基于PLC控制的交流电机变频调速系统.docx

摘要

电机作为运动控制系统中的关键部分，在工农业生产中应用十分广泛。本文
针对工厂电力拖动系统的升级改造，提出了使用变频器和 PLC 组建交流调速系
统，解决交流电机调速性能差及其控制方式复杂的问题。
本文主要内容如下，硬件方面选择罗克韦尔 PLC 作为控制器，变频器作为执
行机构，异步电机作为控制对象，测速发电机作为检测机构，在罗克韦尔以太网
和控制网平台上搭建控制回路；软件方面运用罗克韦尔 Rslinx 软件建立通信通
道，运用 RSnetWorx 软件进行网络规划，运用 Rslogix5000 软件进行编程，并加
入 PID 控制、模糊控制、模糊 PID 控制算法，运用力控组建监控画面。最终完成
数据实时采集、控制量实时输出和控制过程的实时监控，以及三种控制算法动态
性能和稳态性能的比较，达到使系统响应快速、控制精确的目的。
实验结果表明，PID 控制使系统具有很高的稳态精度，但动态性能较差；模
糊控制使系统具有良好的动态响应，但稳态精度很差；模糊 PID 使系统具有良好
的动态响应和很高的稳态精度。由此可知，控制算法的改进大大提高了系统性能。
所以 PLC 交流调速系统可以广泛应用于工业现场，实现电机的高效控制。

关键词：PLC ；变频器；异步电机 ；PID；模糊控制；罗克韦尔网络；

Abstract

Motor motion control system as a key part of the application in a wide
range of industrial and agricultural production. This electric drive
system for the plant upgrade, proposed the use of AC variable speed drive
and PLC system set up to address the poor performance of AC motor speed
control complex issues.
The main contents include hardware and software. In hardware, select
Rockwell PLC as a controller, Frequency converter as the implementing
agency, Asynchronous motor as a control object, tachometer generator as
testing organizations, in the Rockwell Ethernet and control network
platform to build control loops; In software Rockwell Rslinx software used
to establish communication channels, use RSnetWorx software for network
planning, the use of Rslogix5000 software programming, and joined the PID
control, fuzzy control, fuzzy PID control algorithm, the use of force
control formation of the monitor screen. Final completion of real-time
data acquisition, control the amount of real-time control of the process
output and real-time monitoring, and three dynamic performance and stable
control algorithm performance comparison, to make the system fast
response and precise control purposes.
The results show that, PID control of the system has a high steady
state accuracy, but the dynamic performance is poor; fuzzy control the
system has good dynamic response, but the steady-state accuracy is poor;
fuzzy PID so that the system has good dynamic response and very high
steady-state accuracy. It can be seen, the control algorithm to improve
system performance greatly improved.
Therefore, AC variable speed PLC system can be widely used in
industrial field, to achieve efficient control of the motor.

Keywords:
PLC ； Frequency converter ; Asynchronous motor ； PID;
Fuzzy control ；Rockwell network

目录
1 绪论............................................................................................................................................... 1
1.1 研究目的和意义..........................................................................................  1
1.2 电机控制的现状及其发展趋势.........................................................................................  2
1.3 罗克韦尔系统简介.............................................................................................................  2
1.4 设计内容...........................  3
2 系统总体设计................................................................................................................................  4
2.1 应用背景................................................  4
2.2 系统总体设计.....................................................................................................................  4
2.2.1 变频调速原理..........................................................................  4
2.2.2 总体设计................................................................................................................. 5
2.3 系统硬件.............................................................................................................................  6
2.3.1 控制器及 I/O 模块.................................................................................................. 6
2.3.2 执行机构及控制对象..............................................................................................  6
2.3.3 检测机构.......................................................  7
2.3.4 系统实物联线图:....................................................................................................  7
2.4 控制方案设计...........................................................................................................  8
3 系统仿真....................................................................................................................................... 9
3.1 电机模型的建立.................................................................................................................  9
3.2 PID 控制仿真................................................................................................................... 11
3.2.1PID 控制基本原理................................................................................................. 11
3.2.2 仿真..............................................  12
3.3 模糊控制...........................................................................................................................  15
3.3.1 模糊控制基本原理.....................................................................  15
3.3.3 仿真........................................................................................................................  15
4 程序设计................................................................................................................................ 18
4.1PLC 程序设计................................................................................................................... 18
4.1.1 建立网络通讯........................................................................................................  18
4.1.2 编程.............................  18
4.1.3 网络规划................................................................................................................  20
4.2 监控软件设计.................................................................  20
5 系统实现及调试..........................................................................................................................  23
5.1PID 控制的实现及其实验结果........................................................................................ 23
5.2 模糊控制的实现和实验结果...........................................................................................  25
5.2.1 系统流程图............................................................................................................  25
5.2.2 模糊表的制定..............................................  25
5.2.3 实验结果................................................................................................................  26
5.3 模糊和 PID 复合控制............................................................................................ 27
5.3.1 模糊 PID 流程图................................................................................................... 27
5.3.2 模糊 PID 控制的实现和实验结果....................................................................... 27
5.3 控制方案的比较.......................................................  27
6 总结与展望................................................................................................................................. 27
6.1 总结........................................................................................... 27
6.2 展望.................................................................................................................................. 27
909573362@ 毕业设计（论文）

