摘要
随着电动机的不断地发展，人们一直追求的都是电动机的高精度、高效率以及高力矩等性能。各行各业的自动化设备对驱动电机的控制精度提出了更高的需求，这些设备中往往都有着变频电机的身影，变频电机的结构特性使其对高启动转矩、大转矩、低惯量特点的应用场合非常适用。
本文以自动化工厂中应用广泛的变频电机基础，在对其基本工作原理与控制方式进行学习分析后，提出了基于PLC调速控制的硬件和软件系统设计方案。硬件设计部分包括了西门子S7-1200系列PLC、增量型编码器、变频器的选型和主回路以及IO外接电路图绘制，设计了变频系统多功能端子和模拟量输入两种调速模式。软件设计部分主要介绍了伺服系统的PID算法原理，并在西门子博途编程软件平台上编写了PLC梯形图程序、人机界面组态和PID仿真程序，运用PLCSIM仿真软件实现虚拟PIC和人机界面的通讯，通过曲线图直观的展现了变频系统速度闭环控制过程中PID算法对速度调整的作用，并对程序运行工作过程中相关变量进行监测和更改。
关键词变频电机；PLC；调速；PID
等1章绪论
十九世纪二十年代，丹麦物理学家Hans Orsted（汉斯·奥斯特）在哥本哈根大学任教过程中发现了通过电流的导线会对附近的磁针产生力的作用从而提出了电流磁效应理论，诞生了电磁学。紧接着的英国著名物理学家和化学家Michael Faraday（迈克尔·法拉第）在实验室设计出了第一台电动机模型，其广阔的前景引发了众多科学家投入精力来对电动机进行完善。最终，随着第一台实用发电机的成功发明，第二次工业革命拉开序幕。
如今，电动机的发展已经获得了巨大的成功，从最初的直流电机和交流电机两种基本模型，到应用于各个细分领域的众多电机种类，人们一直追求的都是电动机的高精度、高效率以及高力矩等性能，比如变频电机、伺服电机、步进电机等等。随着近年来国家对工业4.0和智能制造战略的推进，自动化设备的生产能力决定了国家制造能力，这些设备都对驱动装置的转速、精度和稳定性提出了相当高的要求，这些设备中往往都有着变频电机的身影。
随着电动机技术发展的同时，可编程序控制器(PLC)首次在美国通用汽车生产线运用以来，PLC技术也得到了飞快的发展，在常规的布尔信号逻辑控制基础上已经扩展了模拟量控制、过程控制、位置控制、强大的数据处理能力以及工业总线网络通信能力在各行各业中得到了广泛的运用。现如今的企业对产品的精度和质量要求在不断提高，对产品制造产线中的速度控制精度要求更加严格，PLC 拥有功能强大的闭环速度算法功能，而且大部分品牌的都已经针对这种应用场景设计了专门电机的PID控制模块，这些算法模块的组合使得PLC 可以满足任何工业需求。。所以将PLC运用变频电机的控制中实现高精度、稳
定以及功能强大的自动化调速方案是个值得我们探讨的问题。
变频器接线图第2章变频控制系统
2.1变频系统简介
变频器主要由整流、中间直流环节、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。其中整流器的作用是把工频电源变换成直流电源。逆变器与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频调速的基本控制方式三种：常规V/F控制、开环矢量控制、闭环矢量控制。
2.2变频器选择
本次论文设计选用汇川MD500系列通用型变频器。该系列变频器可支持三相和单相的AC220V或者AC380V电源输入，有着低速高转矩输出和良好的动态特性，超强的过载能力，可以通过多功能输入端子和模拟量输入端子进行调速。
图1-1 变频器接线图
图1-1是伺服驱动器主电路接线图，R/S/T接线端子接入三相交流输入电源，U/V/W 红白黑三电源线与伺服电机连接，PE端子和电机的接地线相连。变频器有两种速度控制模式，包括模拟量调速和多功能端子调速。在模拟量调速模式下，通过AI1和GND模拟量输入端子来进行控制，给定的模拟量信号为-10V-+10V，对应着电机-1500r/min—+1500r/min的转速。在多功能端子模式下，通过X1-X5多功能端子的通断控制变频器提前设定好的频率值来实现速度控制。
第3章可编程控制器
3.1 PLC特点
（1）可靠性稳定性高
