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可编程逻辑控制器PLC的三相交流伺服电机驱动的监视、控制和电能质量问题
摘要:本文介绍了一个具有数据采集与监视控制系统的三相交流伺服电机驱动的性能评估。驱动器上的监视控制是（通过）使用可编程逻辑控制器来监视和控制驱动器的性能来完成的。在驱动系统上进行了数学建模、仿真和实验研究。不同工作速度和负载条件下的驱动性能被确定。驱动器实时操作的人机界面也被实现和描述了。速度模式的交流伺服驱动操作及实用系统的电能质量的效果已在实验室原型系统的伺服驱动器中分析了。
关键词：交流伺服电机；可编程逻辑控制器；过程现场总线-分散型外围设备；数据采集与监视控制；三相；电能质量
1.绪论
运动控制对于工艺流程的质量保证是有必要的。由于交流伺服电机高性能运动控制的特点，其已广泛应用于机床、高速印刷、包装系统、灌装系统、木工机械、汽车装配、材料处理、网络处理应用、饲料输送机和标签等（行业）。以前的直流电机驱动器已广泛用于伺服应用中，但不具备矢量控制技术（的发展），而现在精确的动态控制的交流驱动器可能具备该项技术。交流伺服家族包括永磁同步电机、直流无刷电机，感应电机和开关磁阻电机驱动。永磁同步电机相对于感应电机和开关磁阻电机，具有较高的转矩惯性比和高的功率密度。他们固有的优点为：无需电激励，低转子损耗，高功率密度，高效率和快速的动力等，使得他们成为高速驱动器的合适候选, 而在那里展现了高速机器的机械设计与表面安装或埋藏磁铁的计算策略。对于永磁同步电机的速度控制，采用了模块化的控制方法，在那里，鲁棒性和智能控制模块可以取代任何不能胜任期望的操作，而执行的模块，和预期值保持不变，只要其性能是可以接受的。本文描述一个表面安装的永磁同步电机交流伺服驱动器的监控。
通过数据采集与监视控制，对交流伺服电机的性能进行监测和实时分析，并且实记录和分析了伺服电机对电能质量的影响。
采用电能质量分析仪和电流总谐波失真测量了实验室样机驱动线的电流谐波。本文也描述了三相交流伺服电机的人机界面的发展。
2.饲服系统的设计
2.1PLC可编程控制器作为控制装置
可编程控制器是一种连续的可编程设备。它接受和感应来自开关和传感器的输入，使用可编程存储器存储用户导向的指令，根据存储的程序估计它们，执行特定的功能，包括开/关控制、定时、计数和排序等，并产生输出控制机器和过程。个人电脑是用来编程的可编程控制器，它使用梯形逻辑编程语言。在目前的实验装置中，具有16个数字输入和32个数字输出的可编程控制器用于控制伺服电机驱动。
2.2伺服电机的驱动
图2.1展示了本次设计系统的流程图。可以看到整个系统包括一个装有编码器的三相交流伺服电机（永磁同步电机），伺服驱动器（三相逆变器），PLC控制装置，人机界面，SCADA系统和机械加载装置。交流饲服电机的相关技术规格如表2.1所示，它是通过一个基于脉宽调制的交流驱动器连接到三相交流电源，这个电源能向电机提供控制的电压。PLC控制系统输出模块按照用户指定的梯形逻辑程序来控制饲服电机。交流饲服电机的操作参数在线上和线下不断地被改变。提供在线控制versamotiontm 伺服配置工具（专有GEFanuc），就是为了记录电机的一些参数，比如平均负载，反馈脉冲计数，电机转速等选项。在线下模式下，PLC输出的相关的参数就可以直接输入到伺服驱动器。该饲服驱动器有8个数字输入和5个数字输出。同时它还有45个输入选项和11个输出选项，可用于进行各种组合。为了饲服电机驱动监控和控制水平的加强，SCADA软件Cimplicity 以及快捷面板视图–人机界面，分别已被使用.
