Изучение способов управления электроприводом переменного тока на базе программируемых логических контроллеров

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

В.А. Польский, А.В. Ванин  
 
 
 
 
ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 
НА БАЗЕ ПРОГРАММИРУЕМЫХ  
ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ 
 
Методические указания  
по курсу «Электроприводы роботов» 
 
 
Под редакцией А.С. Ющенко 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

УДК 621.3.038 
ББК 32.973 
П53 
Ре це нз е нт Е.О. Петренко 

 
Польский В.А. 
  
 
Изучение способов управления электроприводом переменного тока на базе программируемых логических контроллеров : метод. указания по курсу «Электроприводы роботов»  
/ В.А. Польский, А.В. Ванин ; под ред. А.С. Ющенко. — М. : 
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. — 35,[1]  с. : ил. 
 
Рассмотрены способы управления электроприводом переменного 
тока с помощью преобразователя частоты и программируемого логического контроллера. Исследованы системы управления скоростью и 
положением ротора электродвигателя. В результате моделирования 
выявлено влияние структуры регуляторов скорости и положения, а 
также их настроек на качество управления. Даны экспериментальные 
подтверждения результатов моделирования, а также оценка степени 
соответствия выбранной математической модели реальному приводу. 
Для студентов 4-го курса, обучающихся по специальности «Мехатроника и робототехника», изучающих курс «Электроприводы роботов». 
УДК 621.3.038 
ББК 32.973 

Учебное издание 

Польский Вячеслав Анатольевич 
Ванин Алексей Владимирович 

ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ  
ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА БАЗЕ  
ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ 
 
Редактор С.А. Серебрякова 
Корректор О.Ю. Соколова 
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой 

Подписано в печать 05.04.2010. Формат 60×84/16. 
Усл. печ. л. 2,09. Тираж 100 экз. Изд. № 121. Заказ         . 
 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5. 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

П53 

ВВЕДЕНИЕ 

Целью данной лабораторной работы является изучение способов управления электроприводом на базе трехфазного асинхронного двигателя с помощью преобразователя частоты и программируемого логического контроллера (ПЛК). На примере 
математической модели системы управления скоростью и положением ротора электродвигателя студенты исследуют влияние 
структуры регуляторов скорости и положения, а также их настроек на качество управления. Затем получают экспериментальное подтверждение результатов моделирования и оценивают степень соответствия выбранной математической модели реальному 
приводу. 
В ходе проведения лабораторной работы студенты рассматривают вопросы, связанные с настройкой контура регулирования 
скорости, после чего настраивают контур регулирования положения вала двигателя и осуществляют проверку его работы. 

Современное состояние развития электроприводов 

Современный этап развития приводов характеризуется значительным расширением области применения регулируемых электроприводов переменного тока. Это касается большинства отраслей 
промышленности, в которых ранее применялись электроприводы на 
базе двигателей постоянного тока.  
Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором 
является наиболее распространенной электрической машиной, используемой в промышленности. Существует множество способов 
регулирования скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Такие способы, как изменение амплитуды напряжений, подаваемых на обмотки статора, или переключение числа пар полю

сов, не позволяют осуществлять управление скоростью вращения 
ротора в широком диапазоне значений. В случае, когда требуется 
поддерживать значение скорости с высокой точностью и регулировать ее в широком диапазоне, применяют способ частотного регулирования. 
Управление частотой напряжений, подаваемых на обмотки 
двигателя, осуществляется с помощью преобразователя частоты. 
Данное устройство не только реализует силовую коммутацию, но 
и позволяет организовать замкнутую систему управления электроприводом, поскольку имеет возможность подключения датчиков 
обратных связей и внешних управляющих модулей, формирующих управляющие воздействия в соответствии с требуемым алгоритмом управления. В цифровом электроприводе в качестве внешнего управляющего модуля можно использовать ПЛК. Такой 
контроллер представляет собой микропроцессорное устройство, в 
состав которого входят собственно процессор, память, устройства 
ввода/вывода дискретной и аналоговой информации.  

