CN107359836A - 一种基于plc‑pid算法的变频闭环调速系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PLC‑PID算法的变频闭环调速系统及方法,系统包括:负荷开关、进线电抗器、变频器、变频电机、高速计数器、可编程控制器、上位机。方法包括以下步骤:1、上位机与可编程控制器进行通讯连接下发指令控制可编程控制器发送变频启动信号。2、可编程控制器发送模拟量控制信号给变频器控制变频电机启动。3、连接轴一侧安装高速计数器采集电机转速,采集到的高速脉冲信号发回到可编程控制器的高速脉冲口。4、可编程控制器将采集的高速脉冲与设定值进行对比来修正转速偏差。本发明的优越效果是实现了试验台架电机的精确控制,避免了电网的干扰及出现的一些其他因素导致的电机转速偏差,能够极大的提高试验数据的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统及方法,属于纯电动汽车变速箱耐久试验技术领域。
背景技术
目前,传统的变速箱的耐久试验台架都是采用的开环调速系统——变频器通过通讯方式或模拟量控制方式发出指令,电机运转,在此过程中没有任何调节转速偏差的装置。
公开号为CN205864311U的专利申请公开了一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统,该控制系统包括速度控制器、Lm参数除法运算器、Tr参数除法运算器、低截止频率低通滤波器、除法运算控制器、加法运算控制器、积分控制器、两相旋转/三相静止坐标变换电路、电流滞环跟踪PWM信号发生器、电压源型逆变器和感应电动机。与传统技术相比,本发明不再需要Lm参数乘法运算器,而是增加了一个低截止频率低通滤波器,解决了传统控制系统的转子磁链矢量幅值振荡剧烈、转子磁链与电磁转矩不能很好地解耦和不能恒加速起动的难题,使得感应电动机转子磁链矢量幅值振荡大大减小。
公开号为CN205123639U的专利申请公开了一种微型直流电机智能调速器。该调速器包括单片机、晶振模块、按键模块、电源模块、PWM数字信号发生电路、直流电机驱动电路、霍尔转速检测电路和显示模块,PWM数字信号发生电路的输入端与单片机相连接,其输出端与直流电机驱动电路相连接;霍尔转速检测电路将直流电机转速的反馈信号输入到单片机,显示模块与单片机相连用于显示当前速度与设定速度。本发明提出一种以单片机为控制芯片,霍尔传感器为测速元件的直流电机闭环调速系统。
公开号为CN203859715U的专利申请公开了一种基于单片机的变频器,包括集成电路SA4828、单片机89C52、隔离驱动电路、逆变电路IPM和电动机。由键盘输入给定的转速,单片机把它换算成变频器将要输出的频率和电压的控制字,写入到SA4828的控制寄存器,启动SA4828;从RT~BB的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM控制信号,经驱动电路隔离后,分别控制智能功率模块IPM的6个IGBT的导通与截止,最后在三个输出端上产生对称的三相SPWM 电压,以驱动交流电动机运转;利用转速编码器可以构成闭环调速系统,提高转速控制的精度。IPM的故障检测信号接到SA4828的STTRP端,一旦IPM发生过流、过热、短路和欠压等情况,将立即切断SA4828的6路输出信号,使IPM 得以保护。
公开号为CN203788203U的专利申请公开了一种PWM双闭环电动自行车调速控制系统,包括电源电路和依次相连的转速调节电路、电流调节电路、PWM 发生电路、隔离与驱动电路、功率放大电路和直流电动机;电源电路分别与转速调节电路、电流调节电路、PWM发生电路、隔离与驱动电路和功率放大电路相连;转速调节电路和直流电动机分别与转速反馈电路相连,电流调节电路和功率放大电路分别与电流反馈电路相连。该控制系统把开环调速系统变换成闭环调速系统,利用转速调节器、电流调节器校正调速系统的动态性能,使调速系统满足控制系统对稳定性、准确性、快速性的要求。
综上所述,在具体运作过程中,实际上确实会因为外界干扰,如电场干扰、机械误差,出现一定的转速偏差。虽然偏差数值不大,但却会影响试验精度,进而影响最后试验数据分析。当出现这种偏差之后,修订这种偏差又成为一个问题。因为耐久试验的工作性质,不可能人为的实时跟踪修改试验过程中的转速偏差。这种试验方式是不严谨的,人为的忽略这种偏差不科学,再小的误差最终由此得出的试验结果必然是不准确的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统及方法,本发明实现了对电机转速的精确控制。PLC即是可编程控制器。
本发明的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统包括:负荷开关、进线电抗器、变频器、变频电机、高速计数器、可编程控制器、上位机。所述进线电抗器、负荷开关、变频器、可编程控制器、上位机依次连接。所述变频电机与变频器连接;所述高速计数器与可编程控制器连接。电流经过负荷开关与电网隔离,然后经过进线电抗器滤波后再进入变频器;上位机与可编程控制器通讯,通过可编程控制器控制变频器,然后控制变频电机运动;高数计数器采集变频电机转速,通过发送高速脉冲HSC将转速信息送入可编程控制器,可编程控制器通过PID实时调节变频电机转速。本发明所述系统应用于变速箱的耐久试验,采用PID闭环控制方式,能够实时监测变频电机转速并在出现转速偏差的时候系统自动调节转速,将变频电机转速维持在一个稳定的范围内并能够使试验台架得出的实验数据更加精确以利于后续的实验数据分析。
本发明的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速方法包括以下步骤:
步骤1、上位机与可编程控制器进行通讯连接,下发指令控制可编程控制器发送变频启动信号。
步骤2、可编程控制器在接收到上位机命令以后,发送模拟量控制信号至变频器,变频器控制变频电机启动。
步骤3、电机连接轴一侧安装高速计数器采集电机转速,采集到的高速脉冲信号发回到可编程控制器的高速脉冲口。
步骤4、可编程控制器将采集的高速脉冲与设定值进行对比,通过PID算法来修正转速偏差。
PID算法具体如下:
设转速为n(r/min),Δm为采样周期内接受到的脉冲数,T为采样周期 (s),P为高速计数器每转发出的脉冲数。那么就能够得到速度为:
n=Δm/(T×60×P)
闭环控制就是将速度信号反馈给可编程控制器,再通过与给定量比较,输出给PID控制部分。因为可编程控制器高速脉冲口只能采集离散量,所以使用离散后的公式:
du(kt)=kp*[e(kt)-e(kt-t)]+kie(kt)+kd*[e(kt)-2e(kt-t)+e(kt-2t)]
u(kt)为第k次采样输出的控制值;
e(kt)为第k次产生的控制偏差,e(kt-t)为第k-1次产生的控制偏差,以此类推;
kp为比例调节系数,用于加快系统的响应速度,提高系统的调节精度;
ki为积分调节系数,用于消除残差;
kd为微分调节系数,用于改善系统的动态性能。
在PID参数进行整定时通过凑试法来确定PID的参数,对参数调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤。增大比例系数kp将加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减小静差,但是过大的比例系数会使系统有大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。增大积分时间ki有利于减小超调,减小振荡,使系统的稳定性增加,但是系统静差消除时间变长。增大微分时间kd有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱。
步骤5、可编程控制器将修正值再通过模拟量发送口发送给变频器以达到实时调节转速的目的。
本发明的优越效果是实现了试验台架电机的精确控制,避免了电网的干扰及出现的一些其他因素导致的电机转速偏差,能够极大的提高试验数据的准确性。
附图说明
图1是本发明所述一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速方法的流程示意图;
图2是本发明所述一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。如图2所示,本发明的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统包括:负荷开关、进线电抗器、变频器、变频电机、高速计数器、可编程控制器、上位机。所述进线电抗器、负荷开关、变频器、可编程控制器、上位机依次连接。所述变频电机与变频器连接;所述高速计数器与可编程控制器连接。电流经过负荷开关与电网隔离,然后经过进线电抗器滤波后再进入变频器;上位机与可编程控制器通讯,通过可编程控制器控制变频器,然后控制变频电机运动;高数计数器采集变频电机转速,通过发送高速脉冲HSC将转速信息送入可编程控制器,可编程控制器通过PID实时调节变频电机转速。本发明所述系统应用于变速箱的耐久试验,采用PID闭环控制方式,能够实时监测变频电机转速并在出现转速偏差的时候系统自动调节转速,将变频电机转速维持在一个稳定的范围内并能够使试验台架得出的实验数据更加精确以利于后续的实验数据分析。
如图1所示,本发明的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速方法包括以下步骤:
步骤1、上位机与可编程控制器进行通讯连接,下发指令控制可编程控制器发送变频启动信号。
步骤2、可编程控制器在接收到上位机命令以后,发送模拟量控制信号至变频器,变频器控制变频电机启动。
步骤3、电机连接轴一侧安装高速计数器采集电机转速,采集到的高速脉冲信号发回到可编程控制器的高速脉冲口。
步骤4、可编程控制器将采集的高速脉冲与设定值进行对比,通过PID算法来修正转速偏差。
PID算法具体如下:
设转速为n(r/min),Δm为采样周期内接受到的脉冲数,T为采样周期 (s),P为高速计数器每转发出的脉冲数。那么就能够得到速度为:
n=Δm/(T×60×P)
闭环控制就是将速度信号反馈给可编程控制器,再通过与给定量比较,输出给PID控制部分。因为可编程控制器高速脉冲口只能采集离散量,所以使用离散后的公式:
du(kt)=kp*[e(kt)-e(kt-t)]+kie(kt)+kd*[e(kt)-2e(kt-t)+e(kt-2t)]
u(kt)为第k次采样输出的控制值;
e(kt)为第k次产生的控制偏差,e(kt-t)为第k-1次产生的控制偏差,以此类推;
kp为比例调节系数,用于加快系统的响应速度,提高系统的调节精度;
ki为积分调节系数,用于消除残差;
kd为微分调节系数,用于改善系统的动态性能。
在PID参数进行整定时通过凑试法来确定PID的参数,对参数调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤。增大比例系数kp将加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减小静差,但是过大的比例系数会使系统有大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。增大积分时间ki有利于减小超调,减小振荡,使系统的稳定性增加,但是系统静差消除时间变长。增大微分时间kd有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱。
