基于plc的交流电机控制系统设计文献综述.doc

河北科技师范学院本科毕业论文（设计）文献综述交流电机控制的研究院（系、部）名 称 ： 机电工程学院 专 业 名 称： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 申再贺 学 生 学 号： 0413120213 指 导 教 师： 崔丽娜 年 月 日河北科技师范学院教务处制1、前言电机行业是一个传统的行业。经过多年的发展，它已经成为现代生产、生活中不可或缺的核心、基础，是国民经济中重要的一环。电动机主要分同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，分别应用于不同的场合，而其中又以三相异步电动机的使用最为广泛。到目前为止，我国的电机制造业已经具有一定规模。在现代电动机控制中，长期以来存在着交流调速和直流调速方案之争，早在19世纪末，电力系统中就有过交流供电和直流供电之争，结果经过半个世纪的争论，由于三相交流电的发明，使电力系统的交流化取得了胜利1。由于电力电子器件的不断发展，这对交流电机的控制和调速奠定了物质基础。电力电子器件是实现弱电控制强电的关键所在。以普通晶闸管构成的方波形逆变器被全控型高频率开关器件组成的脉宽调制(PWM)逆变器取代，正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。在现代电机控制理论中，交流变压变频技术是一种转差功率不变高效型调速技术，它是现代交流调速的主要控制方法，自20世纪60年代获得突破性进展以来，一直受到人们的高度重视。交流变压变频技术按其控制方式可简单分为：V/F恒定正弦脉宽调制(SPWM)、电压空间矢量(SVPWM)、矢量控制和直接转矩控制三代控制方式2。2、电机的交流调速从世界上第一台电动机诞生以来，交流电机变频调速技术的发展一直没有得到大规模的应用。这主要是由于交流电动机本身的控制复杂性以及电力电子技术不成熟，控制方法不完善造成的。但是，从20世纪70年代以后，随着电力电子技术和微电子技术的发展，带动了交流调速系统的兴起和发展，逐渐打破了直流调速系统占据的统治地位。针对交流电机（尤其是笼型感应电机）动态数学模型的非线性多变量强耦合特点，并随着智能控制技术的发展，许多学者提出了各种控制策略和技术方法。包括无速度传感器矢量控制技术、直接转矩控制技术、基于神经网络控制的矢量控制技术、空间电压矢量控制技术等8。现代交流调速技术的发展依赖于微电子学、电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变技术的发展以及交流电动机制造技术的发展，是一门多学科交叉技术。近年来，交流电机的驱动在工业中得到了非常广泛的应用。2.1 直流电机与异步电机调速性能比较异步电机相对于直流电机，具有坚固耐用，价格便宜，易于维护等显著特点，在各行各业得到广泛应用。但是，异步电机的调速性能远比直流电机差，这限制了异步电机在调速场合的应用。由电机原理可知，电机调速的本质是控制电机的电磁转矩实现加减速，达到调节转速的目的。电动机的电磁转矩是由主磁场和电枢磁场的相互作用产生的。主磁场和电枢磁场产生方法的不同，以及两者之间相互作用形式的不同产生了电机不同的调速性能。直流电机调速性能优异、可控性好是因为它具备以下几个条件：（1）主磁场由直流励磁电流产生，用补偿绕组克服电枢反应，一般可认为主磁场是稳定的直流磁场；（2）当电刷位于几何中性线时，电枢磁场和主磁场在空间上是垂直的，不产生耦合；（3）励磁电流和电枢电流互相独立，由各自所在回路控制，易于实现；（4）在工程实现中，直流电机可以视为单输入/单输出的二阶线性系统（SISO），输入为电枢电压，输出为转速。若忽略电枢反应和磁场饱和，直流电机的输出转矩可以表示为Te=GafIaIf (1)式中，Te为电磁转矩，Gaf为直流电动机的电动势常数，Ia为电枢电流，If为励磁电流。