Принцип работы и основные характеристики асинхронного 
электродвигателя с короткозамкнутым ротором 

Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на 
законах электромагнитной индукции. При подаче переменного 
трехфазного напряжения в обмотки статора, соединенные по схемам «звезда» или «треугольник», возникает вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого пропорциональна частоте 
напряжения. Вращающееся магнитное поле статора индуцирует в 
короткозамкнутой обмотке ротора токи. При взаимодействии токов ротора с вращающимся магнитным полем статора возникает 
электромагнитный момент, который действует на ротор. Направление действия электромагнитного момента зависит от знака выражения (ω0 – ω), где 
0
2
/
f
р
ω = π
 — угловая скорость магнитного 
поля статора ( f — частота питающего напряжения, Гц; p — число 
пар полюсов); ω — угловая скорость вращения ротора. Если ротор 
вращается со скоростью, меньшей скорости поля (ω < ω0), то на 
него действует момент, направленный в сторону вращения, благодаря чему ротор разгоняется. Если ротор вращается со скоростью, 

превышающей скорость магнитного поля статора (ω > ω0), на него 
действует момент, направленный в противоположную сторону, и 
ротор замедляется. При ω = ω0 магнитные силовые линии поля 
статора неподвижны относительно обмоток ротора, ЭДС индукции 
в них равна нулю и электромагнитный момент, действующий на 
ротор, также равен нулю. Это состояние называется идеальным 
холостым ходом, при котором угловая скорость вращения ротора 
(скорость холостого хода) будет определяться выражением 

х.х
0
2
/ .
f
p
ω
= ω = π
 
Ротор электродвигателя развивает скорость идеального холостого хода в случае, если внешний момент Mв, действующий на 
него, равен нулю. Если 
в
0
М ≠
 и направлен против направления 
вращения ротора, его скорость вращения уменьшается до тех пор, 
пока электромагнитный момент Mд не уравновесит внешний момент Mв. При Mд = Mв ротор вращается со скоростью ω < ω0.  
Зависимость 
д
(
)
f M
ω =
 в установившемся режиме работы называется механической характеристикой двигателя. Механическая характеристика асинхронного электродвигателя имеет вид, 
представленный на рис. 1. Номинальную угловую скорость вращения ротора двигателя можно найти по формуле  

 
ном
ном
,
30
n
π
ω
=
 

где 
ном
n
 — номинальная скорость вращения ротора, об/мин. 
Номинальный момент, развиваемый электродвигателем, определяют по следующей формуле: 

 
ном
ном
ном
ном
ном

30
,
P
P
M
n
=
=
π
ω
 

где 
ном
P
 — номинальная мощность двигателя, Вт. 
На рис. 1 точка K — точка срыва механической характеристики 
двигателя, которой соответствует критическая угловая скорость 
ωк. При достижении критического значения внешнего момента 
нагрузки происходит срыв механической характеристики, при 
этом скорость вращения ротора падает до нуля и двигатель развивает момент короткого замыкания 
к.з
М
. 

Рис. 1. Механическая характеристика  
асинхронного электродвигателя 
 
 
Для оценки разности скоростей вращения магнитного поля статора ω0 и ротора ω электродвигателя используют скольжение 

 
0

0
.
s
ω − ω
=
ω
 

Зависимость момента, развиваемого электродвигателем, от 
скольжения выражается формулой Клосса [1, 2] 

 
к
1
2
д
к
к
к
к
1
2

1
/
2
,
/
/
2
/
s R
R
M
M s s
s
s
s R
R

+
=
+
+
  

где s — текущее скольжение; 
к
0
к
0
(
)/
s = ω − ω
ω  — критическое 
скольжение; R1, R2 — активное сопротивление обмоток статора и 
ротора соответственно. Часто в этом выражении активным сопротивлением статора R1 можно пренебречь. Тогда момент, развиваемый двигателем, определяется по формуле 

к
д
к
к

2
.
/
/
M
M
s s
s
s
=
+
 

Данное выражение называется упрощенной формулой Клосса  
[1, 2]. 
Согласно [1], в точке срыва характеристики критический момент на валу электродвигателя Mк и критическое скольжение sк 
равны соответственно 

 

2

к
0

3
;
2
L

U
M
х
=
ω
 
 

 
2
к
,

L

R
s
x
=
 

где U — амплитуда напряжения, подаваемого на статорные обмотки; 
2
L
x
fL
= π
 — индуктивное сопротивление фазной обмотки 
статора.  

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ 

Обобщенная структурная схема лабораторной установки представлена на рис. 2. 
Объектом управления в данной лабораторной работе является 
асинхронный электродвигатель модели STC 90-4D. Основные характеристики этого двигателя представлены ниже: 
– номинальная мощность Pном = 1,5 кВт; 
– питающее напряжение трехфазное 380 В / 50 Гц;  
– номинальная частота вращения ротора nном = 1380 об/мин;  
– КПД η = 76 %; 
– номинальный ток Iном = 4,33 А. 
Для управления двигателем используется преобразователь частоты LG IS-5 мощностью 1,5 кВт. Программируемый логический 
контроллер управляет асинхронным двигателем путем подачи 
дискретных сигналов «старт — реверс — стоп» на входы преобразователя частоты Fx, Rx. Для регулирования частоты вращения ротора электродвигателя используется аналоговый сигнал Ua (от 0 до 

10 В), подаваемый на вход преобразователя частоты V1 и пропорциональный требуемой частоте вращения ротора.  
 

