性的变化的控制方法。该控制法研究的对象的特点是具有一定的不确定性，这种不确定性是包括被控对象及其数学模型中的某些随机因素或未知因素产生的。自适应控制法可以通过不断的对被控对象的各种特性参数及被控对象状态的计算和测量，找出被控对象的一般规律，通过自动修正系统的参数逐渐获得使系统达到符合控制要求的整定参数，提高控制效果。

工程中，自适应控制法一般常应用在对时变控制系统的处理。应用自适应控制法的前提是系统的被控对象须满足某种特定的数学模型，这也是自适应控制系统的一个缺点，但现实中，控制系统的数学模型有时候获取困难，这也限制了该控制法的应用范围。

1.2 模糊PID控制法

模糊PID控制法是以模糊数学为基础一种控制方法，它可以突破具体数学模型的限制，便于根据对以往控制经验的记忆，能够很好的适应控制对象的时滞性、非线性等不确定因素的参数变化。模糊PID控制过程就是针对误差函数和误差函数的变化率进行的，对输入响应的精确值按照模糊数学的处理思想进行模糊化，然后根据模糊推理计算被控量，然后再将其模糊化，反复进行几次最终得到精确输出响应的过程。

从目前各种自动控制原理的发展来看，PID控制仍然是应用最广泛的一种控制法，虽然有几种新型控制法都已经开始研究，有些也己经开始进行实践应用，但是仍缺乏实践的检验，还不能广泛的应用工程生产中。

1.3 增量式PID控制法

转速电流双闭环控制的直流调速系统是最经典的一种调速系统，它的特点是两个独立的调节器分别控制电动机的转速和电流，且电流调节器的给定决定转速调节器的输出，因此电流环能随转速的偏差调节电动机电枢额电流。当电机转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用（PI）使输出增加，即提高电流给定值，然后通过电流环调节使电动机电流增加，提高电动机的加速转矩，使转速上升。当电机的实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出会自动减小，降低电流给定，调节电流环使电动机电流下降，电磁转矩减小导致电动机减速。由此分析可知，调速系统可以通过转速的电压增量和电流环的电流增量来进行控制。当要求只控制量的增量时，增量式PID控制法就是通过对控制系统控制量的增量。

增量式PID控制法是指數字控制器的输出只针对控制量的增量△u（k）进行PID调节控制的方法。当使用增量式PID算法时，控制量的增量△u（k）对应的是系统执行机构位置的增量，不需要采集到对应执行机构的实际位置，因此使用的执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能达到对被控对象的控制操作的目的。其增量式PID控制法的优优势在于，一是控制增量△u（k）的确定仅与最近3次的采样值有关，不需要考虑其他采样值的累加大大缩减了实际计算量，这样比较容易通过加权处理，从而达到比较好的控制效果；二是数字控制器每次操作只改变控制增量，当机器发生故障时影响范围小，不会严重影响生产过程；三是在操作手动一自动切换时对运行冲击小，当控制从手动切换到自动时，可以做到无扰动切换。

2 PLC的特点

2.1 高运行可靠性

高运行可靠性是电气控制系统中最为关键的性能。可编程逻辑控制器因其采用大规模集成电路制造技术，采用非常严格的制造工艺且内部集成电路采用特殊的抗电磁干扰技术，因此具有很高的运行可靠性。

①其输入、输出接口模块均采用光电隔离技术，使现场实际外电路环境与PLC内部电路间实现有效的电气隔离；②各输入模块均采用滤波时间常数为10～20ms的RC滤波器，对高速输入模块一般采用数字滤波器，滤波时间常数可由PLC指令自由设定；③各模块间均采取良好的屏蔽措施，以防止电磁干扰；④采用性能良好的开关电源；⑤具有优良的自诊断功能，在电源或者其他软硬件发生故障时，CPU可立即自动采取有效措施，有效防止故障扩大化；⑥大型PLC一般采用冗余结构组成一般由双CPU统或三CPU构成表决式系统，进一步提高系统运行可靠性。

