PLC电机闭环调速

1）以 PLC 为基础，设计和实现温度闭环控制系统，要求：

a.   电机转速可调，0-1500RPM；

b.   转速超调量 < 100RPM；

c.   稳态误差 < 50RPM；

d.   有人机交互；

1） 控制对象三相鼠笼异步电机由变频器完成启动、停止以及变速控制。

2） PLC 控制 DA 模块，以电压形式的模拟量输出控制变频器，变频器根据电压的改变输出相应频率控制电机调速。

3）使用旋转编码器反馈速度。

4） 触摸屏显示采用 RS232 通信方式和 PLC 连接。在整个闭环控制中， 利用旋转编码器采集电机的脉冲信号，并送到 PLC 的高速计数口。以速度信号数据为输入量， 进行比例积分（ PI） 控制算法，运算结果经过转化之后作为 PLC 输出信号以控制DA 模块， 进而控制变频器。

PLC 控制 DA 模块（ CH1 通道） 以电压模式输出控制变频器的频率输出，进而控制电机转速。 触摸屏下达目标转速， 设置参数以及显示转速， 编码器用于测速反馈。

PLC 控制 DA 模块以电压输出控制变频器的频率输出，进而控制电机转速。触摸屏下达目标转速， 设置参数以及显示转速， 编码器用于测速反馈。

本系统以 Delta DVP28 为主控制器， 通过威纶触摸屏来设置目标转速及

PID 等参数， 数字量由 DA 模块转变为模拟量传递给变频器。变频器以频率形式输出给三相鼠笼式电机，电机转速由旋转编码器测得并反馈给PLC，构成稳定的交流电机变频闭环 PID 调速。

可编程控制器是一种工业控制计算机， 是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。其特点是： 灵活性、通用性强、可靠性高, 抗干扰能力强、编程简单,使用方便、功能强大, 可扩展。

本次设计采用台达 DVP系列 PLC， 型号（ DVP28SV11T） 。台达 SV 系列 PLC 介绍：

优异的运算功能； 高容量的程序规划空间;最新左侧高速功能扩展界面； 线形/圆弧插补运动控制功能

主机点数: 28 点    型号： DVP28SV 11T     I/O 点： 16 入/12 出

最 大 I/O 点 数 :512 点        内 存 容 量 :16K Steps    指令 执 行 速 度 ：

0.24 us( 基本指令)

通讯接口:内置 RS-232 与 RS-485, 相容 MODBUS ASCII/RTU 通讯协议资料存储器:10, 000 字节                 档案存储器: 10,000 字节该系列应用：

（ 1） 支持 2 组（ Y0 ， Y1 ）（ Y2 ， Y3 ） AB 相脉冲讯号输出功能， 最高可达到 200Khz。

支持 2 点（ Y4 ， Y6 ） 高速脉冲输出功能， 最高可达到 200Khz。

（ 2） 优异的运算能力： CPU+ ASIC 双处理器， 支持浮点运算。

（ 3） 左侧高速功能扩展界面

采用并行式数据传输总线， 大幅提升数据交换效率， 达到即时控制要求。特殊功能扩展模块：模拟量输入输出：入（ DVP04AD-SL） 出（ DVP04DA-SL）

入/ 出（ DVP06XA-SL） ； 温度测量： PT100 ： DVP04PT-SL； J/K/ R/S/T 热电偶：DVP04TC-SL ； 单 轴 运 动 控 制 ： DVP01PU-SL ； DeviceNet   Slave 模 块 ： DVPDNET 01- SL； 数据机： DVPMDM- SL； 以太网络模块： DVPEN01-SL。

