基于PID的交流电机调速系统设计

苏州市职业大学毕 业 设 计 说 明 书 毕业设计题目 基于PID的交流电机调速系统设计（偏软）系 专业班级 姓 名 陈 明 学 号 指导教师 淮 文 军 摘要分析了PID控制电机速度的功能与优缺点，介绍了硬件电路的实现以及软件的设置。阐述了PID各符号的知识 ，着重的详解了PID控制电机速度的调制方法。阐述了模拟量的输入、输出和模拟量与数字量的转化关系。以及阐述了PID参数的调试方法。在控制中加入了Omron 触摸屏，使的P、I、D三个参数设置和速度设置更加方便。增加了速度显示，还有启动、停止，这样控制起来更加的直观、灵活。关键词：PID控制，模拟量，电机调速AbstractAnalysis of the PID control of motor speed functions and advantages and disadvantages, introduces the realization of the hardware circuit and software settings. Elaborated the PID each symbolic knowledge， focuses on the explanation of the PID control of motor speed modulation method. Elaborated the analog input，output and analog and digital conversion relationship. And expounds the PID parameters debugging method. In the control of accession to the Omron touch screen, so that the P, I, D a three set of parameters as well as the speed setting is more convenient. Increased speed display and start, this is more intuitive, flexible control.Key words: PID control, analog quantity, motor speed control目 录摘要II第1章 绪论11.1项目背景11.2论文的主要内容21.3本设计所做的主要工作2第2章 基于PID的交流电机调速系统设计的硬件设计32.1实施方案32.2控制器的设计42.2.1 CP1H模拟量输入单元42.2.2模拟量输出单元52.3执行器的设计52.4 被控对象的设计52.5测量装置62.6 I/O地址分配表62.7 硬件接线图6第3章 PLC的软件设计73.1软件参数设计73.2 运算控制的设计73.3编程83.3.1 CP1H模拟量输入/输出单元83.3.2编程的操作流程83.4 PID通道的设置12第4章 调试144.1程序的调试144.2 PID调试的常用口诀154.3 调试程序记录数据及说明164-1 调试程序记录数据表16结论18参 考 文 献19附录A PLC程序图20附录B 触摸屏控制图23附录C PID参数的设定内容表24致谢26第1章 绪论1.1项目背景目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。交流电动机调速(speed control of AC motor)通过改变交流电动机的供电频率、极对数和转差率等电气参量，来实现速度调节的技术，又称交流调速。在实际应用中，交流电动机总是与生产机械相联系，形成电力拖动系统。不同的生产机械要求不同的速度，即使同一个生产机械在不同的运行工况下，也需要不同的速度，因而需要对拖动系统的运行速度加以调节。三相异步电动机转速公式为： (1)从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。常见的交流调速方法有：降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速；变极对数调速；变压变频调速等。变频调速是通过改变定子电压、频率的高效调速方法。为了让变频器快速输出稳定的频率信号，保证电机精确调速。通常使用PLC的PID指令来控制变频器完成。随着，控制技术的发展，变频器也可自带PID控制卡独立完成调速。1.2论文的主要内容主要介绍了模拟量的输入、输出模块，Panasonic的VF0型变频器，三相鼠笼异步电机，测速计，欧姆龙PLC。还有PID调速控制，硬件电路图，软件设计，参数调试等。