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1、直流电机调速的 PLC 控制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
2、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进行模糊化，然 后
3、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
4、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Au (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Au (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
5、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Au(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
6、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。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;各输入模 块均采用滤波时间常数为1020ms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；各模块间均采取良好的屏蔽措施，以防止电磁干扰；采 用性能良好的开关电源；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;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
7、 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
8、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
9、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
10、 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：提高直流调速系统中直流电机的单机容量；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；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
