基于PLC的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）成人高等教育2013屆?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文1 緒論1.1 直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。比如軋鋼分廠的可逆軋鋼機(jī)、機(jī)修分廠的龍門創(chuàng)床那樣需要經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡可能地縮短直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的一個(gè)重要因素。最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速。50年代末出現(xiàn)的晶閘管，它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)

2、速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。因而，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)迅速發(fā)展，晶閘管變流技術(shù)也日益成熟，直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高、維修困難，需備有直流電源才能使用。但因直流電動(dòng)機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的調(diào)速特性，較高的過載能力和較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此被廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合，直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機(jī)床，大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)、城市電車等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。特別是晶閘管與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、控

3、制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)是弱電控制與強(qiáng)電控制相結(jié)合的系統(tǒng)。系統(tǒng)弱電部分檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)溫度、晶閘管溫度等信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)出控制信號(hào)。1.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等，在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。由于

4、調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速，故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號(hào)的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運(yùn)行中表現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉(zhuǎn)

5、速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用，獲得了良好的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)。1.3 PLC在電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用可編程控制器PLC是通用的自動(dòng)化控制裝置，是船舶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制的核心控制元件。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，采用模塊式組合設(shè)計(jì)，具有控制功能強(qiáng)，可靠性高、使用靈活方便，易于擴(kuò)展而且PLC系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)單、編程容易、抗干擾能力強(qiáng)、適合在工業(yè)環(huán)境下工作，故而只要合理設(shè)計(jì)，降低成本，它將會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的歡迎。，在船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)中央冷卻控制系統(tǒng)等重要設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。在本課題所進(jìn)行的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用PLC作為系統(tǒng)的主控器件。之所以選擇用PLC來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控

6、制思想，是因?yàn)镻LC有較高的易操作性，它具有編程簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易等特點(diǎn)。除上述優(yōu)點(diǎn)外，PLC具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的能力，因而，PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制化專業(yè)設(shè)計(jì)的控制裝置，具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言和更可靠的硬件。采用了精簡(jiǎn)化的編程語(yǔ)言，編程出錯(cuò)率大大降低。本文首先詳細(xì)的介紹了大功率直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，分析了調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及基本調(diào)速方法；然后系統(tǒng)地論述了現(xiàn)代PLC控制技術(shù)，介紹了PLC控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法；接著本文以經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高的大功率晶閘管為調(diào)速系統(tǒng)可控整流電源，根據(jù)現(xiàn)代控制理論，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速方法對(duì)大功率直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路、轉(zhuǎn)速控

7、制電路以及信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)代PLC控制技術(shù)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及算法模型確定2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)前述，采用PLC及其外部接口設(shè)備對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和控制。對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，利用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。它能充分利用電機(jī)的過載能力，在過渡過程中保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖2-1所示。PLCA/D電流反饋電動(dòng)機(jī)數(shù)字觸發(fā)器數(shù)字PI數(shù)字PID/AU1

8、Un*U1*Uk*數(shù)字給定Un數(shù)字I電流自適應(yīng)環(huán)節(jié)速度反饋圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套連接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。PLC要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，其余工作均在PLC內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在PLC內(nèi)部設(shè)定。2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用控制方法介紹雙閉環(huán)調(diào)

9、速系統(tǒng)采用矩形逼近離散化方法時(shí)，這種算法分析簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和限幅器的作用是分開的，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有積分飽和作用，c(k)值將會(huì)變得很大，轉(zhuǎn)速將會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，使速度調(diào)節(jié)時(shí)間變得很長(zhǎng)。在此，限幅器并沒有限制c(k)的值，而只是限制了u(k)的值。采用雙PI調(diào)節(jié)器，動(dòng)靜態(tài)性能好，抗擾性能佳。速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動(dòng)，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型型。為使系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)時(shí)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PID算法可實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)，而且時(shí)間可調(diào)。模塊內(nèi)有積分環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)軟起動(dòng)。根據(jù)用戶實(shí)際需要，可調(diào)起動(dòng)時(shí)間，給用戶預(yù)留了2個(gè)端

10、口，調(diào)節(jié)2個(gè)電位器，可改變積分時(shí)間長(zhǎng)短，從而改變電機(jī)起動(dòng)時(shí)間。積分環(huán)節(jié)適用于起動(dòng)過渡過程平穩(wěn)的場(chǎng)合。如果用戶要求在負(fù)載一定的條件下，電機(jī)以最短的時(shí)間起動(dòng)，即以最大的等加速度起動(dòng)，可把積分環(huán)節(jié)去掉，模塊所留出的2個(gè)端口作為電流環(huán)和速度環(huán)的輸出限幅，調(diào)節(jié)電流的輸出限幅，改變電機(jī)的最大起動(dòng)電流，獲得理想的過度過程。1、調(diào)速方式的選擇直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓平衡方程為 (2.1) 電樞反電勢(shì)為 (2.2)由此得到轉(zhuǎn)速特性方程如下 (2.3)由轉(zhuǎn)速特征方程可以看出，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有如下3種：（1）調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩

