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1、摘 要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，可编程控制器（PLC）的功能更加的完善，应用更为的广泛，基于PLC的控制系统渐渐成为工业控制系统的主流。本文对基于PLC的直流电机调速控制器进行设计，介绍了直流电动机的PWM控制原理，介绍了PID控制结构，PLC的原理及编程。重点讨论了应用PLC的PID功能指令进行数据运算，实现直流电机的PWM调速控制，并用组态软件（组态王）控制直流电机的启动、停止、正转、反转、转速的微调等功能。关键词：PLC，调速，组态软件II基于PLC的直流电动机调速控制器设计 ABSTRACTWith the power electronic technolo
2、gy, the rapid development of computer technology, automatic control technology, the function of the programmable controller (PLC) to be more perfect, more widely, based on PLC control system gradually become the mainstream of industrial control system. In this paper, the speed controller of dc motor
3、 based on programmable logic controller (PLC) to carry on the design, introduces the principle of PWM control of dc motor, PID control structure is presented in this paper, the principle of PLC and programming. Focuses on the application of PLC PID instruction in data operation, realize PWM speed re
4、gulation of dc motor control, and configuration software kingview) control of dc motor start, stop, forward, reverse, speed of fine-tuning etc. Function.Key words: PLC, speed control, configuration softwareIII基于PLC的直流电动机调速控制器设计 目录1.绪论-11.1 文献综述-11.2选题背景及其意义-22系统方案设计-32.1 直流PWM的选择及设计思路-32.2 PWM在直流调速系
5、统中的体现-42.3 系统结构设计-52.4系统控制方案设计-73.系统硬件设计-93.1 系统设备的选型-94.参数的计算-114.1 电动机额定参数-114.3转速环参数-114.3 电流环参数-12 5. 系统软件设计-145.1 程序流程图设计-145.2 PLC硬件配置-155.3 PLC程序设计-175.4 主程序设计-176.调试-266.1 组态系统设计-266.2 监控实时曲线的建立及监控-307.结论-32参考文献-33基于PLC的直流电动机调速控制器设计 致谢-34附录A 原理图-35附录B 组态界面-36附录C PLC程序-3845基于PLC的直流电动机调速控制器设计
6、1 绪论1.1 文献综述因为直流电动机具有优良的起制动的性能，宜于在广泛的调速范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、和高层电梯等，这些需要用到高性能的可控硅电力拖动领域中得到了广泛的应用1，近些年来，交流的调速系统发展的很快，而直流拖动控制系统，它在时间上和在理论上都已经比较成熟，而且我们从反馈的闭环控制的角度上来看，它是交流拖动系统中应用的基础，很长一段时间以来，因为直流调速拖动系统的性能指标较优于交流调速系统，所以，直流调速系统始终在调速系统的领域内占据着重要位置2。1957年，晶闸管被发明出来，然而到了20世纪的60年代，人们已经产生出了成套的晶闸管整流装置，