致谢.......................................................................................... 27
参考文献........................................................................................................................................ 27
附录.............................................................................................. 27

2

基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统

1 绪论

1.1 研究目的和意义

自动控制系统由运动控制系统和过程控制系统两部分组成。运动控制系统主
要研究生产和生活中的机器和设备的运动控制问题；过程控制系统主要研究生产

过程的控制问题。目前，运动控制系统已经广泛用于机械制造、冶金、交通运输、
石油化工、航空航天、国防工业、家电生产、轻工、农业等领域，即只要有动力
的部门，都要解决动力的传输和机器与设备的运动控制的问题，由此可见，运动
控制系统在国民经济中具有举足轻重的作用。
由于大部分机器和设备都是由电动机拖动的，所以研究运动控制系统主要是
研究电动机的启动、停止及速度调节的问题，即电动机的调速系统。电动机调速
系统分为直流电动机调速系统和交流电动机调速系统两大类。直流电动机的电
压、电流和磁通之间的耦合较弱，使它具有较好的起停特性，速度调节比较平滑，
调速系统易于实现，系统具有优良的静、动态性能指标且调速系统结构简单，以
往的调速系统基本上都采用直流调速；但有一些固有的难于克服的缺点，如机械
式换向带来的弊端，使其事故率高，维护困难成本高、寿命短，无法在大容量的
调速领域中应用等。与直流电动机相比，交流电动机容量、电压、电流和转速不
像直流电动机那样受限制，其结构简单，造价低廉，坚固耐用，容易维护。但是
由于它的电压、电流和磁通之间具有强耦合，优良的交流调速方法实现困难，简
单调速方案的性能指标又不佳，因此，以往交流调速系统不受重视。不过随着交
流电动机理论问题的突破和调速装置性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点
已经克服。特别是交流变频调速技术日趋成熟，其广泛的调速范围，较高的稳态
转速精度、快速的动态响应，使电控系统具有了速度更高、功率更大、效率更高、
可靠性更强和维护费用更低的优点，其调速性能已经可以和直流调速系统相媲
美。因而可以相信，在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速
传动在内的其他调速电气传动。
本文设计基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统，并加入控制算法，改善系
统的动态性能和提高系统稳态精度。达到了将变频技术、网络技术、控制技术应
用于实际电机调速研究的目的。

1
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1.2 电机控制的现状及其发展趋势

电机作为运动控制系统中的关键部分，正朝着以下三个方向发展:
(l)交流化。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，结构简单，制造方便，比
较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机，并且安装环境要求低，适
用于易燃、易爆、多尘等场合。特别是随着变频调速技术的发展，交流电机具有
了优异的调速性能，交流调速取代直流调速己成为一种不可逆转的趋势。
(2)网络化。微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提
供了可能。系统规模的扩大和系统复杂性的提高，需要远程控制多种设备协同工
作，高速安全的网络为此提供了方便。
(3)智能化。借助于数字和网络技术，智能控制己经深入到运动控制系统的
各个方面。例如:模糊控制、神经网络控制等大大改善了控制系统的性能。