11、調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。Ia變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。（2）改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)速改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速，從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速方法。If 變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同Ia 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，所需電源容量較小。（3）改變電樞電阻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟，空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 nT123圖2-2 直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平

12、滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，其機(jī)械特性如圖2-2所示改變電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速n隨電樞電壓的降低而降低，但機(jī)械特性的斜率保持不變；改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓調(diào)速方案，在基速以上作小范圍的升速。所以本次設(shè)計(jì)采用調(diào)壓調(diào)速。2.3 控制方法的確定算法是對(duì)特定問題求解步驟的一種描述，它是指令的有限序列，其中每一條指令表示一個(gè)或多個(gè)操作。算法分析的任務(wù)是對(duì)設(shè)計(jì)出的每一個(gè)具體的算法，利用數(shù)學(xué)工具，討論各種復(fù)雜度，以探討某種具體算法適用于哪類問題，或某類問題宜采用哪種算法。算法設(shè)計(jì)技術(shù)有很多，例如：貪心法、分之策略、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)流、近似算法、

13、隨機(jī)算法等。算法設(shè)計(jì)的正確選擇為從事實(shí)際問題的算法設(shè)計(jì)與分析工作提供了清晰的、整體的思路和方法。算法設(shè)計(jì)與算法分析是不可分割的，算法分析是對(duì)于設(shè)計(jì)出的每一個(gè)具體的算法，利用數(shù)字作為工具討論它的各種復(fù)雜度，就是算法分析的主要任務(wù)。2.3.1 PID控制的結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近60年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)

14、和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用PID控制技術(shù)。 PID控制包含比例、積分、微分三部分，實(shí)際中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量，圖2-3中給出了一個(gè)PID控制的結(jié)構(gòu)圖：Kds給定量（輸入）被控制量Ki/s誤差被控對(duì)象Kp傳感器反饋信號(hào)圖2-3 PID控制的結(jié)構(gòu)圖控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中可用公式(2.4)表示如下： (2.4)公式中，e(t)表示誤差，也是控制器的輸入，u(t)是控制器的輸出， Kp、Tp與Ti

15、分別為比例系數(shù)、 積分時(shí)間常數(shù)及微分時(shí)間常數(shù)。式(2.4)又可表示為：   (2.5)公式中，U(s)和E(s)分別為u(t)和e(t)的拉氏變換，Kp、分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。 1、比例（P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 2、積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增

16、加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 3、微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”，即在誤差接近零時(shí)，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不

17、夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量嚴(yán)重地沖過頭。所以對(duì)有較大慣性和（或）滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。2.3.2 PID參數(shù)的調(diào)整在PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)如果能夠有理論的方法確定PID參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，更多的是通過湊試法來確定PID的參數(shù)。增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。

18、增大積分時(shí)間I有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對(duì)響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例

19、系數(shù)略為縮小(一般縮小為原值的0.8)，然后減小積分時(shí)間，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。如果在上述調(diào)整過程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時(shí)間D設(shè)置為0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。2.3.3 PID模塊PID模塊的開發(fā)使PLC具有閉環(huán)控制功能，即一個(gè)具有PID控制能力的PLC可用于過程控制。當(dāng)控制過程中某個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)，PID控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出，并把

20、變量保持在設(shè)定值上。PID算法一旦適應(yīng)了工藝，就可以在工藝混亂的情況下依然保持設(shè)定值。對(duì)于連續(xù)的PID算法： (2.6)然而系統(tǒng)編程計(jì)算的時(shí)候一般是采用離散型的增量式PID算法，因?yàn)橹噶顖?zhí)行需要時(shí)間，所以不管PLC和高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP都是采用離散的算法。其中T是采樣時(shí)間，總體來說采用時(shí)間越小，控制更精確，但是也不能過小，太小容易占用CPU資源，也容易產(chǎn)生的偏差較小，在運(yùn)算的時(shí)候易被舍掉，從而產(chǎn)生積分量化誤差。以下是離散算法： (2.7)，代換之后變?yōu)椋?(2.8)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響到系統(tǒng)的性能。在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，有時(shí)僅僅靠調(diào)整PID參數(shù)難以同時(shí)滿足各項(xiàng)靜動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)?；诖?/p>

21、，衍生出多種改進(jìn)的PID算法，提高系統(tǒng)的性能。1、控制方式S7200的PID回路沒有設(shè)置控制方式，只要PID塊有效，就可以執(zhí)行PID 運(yùn)算。在這種意義上說，PID運(yùn)算存在一種“自動(dòng)”運(yùn)行方式。當(dāng)PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，我們稱之為“手動(dòng)”方式。同計(jì)數(shù)器指令相似，PID指令有一個(gè)使能位。當(dāng)該使能位檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)的正跳變 (從0到1)，PID指令執(zhí)行一系列的動(dòng)作，使PID指令從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)地切換到自動(dòng)方式。為了達(dá)到無(wú)擾動(dòng)切換，在轉(zhuǎn)變到自動(dòng)控制前，必須用手動(dòng)方式把當(dāng)前輸出值填入回路表中。PID指令對(duì)回路表中的值進(jìn)行下列動(dòng)作，以保證當(dāng)使能位正跳變出現(xiàn)時(shí)，從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)切換到自動(dòng)方式：置給定值（SPn)

