基于PLC的異步電動機自適應控制方法

牛卜巧

（宿遷澤達職業(yè)技術學院，江蘇 宿遷 223800）

目前，傳統(tǒng)電動機在機電工業(yè)方面發(fā)揮重要作用，在傳統(tǒng)電動機的基礎上，提出了一種新型電動機——異步電動機。異步電動機比傳統(tǒng)電動機性能更高、運行更簡便且自動化程度也更高[1]，但是異步電動機的自適應控制方法存在一定問題。

目前，市面上有2種較為常見的異步電動機控制方法，第一種是傳統(tǒng)的異步電動機自適應控制方法，該方法是最基礎的；第二種是基于自適應模糊的異步電動機自適應控制方法。在傳統(tǒng)的控制策略中，異步電動機的動態(tài)模型往往忽略了旋轉、旋轉和相互飽和的磁力抑制規(guī)律。其中，傳統(tǒng)的異步電動機控制方法在運行過程中較煩瑣且方法步驟繁多，需要較多的操作經驗，而另外一種基于自適應模糊的異步電動機控制方法是基于自適應模糊來實現(xiàn)控制的，這種方法的使用率較高，其原因是該方法基于自適應模糊來實現(xiàn)控制，簡單快捷，可以減少人力工作量，但是其缺點是控制效果一般。因此，該文提出了基于PLC的異步電動機自適應控制方法。

1 基于PLC的異步電動機自適應控制方法

1.1 基于PLC構建控制異步電動機控制模型

異步電動機具有結構簡單、生產成本相對較低、能源效率高和運行穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在交流輸電系統(tǒng)中得到了廣泛應用。盡管一些研究人員提出了許多異步電機控制的控制方法和模型，但是在異步電機的速度控制系統(tǒng)中，關注隨機擾動加權的控制策略相對較少。在傳統(tǒng)的控制策略中，異步電動機的動態(tài)模型往往忽略了旋轉、旋轉和相互飽和的磁力抑制規(guī)律[2]。以上這些物理變量會讓異步電動機的轉動規(guī)律、互相感知能力以及電阻數值等參數發(fā)生變化，即產生千變萬化的非線性問題，會影響異步電動機的動態(tài)響應速度和控制精度。因此，基于PLC構建控制異步電動機控制方法需要基于PLC構建控制異步電動機動態(tài)控制模型。在同步旋轉坐標d-q下，異步電動機系統(tǒng)的模型如公式（1）～公式（3）所示。

式中：σ為電感系數，ω為轉矩的角速率；Lm為互相感知能力系數；np為對數系數；J為電動機旋轉時的慣性常量；TL為負載轉動頻率；φd為相互吸引磁力；ud和uq為2個電壓數值；id和iq為2個電流數值；Rs和Ls為異步電動機的2個電阻值；Rr和Lr為2個轉子電感值；ω為轉矩的角速率。

基于PLC進行優(yōu)化可以得到公式（4）。

式中：i為轉子慣量。

基于PLC構建控制異步電動機控制模型，如圖1所示。

圖1 基于PLC構建控制異步電動機控制模型

基于以上步驟可以基于PLC構建控制異步電動機控制模型。

1.2 提取影響因素

基于已經建立的異步電動機控制模型提取、分析影響因素。根據《旋轉電機定額和性能》提取影響異步電動機的因素：當異動電動機運行時，要保證異動電動機的電源電壓在額定的95%～105%變化，并且還要確保輸出功率應仍能維持額定值，或者從節(jié)能的角度來說，異步電動機的接觸末端電壓需要稍微小于或等于額定的數值，因此異動電動機正常運行的負載率為50%～80%。異步電動機主要影響參數見表1。

表1 異步電動機主要影響參數

由表1可知，當負載值達到1/2時，如果把電壓的數值下降10%左右，那么異步電動機的運行效率將會增加1%～2%，同時功率因數也會增加4%～5%。當負載為1/2時，將電壓提高10%左右，那么異步電動機的效率也會下降1%～2%，同時功率因數下降5%～6%。對影響因素的提取過程中需要注意，目前企業(yè)中的異步電動機的負載率只有40%左右。