1.3 罗克韦尔系统简介

罗克韦尔三层网络 Netlinx，包括以太网、控制网、设备网。在此网络架构
上，可以实现远程数据实时采集和实时输出，完成精确而又复杂的控制。
NetLinx 定义了三种最基本的功能：
(l)实时控制。基于控制器或智能设备内所储存的组态信息，通过网络通信中
的状态变化来实现实时控制，可提供操作或过程中的实时工厂级数据交换。
(2)网络组态。通过总线既可实现对同层网络的组态，也可实现上层网络对
下层网络的组态。网络组态可以在网络启动时进行，而设备参数修改或控制器逻
辑修改也可在线通过网络实现。
(3)数据采集。基于既定节拍或应用需要来方便地实现数据采集。所需要的
数据通过人机接口显示，包括趋势分析、配方管理、系统维护和故障诊断等。
ControlLogix 系统不仅具有先进的通讯能力和最新的 I/O 技术，而且同时
提供顺序、过程、运动和传动控制。一个简单的 ControlLogix 系统是由一个独
立的控制器和处于同一框架上的 I/O 模块组成。ControlLogix 系统背板在模块
之间提供高速的通讯通道。可以使用单独的通讯接口模块来实现背板与
EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet 和普通的 RemoteI/O 链路之间的接口
因背板上有多个通讯接口模块，可以通过链路将一条报文发送到某模块的端口，
并通过背板从另一个模块的端口传递出来，然后沿着另一个链路发送到最终的目

2
基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统

的地。

1.4 设计内容

本课题是基于罗克韦尔自动化 Netlinx 开放式网络架构和 ControlLogix 系统，
采用交流变频技术，运用三种控制算法实现对三相异步电动机的控制。内容安排
如下：
1.基于罗克韦尔系统的交流调速系统的总体及方案设计。
2.系统仿真。包括了交流电机模型的建立，PID 控制系统仿真，模糊控制系
统仿真。
3.软件设计。PLC 软件设计和上位机监控软件设计。其中 PLC 软件设计包
括建立通讯网络，规划网络，编写控制程序，在控制器中加入不同的控制算法，
如 PID 和模糊算法。上位机监控软件设计采用力控组建监控画面，完成对系统的
监测和控制。
4.控制过程调试。对不同控制方案进行现场调试，得到满意的曲线，然后对
三种方案进行对比。

3

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2 系统总体设计

2.1 应用背景

我国工厂早期的生产设备，采用的是直流调速系统，使用了若干年以后，故
障率明显上升，维修工作量不断增加大，故障停工工时急剧上升，已经严重影响
生产的正常进行，进行技术升级改造是必然的选择。
第一种方案，对直流调速系统进行改造，保留直流电机。调速系统采用数字
式可控硅直流调速系统，这种方案的优点是利用原有的直流电机，经济上比较划
算，但是有明显的缺点，直流电机的维护工作量大，特别是直流电机已经使用多
年，整流子磨损严重，维修费用较高。
第二种方案采用交流调速系统，将主传动直流电机换为交流异步鼠笼电机，
调速控制系统采用变频器。这种方案的缺点是购置费用较高。但是交流电机维护
量小，变频器性能优良，便于实现最优控制比较两种方案后，选择用交流调速
系统改造方案。
本实验使用罗克韦尔 PLC 和变频器组建交流调速系统，用以取代直流调速系
统，简化设备的控制线路，使故障率下降，实现可靠、快速、灵活的控制，保证
工业生产顺利进行。

2.2 系统总体设计

2.2.1 变频调速原理

异步电动机通入对称的三相交流电，此时电机气隙内会产生一个旋转磁场，

这个旋转磁场的转速 n0 ，称为同步转速，它与输入频率 f 及电机的极对数 p 的

关系如下:

n0 =
60 f
p
（2-1）

这个旋转的气隙磁场切割转子导体，在转子导条中产生感应电流，该电流与
气隙磁场作用下，使转子导条受到电磁力，电磁力产生电磁转矩，会使转子以小

于 n0 的转速 n 同向异步旋转。
4

s=                            （2-2）
基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统

异步电机转差率 s ：
n0 − n
n0

异步电机转速 n ：

n = (1 − s)n0 = (1 − s)
60 f
p
（2-3）

由公式（2-3），如果电机的 p 不变，转差率 s 不变，那么转速 n 与频率输入
频率 f 成正比关系。频率越高，转速越高；反之，转速越低。
实际上，当电机确定后， p 为定值，且变频调速属于转差功率不变型调速
方法，电机旋转时保持有限的转差率。因而变频调速的性能非常好，具有高效率、
高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点。因此，变频调速是交
流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对电机的调速。

2.2.2 总体设计

以控制器 Controllogix 为核心，应用以太网和控制网络，选择变频器作为
执行机构，异步电机作为控制对象，测速发电机作为检测机构，构成闭环控制回
路。框图如图 2.1。

图 2.1 系统总体结构框图

5

I

O

A（V）
D
比值
D
A（V）
比值
1.6
1629
1018
5000
5
1000
3.4
3427
1007
4000
4
1000
5.2
5230
1006
3000
3
1000
6.2
6190
998
2000
2
1000
7.1
7126
1016
1000
1
1000
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2.3 系统硬件

