PLC異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速與定位綜合控制系統(tǒng),應(yīng)用模糊-PI復(fù)合控制算法實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的速度控制,應(yīng)用比例因子自調(diào)整模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的位置控制。該系統(tǒng)集異步電動(dòng)機(jī)速度控制和位置控制為一體,達(dá)到了一定的控制精度。

　　1 引言

　　在加工設(shè)備和機(jī)床的主軸伺服系統(tǒng)中，主軸應(yīng)兼?zhèn)渌俣群臀恢每刂频墓δ?在住宅小 區(qū)和高層建筑的恒壓供水系統(tǒng)中，要求電機(jī)有較高的調(diào)速性能;在煉鋼轉(zhuǎn)爐的準(zhǔn)確定位、堆垛機(jī)械的位置 控制系統(tǒng)中，要求電機(jī)有精確的定位功能。在上述應(yīng)用場(chǎng)合中，異步電動(dòng)機(jī)以其大功率、高性價(jià)比的獨(dú)特 優(yōu)勢(shì)而占有一席之地，但同時(shí)其調(diào)速性能和定位性能卻不甚完美，尚需完善。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　異步電動(dòng)機(jī)綜合控制系統(tǒng)硬件如圖1所示。圖1中，上位計(jì)算機(jī)和PLC通過變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速 度和位置控制。通過旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)值可以獲得異步電動(dòng)機(jī)的速度和位置信息。脈沖計(jì)數(shù)由PLC完 成，并不斷與上位機(jī)通訊，將計(jì)數(shù)值傳送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)PLC傳送過來的脈沖計(jì)數(shù)值得到速度和位 置信息，根據(jù)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(jīng)過PLC的A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行控制，形成閉環(huán)控制。

　　在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，異步電動(dòng)機(jī)采用YZA5*S 三相180W 異步電動(dòng)機(jī)，額定電壓380 伏，額定頻率50Hz， 額定轉(zhuǎn)速1400r/min，額定電流0.66A;旋轉(zhuǎn)編碼器采用的是E6B2-CWZ6C 型三相旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率為 1000P/R(采用上下計(jì)數(shù)方式可達(dá)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(huán)控制工況下，MICRO MASTER440 變頻器可以通過BOP 板或者數(shù)字量輸入端口接收啟動(dòng)、停 止、正反轉(zhuǎn)等指令控制電機(jī)運(yùn)行方式，并通過BOP 板、模擬量輸入端口和數(shù)字量輸入端口三種方式接收 速度調(diào)節(jié)指令。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是閉環(huán)控制，因此由PLC 的開關(guān)量輸出端口向變頻器的數(shù)字量輸入端口發(fā)布 電機(jī)運(yùn)行方式的控制指令，同時(shí)由PLC A/D 轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口向變頻器的模擬量輸入端口發(fā)布速度調(diào)節(jié) 指令。

　　CQM1H PLC 提供了一個(gè)RS232C 通訊口，用電纜將其與上位計(jì)算機(jī)串口相連，即可構(gòu)成一個(gè)簡單的 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，包括人機(jī)交互界面的顯示、控制指令和參數(shù)的輸入、復(fù)雜控制算法 的實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線的顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、打印等功能。上位機(jī)和PLC 之間的通訊采用CQM1H 所要 求的固定格式的通訊協(xié)議。

　　3 軟件實(shí)現(xiàn)

　　3.1 通訊與監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

　　為實(shí)現(xiàn) PLC 與上位機(jī)之間的通訊功能，必須分別對(duì)PLC 和上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定。在CQM1H 中，需要對(duì) 系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)的相關(guān)字節(jié)進(jìn)行設(shè)定，確定串行通訊的波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位等通訊幀格式。如將 DM*6 設(shè)定為：波特率9600K、偶校驗(yàn)、起始位1 位、位長7 位、停止位2 位等。 在上位計(jì)算機(jī)中，采用高級(jí)語言編寫程序代碼實(shí)現(xiàn)通訊和監(jiān)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(yōu)良性能和圖形工作環(huán)境，又具有編程的簡易性。在Visual Basic 中有一個(gè)專門的串行通訊控件——MSComm 通訊控件，通過該控件可以設(shè)定通訊幀格式，實(shí)現(xiàn)通訊功能。 具體設(shè)定步驟如下：

　　MSComm1.CommPort = 1

　　MSComm1.Settings = 9600,e,7,2 ;設(shè)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(qū)

　　MSComm1.OutBufferCount = 0 ;清除發(fā)送緩沖區(qū)

　　MSComm1.InputMode=ComInputMode Text ;數(shù)據(jù)以文本形式取回

　　上位機(jī)對(duì)CQM1H 的監(jiān)控方式有兩種。一種是由上位機(jī)向PLC 發(fā)布初始命令，要求PLC 返回相關(guān)運(yùn) 行數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果顯示和控制運(yùn)算，并向PLC 發(fā)布控制指令，直接改變PLC 的數(shù)字量或 模擬量輸出，實(shí)現(xiàn)速度和位置控制;另一種是由PLC 主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送初始命令，提供相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，上 位機(jī)接收數(shù)據(jù)并根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果顯示和控制運(yùn)算等。這里采用前者。

　　為與 CQM1H 的通訊數(shù)據(jù)格式匹配，上位機(jī)發(fā)送命令的格式如下：

　　發(fā)送命令必須以@打頭，節(jié)點(diǎn)號(hào)指出與上位機(jī)通訊的PLC，頭代碼為兩字符命令代碼，正文設(shè)置命令數(shù)據(jù)，F(xiàn)CS 為組檢驗(yàn)序列，終止符固定設(shè)定為*與L。

　　PLC 的響應(yīng)格式如下：

　　尾代碼返回完成狀態(tài)(是否有錯(cuò)誤發(fā)生)，正文只有在有數(shù)據(jù)時(shí)才返回。當(dāng)數(shù)據(jù)長于131 個(gè)字符時(shí)， 可分組傳送。PLC 返回的數(shù)據(jù)為ASCII 形式，由于自動(dòng)加入了@、節(jié)點(diǎn)號(hào)、FCS、終止符等，需要在上位 機(jī)中編寫相關(guān)的處理程序，在通訊正常的情況下截取所需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容。