（4） 内置 4组硬件高速计数器，

1） ： 1 相 1： 组数（ 6） 频宽（ 10Khz） （ 一般型）

2） ： 1 相 1： 组数（ 2/2 ） 频宽（ 200khz/ 20Khz）

3） ： 1 相 2： 组数（ 2/2 ） 频宽（ 200khz/ 20Khz）

4） ： 2 相 2： 组数（ 2/2 ） 频宽（ 200khz/ 20Khz）

变频器(Variable- frequency Drive ，VFD)是应用变频技术与微电子技术， 通过改变电机工作电源的频率来控制交流电动机的电力控制设备。变频器的用途： 通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的， 根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压， 进而达到节能、 调速的目的。 在调速系统中变频器的优点是：

一、调速平滑、调速范围大。

二、 调速精度高。 电动机在自然特性上运转时的外特性硬， 转速随负载变化小。

三、 动态品质好。 可使提升机的起动、 制动、 反转和调速过程的时间降至最少， 具有良好的动态品质。

四、 易实现电动机的换向。 当频率降低至零后即可反向开车， 采用控制器改变相序即可实现反转， 因此可在四象限内平滑的过渡。

五、节电效果显著。

霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此选用霍尔传感器检测脉冲信号，其基本的测量原理如图 2-6 所示， 当电机转动时，带动传感器运动，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置，进行转速的测量。

光电编码器的主要工作原理为光电转换，是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器。光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，在伺

比较：霍尔传感器需要根据电机位置选择安装位置，需要根据磁场变化来测速无法判断旋转方向；光电编码器可以进行轴向联的方式，进行脉冲计数，同时根据相位差变化来实现方向判断，所以选择光电旋转编码器作为测速元件。

PLC 外部端子说明：

X0 ： 高速计数通道 1

X1 ： 高速技术通道 2

本控制系统采用程序中断型高速计数器进行转速反馈：高速计数器允许输入频率高， 应用灵活， 高速计数器均有断电保持功能， 通过参数设定也可变成非断电保持。DVP 系列有 C235 ～ C255 共 13 点高速计数器。适合用来做为高速计数器输入的 PLC 输入端口有 X0 ～ X3 。X0 ～ X3 不能重复使用， 即某一个输入端已被某个高速计数器占用， 它就不能再用于其它高速计数器， 也不能用做它用。各高速计数器对应的输入端如图所示。

高速计数器可分为三类：

（ 1） 单相单计数输入高速计数器（ C235 ～ C244 ） 其触点动作与 32 位增/ 减计数器相同，可进行增或减计数（ 取决于 M8235 ～ M8245 的状态） 。

（ 2） 单相双计数输入高速计数器（ C246 ～ C250 ） 这类高速计数器具有二个输入端，一个为增计数输入端，另一个为减计数输入端。利用 M8246 ～ M8250 的ON/OFF 动作可监控 C246 ～ C249 的增记数/ 减计数动作。

（ 3 ） 双相高速计数器（C251 ～ C254 ） A 相和 B相信号决定计数器是增计数还是减计数。当 A 相为 ON 时，B相由 OFF 到 ON，则为增计数；当 A 相为 ON 时， 若 B相由 ON 到 OFF， 则为减计数。

注意： 高速计数器的计数频率较高， 它们的输入信号的频率受二方面的限制。

一是全部高速计数器的处理时间。 因它们采用中断方式，所以计数器用的越少， 则可计数频率就越高； 二是输入端的响应速度， 其中 X0 、X2 、X3 最高频率为 10KHZ， X1 最高频率为 7KHZ。

测速原理： 旋转编码器是一种光电旋转测量装置， 它直接将测量的角位移转换成数字信号（ 高速脉冲信号） 。 因此， 旋转编码器的输出脉冲信号可直接输入PLC ，脉冲信号由 PLC 的高速计数器计数，并使用 PLC 获得测量结果。测速编码器一般与轴相联, 测速编码器的脉冲量是固定的, 在轴旋转的时候, 测速编码器就会输出脉冲,PLC或计数器收到脉冲, 根据轴转的速度不同时, 在单位时间内收到的脉冲总量是不一样的, 速度就表现在这里了, 根据脉冲量与实际转的长度就可以算了真实的速度。

