基于pid的交流電機調速系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 設計 本設計用的是三相鼠籠異步電機，其額定電壓為 380V。三相鼠籠異步電 機的運行方式有星型和三角型，具體接線方法如圖 25所示：本設計使用的是星型接法。 基于 PID 的交流電機調速系統設計（偏軟） 6 圖 25三相鼠籠異步電機星、三角接法 測速計是一個傳感器，將速度轉換為相對應的電量 —— 電壓，能夠實時顯示電機轉速。將鼠籠電機與測速計同軸連接，即可測量電機轉速。 I/O 地址分配表 本實驗有用外部來控制電機的運行，所以就用到 I/O 地址 . 如下表 26 表 26 I/O地址分配表 輸入部分 輸出部分 名稱 地址 名稱 地址 啟動 模擬量 D/A 210 停止 中間繼電器 模擬量 A/D 200 硬件接線圖 以 PLC 為控制器、變頻器為執行器、 測速計為測量裝置的硬件圖如 27 圖 27硬件接線圖 基于 PID 的交流電機調速系統設計（偏軟） 7 第 3 章 PLC 的軟件設計 軟件參數設計 由于本設計事先已經測得鼠籠電機在星型連接的情況下最高轉速可到達1440r/min，這個轉速經過測速儀轉換后得到的電壓是 ，而轉速為 0是其相對測量轉換電壓為 0,故輸入電壓的量程選用 0~10V；輸出也選 0~10V的電壓量程。 CX— Programmer 具體個項參數的設置修改如下 ：如圖 31 圖 所以輸入占用的 AD 0CH 信道地址 200CH；選用 12020 的分辨率。輸出使用DA0CH 信道地址 210CH， 運算控制的設計 用戶根據實際需要設定一個設定值 —— 即電機轉速，它與經過模擬量輸入單元的濾波、轉換，與測量儀器 —— 即轉速儀，得到的測量值進行比較，得出偏差，偏差經過 PLC 的 PID 指令環節的比例積分單元進行調節，經過模擬量輸出單元的轉換，將結果輸出，輸出到執行器 —— 即變頻器，同時也將結果送到微分環節做超前調節，變頻器輸出對應的頻率信號，送到電機，表現出相應 的轉速，再與設定值相比較，得到偏差，再進行調節如此循環，直到最終得到與設定值相差無幾的轉速。本設計運算思路圖如下 32： 基于 PID 的交流電機調速系統設計（偏軟） 8 ? ?? ? ? ??? /1//11 TiTia ??? 目 標 值 濾 波 ? ?)/*1( //* ?? ?TdTdKp ?)//( ?TikpKp ?設 定 值測 量 值++比 例 + 積 分 要 素操 作 量 圖 32 設計思路圖 其中 :Kp 比例常數 :Ti 積分時間 :Td 微分時間 :? 2PID 參數 :? 取樣周期 :? 不完全微分系數 編程 CP1H 模擬量輸入 /輸出單元 （ 1） A/D、 D/A 功能： A/D 是模擬數字轉換，通常簡稱為：模數轉換。 A/D 的作用是把連續的信號（如：聲音信號，正弦電流信號等）變成離散的信號，方法就是：取樣，量化，編碼。 公式： A/D 數值 =F* ? ?? ?0/ AAs m ? (2) 其中 F為分辨率， s為測速儀的測量值， Am為設置量程的最大值， A0為設置量程的最 小值。 D/A 是數字模擬轉換 ,通常稱為：數模轉換。 D/A轉換是將數字離散信號轉變成為模擬連續信號。 公式： D/A數值 =? ? ? ?AAOMFS ?? (3) 其中 F 為分辨率， S 為輸入 D/A 通道的數值， Am為設置量程的最大值， A0為設置量程的最小值。 編程的操作流程 注：由于 PID 在進行運算時，它的測量值與設定值的量必須為同一個量。所以，必須要對測量值與設定值的量統一。本編程中用的是轉速作為統一量。 ①對于輸入 的處理 在軟件編程前，先要做量程的轉換。之前已經說明了，轉速儀所測得的轉速范圍是 0~1440r/min，對應的電壓信號為 0~，而我們設置 PLC 的模擬量的輸入單元量程是 0~10V，故而必須要把相應的轉速轉換為 0~10V 對應的電壓，即我們設置輸入量程時應該 1920r/min。其統一的公式為： ? ?2112 /* kkll ? (4) 基于 PID 的交流電機調速系統設計（偏軟） 9 其中 2l 為設置轉速量程， 1l 為實際轉速量程， 1k 為實際電信號量程， k 2為設置電信號量程。 本設計中我們使用的是 12020的分辨率，測速儀的數值在輸送給模擬量通道后，模擬量通道（本實驗是 200）里顯示的數值已經轉換成相應的數字量即 A/D轉換，所以我們還要把相應的數字量轉換為對應的轉速量。對應的公式為： 測量的轉速 = ? ?FSl ??2 (5) 其中 F為分辨率， S 為模擬通道 200的數值， 2l 為輸入的量程范圍。 （ 1） 啟動停止控制 圖 331 啟動停止控制圖 作為開始按鈕， 作為停止按鈕。 （ 2） 輸入信號的采集 圖 332 輸入信號采集圖 由于在實際轉換過程中涉及到小數的情況，所以不能簡簡單單的用二進制數的四則運算，要用到浮點數，這樣才能保證計算的精確。下圖也是如此。 （ 3）輸入的處理 基于 PID 的交流電機調速系統設計（偏軟） 10 圖 333 輸入處理圖 如當 200 通道的數值為 6000 時，經 9601 2 0 0 06 0 0 01 9 2 0 ??? 此時 D8中的數值為 ，這就是測得的速度的值。 （ 4） PID 的處理 圖 334 PID的處理圖 由于 PID 中的處理數據為二進制，所以要將浮點數變為二進制。 （ 5）對于輸出的處理 由于經過 PID 之后得到的數字量是經 PID 輸出量程的轉換值，而要將該數值轉換為模擬量輸出通道的輸入值，就要進行必要的轉換。由于第六通道的設置可知，得到數字量的范圍為 0~213，故而轉換的公式 為： 模擬量輸出通道的數值 =（ PID 輸出 /213） *F 其中 F是分辨率 方法和輸入通道一樣，具體操作如下：如圖 335 基于 PID 的交流電機調速系統設計（偏軟） 11 圖 335 PID輸出處理圖 如 P D100中為 PID 的輸出值，先將其轉換為浮點數后進行數學運算。 ? ? 1 0 81 2 0 0 021 0 0 13 DD ??? ,這時 108D 中的數值就是 PLC送給 D/A模塊的數字量。 最后將 FIX（浮點到十六位 BIN）轉換后的數據（即 D110）送給 210信道（ D/A首信道）就完成了。 （ 6）觸摸屏程序的處理 基于 PID 的交流電機調速系統設計（偏軟） 12 圖 336 觸摸屏控制圖 本段程序是用觸摸屏對 PID 的參數的設置，由于觸摸屏中的數據設置為 BCD碼，而 PID 中為二進制數，所以要轉換數字。若不用觸摸屏，則設置的程序如下圖： 圖 337 程序控制圖 PID通道的設置 本實驗中 PID 通道的設置數制為十六進制。需要設置的通道為 C～ C+8。 基于 PID 的交流電機調速系統設計（偏軟） 13 首通道 C 是設定值信道，該信道內僅僅就是為了設置用戶希望達到的目標值，本設計中即是對應的轉速。 第一通道 C+1是設定比例參數，第二通道 C+2為積分參數，第三通道 C+3為微分參數，第四通道 C+4為取樣時間。 對于濾波 系數，本實驗用其最大值， 163。此外，當設定值 =測得值時輸出為 0%；同時在輸入條件上升及每個取樣周期都將 P、 I、 D 的值反映到運算中；比例動作的方向為反方向，故而第五通道 C+5設置值為 1632。 在