【電氣工程及其自動化】基于plc直流電機正反轉及其調(diào)速系統(tǒng)設計

本科生畢業(yè)論文（設計）基于PLC直流電機正反轉及其調(diào)速系統(tǒng)設計二級學院信息科學與技術學院專業(yè)電氣工程及其自動化完成日期2015年5月24日A基礎理論B應用研究C調(diào)查報告D其他目錄第一章引言111可編程控制器PLC112雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1第二章直流調(diào)速系統(tǒng)221設計的調(diào)速性能的指標222PWM調(diào)速系統(tǒng)2221直流電機的PWM控制原理2222直流電機的PWM控制系統(tǒng)的組成3第三章基于PLC的調(diào)速系統(tǒng)731設計的任務7321選擇硬件得到具體說明10322設計需用到的PLC擴展模塊1033參數(shù)的選擇與軟件的設計12331參數(shù)的選擇12332軟件的選擇與設計12333程序的設計13334直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真16參考文獻17附錄18致謝基于PLC直流電機正反轉及其調(diào)速系統(tǒng)設計摘要本設計是基于日本三菱公司FX2N16MT系列PLC的直流電機正反轉及直流脈寬雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用該系列的特殊功能輸入/輸出擴展模塊與其功能指令，要求實現(xiàn)了直流電機的快速調(diào)速，穩(wěn)定性強，抗干擾能力強的優(yōu)點，通過各種硬件的合理選擇與軟件的正確設計，最后經(jīng)過模擬信號的調(diào)試，該直流調(diào)速系統(tǒng)均符合要求。關鍵詞PLC；直流電機；脈寬調(diào)速系統(tǒng)DCMOTORFORWARDINGANDREVERSING,ANDCONTROLSYSTEMOFSPEEDBASEDONPLCDESIGNINGABSTRACTTHISDESIGNISBASEDONTHEPLCOFJAPANMISTSUBISHIFX2N16MTSERIESDCMOTORANDREVERSINGANDDCPULSEWIDTHOFTHEDOUBLECLOSEDLOOPSPEEDREGULATIONSYSTEM,TNESYSTEMUSESTHESERIESOFTHESPECIALFUNCTIONOFTHEINPUT/OUTPUTEXTENSIONMODULEANDITSFUNCTIONINSTRUCTION,FORTHEFASTSPEEDOFDCMOTOR,STABILITYISSTRONG,HASTHEADVANTAGEOFSTRONGANTIJAMMINGCAPABILITY,THROUGHAVARIETYOFTHEREASONABLESELECTIONOFHARAWAREANDSOFTWAREDESIGN,FINALLYTHROUGHTHEDEBUGGINGOFTHEANALOGSIGNAL,THEDCSPEEDCONTROLSYSTEMMEETSTHEREQUIREMENTSKEYWORDSPLCDCMOTORPULSEWIDTHSPEEDREGULATIONSYSTEM1引言直流電機的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有利于電機的快速、平穩(wěn)、安全地調(diào)速，實現(xiàn)了無論在我們的日常生活，還是在生產(chǎn)中安全可靠地運行。過去的直流電機調(diào)速需要用到繼電器，集成運算放大器，電氣元件按照一定的規(guī)律用導線連接起來，實現(xiàn)運行，這種控制方式不但落后而且可塑性不高。而現(xiàn)代的PLC控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個問題，通過軟件輸入?yún)?shù)，通過電流與轉速的反饋實現(xiàn)了工作可靠，方便，性能好的數(shù)字處理系統(tǒng)，大大改善了系統(tǒng)的性能。11可編程控制器PLC從結構上分PLC分為固定式和組合式模塊式兩種。