7、这使变流技术发生了彻底性的变革3，从开始的晶闸管时代到今天，晶闸管-电动机的调速系统成为了直流调速系统的主要形式，V -M系统中的V是晶闸管可控硅整流器，它可以是三相，单相或更多相数，全波，半波，全控，半控等类型4，我们可以通过调节触发器装置GT的电压来实现移动触发脉冲的相位，它即可以改变整流电压Ud，从而实现了旋转变流机组拖动变流装置和平滑调速相比，晶闸管整流装置不仅仅在可靠性和经济性上都有了较大的提升，并且在技术性能上也有了自己较大的优越性，晶闸管可控整流器有104以上的功率放大倍数，而且它的门极电流也可以直接用晶体三极管来开展，不再像当初的直流发电机，需要使用功率比较大的放大装置，对于开
8、展作用的快速性，变流机组是秒级，而晶闸管的整流器是毫秒级，这将会很大的提高系统的动态性能5，直流电动机由于它可以简便的通过调节励磁电流和电枢电压来实现直流电机的调速从而得到了普遍的应用，它可以调节电枢串联电阻从而使电枢上的电压改变，这就是最典型的直流电机的调速方法6。在20世纪80年代，把晶闸管当作功率开关器件的斩波调速器，因为它的高效、节能、无级而得到了普遍的推广，但是晶闸管的斩波调速器也有它的不足之处，那就是一旦触发晶闸管，它的关断必须依赖换流电感和电流电容振荡产生出反压来实现，电感和换流电容增加了装置的成本，同时也相对增加了换流的损耗；电源电压下降也会使换流失败，降低了系统的可靠性7；此
9、外，由于晶闸管的关、开时间相对的长，而且加上存在换流环节，使斩波器的工作频率不能太高(一般在300Hz以下)，使得直流电机上的电流脉动和力矩脉动比较严重8。于是在20世纪90年代发明了以IGBT为典型，具有自关断能力的同时也可以在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为了更为高级的直流电机调速方案9。然而PLC可编程控制器的发明，因为它的易学易用、维护方便、可靠性高、通用性强、抗干扰能力强等优点10。工业控制中也得到了普遍的应用11。跟随工业发展的脚步，控制系统规模将会越来越巨大，人们为了实时地、方便地检测全部系统的运行情况，工业组态技术从中孕育而生。国内的组态软件有KingV
10、iew、ameView、MCGSF等12。而且作为工业组态监控软件之一的组态王是本文中实行检测监控的重要工具。PLC技术和组态监控技术在自动化、机电专业都是占有重要地位的专业技术13。本设计方案是在原系统基础上，采用PLC作为控制器，利用PLC 的PID回路指令进行数据运算，并经PLC的高速脉冲输出口输出占空比可变的脉冲信号，实现直流电机的PWM调速控制，并结合国产组态软件组态王，完成直流电机的正转、反转、微调等功能。1.2选题背景及其意义在现代工业中，为了满足各种生产中工艺的要求，我们需要使用多种多样的生产加工机械，这些生产加工机械觉大多采用的是电动机拖动。大多数生产加工机械是将它的电能转换
11、成为机械能，以机械运动的方式来满足各种工艺加工运行的要求10。随着工业技术的不停革新和发展，各种各样的生产机械可以根据它的工艺加工特点，对拖动的电动机和生产机械也同时不停的提出了各种各样的要求，有些需要电动机能够迅速的启动、停止、正转和反转；有些则需要实现多台电动机的转速依照一定的比例协调的运动；有些需要电动机可以很慢的稳速运动；有些更是需要电动机启动、停止平稳，并且能够准确地停止在指定的位置上。上面这些不同的工业需求，都是依靠机械传动装置和电动机及其控制系统实现的。从而我们可以发现各种拖动系统都是依靠对转速的改变来实现的，因为直流电动机具有良好的起动、停止性能，可以方便的在大范围内平稳调速的
12、优点，所以被普遍的使用在快速正方向的电力拖动或需要调速的领域中。因此研究直流电动机的调速控制系统具有非常重大的意义12。目前，在直流电动机的调速控制系统中，微处理器的控制系统普遍采用以或单片机，由于DSP或单片机控制电动机会占用较多的端口资源、而且需要的周边元器件也比较多，对于整个系统的可靠性和稳定性有比较大的影响。PLC作为一种工业控制中使用的装置，是因为它的可靠性高和抗干扰能力强而著称，经过可编程控制器的迅猛发展，它的性价比也随着它的迅猛发展不断的提高13，本文利用PLC对直流电动机进行PWM调速控制，以提高直流调速系统的控制性能。为实现直流电动机的控制提出了一种新的有效的方法。2 系统方