步骤5、可编程控制器将修正值再通过模拟量发送口发送给变频器以达到实时调节转速的目的。
在本发明的具体实施方式中;所述负荷开关采用施耐德INS60,额定电压 60A,Ue最高达690V,能够外加延长手柄进行隔离操作,保证操作安全。
所述进线电抗器采用施耐德VW3A4555,额定电流60A,能够降低谐波电路,从而减少电网干扰。
所述变频器采用三菱F840系列,F840具有先进的V/F控制,矢量磁通控制及PM电机控制,本发明采用的是V/F控制,最高频率达590HZ。
所述变频电机采用西门子1TL0001,贝得1TL0系列电动机是高效低压三相异步电动机,机壳为铸铁,适用于连续工作制工作运行。1TL0系列电动机具有效率高、结构新颖、造型美观、噪音低、振动小、绝缘等级高的特点,能用于风机、泵压缩机、纺织机械多种工业应用领域。
所述高速计数器采用霍尼韦尔SNG-DSS001,其工作温度-45℃-125℃,抗电气噪声辐射高达100V/m,具有优秀的抗振动性能,双通道输出。
所述可编程控制器采用西门子1200系列,西门子1200系列可编程控制器具有高速脉冲采集功能,采集频率能够达到100KHz,共有6个高速计数器 HSC0~HSC5,在固定时间间隔内采集脉冲差值,通过计算既能够获得电动机的当前转速。
所述上位机采用研华IPC8170一体机,IPC8170采用的是触摸屏,具有6路串口通讯,包括1路485/232及5路232口,还具有2路以太网口,6路USB口,能够实现与变频器和可编程控制器的实时通讯监控。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内,能够轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统,其特征在于,包括:负荷开关、进线电抗器、变频器、变频电机、高速计数器、可编程控制器、上位机;所述进线电抗器、负荷开关、变频器、可编程控制器、上位机依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统,其特征在于,所述变频电机与变频器连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统,其特征在于,所述高速计数器与可编程控制器连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统,其特征在于,所述上位机与可编程控制器通讯连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速系统,其特征在于,所述系统采用PID闭环控制方式。
6.一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、上位机与可编程控制器进行通讯连接,下发指令控制可编程控制器发送变频启动信号;
步骤2、可编程控制器在接收到上位机命令以后,发送模拟量控制信号给变频器,变频器控制变频电机启动;
步骤3、电机连接轴一侧安装高速计数器采集电机转速,采集到的高速脉冲信号发回到可编程控制器的高速脉冲口;
步骤4、可编程控制器将采集的高速脉冲与设定值进行对比,通过PID算法来修正转速偏差;
步骤5、可编程控制器将修正值再通过模拟量发送口发送给变频器以达到实时调节转速的目的。
7.根据权利要求6所述的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速方法,其特征在于,所述PID算法具体如下:
设转速为n(r/min),Δm为采样周期内接受到的脉冲数,T为采样周期(s),P为高速计数器每转发出的脉冲数。那么就能够得到速度为:
n=Δm/(T×60×P)
闭环控制就是将速度信号反馈给可编程控制器,再通过与给定量比较,输出给PID控制部分,因为可编程控制器高速脉冲口只能采集离散量,所以使用离散后的公式:
du(kt)=kp*[e(kt)-e(kt-t)]+kie(kt)+kd*[e(kt)-2e(kt-t)+e(kt-2t)]
u(kt)为第k次采样输出的控制值;
e(kt)为第k次产生的控制偏差,e(kt-t)为第k-1次产生的控制偏差,以此类推;
kp为比例调节系数,
ki为积分调节系数,
kd为微分调节系数。
8.根据权利要求7所述的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速方法,其特征在于,在PID参数进行整定时通过凑试法来确定PID的参数,对参数调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤。
9.根据权利要求7所述的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速方法,其特征在于,增大比例系数kp将加快系统的响应,在有静差的情况下有利于减小静差,但是过大的比例系数会使系统有大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。
10.根据权利要求7所述的一种基于PLC-PID算法的变频闭环调速方法,其特征在于,增大积分时间ki有利于减小超调,减小振荡,使系统的稳定性增加,但是系统静差消除时间变长;增大微分时间kd有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱。
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