张靖辉

基于PLC的永磁无刷直流电机调速控制研究

张靖辉

PLC是一种可靠性高、抗干扰性强的控制设备，将PLC应用到永磁无刷直流电机中能有效解决转矩波动干扰的问题，对促进永磁无刷直流电机的革新和发展意义重大。本文将对PLC技术、永磁刷机以及基于PLC的永磁无刷直流电机调速控制技术进行分析、探讨。

PLC；永磁无刷直流电机：调速控制

一、PLC技术

（一）PLC概念

PLC（Programmable Controller可编程程序控制器）是一种计算机控制系统，该系统将微处理器作为核心，并把自动控制技术、通信技术和综合计算技术融入其中，它由硬件和软件两部分组成。PLC的硬件选配得根据实际需要进行，其软件要根据控制要求进行设计。

（二）PLC的组成部分及各组成部分的作用

1．PLC的组成。PLC是一种广受欢迎的工业控制产品，它主要由以下几个部分组成：微处理器（CPU）、电源器、存储器、输入和输出部件、编程器、其他外部设备。各个部分的有效组合使得PLC具有可靠、安全等特点。

2．PLC各组成部分的作用。1）中央处理器（CPU）：控制器、运算器和寄存组是中央处理单元的关键组成部分，CPU的主要功能在于不断采集输入信号，执行用户输入的程序代码，使系统输出不断刷新；2）存储器：PLC的存储器分为系统存储器和用户存储器两种，系统存储器的作用在于存放PLC的系统程序，而用户存储器的功能在于存放用户程序；3）电源器：电源器的作用在于向PLC系统供电，以保证PLC系统的正常运行；4）输入输出接口单元：PLC的输入接口电路用于将按钮、开关等产生的信号传输到CPU，PLC的输出接口电路主要是将中央处理器向外传输的信号变为可以驱动外部执行元件的信号，以此来有效地保护内部电路。基于PLC的永磁无刷直流电机调速控制系统具有控制简单有效、工作方式自由、定时宽、运行可靠、维护性好等优点。

（三）PLC的工作原理

PLC的控制功能主要通过用户输入程序完成，其对用户程序的执行通过循环扫描进行。在开始工作时，PLC首先会清除输入和输出区的内容，然后进行自我诊断，自动检测中央处理器和输入、输出装置，如果检测合格，则将开始进行正常工作。扫描过程可以概括为采样输入、程序执行和输出刷新三个步骤。

二、永磁无刷直流电机

永磁无刷电机是一种基于永磁体建立的直流电机，它被广泛地应用于各种日常电子设备中，如录音机等。不仅如此，在机电行业和高端电子行业中也有永磁无刷电机的身影。

（一）永磁无刷电机的基本结构

永磁无刷电机与电刷电机不同，它通过把电枢绕组和永磁磁钢分开，实现了电机的无机械接触，它实质上就是一个“倒装式直流电机”。根据下面的框图（图1）的显示，可以对无刷直流电机的工作原理有直观的了解。

图1　无刷直流电机原理框图

（二）永磁无刷电机的优点

与其他电机相比，永磁无刷电机具有效率高、高效区范围宽、启动时转矩大、电流小、功率密度高、控制性好、结构简单等独特优势，其凭借这些优点受到电机行业的青睐。

（三）永磁无刷电机的转矩波动问题

永磁无刷电机具有效率高、适应性好、控制性能高以及结构简单等诸多优点，已经取代传统的有刷直流电机而被广泛运用。然而，在平滑运行尤其是低速运行的情况下，无刷直流电机经常会出现转矩波动的问题。

在进行永磁无刷直流电机的应用时，一定要考虑到转矩波动问题，将PLC技术运用到永磁无刷电机之中，可以有效地解决这一问题。有研究表明，给定一台电机，如果其反电势是一定的，要减弱转矩波动的情况，只需通过定子电流的优化，就可以解决这一问题。

三、基于PLC的永磁无刷直流电机调速控制

（一）调速控制系统的要求

这次主要是对电机进行8段有级调速控制，其具体要求是，不论是按下电机的正转按钮还是反转按钮，只要电动机正常工作，其运转速度为10Hz；当按下加速按钮时，电机按15Hz运行，每按一下，速度都升一级，直到达到50Hz。

将PLC应用到永磁无刷直流电机中，主要是为了解决电机中存在的转矩波动的问题，因此，维持系统稳定是基于PLC的永磁无刷直流电机调速控制系统的主要要求之一。

（二）系统硬件设计方案

由PLC控制的永磁无刷直流电机系统的硬件包括操控显示单元和控制主机单元。操控显示单元主要用于控制信号，控制主机单元由PLC（可编程控制器）、伺服系统变频器、执行元件（无刷电机）以及反馈元件（光电编码器）组成。其中PLC（可编程控制器）在控制主机单元里处于核心地位，它的功能在于采集光电编码器的脉冲信号，根据电机转动的角度变化，对无刷机的运动进行控制。

（三）控制系统分析与设计

基于PLC的永磁无刷直流电机的控制系统由电流环、速度环和位置环三环组成。整个系统由电流环、位置环和速度环三个环节构成，具有位置调节、速度调节、电流调节和脉宽调节四个调节程序。使用PI调节器进行电流调节和速度调节，虽然其在变频器内已经集成，但我们仍然可以对其进行调节。在位置环，一般地，我们采用PDF控制器进行控制。系统各部分进行有序配合，在系统运行时，我们可以准确把握系统电流实际值、速度电压实际值以及位置实际脉冲值，掌握这些数值对我们控制系统运行是十分关键的。

（四）控制系统软件设计1．系统的程序设计图（图2）

图2　系统程序设计图

2．系统设计程序的指令表。根据梯形图与系统的硬件连接，可以得到如下表所示的PLC指令表（表1）。

表1　 PLC指令表

永磁无刷电机因其具有的诸多优点而被人们广泛利用，其转矩波动问题也将因PLC技术的引入得到有效解决。从上述的系统研究方案和运行结果中，我们可以看出，基于PLC的永磁无刷直流电机可以在解决转矩波动问题的基础上，实现了自扰控制，从而可以有效地进行调速控制。由此观之，将PLC应用到永磁无刷直流电机中是一项十分具有创造力的举动，势必会推动整个电机行业的发展。

［1］周鹏.基于PLC的永磁无刷直流电机调速控制［J］.自动化应用，2013（12）.

［2］李春涛.电动汽车用永磁无刷直流电机调速控制器研究［D］.2013.

责任编辑：魏明程

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1671-6531（2015）02-0053-02

张靖辉/郑州轻工业学院电气信息工程学院讲师（河南郑州450002），郑州市电子信息工程学校教师（河南郑州450007）。