22、過程變量（PVn）l 置過量變量前值（PVn-1）過程變量現(xiàn)值（PVn）l 置積分項(xiàng)前值（MX）輸出值（Mn）PID使能位的默認(rèn)值是1，在CPU啟動(dòng)或從STOP方式轉(zhuǎn)到RUN方式時(shí)建立。CPU進(jìn)入RUN方式后首次使PID塊有效，沒有檢測(cè)到使能位的正跳變，那么就沒有無(wú)擾動(dòng)切換的動(dòng)作。2.4系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算2.4.1 主電路參數(shù)計(jì)算1、直流電動(dòng)機(jī)：、，允許過載倍數(shù)=1.5；2、晶閘管裝置放大系數(shù)：；3、回路總電阻：R=3.3；4、時(shí)間常數(shù)：，；5、電流反饋系數(shù)：；6、轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：。 設(shè)計(jì)要求：（1）靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；（2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；（3）空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。2.4.2 電流

23、環(huán)節(jié)（ACR）的設(shè)計(jì)1、確定時(shí)間常數(shù)（1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時(shí)間；（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此??；（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。2、確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。3、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為： (2.9)4、選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：；電流環(huán)開環(huán)增益：因?yàn)橐?，故?yīng)取，因此 (2.10)于是，ACR的比例系數(shù)為。5、計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)按所用運(yùn)算放大器，取，各電阻和

24、電容值計(jì)算如下： ，??； (2.11)，??； (2.12) ，取。 (2.13) 6、校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：（1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。因?yàn)?，所以滿足近似條件。（2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足近似條件。（3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。2.4.3 轉(zhuǎn)速環(huán)（ASR）的設(shè)計(jì)1、確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為；（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，??；（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。2、確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)

25、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為： 。 (2.14)4、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗繞性能都較好的原則取h=5，則ASR超前時(shí)間常數(shù)：；轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：；于是ASR的比例系數(shù)為：。5、計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù) 按所用運(yùn)算放大器，取，各電阻和電容值計(jì)算如下：，??； (2.15)，取； (2.16)，取。 (2.17)6、校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率。（1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足簡(jiǎn)化條件。（2）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件。現(xiàn)在，滿足近似條件。（3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)h=5時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際上這

26、是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。2.4.4 按轉(zhuǎn)速環(huán)(ASR)退飽和重新計(jì)算超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，；而，因此，能滿足設(shè)計(jì)要求。3硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3-1為控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，表示了系統(tǒng)的基本組成電路和各部分之間的主要關(guān)系，箭頭表示信息的流向。從概略圖可知，本系統(tǒng)基本由四部分組成，分別是PLC CPU主機(jī)部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、電流檢測(cè)部分和速度檢測(cè)部分，下面分別加以說明。PLC(西門子S7200)A/DD/A整流運(yùn)行燈故障燈EM235晶閘管觸發(fā)板晶閘管板式電路直流電動(dòng)機(jī)處理圖3-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3.1.1 C

27、PU主機(jī)部分CPU222可單機(jī)工作，也可進(jìn)行I/O和功能塊的擴(kuò)展。通過擴(kuò)展口用扁平數(shù)據(jù)線將CPU222與模擬量擴(kuò)展塊EM235連接，實(shí)現(xiàn)模擬量的輸入和輸出。進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，每個(gè)擴(kuò)展模塊的組態(tài)地址編號(hào)取決于各模塊的類型和該模塊在擴(kuò)展鏈中所處的位置。CPU222應(yīng)用220V交流電源，EM235電源由CPU222提供。3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分CPU222將速度值傳送給模擬量擴(kuò)展模塊EM235的緩沖器內(nèi)，再傳送到中間寄存器，經(jīng)光電隔離后進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器分辨率為12位，是完全可以滿足輸出控制要求的。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸出010V模擬電壓給晶閘管觸發(fā)板的電壓輸入端。直流電動(dòng)機(jī)為15kw，220V