直流电机的构造决定了励磁电流If产生的磁链fY与电枢电流Ia产生的磁链Y是垂直的，即两个矢量之间是解耦的。通过改变Ia控制转矩时，磁链fY不受影响，且在fY为额定值时，可以获得快速的瞬态响应和较高的单位安培转矩；通过If改变控制磁链fY时，不会影响到aY。这就是调速所希望的独立性、解耦性。应用经典的线性系统控制理论以及相应的工程设计方法可以很方便地分析和设计直流电机的调速系统。异步电机和直流电机相比，具有以下特点：（1）三相异步电动机的定子上施加三相对称正弦交流电流，产生一个空间旋转磁场；（2）转子电流产生的旋转磁场在稳态时与定子电流产生的旋转磁场同步旋转，但相位不同，在空间上不存在垂直关系，也就不存在解耦特性；（3）异步电机多为鼠笼型，转子短路，只能调节定子电流；（4）异步电机的动态数学模型是至少七阶的多输入多输出系统（MIMO）。显然，异步电机的动态数学模型极复杂，只有通过有效的简化与控制技术实现解耦才有可能获得像直流电机类似的调速性能5。2.2异步电机的控制由于异步电机的控制与直流电机的控制不同，没有专门的励磁绕组或者永磁体，因此，异步电机的磁场控制现得尤其困难。因此，人们提供了多种异步电机控制策略，其核心均为对异步电机磁场的有效控制，其控制方法有开环控制，闭环控制，直接控制和间接控制等多种形式。2.2.1变压变频控制（VVVF）1异步电机的同步转速是由给电机供电的电源频率和电机的极对数决定的，当供电频率改变时，电机的同步转速也随之改变。在负载条件下，电机转子的实际转速低于电机定子的同步转速，其转差的大小与电机的负载有关。在电机控制过程中，使每极磁通；mF保持恒定值不变是关键一环，其幅值通常保持为额定值。这是因为，如果磁通太弱，就没有充分利用电机的铁心，并影响电机的输出转矩；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和从而导致过大的励磁电流，增加电机的铜耗和铁耗,使电机温升过高,严重时会因绕组过热而损坏电机。在异步电机中，磁通mF是由定子和转子磁动势合成产生的，只要将气隙感应电动势Eg和定子电压频率If协调控制，就能够将磁通mF控制为恒定值。这种变频调速方法又称变频变压调速(VariableVoltageVariableFrequency)，简称VVVF控制。2.2.2正弦脉宽调制控制（SPWM）6交流电气传动中的脉宽调制技术一般称为正弦脉宽调制（SPWM）。SPWM波的基本实现方法是利用三角波对预先控制信号进行调制，通过调节脉冲宽度来形成包含正弦基波的脉冲调制波。它具有输出波形好、谐波分量少和调速范围宽等特点。SPWM控制脉冲可以用模拟电子电路产生，但它存在使用元件多、控制线路复杂、控制精度难以保证等缺点。经常采用微机与专用芯片混合控制SPWM变频调速系统或单片机生成SPWM控制脉冲的交流电动机变频调速系统，但从微机控制角度看，希望少用硬件，尽可能多地用软件来完成各种功能，以降低成本，提高装置的可靠性和灵活性。影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数，转差率和电源频率。其中，改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓的变频调速。在电动机调速时，总是希望保持每极磁通为额定值不变，磁通太弱没有充分利用电动机的铁芯，是一种浪费。若要增大磁通，则会使铁芯饱和，导致电动机过热而损坏。在基频(额定频率)以下变频时，定子电压Us也要随之变化，这样才能保持磁通恒定。在基频以上调节时，f增高，电压不能增加得比额定电压还要高，这样磁通将会与频率成反比降低，相当于直流电动机的弱磁升速。如何才能实现变频的同时变压，这就需要用到正弦波脉宽调制（SPWM）。2.2.3空间矢量脉宽控制（SVPWM）5空间矢量的基本思想就是把异步电动机经过坐标变换等效成直流电动，然后仿照直流机的控制方法，求得直流电动机的控制，再经过相应的反变换，就可以控制交流电动机了。