图2.1实验室设置框架图
表2.1伺服电机技术规范参数
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参数 |
数值 |
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额定输出 |
1.0kw |
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额定扭矩 |
3.18nm |
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电机电压 |
110V |
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额定电流 |
7.3A |
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最大电流 |
21.9A |
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编码器反馈位置 |
2500 PPR或10000counts /转 |
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扭矩峰值 |
9.54N-m |
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速度 |
3000转 |
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最大速度 |
5000转 |
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电枢电阻 |
0.2 Omega; |
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电枢电感 |
2mh |
2.3人机界面
人机界面是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。用户和系统之间一般用面向问题的受限自然语言进行交互。是计算机系统的重要组成部分。产品的基本功能有设备工作状态显示，数据，文字输入操作，打印输出，简单的逻辑和数值运算等。工业场合比较常用。内部有微处理器。由于成本低，体积小，可靠性高，相比PC，在工业上更能得到大家的喜欢。
人机界面允许操作者为参数的确定和控制过程的监督使用简单的显示。人机界面主要是设计用于恶劣的工业环境，它具有坚固耐用和紧凑的结构。它通过键盘或触摸屏提供了可靠的、符合人体工程学的控制，并且具有良好易读性的高对比屏幕。人机界面支持多种通信协议，如以太网过程现场总线-分散型外围设备和Modbus RTU。实验室的设置中，人机界面通过以太网数据高速公路和个人电脑、可编程逻辑控制器通信，通过过程现场总线-分散型外围设备/ Modbus和伺服电机驱动通信。
3. 设备通信设计
可编程逻辑控制器与个人电脑通过RS-232串行通讯接口通信，采用过程现场总线-分散型外围设备（分散型外围设备）大师与伺服驱动进行通信，如图1所示。人机界面通过以太网数据公路与可编程逻辑控制器和个人电脑通信。MODBUS RTU采集来自伺服驱动的数据，处理和传输相关数据到电脑上。同时，它接收可编程逻辑控制器和伺服驱动器的逻辑信号并分配。
4. 伺服电机的速度控制方案
理想的速度和实际速度之间的误差由速度控制器来操作，以产生转矩参考。具体如图4.1所示。在恒定转矩操作中使用的转矩参考数和电机转矩常数的比例来计算参考正交轴电流。这些dq轴电流和转子位置反馈，定子相电流是被用来获得逆变换。这些电流与实际电机电流通过使用脉宽调制逆变器，来传输到饲服电机的定子，以达到设置的速度。采用弹簧片作为加载装置，然后利用伺服电机的转动来带动弹簧片进行同轴转动，弹簧转动之后就给了待测张力传感器一定的加压或者减压，传感器将压力转换为电压信号经处理电路放大后输入到PLC,PLC经过反算传输到人机界面显示，同时PLC将输出脉冲传输到伺服驱动器，接收到脉冲的驱动器驱动电机以一定的速度旋转。其中传感器包括两个传感器，分别是待测张力传感器和标准张力传感器，安装时，待测传感器固定在标准传感器的上面，标准传感器所承受的压力是待测传感器的重量加上弹簧片施加的压力。对标准张力传感器进行调零标定后，其承受的压力和PLC的采样值就会呈现出线性关系，通过采样值就可以得到所对应的压力。同时也可以记录各个压力值对应的电压值。而伺服系统部分采用位置控制模式，人机界面则选择一种可以显示数据表格并且可以用U盘导出excel.
图4.1交流饲服电机控制框图
5. 数学模型的永磁同步电机的伺服驱动
尽管感应电动机和永磁同步电动机是用于交流伺服驱动器，但是后者相对于前者有许多优点[1]。在实验室装置中使用的永磁同步电机在转子上有三个定子绕组。由于永磁体是由高电阻率的稀土材料制备的，因此转子的感应电流可以忽略不计。基于这些假设：（Ⅰ）的转子铜损耗可忽略不计，（ii）电流没有饱和（Ⅲ）没有磁场电流动力和（四）转子上没有笼绕组，转子参考结构中永磁同步电机的定子方程d-q为：
;
Vds和vqs分别是d轴和q轴的电压，ids 和iqs分别是d轴和q轴的定子电流，Lds和Lqs分别d轴和q轴的电感，lambda;ds和lambda;qs分别是轴的d轴和q定子磁链,lambda;q是转子磁铁连接定子的磁链，而Rs和ws分别为定子电阻和逆变器的频率。逆变器的频率ws与转子转速wr有关公式为:
其中P为级的数目。电磁转矩为：
最大可能的转矩是通过使转矩产生电流，iqs等于电源电流Is，ids等于零。因此转矩可写成：
给出了电磁转矩:
其中负载转矩、转动惯量和阻尼系数。
6.磁同步电机驱动的MATLAB／Simulink仿真
在该控制器中处理速度误差以参考德交轴电流如图6.1所示。正交轴电流和直接轴电流通过逆变化转换为基准相位电流,然后输出到脉宽调制控制器，然后参考的电流与实际的电流进行比较,接着被传送到实际电流和被传递到的磁滞带控制器。滞后块的输出传送到逆变模块的栅极被作为栅极脉冲.变频器的可变电压、可变频率输出到电机的定子以让它产生相应的速度.