1.3 構建校正控制模塊

基于已經構建的異步電動機控制模型和提取的影響因素設計校正控制模塊。校正控制具有提高系統(tǒng)帶寬和改善系統(tǒng)動態(tài)性能的能力，校正控制器的參數可以通過被控對象的己知傳遞函數及閉環(huán)系統(tǒng)對帶寬、幅值裕度和相角裕度的需求以及提取的影響因素直接計算得到。該文利用已經建立的基于PLC構建控制異步電動機控制模型的線性部分設計校正控制模塊[3]。由圖1可知，該方法的特性是為了充分提高系統(tǒng)在異步電動機較低頻率時段獲得的收益，從而保證異步電動機對穩(wěn)態(tài)誤差的要求，并且運行時需要占據充分的頻率模塊，以保證具備合適的校正控制。

基于上述設計思想，設計校正控制模塊需要建立函數關系，基于公式運行控制模塊，即設T為校正的轉折時間，k為控制器的比例因子，由此得出校正控制模塊的函數表達式如公式（5）所示。

基于以上步驟完成構建校正控制模塊的工作。

1.4 實現(xiàn)異步電動機的自動控制

為了實現(xiàn)變頻調速異步電動機的同步自動控制功能，需要在PLC補償算法的基礎上分別解決瞬時無功功率、電流諧波和電壓諧波。電流無功功率是指異步電機設備無功運行時的輸出功率，變頻器調速元件對電機設備的控制既體現(xiàn)在電壓上，也體現(xiàn)在電流上。在異步電動機運行的過程中，瞬時無功電壓決定了物理電壓值[4]，當對變頻器的部件進行調速處理時，物理電壓值必須在某個時刻釋放。在變頻器的閉合電路中，瞬時無功電壓高或低對保持異步電動機設備的運行穩(wěn)定性沒有貢獻。因此，為了使用PLC補償算法控制電機的運行狀態(tài)，要求瞬時無功電壓值保持在±10%的物理范圍。由于負載電流的瞬時值在異步發(fā)動機運行期間不能保持完全穩(wěn)定的狀態(tài)，因此瞬時無功電流值在波動值的范圍內。如果變頻器部分的輸出功率在給定時刻達到最大值，那么表明瞬時無功電流在該時刻也達到最大值。

電流諧波可以用來描述異步電動機負載電流在一段時間內的數值變化，如果變頻器被視為連續(xù)功率穩(wěn)定的應用組件，那么當將速度調節(jié)過程應用于任務時，電機設備的電流諧波越高，電機在該時間單位內的物理操作就越高。在不考慮其他干擾條件的情況下，應定義電信號總線的電流負載矢量和電流系數，以解決電流諧波。電壓力學可以用來描述異步電動機每單位負載電壓的數值變化。盡管電流諧波保持恒定，但是電壓諧波越高，PLC控制器閉合電路的輸入電壓和輸出電壓之間的差就越大，異步電機在速度控制循環(huán)中運行的機會也越大。

異步電動機實現(xiàn)控制的另外一種較為常見的方法是直接轉矩控制方法，該方法采用直接轉矩控制，優(yōu)點是保留了原有的良好的驅動力，同時降低了系統(tǒng)結構的繁瑣程度，在異步電動機的控制中達到了與控制變量相同的重要區(qū)域。采用該方法實現(xiàn)控制的基本原理是轉動矩波以及電流控制的分離狀態(tài)[5]，具體步驟是異步電動機在定子坐標系下的動態(tài)數學模型的輸入和輸出，它消除了異步電機模型與直流電機的比較、模擬和轉換過程，消除了對矢量控制等直流電機控制進行模擬的需要，從而避免了異步電機模型的坐標轉換和斷開。因此，它具有所實現(xiàn)的自動控制程序結構較簡單、控制模塊反應速度快以及運行噪音較低等優(yōu)點。但是該自動控制在運用過程中也存在局限，例如轉矩波和速度會互相限制。