2ms 读取一次脉冲个数，C235 高速计数器读取得到的脉冲数除以（ 2*100 ） 放入 D200 中设为0.1s 脉冲个数（ r/ 0.1 s） ， 因为无法判断脉冲正负，所以做取绝对值处理， 将 0. 1s 脉冲个数乘（ 6*100 ） 即为每分钟转速。编码器转一圈 100 个脉冲， 600 个 0.1ms 为 1min， 100 与 600 抵消为 1/6 ， 所以程序里设为最简数处理。

PID 控制部分

设置参数进行 PID 调节， 程序编制地址， 变频器上对照修改相应地址参数，方便进行现场调试， 具备灵活性， 若程序固定设置参数， 缺乏灵活性， 调整起来比较麻烦。

必须设置上下限值， 否则无法正常输出 PID 运算结果， 电机无法运转。

核心算法： 经过 PI 算法计算所得到的D100 为实际输出多少 r， k28 为电机额定转速除以50 HZ 所得数据（r/hz） ， D100 与 k28 相除得实际频率值 f，查阅台达 DA 模块相应手册， 根据实际计算得到相应模拟量值，赋给 D150 输出控制。

HMI是 Human Machine Interface 的缩写， “ 人机接口” ， 也叫人机界面。 人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介， 它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。 人机界面产品由硬件和软件两部分组成， 硬件部分包括处理器、 显示单元、 输入单元、 通讯接口、 数据存储单元等， 其中处理器的性能决定了HMI 产品的性能高低， 是 HMI 的核心单元。 根据 HMI 的产品等级不同，处理器可分别选用 8 位、16 位、32 位的处理器。HMI 软件一般分为两部分，即运行于 HMI 硬件中的系统软件和运行于 PC 机 Windows 操作系统下的画面组态软件（ 本次设计用的是 WinCC flexible） 。使用者都必须先使用HMI 的画面组态软件制作“ 工程文件” ， 再通过 PC 机和 HMI 产品的串行通讯口， 把编制好的“ 工程文件” 下载到 HMI 的处理器中运行。本次设计采用的是威纶通MT6071IE 触摸屏。

触摸屏组态界面：

（ 1） 先进行 PLC 与变频器和电机的外部连接。

（ 2 ） 利用变频器 LED键盘显示单元， 用 RUN 、 STOP 键进行电机的启动和停止。再利用变频器控制端子的方法，用控制端子 FWD 、REV 、COM 两线式控制电机的启停。

（ 3 ） 通过 PLC 的 DA 模块， 编写相应代码选择模式与输出通道，触摸屏上改变模拟量的值实现电机调速的开环控制。

（ 4） 编写代码测试旋转编码器脉冲计数， 并进行相应计算转化为转速，在触摸屏端显示转速。

（ 5） 触摸屏界面设计， 设置界面转换以及地址加入。

（ 6 ） PID 程序编写，触摸屏端设置 PID 参数， 及上下限与积分上下限等参数进行调试。

图 6触摸屏现场设置图设置上下限参数及 PID 参数进行稳速控制。

D460 : 设定目标转速D124 ：r/hz

D150 :PID 计算后输出的模拟量

D200 :0. 1s 脉冲个数用于计算1 分钟转的圈数D204 :r/ min

D424 : 实际频率

D480   PID 的取样时间D481       PID 的比例增益D482       PID 的积分增益D483       PID 的微分增益

D484   运动方向（ 未动）

D485   偏差（ 未动）

D487   输出上限

D489   输出下限

D491   积分上限

D493   积分下限

编码器实际测速， 取样时间的设置与实际转速存在滞后性， 电机转速的稳态误差仍需调节 PID 参数，存在较大的误差也与编码器未有效固定有关联， 存在波动也与三相电不稳定，以及联轴器与编码器轴固定过紧存在摩擦有一定关系。