图6.1永磁同步电机驱动器的MATLAB／Simulink仿真模型
7．结果与讨论
7.1无负载条件下的伺服驱动性能
使用MATLAB / SIMULINK仿真永磁同步电机驱动控制算法和测试实验室设置中不同的速度。图7.1和7.2分别显示了空载时仿真实验室设备以3000 rpm旋转速度启动时的响应速度。机器是从静止开始加速的，需要大约290 ms才能到达指挥速度，这在图7.2中显示。这一速度的仿真结果如图7.1所示,与实验结果一致。
图7.1空载和3000 rpm设定转速下的模拟瞬态性能。
图7.2实验室样机在空载和300 rpm设定转速下的瞬态性能
额定转速下，伺服驱动交流电源终端线电压与电流的波形图如图7.3所示。在稳态条件下电机的功率约为0.32千瓦。在空载和额定转速的条件下，所绘制的线电流的谐波频谱如图7.4所示。空载时，线电流的总谐波失真为5A电流基波分量的75.3%。
图7.3伺服电机在空载、3000 rpm转速下的输入电压和线电流
图7.4空载和转速为3000 rpm时线电流的谐波谱。
空载、转速1500 rps的伺服电机的动态响应，如图7.5所示。电机达到设定速度需250 ms的时间。观察到在低速驱动时，时间响应更快。转速为额定转速的一半时，伺服驱动器前端点的电压和线电流波形图如图7.6所示。在稳态条件下电机的功率约为0.17千瓦。在空载和转速为1500 rpm的条件下，所绘制的线电流的谐波频谱如图7.7所示。空载时，线电流的总谐波失真为4.87A电流基波分量的76.9%。比较高速和低速运行的驱动，观察到，在电流值越低时，谐波电流越大（低速时）。由于较高的电流谐波的幅度，伺服驱动器的性能和控制精度会受不利影响。
图7.5图实验室样机在空载和1500 rpm设定转速下的瞬态性能。
图7.6伺服电机在空载、1500 rpm转速下的输入电压和线电流
图7.7空载和转速为1500 rpm时线电流的谐波谱
7.2恒载（25%负载转矩）条件下的伺服驱动性能
25%负载条件下，不同速度时线电流总谐波失真如图6–8所示。当转速为500 rpm、电流为5.34 A时，功率损耗为0.36千瓦，分别如图7.8和7.9所示。转速为500 rpm时，线电流的总谐波失真为5.34 A电流基波分量的74.3%。转速为1500 rpm、电流为10.03 A时，功率损耗为0.69千瓦，分别如图7.10和7.11所示。转速为1500 rpm时，线电流的总谐波失真为10.03 A电流基波分量的71.7%。
图7.8伺服电机在25%负载、500 rpm转速下的输入电压和线电流
图7.9 25%负载和转速为500 rpm时线电流的谐波谱
图7.10伺服电机在25%负载、1500 rpm转速下的输入电压和线电流
图7.11 25%负载和转速为1500 rpm时线电流的谐波谱
当转速为3000 rpm、电流为17.81 A时，功率损耗为1.29千瓦，分别如图7.12和7.13所示。转速为3000 rpm时，线电流的总谐波失真为17.81 A电流基波分量的61.7%。随着转速，从500 rpm 增加到30000 rpm，随着电流从5.34 A 增加到17.81 A，功率消耗从0.36千瓦到1.29千瓦。因此，观察到，随着转速的增加，电流增加，并且由于谐波失真减小，电动机的性能改善了。同时，随着负载的增加，电流增大，谐波失真的线路电流减小了。
图7.12伺服电机在25%负载、3000 rpm转速下的输入电压和线电流
图7.13 25%负载和转速为3000 rpm时线电流的谐波谱
八．结论
在本次设计中，采用了PLC和SCADA控制系统对一三相交流伺服电机的绩效评估，控制以及监测作了详细的介绍以及分析。在不同的操作条件下，对交流伺服电机的运行进行了实时分
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