固定式PLC包括CPU板、I/0板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等。這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、地板或機架。這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。它目的是用來取代繼電器，擁有的若干條的功能指令以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。PLC的基本設計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據(jù)實際應用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi)。解決了用傳統(tǒng)繼電器控制的布線多又雜，不易于維修，控制不方便的缺點，而且簡單易學深受工程人員的喜歡。本設計將應用到PLC一些特殊功能指令和擴展模塊來實現(xiàn)該系統(tǒng)的功能。12雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)具有兩個調(diào)節(jié)器，一環(huán)嵌套一環(huán)；速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)。兩個PI調(diào)節(jié)器均設置有限幅；一旦PI調(diào)節(jié)器限幅即飽和,其輸出值為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，而輸出未達限幅時，調(diào)節(jié)器才起作用，使輸入偏差電壓在調(diào)節(jié)過程中接近0，而在穩(wěn)態(tài)時為0這樣就很好地達到了當給定一個電壓時，當外界環(huán)境改變時，電機能不受外界的干擾，平穩(wěn)運行，實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。具體來說，它具有良好的靜特性，具有較好的動態(tài)特性，啟動時間短，超調(diào)量也小，系統(tǒng)抗干擾能力強，由于設計的反饋環(huán)節(jié)很好地消除了偏差。電流內(nèi)環(huán)速度外環(huán)圖1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡單原理本設計我們通過改變直流電機的電樞兩端電壓來實現(xiàn)該系統(tǒng)的正反轉及調(diào)速，通過改變電樞電壓的大小來改變轉速，通過改變電樞兩邊電壓的極性來改變其轉動方向，如上圖1所示其它環(huán)節(jié)未畫出），這個簡單的模擬圖為系統(tǒng)的調(diào)速的穩(wěn)定，可靠提供了保證，至于如何改變電壓的大小與極性在下面的章節(jié)將進行具體介紹。2直流調(diào)速系統(tǒng)21設計的調(diào)速性能的指標本文設計的調(diào)試系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無靜差，動態(tài)過度過程時間TS不大于01S，電流超調(diào)量I不大于5，空載啟動到額定轉速時的轉速超調(diào)量N不大于10。以上數(shù)據(jù)轉化為運動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標，同時實現(xiàn)調(diào)速，穩(wěn)速，加減速控制的功能作為設計的標準。22PWM調(diào)速系統(tǒng)221直流電機的PWM控制原理直流電機的脈寬調(diào)制控制原理，主要是通過控制開關的通斷的頻率，來達到控制直流電機電樞電壓的平均值來控制其轉速值得大小，來控制電機轉速的大小。如下圖2所示，當我們給直流電機一個固定電壓，用開關VT來控制電路的通斷，當開關閉合時，電機的兩端的電壓等于US。當開關斷開時，由于直流電機的感性電流通過電力二極管續(xù)流，此時電機電樞兩端的電壓為0。就是這樣，我們通過改變開關的通斷頻率來改變占空比TON/T,來改變輸出的平均電壓轉速調(diào)速器電流調(diào)節(jié)器直流電動機UD,來改變電機的轉速。