28、，1500r/min。晶閘管觸發(fā)板實(shí)際上就是把觸發(fā)板電路各元器件安裝在印刷線路板上，實(shí)現(xiàn)以較小的信號(hào)控制功率較大的設(shè)備。晶閘管觸發(fā)板選擇SXZL型三相整流觸發(fā)板，其采用高性能移相觸發(fā)電路TC787，是集同步信號(hào)檢測(cè)及脈沖變壓器輸出單元于一體，具有恒壓或恒流輸出功能的三相整流系統(tǒng)的觸發(fā)控制單元。為了使主電路的三相全控橋的各相觸發(fā)脈沖與晶閘管陽(yáng)極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，控制系統(tǒng)要設(shè)置專門的同步電路。晶閘管觸發(fā)板具有同步信號(hào)檢測(cè)功能，三相電壓經(jīng)變壓器輸入晶閘管觸發(fā)板。經(jīng)過處理后組成6個(gè)狀態(tài)：001-101-100-110-010-011，“1”表示觸發(fā)對(duì)應(yīng)的晶閘管，“0”表示不觸發(fā)。三相全控橋式整流

29、電路由三對(duì)串聯(lián)的晶閘管組成，將三相交流電變換成直流電，供給直流電動(dòng)機(jī)。晶閘管觸發(fā)板控制6只晶閘管觸發(fā)脈沖的移相，改變每周期內(nèi)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出直流電壓的平均值，進(jìn)而調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。電路中的電抗器是為了濾除晶閘管橋式電路的高次諧波干擾，改善電機(jī)運(yùn)行性能。3.2 檢測(cè)部分3.2.1 電流檢測(cè)部分電流檢測(cè)部分是為了實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制，由電流互感器、二極管整流電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。利用電流互感器從三相電源引出電流，將大電流轉(zhuǎn)換為小電流。經(jīng)二極管整流電路整流后變?yōu)橹绷鳎徒oEM235。EM235內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器分辨率為12位，輸入電流范圍為020mA，電壓范圍為010V。A/D轉(zhuǎn)

30、換器將電流模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，傳送給CPU222。電流信號(hào)一般采用電流互感器或霍爾傳感器來測(cè)量。1、 電流互感器電流互感器就是初次級(jí)繞組通過鐵芯進(jìn)行電磁耦合，初次級(jí)電流比與匝比相同。用于測(cè)量40-20kHZ的正弦波電流。測(cè)量精度一般為比差±0.1%，比差非線性度0.1%，相位差15分。特點(diǎn)：不需電源，價(jià)格便宜，精度高；缺點(diǎn)：不能用于有直流分量場(chǎng)合（某些型號(hào)可以帶一定直流分量，但直流分量不反映到輸出），價(jià)格10-30元。2、霍爾傳感器初級(jí)繞組繞在徑向開有缺口的環(huán)型（矩形等）鐵芯上，霍爾元件置于缺口中。當(dāng)初級(jí)繞組有電流流過時(shí)，霍爾元件檢測(cè)出鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大?。╒=KBi，K霍爾元

31、件靈敏度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度，i霍爾元件的控制電流。）該瞬時(shí)電壓與初級(jí)繞組瞬時(shí)電流是線性關(guān)系。對(duì)該電壓（mV級(jí)）進(jìn)行放大輸出，就是跟蹤輸出型直檢式霍爾電流傳感器，也可以轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。用于測(cè)量DC-1kHz的各種波形電流。由于輸出電壓與控制電流成正比，恒流源的穩(wěn)定性很關(guān)鍵，磁路中的剩磁對(duì)輸出有教大影響。測(cè)量精度一般為±1%，非線性度0.5%，響應(yīng)速度10S，跟蹤速度di/dt 50A/S。特點(diǎn)：需提供±12V電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以測(cè)量各種波形電流；缺點(diǎn)：溫漂大，精度低一些。價(jià)格50-100元。綜上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電流檢測(cè)的應(yīng)該選用的方法是用電流互感器作為電流反饋信號(hào)的檢測(cè)器。

32、在三相橋式整流電路中，交流側(cè)的電流與直流整流電路之間的關(guān)系如下： (3.1)因此測(cè)量交流電流的大小同樣可以反應(yīng)直流整流電流的大小。三相分別用三個(gè)電流互感器，再經(jīng)過橋式整流及濾波后輸出直流電壓Ui。主回路為三相全控橋，電流反饋信號(hào)整流也為三相橋式電路，因此電流反饋信號(hào)波形與主回路波形具有相同的重復(fù)頻率，無(wú)須很大的濾波環(huán)節(jié)來濾平反饋信號(hào)。3.2.2 速度檢測(cè)部分速度檢測(cè)部分是為了實(shí)現(xiàn)速度環(huán)的閉環(huán)控制，由光柵傳感器和信號(hào)處理電路等組成，信號(hào)處理包括整形電路和放大電路等。轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)影響非常大。光柵盤刻線數(shù)為1024線，它產(chǎn)生的脈沖列頻率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成固定的比例關(guān)