传统继电器-接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头使设备之间电气接线变的十分复杂，回路中继电器的每一个线圈和触点接头都是一个故障点。设备运行时的震动，生产环境的温度和湿度都能造成接头的松动、老化、锈蚀，所以传统的继电器控制系统故障率较高。PLC端口只需要接入输入和输出信号，通过软件编程替代了传统控制方式所采用数量众多的电磁继电器和时间继电器组成的逻辑控制电路，因此电气控制系统内部的线圈和触点之间导线可以减少近六成，同时可编程逻辑控制器的输入和输出部件由晶闸管等电子器件组成，相较于传统的继电器，这种没有触点的设计不仅可以大大提高系统的稳定性和可靠性，而且可以支持微秒级的高速输入和输出。
（2）功能强大易扩展
从第一台PLC诞生发展到如今，随着计算机通讯技术和工业制造能力的发展，市面上各个厂家在研究生产PLC时，都会考虑到产品面向的领域和应用场景。PLC已经从最原始的布尔逻辑控制应用已经扩展到支持文件处理、PID控制以及机器人运动控制的功能。而且为了针对各个领域不同的使用场景，PLC基
本设计成模块化，在应用时可以根据实际应用所需选择不同通道的数量的I/O模块、模拟量模块或者通讯模块，扩展及其容。在扩展
能力上，每个厂家都开发出自己独有的通讯总线，支持远程I/O扩展，功能强大。
3.2 PLC选择
由于一个品牌的PLC所包括的CPU和模块种类很多，为了保证设计系统的功能性和经济性，需要在进行PLC硬件控制电路设计之前，对PLC所接入信号类型以及控制对象的属性、各类信号的数量以及PLC外围工业设备接口进行综合分析。PLC选型分析一般从下面几个方面进行：
（1）信号类型，判断信号属于开关量还是模拟量，开关量需要区分是无极性的继电器触点信号还是PNP或者NPN信号，模拟量需要区分是属于比如4-20mA、0-10V，-10V-+10V中哪种类型；
（2）电源规格，电源规格包括CPU和扩展I/O模块、模拟量模块、通讯模块的供电电源规格，比如AC220V模块和DC24输入模块不能混淆使用。还需要判断接入信号和输出信号的电压和电流和模块的额定值是否匹配，比如根据晶闸管输出模块的电压来选择适配的继电器线圈，另外晶闸管输出端口载流量一般在200mA，继电器输出端口可达5A，输出模块要根据控制电流来选择；
（3）统计系统需要接入的信号数量以及系统被控对象的数量，得到DI、DO、AI、AO等端口的所需个数，
然后根据相应品牌的模块规格进行合理选择，保证备用端口数量在15%-25%之间；
（4）根据外围智能设备的布置和通讯接口协议来匹配合适数量的通讯模块。
本次设计的变频电机调速控制系统中只涉及到基本逻辑，模拟量控制以及高速脉冲输出，所以根据以上的选型步骤和标准，并且考虑到调速和PID仿真实现，最终选择了可以基于西门子公司博途平台编程的S7-1200系列产品。
基于以上因素的考虑，并根据DI、DO、AI的总数量，在此基础上预留一定的备用点。最终选择的型号是6ES7 214-1AG40-0XB0，即直流供电电压，晶体管数字量输入和输出系列。
表3-1 CPU 1214C技术规范
序号功能参数
1 供电电压20.4-28.8VDC
2 数字输入点数14
3 继电器输出点数10
4 模拟输入点数 2
5 模拟量输入类型0-10V
6 数字量范围0-27648
所以还需要选择6ES7 232-4HB32-0XB0模拟量输出模块一个，具体技术规范如表3-3。
表3-3 扩展模块技术规范
序号功能参数
1 模拟量输出点数 2
2 模拟量规格±10VDC/0-20mA/4-20mA
3 数字量范围电压-27648 —+27648/电流0-27648
第4章系统硬件设计
4.1 电气原理图
4.1.1 主回路原理图
图4-1 主回路电气原理图
图4-1是变频电机调速系统主回路原理图，系统供电是与变频电机额定电压相匹配的AC380V，50HZ电源，动力回路设计了单独的分断路器Q1进行短路保护，，由于变频器SF内部IGBT元件短路损坏的时间远小于断路器过流跳闸保护动作时间，所以变频器前端还选用了F1三极快速熔断器进行保护。F2是两相熔断器，为主回路控制电路提供过流保护，直流电源G1可以将AC220V主回路电源转变成DC24V 控制电源，并能在输入电压有一定范围波动的情况下保证稳压输出，同时可以实现电磁隔离功能，防止线路上的电磁干扰对控制回路元器件尤其是PLC有干扰。CPU 的电源由直流电源G1提供。
4.1.2 PLC回路原理图
图4-2 CPU回路电气原理图
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