圖2直流電機的脈寬調(diào)制控制原理222直流電機的PWM控制系統(tǒng)的組成如圖3所示，電機的轉速檢測通過測速發(fā)電機測量，速度反饋信號與速度給定電壓同時加在速度調(diào)節(jié)器輸入端上，組成速度調(diào)節(jié)器，構成調(diào)速系統(tǒng)的速度的外環(huán)。電機的電樞電流由電流傳感器檢測器，其輸出電壓與速度調(diào)節(jié)器輸出的電壓同時加在電流調(diào)節(jié)器的輸入端，構成調(diào)速系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)。下面將詳細介紹其組成的核心部件。圖3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖集成脈寬調(diào)制變換器這是整個脈寬調(diào)速系統(tǒng)最關鍵的部件，它有一個鋸齒波發(fā)生器和一個脈寬調(diào)制器組成。如下圖4【4】所示鋸齒波發(fā)生器它由兩個運算放大器組成，A1輸入正負對稱的方波脈沖，A2輸出鋸齒波，A2輸出端作為脈寬調(diào)制器（如圖5【4】）的其中一個輸入端UA作為調(diào)制信號，另外還設有一個電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓UC,還有一個偏移電壓UB,其中UC的大小與輸出的電壓脈寬成正比。如上述所示，這個電壓脈寬變換的電路是典型地利用了直流斬波的原理，輸出的脈寬信號再輸?shù)较乱患壍姆糯髮崿F(xiàn)對電力晶體管通斷的控制。圖4鋸齒波發(fā)生器圖5脈寬調(diào)節(jié)器橋式可逆PWM變換器如下圖6所示，H型的PWM變換器的開關部件為VT1，VT4和VT2，VT3兩組進行通斷控制的。組內(nèi)兩器件VT1，VT4同時導通或關斷，兩組器件VT1，VT4和VT2，VT3則是交替的導通和關斷的。其柵極驅動信號為UG1UG4,UG2UG3UG1。當給電機的兩端加一個固定電壓US,通過該主電路對電力晶體管的控制,控制其導通關斷即可控制其轉速圖6H型的PWM變換器電子線路圖如圖7所示，電機正向運行時,當0TTON時，UG1和UG4為正，相反UG2和UG3為負，VT1與VT4導通，VT2，VT3截止,電機兩端的電壓UABUSTONTT時，UG1和UG4為負，UG2和UG3為正，直流電機存在感性電流，在VD2和VD3續(xù)流，電動機的電壓UABUS。如圖8所示，電機反轉時，當0TTON時，UG1和UG4為正，相反UG2和UG3為負，VT1與VT4導通，VT2，VT3截止,此時電機有一個反向電流，到達鉗位時使VT1與VT4截止，此時電機的電壓UABUS；TONTT時，UG1和UG4為負，UG2和UG3為正，使VT1與VT4保持截止。電樞電流在VT2，VT3導通，此時電機的電壓UABUS。圖7電機正轉時的波形分析圖圖8電機反轉時的波形分析圖由以上分析可得，在橋式可逆PWM變換器的一個PWM周期里電機的電樞電壓極性呈現(xiàn)正負變化的，但可見由于續(xù)流二極管的作用，電流的極性是不變的。其平均電壓UD的計算公式為UD2A1US（1）式中ATON/T,其中A為前面脈寬調(diào)制原理提到的占空比，顯然易見，只要我們改變其占空比就可以改變其轉速，假設US為正時是正轉，就是說A0時，電機反轉，且速度最大。A05時，電機不轉。A1時，電機正轉，且速度最快。3基于PLC的調(diào)速系統(tǒng)31設計的任務本設計基于三菱PLC的控制電路，轉速、電流雙閉環(huán)，主電路為直流脈寬調(diào)速的橋式可逆調(diào)速系統(tǒng)。為了計算出PI環(huán)節(jié)的各個輸入?yún)?shù),選擇一下電機參數(shù)。電樞電阻RA0088,IN220A,UN440V,NNOM1500R/MIN,允許過載倍數(shù)15。電樞回路總電阻R012，電樞的回路電磁時間常數(shù)TL12MS,機電時間常數(shù)TM100MS,電流反饋濾波時間常數(shù)TOI25MS,轉速濾波時間常數(shù)TOI14MS,給定值和速度調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的限幅值均為10V。