33、系。光柵傳感器將角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖，由計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)脈沖的個(gè)數(shù)，每轉(zhuǎn)能檢測(cè)到的脈沖的多少將直接影響角位移的分辨精度。整形電路使脈沖信號(hào)升沿符合輸入采樣要求，放大電路使脈沖信號(hào)電平符合PLC高速計(jì)數(shù)輸入電平的要求，高電平不低于15V。轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)可以用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電編碼器來測(cè)量。1、測(cè)速發(fā)電機(jī)由永久磁鐵與感應(yīng)線圈組成，用電樞獲取速度信號(hào)。它具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，常用于高精度低速伺服系統(tǒng)，也可與永磁式直流電動(dòng)機(jī)組成低速脈寬調(diào)速系統(tǒng)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)是與輸入軸的轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓信號(hào)，信號(hào)幅度大，信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)單。由于輸出電壓信號(hào)有波紋，一般需要配置濾波電路。 2、光電編碼器（

34、增量式）主要由旋轉(zhuǎn)孔盤和光電器件組成。它具有體積小、使用方便、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，常與直流電機(jī)配合使用構(gòu)成脈寬調(diào)速系統(tǒng)。增量式光電編碼器輸出的是與轉(zhuǎn)角成比例的增量脈沖信號(hào)，可以通過脈沖計(jì)數(shù)獲得角位置信號(hào)，也可以定時(shí)取樣脈沖數(shù)的增量實(shí)現(xiàn)角速度測(cè)量。因此，可以同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。通過電阻分壓，接入A/D轉(zhuǎn)換器,再接入PLC，有的PLC自帶A/D轉(zhuǎn)換器，就不用外接了，使用PLC時(shí)配用旋轉(zhuǎn)編碼器的效果更好，精度更高，成本也是最低的。因此，在該系統(tǒng)中選擇用光電編碼器來測(cè)量。3.3 數(shù)據(jù)采集模塊模擬信號(hào)的采集方式主要有單點(diǎn)采集、有限數(shù)量采集以及連續(xù)采集等，其中有限數(shù)量采集以及連續(xù)采集既可用于恒定信號(hào)的采集也

35、可用于變化信號(hào)的采集。但連續(xù)采集的特點(diǎn)是循環(huán)使用緩沖區(qū)，因此如果采集數(shù)據(jù)較多時(shí)，連續(xù)采集循環(huán)具有較大的優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)采用了連續(xù)采集的方法。調(diào)用函數(shù)子模塊中的創(chuàng)建任務(wù)、創(chuàng)建通道、時(shí)鐘控制、讀取數(shù)據(jù)及終止任務(wù)等函數(shù)。其中讀取數(shù)據(jù)部分放在一個(gè)循環(huán)中，設(shè)置和終止任務(wù)放在循環(huán)的外面，這樣就避免了在同一個(gè)任務(wù)中重復(fù)設(shè)置占用內(nèi)存；在前面板上設(shè)置合適的采樣通道、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)以及輸入范圍的最大值最小值。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)經(jīng)常會(huì)疊加有高頻的噪聲信號(hào)，這時(shí)就需要進(jìn)行低通濾波。一個(gè)典型的采集系統(tǒng)由CPU，各種輔助電路組成。需要8片A/D才能實(shí)現(xiàn)對(duì)32路信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集，可以將32路信號(hào)分為8組，每組4路信號(hào)并分配一個(gè)

36、獨(dú)立的模板， 32路信號(hào)需要8個(gè)采集模板。采集電路結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。采集電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫控制信號(hào)寫控制信號(hào)寫控制信號(hào)采集時(shí)序電路地址發(fā)生器模擬信號(hào)圖3-2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集圖在以上采集電路結(jié)構(gòu)中，32路信號(hào)由8個(gè)采集模板的采集電路同時(shí)進(jìn)行采集。采集時(shí)序電路為個(gè)模板提供相同的采集控制信號(hào)，根據(jù)采集控制時(shí)序，地址發(fā)生器產(chǎn)生遞增的存儲(chǔ)器地址，寫信號(hào)發(fā)生器對(duì)應(yīng)于采集控制時(shí)序產(chǎn)生存儲(chǔ)器寫信號(hào)，采集電路產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)在寫信號(hào)控制下寫入地址發(fā)生器產(chǎn)生的地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器單元中。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器位于各采集模板上。3.3.1 PLC輸入/輸出端口1、I/O系統(tǒng)的功能與組成接口是兩個(gè)系統(tǒng)或兩個(gè)部件之間的相交接部分，可以

37、是兩種硬件設(shè)備之間的連接電路，也可以是兩個(gè)軟件之間共同的邏輯邊界。I/O接口通常是指主機(jī)與外部設(shè)備之間設(shè)置的硬件電路及其相應(yīng)的軟件控制。一般來講，不同的外部設(shè)備均有其獨(dú)立的設(shè)備控制器，設(shè)備控制器需要通過I/O接口與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系。（1）I/O系統(tǒng)的基本功能 為信息的傳輸操作選擇設(shè)備； 在選定的輸入輸出設(shè)備和計(jì)算機(jī)主機(jī)（CPU或內(nèi)存）之間交換信息。（2）I/O系統(tǒng)的組成 由I/O系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，I/O系統(tǒng)也包括了硬件及其相應(yīng)的軟件。各種外圍設(shè)備不能與計(jì)算機(jī)主機(jī)直接聯(lián)系，必須通過I/O系統(tǒng)聯(lián)接。輸入/輸出接口：用來完成外圍設(shè)備與CPU交換信息時(shí)在速度、代碼形式上的相互匹配。在CPU中，數(shù)據(jù)的傳送速