13、案设计2.1 直流PWM的选择及设计思路PWM的直流调速是我们大三的时候学习的一门电力拖动自控控制系统-运动控制系统的专业课，通过这门课让我对PWM的直流调速系统有了一定的了解和认识，所以本次PWM的选择和一些想法都是通过这本书及图书馆的一些资料设想而出的。2.1.1 直流PWM的选择PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，还有一种带制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统，其电流能够反向。由于本设计需要对直流电机经行正转、反转的控制，所以我决定选择可逆的双极性桥式（H形）的PWM。如图2-1给出了桥式可逆PWM的变换器电路 MV1V3V2V4VD1VD2VD3VD4U+_图
14、2-1桥式可逆PWM的变换器电路从图2-1可以看出，电枢电流沿对角回路流通（比如：VD1-VD4），反之依然，在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这便是双极式的由来。2.1.2 PWM在硬件设计中的应用体现通过对资料的理解，下面我用公式说明一下：双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 （2-1）若占空比和电压系数的定义与不可逆变换其中相同，那么在双极式控制的可逆变换器中的和的关系就不一样了调速时，我们知道的可调范围为01，相应的，=-11，当时，为正，电动机正转；反之，当时，为负，电动机反转；当时，=0，电动机停止。这里，我们可以看出通过调节PWM的占空比我们就可以实现对直流电机的调速了，
15、具体的硬件设计下一节会具体讲到。2.2 PWM在直流调速系统中的体现由GTR构成的脉宽调速系统的组成如下图2-2，其中GM为三角波振荡器，FA为瞬时动作的限流保护环节，PWM为脉宽调制变换器，GD为基极驱动器，UPW为脉宽调制器。测速发电机TG测量电动机M的转速n，速度给定电压Un*与速度反馈信号Un同时附加在速度调节器ASR的输入端，构成双闭环调速系统中的速度外环。电流传感器TA检测直流电动机的电枢电流Ia，其速度调节器输出电压Ui*与输出电压Ui同时附加到电流调节器ACR的输入端，构成双闭环调速系统中的电流环，为内环。图2-2 脉宽调速系统的组成2.2.1脉宽调制器这个是最关键的一个部件，
16、它是把输入的直流控制的信号转换成与它成比例的方波电压额信号，从而获得期望的方波输出电压。实现上面拥有电压-脉宽变换功能的环节称为脉冲宽度调制器，简称为脉宽调制器。 图2-3脉宽调制器图2-3为脉宽调制器的原理图，它是一个电压-脉宽的变换电路，它由电流环ACR输出的控制电压Uc进行控制，它输出的电压的脉冲宽度与控制电压Uc成正比。运算放大器A3在开环状态工作，它的主要功能是能输出正和负的饱和电压。运算放大器A3的输入端有三个信号，除了Uc 之外，还有偏移电压Ub和调制信号Ua。控制电压Uc的幅值与极性随时都可以改变，通过与Uo2的相减，在运算放大器A3的输出端获得脉冲宽度可变、周期不变的调制输出
17、电压Upwm。在Uc=0时，电压比较器的输出端可以获得正、负半周期脉冲宽度相等的调制输出电压Upwm；另一个输入信号端是加一个负的偏移电压Ub，它的值为 (2-2)当Uc0时，让其输入端合成的电压为正的宽度增大，即锯齿波过零的时间提前，经过比较器的倒相后，可以在输出端获得正半波相比较负半波窄些的调制输出电压。 当Uc HI_LIM即可得到反向的标定。当反向转换被使用时，输入值增加的同时输出值将减小。表5-2 为FC105参数参数说明数据类型存储区描述EN输入BOOL Q、D、L、I、M使能的输入端，信号状态为1时就会激活该功能ENO输出BOOLQ、D、L、I、M如果没有错误的执行该功能时，这个
18、使能的输出端信号状态为1IN输入INTQ、D、L、I、M、P、常数想要转换为实型值的输入值（以工程单位表示）续表5-2 HI_LIM输入REALQ、D、L、I、M、P、常数上限值（以工程单位表示的）LO_LIM输入REALQ、D、L、I、M、P、常数下限值（以工程单位表示的）BIPOLAR输入BOOLQ、D、L、I、M输入值为双极性（当信号状态为1时）。反之输入值为单极性。OUT输出REALQ、D、L、I、M转换的结果RET_VAL输出WORDQ、D、L、I、M、P 如果执行该指令时没有发生错误，将返回值W#16#0000。对于W#16#0000以外的其它值，参见错误信息。错误信息如果输入整型
