張靖輝

基于PLC的永磁無刷直流電機調(diào)速控制研究

張靖輝

PLC是一種可靠性高、抗干擾性強的控制設(shè)備，將PLC應(yīng)用到永磁無刷直流電機中能有效解決轉(zhuǎn)矩波動干擾的問題，對促進永磁無刷直流電機的革新和發(fā)展意義重大。本文將對PLC技術(shù)、永磁刷機以及基于PLC的永磁無刷直流電機調(diào)速控制技術(shù)進行分析、探討。

PLC；永磁無刷直流電機：調(diào)速控制

一、PLC技術(shù)

（一）PLC概念

PLC（Programmable Controller可編程程序控制器）是一種計算機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將微處理器作為核心，并把自動控制技術(shù)、通信技術(shù)和綜合計算技術(shù)融入其中，它由硬件和軟件兩部分組成。PLC的硬件選配得根據(jù)實際需要進行，其軟件要根據(jù)控制要求進行設(shè)計。

（二）PLC的組成部分及各組成部分的作用

1．PLC的組成。PLC是一種廣受歡迎的工業(yè)控制產(chǎn)品，它主要由以下幾個部分組成：微處理器（CPU）、電源器、存儲器、輸入和輸出部件、編程器、其他外部設(shè)備。各個部分的有效組合使得PLC具有可靠、安全等特點。

2．PLC各組成部分的作用。1）中央處理器（CPU）：控制器、運算器和寄存組是中央處理單元的關(guān)鍵組成部分，CPU的主要功能在于不斷采集輸入信號，執(zhí)行用戶輸入的程序代碼，使系統(tǒng)輸出不斷刷新；2）存儲器：PLC的存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩種，系統(tǒng)存儲器的作用在于存放PLC的系統(tǒng)程序，而用戶存儲器的功能在于存放用戶程序；3）電源器：電源器的作用在于向PLC系統(tǒng)供電，以保證PLC系統(tǒng)的正常運行；4）輸入輸出接口單元：PLC的輸入接口電路用于將按鈕、開關(guān)等產(chǎn)生的信號傳輸?shù)紺PU，PLC的輸出接口電路主要是將中央處理器向外傳輸?shù)男盘栕優(yōu)榭梢则?qū)動外部執(zhí)行元件的信號，以此來有效地保護內(nèi)部電路?；赑LC的永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)具有控制簡單有效、工作方式自由、定時寬、運行可靠、維護性好等優(yōu)點。

（三）PLC的工作原理

PLC的控制功能主要通過用戶輸入程序完成，其對用戶程序的執(zhí)行通過循環(huán)掃描進行。在開始工作時，PLC首先會清除輸入和輸出區(qū)的內(nèi)容，然后進行自我診斷，自動檢測中央處理器和輸入、輸出裝置，如果檢測合格，則將開始進行正常工作。掃描過程可以概括為采樣輸入、程序執(zhí)行和輸出刷新三個步驟。

二、永磁無刷直流電機

永磁無刷電機是一種基于永磁體建立的直流電機，它被廣泛地應(yīng)用于各種日常電子設(shè)備中，如錄音機等。不僅如此，在機電行業(yè)和高端電子行業(yè)中也有永磁無刷電機的身影。

（一）永磁無刷電機的基本結(jié)構(gòu)

永磁無刷電機與電刷電機不同，它通過把電樞繞組和永磁磁鋼分開，實現(xiàn)了電機的無機械接觸，它實質(zhì)上就是一個“倒裝式直流電機”。根據(jù)下面的框圖（圖1）的顯示，可以對無刷直流電機的工作原理有直觀的了解。

圖1　無刷直流電機原理框圖

（二）永磁無刷電機的優(yōu)點

與其他電機相比，永磁無刷電機具有效率高、高效區(qū)范圍寬、啟動時轉(zhuǎn)矩大、電流小、功率密度高、控制性好、結(jié)構(gòu)簡單等獨特優(yōu)勢，其憑借這些優(yōu)點受到電機行業(yè)的青睞。

