在加工設備和機床的主軸伺服系統(tǒng)中，主軸應兼?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，要求電機有較高的調(diào)速性能;在煉鋼轉爐的準確定位、堆垛機械的位置 控制系統(tǒng)中，要求電機有精確的定位功能。在上述應用場合中，異步電動機以其大功率、高性價比的獨特 優(yōu)勢而占有一席之地，但同時其調(diào)速性能和定位性能卻不甚完美，尚需完善。
2 硬件設計
異步電動機綜合控制系統(tǒng)硬件如圖1所示。圖1中，上位計算機和PLC通過變頻器對異步電動機進行速 度和位置控制。通過旋轉編碼器的脈沖計數(shù)值可以獲得異步電動機的速度和位置信息。脈沖計數(shù)由PLC完 成，并不斷與上位機通訊，將計數(shù)值傳送給上位機。上位機根據(jù)PLC傳送過來的脈沖計數(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行控制，形成閉環(huán)控制。
在系統(tǒng)實驗中，異步電動機采用YZA5*S 三相180W 異步電動機，額定電壓380 伏，額定頻率50Hz， 額定轉速1400r/min，額定電流0.66A;旋轉編碼器采用的是E6B2-CWZ6C 型三相旋轉編碼器，分辨率為 1000P/R(采用上下計數(shù)方式可達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、停 止、正反轉等指令控制電機運行方式，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)實現(xiàn)的是閉環(huán)控制，因此由PLC 的開關量輸出端口向變頻器的數(shù)字量輸入端口發(fā)布 電機運行方式的控制指令，同時由PLC A/D 轉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RS232C 通訊口，用電纜將其與上位計算機串口相連，即可構成一個簡單的 監(jiān)控網(wǎng)絡。上位計算機實現(xiàn)監(jiān)控功能，包括人機交互界面的顯示、控制指令和參數(shù)的輸入、復雜控制算法 的實現(xiàn)、實驗結果曲線的顯示、數(shù)據(jù)的存儲、打印等功能。上位機和PLC 之間的通訊采用CQM1H 所要 求的固定格式的通訊協(xié)議。
3 軟件實現(xiàn)
3.1 通訊與監(jiān)控功能的實現(xiàn)
為實現(xiàn) PLC 與上位機之間的通訊功能，必須分別對PLC 和上位機進行設定。在CQM1H 中，需要對 系統(tǒng)存儲區(qū)的相關字節(jié)進行設定，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 設定為：波特率9600K、偶校驗、起始位1 位、位長7 位、停止位2 位等。 在上位計算機中，采用高級語言編寫程序代碼實現(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 中有一個專門的串行通訊控件——MSComm 通訊控件，通過該控件可以設定通訊幀格式，實現(xiàn)通訊功能。 具體設定步驟如下：
MSComm1.CommPort = 1
MSComm1.Settings = "9600,e,7,2" ;設定通訊幀格式
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
上位機對CQM1H 的監(jiān)控方式有兩種。一種是由上位機向PLC 發(fā)布初始命令，要求PLC 返回相關運 行數(shù)據(jù)，進而根據(jù)該數(shù)據(jù)進行結果顯示和控制運算，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，實現(xiàn)速度和位置控制;另一種是由PLC 主動向上位機發(fā)送初始命令，提供相關運行數(shù)據(jù)，上 位機接收數(shù)據(jù)并根據(jù)該數(shù)據(jù)進行結果顯示和控制運算等。這里采用前者。
為與 CQM1H 的通訊數(shù)據(jù)格式匹配，上位機發(fā)送命令的格式如下：
發(fā)送命令必須以@打頭，節(jié)點號指出與上位機通訊的PLC，頭代碼為兩字符命令代碼，正文設置命令數(shù)據(jù)，F(xiàn)CS 為組檢驗序列，終止符固定設定為*與↙。
PLC 的響應格式如下：
尾代碼返回完成狀態(tài)(是否有錯誤發(fā)生)，正文只有在有數(shù)據(jù)時才返回。當數(shù)據(jù)長于131 個字符時， 可分組傳送。PLC 返回的數(shù)據(jù)為ASCII 形式，由于自動加入了@、節(jié)點號、FCS、終止符等，需要在上位 機中編寫相關的處理程序，在通訊正常的情況下截取所需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容。
3.2 控制算法的實現(xiàn)
上位機具備強大而快速的運算能力，因而PID 算法、模糊控制算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法、遺傳算法等各種控制策略都可以方便地實現(xiàn)。這里主要采用模糊控制算法。
3.2.1 調(diào)速算法
三相異步電動機模型是一個高階非線性強耦合多變量的模型[1]，進行控制時需要考慮多方面的因素。 例如轉子的電壓、頻率、磁通，以及轉子轉速和位置等參量之間互相影響存在耦合，繞組存在電磁慣性， 轉子存在機電慣性，轉子的電阻值會隨溫度而變化，負載轉矩、轉動慣量等有可能出現(xiàn)各種隨機擾動等。 這些因素的影響給控制帶來了困難，僅采用經(jīng)典的控制方法很難達到較高的精度要求。而模糊控制算法無 需被控對象的精確數(shù)學模型，且對被控對象的參數(shù)變化不敏感，魯棒性強。因此將變頻器和異步電動機看 作一個整體，采用模糊控制算法實現(xiàn)速度控制。
同時考慮到模糊控制器是一個有誤差控制器，達到期望速度后的穩(wěn)態(tài)階段波動比較大。而采用PI控制， 當誤差較小時有較高的穩(wěn)態(tài)精度[2,3]。故而把增量式PI控制策略引入模糊控制器，構成模糊-PI復合控制，以 改善模糊控制器的穩(wěn)態(tài)性能?；谀：?PI復合控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)如圖2(a)所示，實驗結果如圖 2(b)所示(給定轉速100 r/min，采樣周期T=150ms，轉速誤差≤1.0 r/min)。
基于比例因子自調(diào)整的模糊控制系統(tǒng)如圖 3(a)所示，實驗結果如圖3(b)所示(電機額定轉速運 行時定位于0°，采樣周期T=150ms，位置誤差≤0.09°，即1 個計數(shù)脈沖的位置間隔)。
4 結語
本文基于PLC硬件平臺，充分利用PLC自身資源，設計了異步電動機的速度和位置綜合控制系 統(tǒng)。實驗表明該系統(tǒng)達到了一定的控制精度，具有一定的實用參考價值。