為了在具有參數不確定性和非線性特性的系統(tǒng)上建立一個簡單、有效的控制器，科學家在1990年率先提出了退出策略。反饋控制是為每個階子系統(tǒng)設計相應的李雅普諾夫方程，并在每個階子的控制過程中創(chuàng)建適當的虛擬控制因子，從而保證每一個影響因素變量受到約束。同時，當異步電動機再次運行時，還會系統(tǒng)記憶這些控制程序信號，也就是將前一階子系統(tǒng)控制中設計的虛擬控制信號視為重點的監(jiān)控信號，在異步電動機長時間運行后，可以構造穩(wěn)定的程序變量約束取值，并且提出對應的自適應率，最終使用Ljapunov穩(wěn)定決策的條件來確認該控制器是實現(xiàn)基于構建實際的經濟活動與自適應活動的聯(lián)合管理方法的有限工具。采用該反向控制器設計方式在撤回設計策略方面簡化了控制器的計算流程，達到了對異步自動機進行自動控制的目的。

2 對比試驗

2.1 試驗說明

為了驗證該文設計的方法的有效性，建立對比試驗。將基于PLC的異步電動機自適應控制方法與傳統(tǒng)的異步電動機自適應控制方法以及基于自適應模糊的異步電動機自適應控制方法進行對比。

2.2 試驗準備

試驗采用MATLAB進行仿真，逆變電路采用三相橋式逆變電路，開關器件選擇1GBT。

首先，利用設備元件搭建試驗環(huán)境，見表2。其次，采用基于PID補償算法的同步自動控制方法對異步電動機進行霧速控制，以調節(jié)電動機設備的運行行為，并將由此產生的數據記錄為試驗組的變量。再次，使用傳統(tǒng)的脈沖控制方法來調節(jié)電機設備的運行行為，所獲得的數據應記錄為控制組變量。最后，收集試驗數據，總結試驗規(guī)律。對變頻器元件來說，當變頻器的工作功率能夠長期穩(wěn)定在額定功率范圍內時，說明變頻器裝置的工作功率在當前情況下相對穩(wěn)定，能夠同步控制異步電動機。該試驗選用的VFD-M1.5變頻裝置額定功率范圍為400 W～450 W，異步電動機的相關基本參數見表3。

表2 試驗設備

表3 異步電動機參數

2.3 試驗結果

試驗結果如圖2所示。由圖2可知，基于PLC的異步電動機自適應控制方法的轉速呈1條直線，而傳統(tǒng)的異步電動機自適應控制方法以及基于自適應模糊的異步機電動機自適應控制方法與該文提出的方法的趨勢類似，但是線條為曲線，并且傳統(tǒng)的異步電動機自適應控制方法的曲線變化程度比基于自適應模糊的異步電動機自適應控制方法的波動程度高，基于自適應模糊的異步自動機自適應控制方法相對穩(wěn)定，但是仍有明顯波動。綜上所述，基于PLC的異步電動機自適應控制方法控制的轉速較穩(wěn)定，進一步證明了該文設計的方法的有效性。

圖2 高速階段3種方法的轉速曲線

3 結語

隨著技術進步和發(fā)動機應用場景不斷變化，需要研究考慮隨機干擾和輸入非線性的異步發(fā)動機控制器的設計方法，使異步發(fā)動機的速度控制策略更適合實際生產應用。該文將異步電動機速度控制方法的研究擴展到隨機系統(tǒng)，并考慮輸入飽和限制的影響?；谏窠浘W絡管理原理使動態(tài)曲面技術與自適應退出方法相結合，構建了一種新的速度控制方案。仿真驗證了該方法具有控制精度高、耐久性強等優(yōu)點，具有一定的理論意義和實際應用價值。