通过制作出来装置，可以按照用户的要求来控制电机的速度。使之能够以P、I、D参数的改变，来改变控制要求。1.3本设计所做的主要工作首先，了解PID控制理论，知道PLC模拟量的输入、输出模块。Panasonic的VF0型变频器参数设置，欧姆龙触摸屏基本编写，PLC的编程。然后，按照设计需要连接各种仪器。并且，根据设计设定各种仪器的参数。根据硬件的参数设置，编写PLC控制程序。最后，改变PID参数，进行调试，将调试数据记录下来，比较PID参数的调节情况。选出速度偏差在的结果。第2章 基于PID的交流电机调速系统设计的硬件设计2.1实施方案本设计原理上是用OMRON系列CP1H-XA型号PLC的模拟量输入/输出单元进行电机转速的PID控制。具体的设计思路是如下： 通过速度计测得三相异步电机的速度，经A/D模块传给PLC。用户根据实际需要给PLC一个速度值。PLC通过处理将结果经D/A模块传给变频器。变频器通过给定的信号控制三相异步电机，直到速度达到设定值。设计的控制图如2-1，设计的思路图如2-2.图2-1 PID的交流电机调速系统的硬件控制图图2-2PID的交流电机调速系统的设计的思路图2.2控制器的设计2.2.1 CP1H模拟量输入单元（1）在端子台上方的电压/电流输入信号切换开关如下图2-3所示： 图2-3切换开关本设计使用的模拟量就是电压信号，所以本设计不用改变，就直接使用出厂设定的就行。（2）模拟量输入单元模拟量输入单元是将端子台如下图2-4所示：图2-4端子台从左到右分别是引脚18，其中1、2控制第一路输入，3、4控制第二路信号，5、6控制第三路信号，7、8控制第四路信号。由于本设计只用到第一路输入，所以只介绍1、2引脚的含义，其它的引脚其实也类似。其中1号引脚是第一路信号的模拟量电压/电流输入（接正极），由于上面已经将信号切换开关切至OFF，故是电压输入；2号引脚是第一路信号的公共端（接负极）。2.2.2模拟量输出单元模拟量输出单元是将指定的数字量（二进制数）转换为标准的电压信号或电流信号，端子台如下图2-4从左到右分别是引脚916，其中9、10、11控制第一路信号输出，12、13、14控制第二路信号输出。15、16号引脚是模拟0V。由于本设计只用到第一路输出，所以只介绍9、10、11号引脚的含义，其它引脚也类似。其中9号引脚是第一路模拟量电压的输出（接正极），10号引脚是第一路模拟量电流的输出（接正极），11号引脚是第一路模拟量输出的公共端（接负极）。2.3执行器的设计本实验选用Panasonic的VF0型变频器，其额定输入电压是200V，额定功率是0.4KW。由于PLC中的模拟量的输出是010V的电压信号，所以变频器的控制信号设为010V的电压信号，即连接端子为2+，3-。由于是用外部信号控制，所以将参数P09设为4。2.4 被控对象的设计本设计用的是三相鼠笼异步电机，其额定电压为380V。三相鼠笼异步电机的运行方式有星型和三角型，具体接线方法如图2-5所示：本设计使用的是星型接法。 图2-5三相鼠笼异步电机星、三角接法2.5测量装置测速计是一个传感器，将速度转换为相对应的电量电压，能够实时显示电机转速。将鼠笼电机与测速计同轴连接，即可测量电机转速。2.6 I/O地址分配表本实验有用外部来控制电机的运行，所以就用到I/O地址. 如下表2-6表2-6 I/O地址分配表输入部分输出部分名称地址名称地址启动0.00模拟量D/A210停止0.01中间继电器W200.00模拟量A/D2002.7 硬件接线图以PLC为控制器、变频器为执行器、测速计为测量装置的硬件图如2-7图2-7硬件接线图第3章 PLC的软件设计3.1软件参数设计由于本设计事先已经测得鼠笼电机在星型连接的情况下最高转速可到达1440r/min，这个转速经过测速仪转换后得到的电压是7.5V，而转速为0是其相对测量转换电压为0,故输入电压的量程选用010V；输出也选010V的电压量程。CXProgrammer具体个项参数的设置修改如下：如图3-1图3-1.参数设置所以输入占用的AD 0CH信道地址200CH；选用12000的分辨率。输出使用DA0CH信道地址210CH， 3.2 运算控制的设计用户根据实际需要设定一个设定值即电机转速，它与经过模拟量输入单元的滤波、转换，与测量仪器即转速仪，得到的测量值进行比较，得出偏差，偏差经过PLC的PID指令环节的比例积分单元进行调节，经过模拟量输出单元的转换，将结果输出，输出到执行器即变频器，同时也将结果送到微分环节做超前调节，变频器输出对应的频率信号，送到电机，表现出相应的转速，再与设定值相比较，得到偏差，再进行调节如此循环，直到最终得到与设定值相差无几的转速。本设计运算思路图如下3-2： 图