38、度是納秒級(jí)的，而外圍設(shè)備的速度則是毫秒級(jí)的，最快是微秒級(jí)的，兩者相差懸殊。CPU中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)是并行傳輸?shù)模⑶矣袠?biāo)準(zhǔn)的電位要求，而外圍設(shè)備因其種類的不同，其數(shù)據(jù)的傳輸方式有串行的，有并行的，還有串并行的。接口部件的功能就是進(jìn)行外設(shè)與CPU之間的信息轉(zhuǎn)換，使其形式上能互相適應(yīng)，速度上能互相匹配。同時(shí)能根據(jù)CPU的控制要求，對(duì)I/O系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制與檢測(cè)。接口部件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，不同的輸入輸出方式，不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，都影響接口部件的組成。而接口部件的質(zhì)量好壞，也將直接影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。2、通道的工作過程通道的工作過程可分為啟動(dòng)通道、數(shù)據(jù)傳輸、通道程序結(jié)束三個(gè)部分。（1）啟動(dòng)通

39、道在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個(gè)通道程序，并啟動(dòng)通道。廣義指令由一條訪管指令和若干個(gè)參數(shù)組成，訪管指令的地址碼部分實(shí)際上是這條訪管指令要調(diào)用的管理程序入口地址。當(dāng)用戶程序執(zhí)行到要求進(jìn)行輸入輸出操作的訪管指令時(shí)，產(chǎn)生自愿訪管中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)入管理程序入口。管理程序根據(jù)廣義指令提供的參數(shù)，如設(shè)備號(hào)、交換長(zhǎng)度和主存起始地址等信息來編制通道程序，在通道程序的最后，用一條啟動(dòng)輸入輸出指令來啟動(dòng)通道開始工作。（2）數(shù)據(jù)傳輸通道處理機(jī)執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入輸出工作。通道被啟動(dòng)后，CPU就可以退出操作系統(tǒng)的管理程序，返回到用戶

40、程序中繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，而通道開始傳輸數(shù)據(jù)。（3）通程序結(jié)束當(dāng)通道處理機(jī)執(zhí)行完通道程序的最后一條通道指令“斷開通道指令”時(shí)，通道的數(shù)據(jù)傳輸工作就全部結(jié)束了。通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)斎胼敵鲋袛噙M(jìn)行處理。如果是正常結(jié)束，管理程序進(jìn)行必要的登記等工作；如果是故障、錯(cuò)誤等異常情況，則進(jìn)行例外情況處理。然后CPU返回到用戶程序繼續(xù)執(zhí)行。3.3.2 用于PLC的輸入/輸出模塊PLC輸入模塊用來接收生產(chǎn)過程的各個(gè)參數(shù)。PLC輸出模塊用來送出可編程控制器運(yùn)算后得到的信息，并通過機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類控制。（執(zhí)行結(jié)果輸出）PL

41、C的輸入/輸出模塊的特點(diǎn)：有良好的抗干擾的能力；能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)的匹配要求。計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)（I/O系統(tǒng)）的功能是完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部世界的聯(lián)系，它與計(jì)算機(jī)主機(jī)的速度、處理能力、實(shí)用性、兼容性等各項(xiàng)性能都有十分密切的關(guān)系如圖3-3。下面詳細(xì)介紹。程 序輸 入 設(shè) 備計(jì)算機(jī)數(shù)字控制設(shè)備輸 出 設(shè) 備可編程控制器主軸控制單元主軸電機(jī)機(jī) 床進(jìn)給電機(jī)位 置檢測(cè)器主軸控制單元圖3-3 系統(tǒng)輸入輸出框圖3.3.3 采集時(shí)序控制電路在每個(gè)獨(dú)立采集模板的采集電路中，包含一個(gè)AD684和AD7821，可以同時(shí)采集4路信號(hào)。4路信號(hào)V0V3在采集控制信號(hào)SHC1和SHC2的控制下進(jìn)行同時(shí)采樣，并在采樣保持