 
Рис. 2. Обобщенная схема лабораторной установки: 
1 — программируемый логический контроллер FX2N; 2 — цифроаналоговый преобразователь FX2N-DA; 3 — преобразователь частоты  
LG IS-5; 4 — асинхронный электродвигатель мод. STC 90-4D; 5 — фотоимпульсный датчик ЛИР 120А 

1.1. Краткое описание преобразователя частоты LG IS-5 

Структурная схема преобразователя частоты представлена на 
рис. 3. 
На силовые входы преобразователя частоты LG IS-5 (клеммы 
R, S, T) подается трехфазное переменное напряжение 380 В, 50 Гц. 
С помощью звена постоянного тока, которое состоит из неуправляемого выпрямителя и сглаживающих емкостей, переменное напряжение выпрямляется и сглаживается. Значение постоянного 
напряжения, снимаемого с выхода звена постоянного тока, составляет 540 В. Данное напряжение поступает на вход инвертора, который осуществляет его преобразование в систему трехфазных 
переменных напряжений с регулируемой частотой и амплитудой. 
Диапазон регулирования частоты — 0…400 Гц, а диапазон регулирования амплитуды — 0…380 В. Эти напряжения поступают на 
обмотки электродвигателя STC 90-4D (клеммы U, V, W), соединенные по схеме «звезда». Инвертор состоит из шести силовых 

транзисторов типа IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), которые работают в ключевом режиме «открыт — 
закрыт». Процессом открытия и закрытия каждого транзистора 
управляет специальная микросхема, которая называется драйвером. В свою очередь, драйверы силовых транзисторов получают 
управляющие сигналы от центрального процессорного узла преобразователя частоты (ЦПУ), реализованного на базе сигнального 
процессора Analog Device. Этот процессор осуществляет переключение силовых транзисторов в определенной последовательности, 
благодаря чему реализуется режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяющий одновременно регулировать амплитуду 
и частоту напряжений, подаваемых в обмотки двигателя, в заданном диапазоне. Частота ШИМ выбирается пользователем в диапазоне 1…15 кГц.  
 

 
 
Рис. 3. Структурная схема преобразователя частоты: 
1 — звено постоянного тока; 2 — инвертор; 3 — электродвигатель 
STC 90-4D; 4 — управляющие сигналы от сигнального процессора; 
5 — обратные связи по токам и напряжениям статорных обмоток 
электродвигателя 

Преобразователь частоты может выполнять следующие функции: 
1) настраивать привод на восемь фиксированных скоростей 
вращения или плавно регулировать скорость с помощью внешнего 
аналогового сигнала; 
2) организовывать различные законы разгона-торможения (линейный, S-образный, U-образный) и время разгона-торможения 
(0…3600 с); 
3) осуществлять торможение постоянным током; 
4) использовать три перепрограммируемых входа и два перепрограммируемых выхода; 
5) реализовывать три диапазона пропуска резонансных частот; 
6) использовать встроенный ПИД-регулятор для организации 
замкнутых систем автоматического управления технологическими 
процессами с датчиками обратных связей;  
7) организовывать различные режимы управления: от ручного 
внешнего пульта, от контроллера или от компьютера; 
8) регулировать выходные частоты в диапазоне 0,1…400 Гц, 
что для применяемого двигателя STC 90-4D обеспечивает возможность регулирования скорости в диапазоне 3…12 000 об/мин. 
Преобразователь частоты имеет восемь дискретных (из них 
три перепрограммируемых) и два аналоговых входа, а также два 
дискретных и один аналоговый выход, интерфейс связи с компьютером (RS-485) и плату для подключения фотоимпульсного датчика (субмодуль В). Для выбора режимов управления и настройки параметров имеется съемный пульт управления с сенсорными 
кнопками. Число параметров настройки равно 312, для удобства 
работы они разделены на семь функциональных групп. С помощью этих параметров можно задавать приводу следующие режимы работы: 
1) амплитудно-частотное управление скоростью (U/F-управ- 
ление); 
2) векторное управление скоростью без датчика; 
3) векторное управление скоростью с датчиком; 
4) управление скоростью в режиме компенсации скольжения; 
5) управление моментом, развиваемым двигателем.