三菱PLC实现电机速度PID控制:从入门到实战

发布时间:2025-02-26
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电机速度控制可以说是工业自动化中的"必修课"!无论是传送带、卷绕系统还是各种机械设备,稳定精确的电机速度控制都至关重要。今天我们就来看看如何用三菱PLC实现一个简单又实用的电机速度PID控制系统。

系统原理:电机速度控制的基本思路

简单来说,电机速度PID控制的核心流程是:

  1. 读取当前电机转速(反馈信号)
  2. 与目标转速比较,计算偏差
  3. PID算法计算输出值
  4. 将输出值转换为控制信号,驱动电机

这就像开车时的思路:看表速,比对目标速度,适当踩油门或刹车,保持车速稳定。

硬件准备:搭建一个基础的控制系统

要实现电机速度PID控制,需要准备以下硬件:

  1. 三菱PLC:推荐FX3U/FX5U系列或Q系列
  2. 变频器:如三菱FR-E700系列
  3. 编码器:安装在电机轴上,用于速度反馈
  4. 电机:普通三相异步电机即可
  5. 接口模块
    • 高速计数模块(接收编码器脉冲)
    • 模拟量输出模块(输出控制信号给变频器)

接线图示例:

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注意事项: 编码器信号线容易受干扰,一定要使用屏蔽线并做好接地!我曾经因为忽略这一点,导致速度反馈信号异常跳变,系统完全无法稳定工作。从此记住了:"信号线屏蔽"是工控领域的"基本法"!

速度检测:如何精确获取电机转速

在PID控制之前,首先要解决的是如何准确获取电机的实际转速。三菱PLC提供了两种常用方法:

方法1:使用高速计数器

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方法2:使用编码器输入特殊模块(FX3U-1PG等)

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实战技巧: 实际项目中,我会在程序中增加一个简单的滑动平均滤波,取最近3-5次的速度平均值,有效减少速度波动。

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PID控制实现:三菱PLC中的梯形图编程

好了,现在我们已经能准确获取速度,下面开始实现PID控制。以FX3U为例:

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重要提示: 电机速度控制中,D值通常设得比较小,甚至可以设为0。过大的D值会导致速度控制不稳定,电机转速波动。我曾经在一个卷绕机项目中因为D值设置过大,导致电机不断加减速,最终不得不把D值降到最小才解决问题。

PID参数调整:电机控制的特殊考虑

电机速度控制的PID调整与温度控制有所不同,要特别注意:

  1. P值:控制响应速度,但过大会导致超调和震荡

    • 建议起始值:10-30
    • 过大症状:速度超调严重,可能伴随机械振动
    • 过小症状:速度爬升缓慢,对负载变化反应迟钝
  2. I值:消除稳态误差,使实际速度最终达到设定值

    • 建议起始值:20-50秒
    • 过大症状:到达设定值需要很长时间
    • 过小症状:容易产生振荡,速度不稳定
  3. D值:预测系统变化,提前做出调整

    • 建议起始值:0-1秒(电机控制中通常较小)
    • 建议: 首次调试时可以先设为0,系统基本稳定后再微调

电机速度PID调整步骤:

  1. 设I=0,D=0,从小到大调整P值,直到电机响应迅速但不产生明显振荡
  2. 保持P值不变,从大到小调整I值,使系统能消除稳态误差
  3. 如果需要,小心引入D值,但通常较小或为0

实际案例解析:卷绕机张力控制系统

在一个卷绕机项目中,我用三菱FX3U实现了基于速度PID的张力控制。系统需要根据卷径变化自动调整电机速度,保持恒定张力。

遇到的主要问题:

  • 启动时电机加速过快,导致材料拉断
  • 卷径变化时速度调整不够平滑
  • 系统对扰动(如材料接头)反应过度

解决方案:

  1. 增加软启动功能:通过斜坡函数逐步增加速度设定值

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  • 调整PID参数:P值从120降至50,I值从5秒增至15秒

  • 增加前馈控制:根据卷径变化预先计算速度变化量

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调整后,系统能平稳启动,卷径变化时速度调整平滑,不良率降低了约70%。

常见问题及解决方案

问题1:启动时电机速度冲击大

原因: PID控制的积分效应未充分考虑 解决:

  • 实现软启动,逐步增加目标值
  • 在启动阶段使用较小的P值,稳定后恢复正常值

问题2:负载变化时速度波动大

原因: P值可能过大或D值设置不当 解决:

  • 适当减小P值
  • 增加I值以提高系统稳定性
  • 考虑引入前馈控制

问题3:速度始终无法精确达到设定值

原因: I值可能过大或存在机械问题 解决:

  • 减小I值
  • 检查机械系统是否有摩擦过大或负载不均匀问题
  • 考虑增加死区设置,忽略微小误差

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高级功能:变频器直接通信

对于三菱PLC与三菱变频器系统,可以考虑使用通信方式代替模拟量控制,精度更高且接线简单。

使用RS485通信(如FREQROL 600通信协议):

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注意事项: 使用通信方式时,务必设置通信超时处理!否则通信中断时变频器可能会保持当前输出状态,造成危险。

安全措施:永远把安全放在第一位

电机控制中,安全措施格外重要:

  1. 加入速度上下限监控

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  1. 设置加减速时间限制

  2. 添加急停功能,在任何异常情况下可立即停机

  3. 断电保护:电源恢复后不自动启动

血的教训: 我曾经在一个项目中忽略了这些安全措施,结果在测试时因为程序bug导致电机失控加速,差点损坏设备。从那以后,我对每个控制系统都会先设计安全保护,再实现功能控制

实操练习建议

选择一个简单的12V或24V直流电机,配合编码器和PWM输出(可使用PLC的高速脉冲输出功能),搭建一个简易速度控制系统。先实现开环控制,再加入PID闭环控制,对比两种控制方式的差异。尝试增加负载(如在电机轴上增加重物),观察系统响应变化。通过修改PID参数,体会不同参数对系统性能的影响。

步骤:

  1. 设置基本的开环速度控制
  2. 加入编码器反馈,实现速度计算
  3. 实现简单的P控制
  4. 加入I控制,消除稳态误差
  5. 尝试加入D控制,观察系统响应变化
  6. 尝试在运行中突然改变负载,观察系统恢复情况

关键参数记录表

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