（三）永磁無刷電機的轉(zhuǎn)矩波動問題

永磁無刷電機具有效率高、適應(yīng)性好、控制性能高以及結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點，已經(jīng)取代傳統(tǒng)的有刷直流電機而被廣泛運用。然而，在平滑運行尤其是低速運行的情況下，無刷直流電機經(jīng)常會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波動的問題。

在進行永磁無刷直流電機的應(yīng)用時，一定要考慮到轉(zhuǎn)矩波動問題，將PLC技術(shù)運用到永磁無刷電機之中，可以有效地解決這一問題。有研究表明，給定一臺電機，如果其反電勢是一定的，要減弱轉(zhuǎn)矩波動的情況，只需通過定子電流的優(yōu)化，就可以解決這一問題。

三、基于PLC的永磁無刷直流電機調(diào)速控制

（一）調(diào)速控制系統(tǒng)的要求

這次主要是對電機進行8段有級調(diào)速控制，其具體要求是，不論是按下電機的正轉(zhuǎn)按鈕還是反轉(zhuǎn)按鈕，只要電動機正常工作，其運轉(zhuǎn)速度為10Hz；當(dāng)按下加速按鈕時，電機按15Hz運行，每按一下，速度都升一級，直到達到50Hz。

將PLC應(yīng)用到永磁無刷直流電機中，主要是為了解決電機中存在的轉(zhuǎn)矩波動的問題，因此，維持系統(tǒng)穩(wěn)定是基于PLC的永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的主要要求之一。

（二）系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

由PLC控制的永磁無刷直流電機系統(tǒng)的硬件包括操控顯示單元和控制主機單元。操控顯示單元主要用于控制信號，控制主機單元由PLC（可編程控制器）、伺服系統(tǒng)變頻器、執(zhí)行元件（無刷電機）以及反饋元件（光電編碼器）組成。其中PLC（可編程控制器）在控制主機單元里處于核心地位，它的功能在于采集光電編碼器的脈沖信號，根據(jù)電機轉(zhuǎn)動的角度變化，對無刷機的運動進行控制。

（三）控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

基于PLC的永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)組成。整個系統(tǒng)由電流環(huán)、位置環(huán)和速度環(huán)三個環(huán)節(jié)構(gòu)成，具有位置調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)和脈寬調(diào)節(jié)四個調(diào)節(jié)程序。使用PI調(diào)節(jié)器進行電流調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)，雖然其在變頻器內(nèi)已經(jīng)集成，但我們?nèi)匀豢梢詫ζ溥M行調(diào)節(jié)。在位置環(huán)，一般地，我們采用PDF控制器進行控制。系統(tǒng)各部分進行有序配合，在系統(tǒng)運行時，我們可以準確把握系統(tǒng)電流實際值、速度電壓實際值以及位置實際脈沖值，掌握這些數(shù)值對我們控制系統(tǒng)運行是十分關(guān)鍵的。

（四）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1．系統(tǒng)的程序設(shè)計圖（圖2）

圖2　系統(tǒng)程序設(shè)計圖

2．系統(tǒng)設(shè)計程序的指令表。根據(jù)梯形圖與系統(tǒng)的硬件連接，可以得到如下表所示的PLC指令表（表1）。

表1　 PLC指令表

永磁無刷電機因其具有的諸多優(yōu)點而被人們廣泛利用，其轉(zhuǎn)矩波動問題也將因PLC技術(shù)的引入得到有效解決。從上述的系統(tǒng)研究方案和運行結(jié)果中，我們可以看出，基于PLC的永磁無刷直流電機可以在解決轉(zhuǎn)矩波動問題的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了自擾控制，從而可以有效地進行調(diào)速控制。由此觀之，將PLC應(yīng)用到永磁無刷直流電機中是一項十分具有創(chuàng)造力的舉動，勢必會推動整個電機行業(yè)的發(fā)展。

［1］周鵬.基于PLC的永磁無刷直流電機調(diào)速控制［J］.自動化應(yīng)用，2013（12）.

［2］李春濤.電動汽車用永磁無刷直流電機調(diào)速控制器研究［D］.2013.

責(zé)任編輯：魏明程

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1671-6531（2015）02-0053-02

張靖輝/鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院講師（河南鄭州450002），鄭州市電子信息工程學(xué)校教師（河南鄭州450007）。