2.3.1 控制器及 I/O 模块

控制器选择 Controllogix 1756-5561。
I/O 模块选择 ACN1794 FLEX I/O 远程模块。
模拟输入与输出分别选择 CH0 和 CH1，量程选择-10-10V 二进制补码百分比。
FLEX I/O 输入输出转换关系：

表2-1A/D转换关系
由上表可以看出，模拟输入与输出电压值的A/D转换倍数关系为b=1000.
2.3.2 执行机构及控制对象

变频器作为执行机构，其结构为主电路（整流器，中间直流环节，逆变器）
和控制电路组成。变频器采用基频以下调速，即恒压频比调速。本实验采用的变
频器是 PowerFlex40。
变频器的启停和反转采用数字量控制，每个数字量需要 6mA 电流（左图）。
频率控制采用模拟量控制（右图）。如下：

图 2.2 变频器与数字 I/O 连接 图 2.3 变频器与模拟 I/O 连接

变频器控制电压 u 与输出频率 f 成线性关系，即 1—5V 对应 0—50Hz，写成
关系式为：

6

转速（r/min）
1443
1137
949.9
878.3
768.3
反馈电压（V）
7.16
6.52
4.68
4.33
3.77
比值
201.5
201.68
202.9
202.8
203.7
转速（r/min）
591.2
499.5
449
310.4
244
反馈电压（V）
2.89
2.44
2.44
1.51
1.18
比值
204.5
204.7
204.7
205.5
207
基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统

f =
50
5 −1
* (u −1)

u 的 AD 转换数比值为 b。所以要得到频率 f ，就可以输出数字量：

z = ( f

12.5
+ 1) * b
（2-4）

变频器 PowerFlex40 的 R/L1、S/L2、T/L3 接三相电源，U/T1、V/T2、W/T3
分别接三相异步电动机的 U/T1、V/T2、W/T3 三相，电动机采用星形接法。
电机采用交流异步鼠笼电机。铭牌如下：
型号：DJ21 额定电压：220V 额度电流：0.5A ，额定功率：100W

2.3.3 检测机构

选用直流测速发电机作为检测机构，反馈电压与转速成正比关系。

表2-2转速与反馈电压关系
由表2-2可得转速和反馈电压比值关系，实验时取系数c=203.
2.3.4 系统实物联线图:

图 2.4 实物连接图

7

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2.4 控制方案设计

方案一：PID 控制
PID 具有结构简单，参数易于整定，应用面广等特点，设计的控制对象可以
有精确模型，也可以是灰箱或黑箱系统，总体而言，它主要有如下优点:
(1)原理简单，应用方便，参数整定灵活;
(2)适用性强。目前它已广泛应用各个工业生产行业。
(3)鲁棒性强，即其控制的品质对受控对象的变化不太敏感。
系统框图见图 2.5

图 2.5PID 控制系统框图

方案二：模糊控制：
模糊控制以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础，近似地模拟
人的思维和决策过程。它不需要对象的数学模型，适用于非线性、时变的复杂对
象以及多变量系统，控制原则的改变也比较容易，因而根据熟练操作者技能总结
出来的模糊控制能在许多领域发挥其特长。系统框图见图 2.6。

图 2.6 模糊控制系统框图
本文采用 PID 控制和模糊控制两种控制方案，分别得到它们的系统响应曲
线，选取控制最优的方案。

8

基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统

3 系统仿真

31 电机模型的建立

异步电动机电磁转矩为

Te=     =
2R2
ω1[(R1+R2/s)+ω12(L1+L2')]
P m
Ω
(3 p U 1 )
s

2

（3-1）

'
其中 R1 、 R2 —定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻;
L1 、 L2' —定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感;

U1 、 ω1 —电动机定子相电压和供电角频率；
s —转差率；

电磁功率为 Pm ；

P 为电机极对数；

同步机械角转速 Ω =
ω1
p
。

公式（3-1）就是异步电动机的机械特性方程式。当定子电压 U，和角频率
以的比为恒定值时，可以把它改写成如下的形式

sω12'
Te=3p⎜⎟
⎝ω1⎠    +R2112')
(sR
)+sω(L+L

'22
⎛ U1 ⎞ R
2


1

2

2

Te=3p⎜⎟
=3p⎜⎟
R2
R2
⎝ω1⎠          ⎝ω1⎠
当 s 很小时，忽略分母中含 s 各项得
2 2
sω1
⎛ U 1 ⎞ ⎛ U 1 ⎞ ω s
' '

其中 ωs =