19、值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错误。如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。ENO的信号状态将设置为0，RET_VAL等于W#16#0008输入地址PIW752，转速上下限值01500r/min，输出MD20，将转速标定成浮点格式后送到过程变量中去。下面取OB1里的Network1作为例子，如图5-6。图5-6 FC1055.4.3 PID程序设计本次毕业设计通过PID控制反馈电压，通过调节PWM的占空比来实现对电机的正反转与转速调节，系统通过OB35组织块实现每100毫秒执行一次。PID功能的实现通过系统块FB41实现，FB41为连续控制
20、的PID功能块，用于连续变化的模拟量的控制，FB42与FB41的区别在于前者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的许多参数和使用方法都相似或相同。FB41的数据接口如下：表5-3 FB41功能块输入接口输入类型功能COM_RSTBOOLPID的重新启动：PID执行重启动的功能（当该位为TURE时），PID内部的参数被复位到原先的默认值；通常在重启动系统时执行扫描周期一次，对于进入饱和状态时的PID如有需要，则退出时用这个位；MAN_ONBOOL手动值为ON时；将MAN的值通过PID功能块直接输出到LMN，PID框图中可以看到；可以说，这个位是PID的自动/手动的切换位；PEPER_ONBOOL
21、ON（过程变量外围值）：过程变量即反馈量，可以使用规格化后的 PIW值（常用），因此，这个位设为FALSE；P_SELBOOL选择位（比例）：该位ON时，选择P（比例）控制有效；一般选择为有效； 续表5-3I_SELBOOL选择位（积分）：该位ON时，选择I（积分）控制有效；一般选择为有效；INT_HOLD BOOL积分保持，不用对它经行设置；I_ITL_ONBOOL积分初值有效，积分初值（I-ITLVAL）变量和这个位对应，当此位ON时，则使用变量积分初值（I-ITLVAL）。一般发现系统反应不够或PID功能的积分值增长比较慢时可以考虑应用积分初值D_SELBOOL选择位(微分)，该位为ON
22、时，选择D（微分）控制有效；一般的控制系统不用；CYCLETIMEPID的采样周期，一般设为200MS；SP_INTREALPID（给定值）；PV_IN REALPID的反馈值（也称过程变量）；PV_PERBOOL未经规格化的反馈值，由PEPER-ON选择有效；（不推荐）MANBOOL手动值，当MAN-ON时选择有效；GAINREAL比例增益；TI TIME积分时间；TDTIME微分时间；DEADB_WREAL死区宽度；用死区来降低灵敏度的话，输出在平衡点附近就不会产生微小幅度的振荡；LMN_HLMREALPID上极限，一般是100%；LMN_LLMREALPID下极限；一般为0%，如果需要双
23、极性调节，则需设置为-100%；PV_FACREAL比例因子（过程变量）PV_OFFREAL偏置值（过程变量）（OFFSET）LMN_FACREAL比例因子（PID输出值）；LMN_OFFREAL偏置值（PID输出值）（OFFSET）；I_ITLVALREAL积分初值（PID）；当I-ITL-ON选择时有效；DISVREAL扰动量（允许），加入前馈的控制，通常不设置； 表5-4 FB41功能块输出接口输出类型功能LMNREAL输出（PID）；LMN_P REALPID输出中P的分量；（可用于在调试过程中观察效果）LMN_IREALPID输出中I的分量；（可用于在调试过程中观察效果）LMN_DR
24、EALPID输出中D的分量；（可用于在调试过程中观察效果）图5-7 FB41内部结构如图5-7所示为FB41系统数据块的内部结果框架。FB41的数据结构不使用的默认功能关闭，本课题只使用FB41的基本功能。图5-8、5-9为本次设计OB35中调用FB41的程序。SP_INT为OB100中传输的MD32中的值，PV_IN为反馈量通过MD20寄存器将已经转换好的浮点数传送进FB41进行偏差计算，GAIN、TI、TD分别为P、I、D的值。LMN将经过PID整定的数值传送至MD26寄存器中。 图5-8 转速换FB41程序图5-9 电流环FB41程序 图5-10为输出功能程序块，将结果模拟量输出图5-10 模拟量输出6 调试6.1 组态系统设计6.1.1 组态软件的选择组态监控软件是拥有专业性的一款软件。组态软件（每种不同的的软件）只能使用于某种或者一种领域中的使用。组态的概念最开始萌芽于工业用中的计算机控制系统当中，如：PLC（可编程控