設計要求穩(wěn)態(tài)無靜差，動態(tài)過度時間TS01S,電流超調(diào)量I5,空載啟動到額定轉速時的轉速超調(diào)量N10。A有關參數(shù)的計算1電動機的機電常數(shù)CE（2）MIN2804150241RVNRIUNA2確定采樣時間TS,即開關周期TPWM，晶體管滯后時間TSTPWM0017S（3）F12503電流反饋系數(shù)（4）AVIUDMI/032514轉速反饋系數(shù)AA（5）MIN067151RVNUNIMB電流環(huán)參數(shù)的設計（1）電流環(huán)小時間常數(shù)（6）STSOII04217025（2）電流調(diào)節(jié)器選擇，按典1系統(tǒng)設計，選用PI調(diào)節(jié)，即無微分作用，傳遞函數(shù)為（7）SKWISACR1確定其各個參數(shù)（8）STLI012要求5,應取KL05,因此IIT（9）10594205SITL所以電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為（10）1260450319PWMILIKRKPWM為脈寬調(diào)節(jié)器與PWM變換器的放大系數(shù)，取45由上述計算可知采樣時間TS17MS,電流調(diào)節(jié)器的比列系數(shù)KI0126,積分時間常數(shù)12MS,微分無作用。IC確定轉速調(diào)節(jié)器的參數(shù)確定時間常數(shù)，電流環(huán)等效時間常數(shù)為200084S,轉速濾波時間常IT數(shù)TON0014S,最后S。042ONITN轉速調(diào)節(jié)器按2型系統(tǒng)設計，選用PI調(diào)節(jié)器，即微分無作用，其傳遞函數(shù)為（11）SKWNSASR1選擇ASR參數(shù)取H5,則轉速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)（12）SHTNN12045轉速開環(huán)放大系數(shù)（13）162390425621SNTHKN則（14）3280410675228321NHARTCKMEN綜上所訴，同樣我們可以知道轉速調(diào)節(jié)器的比列系數(shù)KN283,積分時間常數(shù)為0112S。32硬件的選擇與設計321選擇硬件得到具體說明本設計采用日本三菱PLC的FN系列的FX2N16MT的CPU，其中它有16電輸入輸出點數(shù)。設計中需要用到其一些特殊功能指令和一些簡單的功能指令作為協(xié)助。例如具有向特殊擴展模塊讀出與寫入的FROM指令與TO指令，PID指令等，這些指令的具體用法將在軟件設計部分作詳細的介紹。322設計需用到的PLC擴展模塊1模擬量輸入模塊FX2N4AD。此模塊具有4個通道，分別是CH1CH4，每個通道都可以進行AD轉換，采集電壓信號為10V至10V,分辨率為5MV電流輸入為4至20M或20至20MA該模塊內(nèi)部具有32個16位的緩沖寄存器（BMF用于與主機交換數(shù)據(jù)，其占用擴展總線的8個點，耗電為5V，30MA其中我們設計的程序中要用到其中的幾個緩沖寄存器，將作詳細的介紹，讀者對其它緩沖寄存器有興趣可以翻閱相關的資料。BFM內(nèi)部含義0，通道初始化，默認值為H0000；912，每個輸入通道的當前值存放；29，錯誤狀態(tài)；30，識別碼，K2010。BFM說明0的數(shù)據(jù)可以通過TO指令改寫，其它緩沖寄存器的數(shù)據(jù)可以使用PLC的FROM指令讀寫；在BFM0中寫入16進制的4為數(shù)字HXXXX，進行A/D模塊通道的初始化，最低位數(shù)字控制CH1,最高位控制CH4。當X0時設定輸入范圍為10到10V，當X1時，設定的輸入范圍為4MA到20MA,當X2時，設定輸入范圍為20到20MA,X3時，關斷通道。例如BFM0H3000表示關閉通道CH4，而CH1，CH2，CH3的設定值的輸入范圍是10到10V。2模擬量輸出模塊FX2N2DA模擬量輸出模塊FX2N2DA將12位的數(shù)字信號轉換為模擬量電壓或電流輸出。它有兩個模擬輸出通道CH1，CH2。分別有三種量程DC010V、05和420MA,D/A轉換時間4MS/通道。