一种交流异步电机转速控制方案的实现

单秀文 单锦华

盐城纺织职业技术学院 224005

1 概述

直流调速系统具有优良的静态、动态指标，在调速控制领域有着得天独厚的优势。但直流电动机由于受换向器的限制，维修工作量大，事故率高，寿命相对较短，而且换向火花使其难以应用于存在易燃易爆气体的场合。与直流电动机相比，交流电机具有结构坚固、工作可靠、无换向火花、易于保养等优点。但是，交流电动机的控制比较复杂，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发一直未能得到真正令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，变频驱动技术也得到了显著的发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。

针对普通的三相交流电动机存在的问题，本文研究设计了一种基于西门子s7-200PLC、EM235扩展模块和交流测速发电机，以西门子MM420变频器为驱动器的闭环调速系统。尽管只有一个测速反馈环，但考虑到变频器内部集成了可以由用户自定义的电流控制策略，因此，实际上该调速系统是一个转速、电流双闭环调速系统，从形式结构上非常类似于经典的双闭环直流调速系统。在控制方法上，本设计没有采用传统的PID控制，而是采用了一种非常简单明了的控制策略。该系统拥有良好的调速性能，结构简单，扩展性强，既可以用于实际生产，也可以用于机电一体化等专业课的项目教学，典型的闭环结构通过具体器件实现出来，无疑更有利于学生的理解。

2 硬件选型与实现方案

控制核心采用西门子CPU226 DC/DC/DC以及西门子公司的EM235模拟量扩展模块共同实现，用以完成指令信号处理、反馈信号处理、运算法则的实现和控制信号的输出。在本设计中，为了减小成本，给定信号采用了PLC自带的0号模拟电位计，其控制字为SMB38，范围为0～255，电动机为三角形连接，额定转速1400r/min。EM235模块用来处理交流测速发电机传送过来的反馈电压信号，送到AIW0寄存器，输入范围单极性0V～10V，全量程范围0～32000。测速发电机（TG）的参数为30V，5000r/min。故实际转速为：((AIW0)*10/32000))*5000/30；测速发电机测速范围 (5000/30)*10=1666r/min，大于电动机的额定转速1400r/min，可以满足测量要求。

值得指出的是，由于EM235最高输入范围限于10V，当被测对象超过1666r/min，则可考虑为测速发电机配一个分压电阻，分压系数可根据实际情况整定。事实上，使用旋转编码器可以获得更精确的转速，测速范围也更大，但增加了程序的复杂程度，故本文不做讨论。

驱动电机的MM420变频器，应根据电机参数以及生产要求进行快速调试，频率给定源因为模拟量给定，由EM235的一路0～10V电压输出对其进行控制。整个系统的硬件构架如下图所示：

3 软件实现

本文采取了一种非常简单的控制策略，即把给定转速与实际测得的转速相减，取其差值，若其差值大于零，则说明实际转速未达到给定值，则增加EM235的电压输出（AQW0），使电机增速；若其差值小于零，则说明实际转速超过了给定值，则减小EM235的电压输出(AQW0)，使电机减速。最终，实际转速在一种动态平衡下与给定转速保持一致。由于程序算法简单，加上cpu运算速度很快，因此本算法完全能满足一般的调速场合。参考程序如下：

4 结束语

本系统结构简单明了，实用性很强。由于采用了软、硬件分开的体系结构，当需要采用更优的控制策略时，不需要更换任何硬件，只需要把该策略写成相应程序即可，因此具备很大的拓展性。为了有更好的操作体验，还可以在PLC的上层用触摸屏和组态软件开发人机交互系统，使得系统更加成熟完善。

[1]吴志敏.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程[M].阳胜峰中国电力出版社，2009.

[2]施利春.变频器操作实训（森兰.西门子）[M].机械工业出版社，2007.