42、后由A/D轉(zhuǎn)換器分時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)保存在存儲(chǔ)器中。采集時(shí)序控制電路產(chǎn)生采集過程中所需的各種控制時(shí)序信號(hào)，采集所需的基本時(shí)序由定時(shí)器INTEL8253產(chǎn)生。3個(gè)基本時(shí)序?yàn)镹SH，OSH和ADC，其中NSH和OSH分別為普通采樣時(shí)序和政教采樣時(shí)序，ADC為A/D轉(zhuǎn)換控制時(shí)序。定時(shí)器時(shí)鐘使用控制時(shí)鐘CLK，頻率為5MHz；G門控制信號(hào)用于控制采集過程的開始和結(jié)束。設(shè)備開始工作時(shí)，工作程序在初始化階段對(duì)定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置，3個(gè)基本時(shí)序就已經(jīng)產(chǎn)生，它們?yōu)橹芷谛缘拿}沖信號(hào)；采集基本時(shí)序周期等于采樣周期，按正交采樣的需要，OSH比NSH遲后1/4個(gè)采樣周期。此時(shí)G為1，采樣時(shí)序信號(hào)未產(chǎn)生。采集工程開始時(shí)，

43、工作程序產(chǎn)生的SH START使G變?yōu)?，NSH按采集要求整形產(chǎn)生普通采樣時(shí)序SHC1。同時(shí)根據(jù)采集方式設(shè)置產(chǎn)生SHC2。ADC信號(hào)與采集時(shí)序進(jìn)行同步，經(jīng)整形后產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的自動(dòng)脈沖A/D START。非正交方式采集時(shí)，ADC由正常采樣時(shí)序NSH啟動(dòng)并同步，采樣控制時(shí)序SHC1S和SHC2完全一樣。采集過程中，由A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)序信號(hào)控制寫控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生存儲(chǔ)器寫信號(hào)，控制采集地址發(fā)生器產(chǎn)生的遞增的存儲(chǔ)器地址，將采集結(jié)果數(shù)據(jù)寫入由采集地址制定的存儲(chǔ)器單元中。采集電路提供了一個(gè)采集狀態(tài)口，工作程序可讀取狀態(tài)口了解采集過程的當(dāng)前狀態(tài)。在采集工作結(jié)束時(shí)，工作程序控制定時(shí)器產(chǎn)生SH END，使G為

44、0，采集過程結(jié)束。同時(shí)對(duì)32路信號(hào)采集，則采樣時(shí)間較短，在實(shí)際工作中，如需增加采樣時(shí)間，則可采用接續(xù)采集的方式，也就是由幾個(gè)通道來采集一路信號(hào)。3.3.4 正交采用定時(shí)器產(chǎn)生了兩個(gè)采樣基本時(shí)序NSH和OSH，其中OSH比NSH延遲1/4個(gè)采樣周期。在正交采樣時(shí)，對(duì)NSH整形產(chǎn)生SHC1，對(duì)OSH整形產(chǎn)生SHC2，SHC2比SHC1延遲1/4個(gè)采樣周期，在前面模板采集電路結(jié)構(gòu)中，正交采樣時(shí)，將兩路信號(hào)合并作為一路正交信號(hào)，這樣，最多可正交采樣16路信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖由SHC2同步。這就是保證了在延遲和非延遲兩路信號(hào)采樣保持完成以后，才開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。3.3.5 模塊量混合模塊EM235

45、EM235具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出。它的輸入信號(hào)可以是不同量程的電壓或電流。其電壓、電流的量程是開關(guān)SW1、SW2到SW6設(shè)定。EM235有1路模擬量輸出，其輸出可以是電壓也可以是電流。3.4 晶閘管電動(dòng)機(jī)電路設(shè)計(jì)晶閘管電動(dòng)機(jī)電路中，采用三相橋式全控整流電路。來自體統(tǒng)母線的三相交流電經(jīng)斷路器通過整流變壓器向晶閘管供電，為了減少高次諧波對(duì)電網(wǎng)的不良影響，變壓器采用/Y接法，整流主電路采用三相全橋式整流電路。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間成正向電壓并且門極加觸發(fā)信號(hào)晶閘管導(dǎo)通，并且去掉門極的觸發(fā)信號(hào)晶閘管依然維持導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間承受反向電壓并且門極不管加不加觸發(fā)信號(hào)晶閘管關(guān)斷 。

46、3.4.1 整流變壓器的設(shè)計(jì)對(duì)于三相橋式整流電路，變壓器副邊相電壓： (3.2)副邊有效電流： (3.3)變壓器額定視在功率： (3.4)3.4.2 晶閘管的保護(hù)晶閘管的保護(hù)電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如，RC阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。1、晶閘管的過流保護(hù)晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類：一類是由于整流電路內(nèi)部原因；另一類則是整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路

47、而引起的過電流，另外，如整流變壓器中心點(diǎn)接地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸大地時(shí)，也會(huì)發(fā)生整流橋相對(duì)地短路。對(duì)于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)，可以采用第一種保護(hù)措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。對(duì)于第二類過流，即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。2、晶閘管的過壓保護(hù)晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)。 過電壓保護(hù)的第一種方法是并接RC阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。過電壓保護(hù)的第二種方法是采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。