此模塊有32個緩沖存儲器，下面我們就用到的幾個重要的存儲器作介紹。表1模塊FX2N2DABFM的簡單介紹BFM編號B15到B8B7到B3B2B1B00到15保留16高8位保留，低8位為輸出數(shù)據(jù)的當前值17保留D/A第八位數(shù)據(jù)保持通道1D/A轉換開始通道2D/A轉換開始主機CPU與輸入/輸出模塊，從FX2N16MT基本單元的右邊的擴展總線上，從最靠近基本單元開始編號0,1，如下圖9所示01FX2N16MTFX2N4ADFX2N2DA圖9PLC模塊連接編號3電路圖的設計。參考文中的附錄，主電路部分給固定的US500V的電壓，電源通過變壓器獲取，通過分壓器分440V電壓，再經(jīng)整流橋整流，電源兩側接一個電容濾波和穩(wěn)壓，并接有繼電器控制電機的正反轉（由PLC編訂的程序設定，控制電路輸出的脈寬信號輸?shù)交鶚O放大器進行信號放大，來驅動電力電子晶體管，來控制其導通與關斷，電力二極管作電機的續(xù)流的作用，作用是使電機分別在正轉和反轉時候，電流方向不變。詳細參考第二章的橋式可逆變換器。主電路并設有由測速發(fā)電機測速并反饋到模塊的輸入端，設有電流傳感器并反饋到模塊的輸入端；控制電路控制電路主要由PLC部分組成，模塊輸出端輸出一個模擬信號給脈寬調(diào)節(jié)器的UC端，再送到基極電路進行信號放大。33參數(shù)的選擇與軟件的設計331參數(shù)的選擇雙閉環(huán)的系統(tǒng)結構圖傳遞函數(shù)如下圖10【3】所示，通過這個我們可以求出電流調(diào)節(jié)器，轉速調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以PLC的PID指令的計算功能代入其參數(shù)，代替電流調(diào)節(jié)器，轉速調(diào)節(jié)器，這也是PLC給我們帶來的便利。圖10雙閉環(huán)的系統(tǒng)結構圖傳遞函數(shù)圖332軟件的選擇與設計下面我們就一些程序中需要用到的一些特殊指令進行介紹，一遍讀者易于理解，若要對其它指令進行深一步的理解讀者可以參考相關的文獻。1FROM指令用于把模擬量輸入/輸出模塊的緩沖存儲器的信息讀入到數(shù)據(jù)寄存器中，例如，下表2所示，程序中使用到FROM指令，其中K0代表模塊的編號，從離PLC基本單元最近的左邊以0數(shù)起，前面章節(jié)中有介紹，K30代表緩沖區(qū)號，例如K30就是代表30緩沖區(qū)，D4代表要送到的數(shù)據(jù)寄存器，K1代表從D4數(shù)起的一個寄存器。表2FROM指令FROMK0K30D4K12TO指令，它實現(xiàn)的是將數(shù)據(jù)寫入緩沖存儲器的功能，如下表3所示，第一個K0代表模塊的編號，第二個K0代表要寫入的緩沖存取器，這里就代表緩沖存儲器0，H3000代表寫入的數(shù)值，K1代表輸入一個數(shù)值。表3FROM指令TOK0K0H3000K13PID指令，它的功能是代替電流調(diào)節(jié)器，轉速調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)對輸入的各個參數(shù)進行計算，程序自帶為它內(nèi)部設定的公式為PID表達式KPKDTDDT。例如下表4所示，它有源操作數(shù)和目的操作數(shù)組成，數(shù)據(jù)傳輸過程中DTTI1只能用數(shù)據(jù)寄存器。如下圖所示D100表示的參數(shù)要輸入的寄存器，它包含25個數(shù)據(jù)寄存器，例如這里就是帶便D100D124,并有按一定的規(guī)律輸入?yún)?shù)值，例如采樣時間輸入到S3,調(diào)節(jié)器的正反作用輸入到S31，比列系數(shù)輸入KP輸入到S33，積分時間常數(shù)TI輸入到S34，微分時間TD輸入到S36，最后運算結果送到S4。表4PID指令的說明指令S1S2S3S4PIDD0D1D100D150設定值當前值參數(shù)輸出值333程序的設計1首先設定各個按鈕或線圈等對應的輸入輸出的規(guī)定，如下表5所示。表5輸入輸出分配SB1總電源按鈕X1SB2電機正轉X2SB3電機反轉X3SB4電機停轉X4SJ電流切斷保護X5I1給定一