2.2 丰富的I/O接口模块

PLC针对不同现场工作环境的不同信号如交、直流，开关量、模拟量，电压、电流、脉冲等信号可灵活选择相应的I/O接口模块与现场的器件通信。

2.3 采用模块化设计

PLC的CPU模块、电源模块、I/O接口模块等均采用模块化设计，通过电缆将机架和各模块连接，PLC规模可由用户按需自由组合。近年来，PLC的各个功能单元蓬勃发展，使PLC逐渐应用到位置、温度等参数的工业控制领域中。另外，PLC还具有较强的通信能力且便于组态，能提供人机操作界面，大大简化了操作和使用过程。

2.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC采用虚连线模式，便于存储且大大节省了电缆，简化了控制系统且使得建造周期大为缩短，同时方便后期工程维护。

2.5 便于安装、维修

PLC装置无需专门的控制机房，能适用各种工业环境，可进行就近安装。使用时，只需用电缆线将被控设备与PLC相应的I/O接口某块的端子相连即可。其模块化的设计结构更便于故障查找与修复。

3 直流电机调速的PLC控制系统的构建

3.1 主电路

该系统的主电路主要由来自母线的三相交流断路器支撑，以整流变压器为载体向晶闸管进行供电，为降低高次谐波所带来的不良影响，电路必须使用三相全控桥式整流电路，而变压器则使用△/Y接法。其中，晶闸管元件所承受的正反向的峰值电压需要与变压器副边线电压值的2倍作为选择值。

3.2 调速控制电路

弱磁调速和调压调速作为整体调速方法，并以给定装置作为弱磁调速和调压调速之间相互关联的载体。在设定方面，设定给定转速小于额定转速的95%时，以调压调速为主，励磁电流的稳定依靠励磁系统。给定转速大于额定转速的95%时，系统依靠弱磁调节，励磁电流需要减弱，以保持转速上升达到稳态要求。

3.3 晶闸管触发电路

目前的设计可使用双脉冲触发的模式，如将电路设计为锯齿波形成电路、脉冲放大电路、移相电路三个构成部分。在放大器同相端的信号处理方面，输出为负，二极管D6在辅助输出到放大器ICZC的反相端后，按照输出为正的设定，反相器IC4A需要反相输出信号，并由二极管D8向积分器IC2D进行反相输入。积分器IC2D、IC2C和二极管D7和D9负责构建锯齿波并向放大器IC2A和IC2B输送。经电流调节器进行+5V-5V的信号输出时，其对应的移相角必须限定在0-180°。

4 直流電机调速控制技术发展趋势

计算机运动控制系统中应用最广泛也最普遍控制系统是自动调速系统。在实际工程应用中，经常要求一定的控制范围内对电机的速度进行平滑的调节，且要求其系统具有良好的稳态性能和动态性能。直流电动机调速系统的主要优势表现在调速范围较广、静差率小、稳定性能高且具有优良的动态性能。在对电机拖动技术要求具有高性能的领域中，直流电动机调速系统具有广泛应用。

目前，国内直流电动机调速系统的控制技术的发展主要有下列几方面：

①提高直流调速系统中直流电机的单机容量；②提高电力电子元器件的工艺水平，使变流器结构更加简单、紧凑；③提高控制单元CPU的水平，使其具有控制、监视、保护、诊断及自修复等等多种类功能。

综上，直流电机调速未来发展趋势集中在控制元件水平和控制理论不断提高和完善等方面，目前所使用的PLC控制技术可不断完善调速系统逻辑控制系统的智能化，在工作可靠性、器件容量、生产工艺、经济效能等方面还有待于进一步的完善。

参考文献：

[1]李聪.基于模糊自适应PI控制的无刷直流电机无级调速系统研究[D].南京：南京农业大学，2015（12）.

[2]张存礼.PLC控制系统的干扰源分析与抗干扰措施[J].电气传动，2013（01）.

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