在矢量控制中，定子电流被分解为互相垂直的两个分量Imi和Iti，其中Imi用于控制转子磁链，称为磁链分量，Iti用于调节电机转矩，称为转矩分量。因此,矢量控制实现了定子电流分解，分别进行转子磁链和电磁转矩的解耦控制。从而模拟出类似直流电动机的工作状况。矢量控制交流变频调速系统的稳态、动态性能能够与直流调速系统相媲美。SVPWM具有电流谐波少、转矩脉动小、噪音低等优点，而且相对于常规的SPWM直流电压利用率能提高约巧15%。3、可编程逻辑控制器（PLC）7简称PLC(ProgrammableLogicalController)是一种专门为适应工业环境而设计的工业控制计算机。它自1969年问世以来，随着微电子技术，集成电路技术，微处理器技术和微计算机技术的发展，已经取得了巨大的进步。现在的PLC不仅已经大大超过了设计的初衷(即替代继电接触器)，用逻辑编程取代了硬连线逻辑，而且在容量，速度，功能和通信能力等方面有了大大的增强。现在的PLC由于采用了功能强大的高档微处理器(如16位，32位微处理器)，处理速度快，存储容量大大增加;由于采用了多种编程语言和先进的指令系统，增强了过程控制和数据处理的功能，如PID控制，数据文件传送，浮点运算功能，同时，完善的输入/输出系统使得系统的处理能力和控制能力得到大大加强;由于采用了现代数据通信和网络技术，能实现PLC之间，PLC和管理计算机之间的网络通信，形成多层分布式控制系统或整个工厂的自动化网络。现代的PLC还有图形显示，信息存储，多CPU并行工作等功能，这使得PLC的功能更加完善，足以满足绝大多数的生产控制要求。正是基于以上这些优势，现在的PLC已经成为工业控制中占主导地位的设备，并被广泛的应用于工业自动化的各种场合，因此，了解和掌握PLC系统的开发方法就日益成为我们的需要了。4、国内外研究现状当前交流调速技术研究和讨论的热点是变频器矢量控制和直接转矩控制技术，二者都是在交流异步电动机高性能变频调速装置中得到广泛应用的两种控制方案，并且都已经普遍应用到实际的变频器产品中，实际中共同存在两方面的讨论研究。针对这些交流调速系统需要进行复杂的控制任务，世界上各大公司推出了针对电机控制的PLC，PLC在三相异步电动机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点。长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需求。5、参考文献1冬雷.DSP原理及电机控制系统应用M.北京航空航天大学出版社,第1版.2张翔.基于DSP异步电机自适应矢量控制系统的研究D.大连交通大学,2008.3徐铁柱.基于DSP的交流电机变频调速控制系统J.电气传动白动化,2003.2(51)15-17.4MarkoHinkkanenAnalysisandDesignofFull-OrderFluxObserversforSensorlessInductionMotorsNewYork：IEEE2006，10(5):40-605朱良焱.异步电机矢量控制变频调速系统的研究与设计D.湖南大学,2009.(5).6宋店波,王永生.基于DSP的交流异步电机SPWM变频调速系统设计J.煤矿机械.2008,12(12).7罗华丽，李斌.开放式数控系统中的软件PLC技术研究J.组合机床与自动化加工技术.2003（2）：38438姜涛.基于DSP的异步电机失量控制系统研究D.武汉理工大学.9张燕宾.SPWM变频调速应用技术.机械工业出版社,2002.5.10徐铁.基于DSP的交流电机变频调速控制系统J.电气传动白动化,2003.2(51)15-17.11姜涛,谭思云,陈锦.基于DSP的异步电机变压变频控制系统研究J.仪表技术.2010,第4期.12张燕宾.SPWM变频调速应用技术M.机械工业出版社,2002.13解维坤,彭侠夫.基于DSP的异步电机变频调速系统设计与应用M.电机与控制与应用2008,35(9).14C