48、晶閘管元件承受的正反向峰值電壓通常按變壓器副邊線電壓的2倍選取 (3.5)式中1.1,1.5為考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)等因素添加的系數(shù)。在每相的SCR橋上接有阻容吸收電路和快熔，用來降低SCR電壓變化率和電流變化率。阻容吸收電路中的電阻和電容按經(jīng)驗(yàn)取R=50，C=0.47F。3.5 晶體管驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.5.1 驅(qū)動(dòng)電路原理電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。另外，對(duì)電力電子

49、器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往就近設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或者通過驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，這使得驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)更為重要。簡(jiǎn)單地說，驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)全控型器件既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)，以保證器件按要求可靠導(dǎo)通或關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。一般采用光隔離和磁隔離。3.5.2 觸發(fā)電路原理三相整流電路中必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)給觸發(fā)脈沖。為此可以采用兩種辦法：一種是使每個(gè)觸發(fā)脈沖寬度大于60°，稱寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)

50、某一號(hào)晶閘管的同時(shí)給前一號(hào)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用兩個(gè)窄脈沖等效代替一個(gè)寬脈沖，稱為雙脈沖觸發(fā)。隨著工業(yè)自動(dòng)化、集成化的不斷發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)中已有多種型號(hào)的六脈沖觸發(fā)集成電路，并得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用的是KC系列的三相全控橋式整流電路的集成觸發(fā)器KC04作為三相整流電路的觸發(fā)電路?？煽毓枰葡嘤|發(fā)器KC04電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KC04器件輸出兩路相差l80°的移相脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器電路。該電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低、有脈沖列調(diào)制輸出端等功能和特點(diǎn)。3.

51、6 穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定的±15V直流電源向所有需要直流電源的各控制單元供電，它由整流、濾波、穩(wěn)壓三個(gè)部分組成。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔茫虼硕O管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1kW）整流電路中，常見的集中整流電路有單向半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用橋式整流電路，其主要特點(diǎn)如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用效率高。濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在電路輸出端與負(fù)載見串聯(lián)電感L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾

52、波電路。4軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方案西門子公司的PLC產(chǎn)品有SIMATIC S7、M7和C7等幾大系列，其中的S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC產(chǎn)品。S7系列PLC包括S7-200、S7-300以及S7-400。S7-200系列屬于整體式小型PLC，這種PLC將CPU模塊、I/O模塊和電源裝在一個(gè)箱形機(jī)殼內(nèi)，用于代替繼電器的簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合，也可用于復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)。S7-200系列PLC提供多種不同I/O點(diǎn)數(shù)的CPU模塊和數(shù)字量、模擬量I/O擴(kuò)展模塊、熱電偶、熱電阻模塊、通信模塊等，使PLC的功能得到擴(kuò)展。CPU模塊和擴(kuò)展模塊用扁平電纜連接。PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件（又稱系統(tǒng)程序）和用戶軟件（又

53、稱應(yīng)用程序）組成。系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控程序、編譯程序、診斷程序等，主要用于管理全機(jī)，將程序語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，診斷機(jī)器故障。系統(tǒng)軟件由PLC生產(chǎn)廠家提供，并固化在EPROM中，不能由用戶直接存取，不需要用戶干預(yù)。用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制的需要，用PLC的程序語(yǔ)言編制的應(yīng)用程序，用來實(shí)現(xiàn)各種控制要求。因此，PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的工作將主要是用戶軟件設(shè)計(jì)。PLC用戶軟件的設(shè)計(jì)要基于產(chǎn)品提供的某一編程語(yǔ)言。PLC常采用的編程語(yǔ)言有以下幾種：梯形圖語(yǔ)言、助記符語(yǔ)言、邏輯功能圖語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。本文設(shè)計(jì)采用了模塊化的方式，將主程序根據(jù)功能分成了各個(gè)子程序，使條理更清晰，也便于程序的書寫與調(diào)試。符合當(dāng)前編程

54、的技術(shù)和工程理念。前面已經(jīng)討論了轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋、電流反饋電壓與PLC的輸入聯(lián)接問題。PLC要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，其余工作均在PLC內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在PLC內(nèi)部設(shè)定。經(jīng)分析，系統(tǒng)程序由主程序、電流環(huán)子程序及轉(zhuǎn)速環(huán)子程序等組成。4.2 主程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主程序采用順序查詢結(jié)構(gòu)，程序流程如圖4-1所示，初始化模塊主要是在執(zhí)行功能程序前，對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)寄存器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器送數(shù)或清零，電流環(huán)及轉(zhuǎn)速環(huán)采樣時(shí)間判斷是利用PLC中的1ms定時(shí)器完成的。電流環(huán)的輸出Uk送至數(shù)字觸發(fā)器獲得移相控制角去觸發(fā)晶閘管。運(yùn)行過程中系統(tǒng)自行進(jìn)行故障診斷，并在需要時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速顯示。初始化電流環(huán)采樣時(shí)間到？轉(zhuǎn)速采樣時(shí)間到？數(shù)字PI控制數(shù)字I控制數(shù)字PI控制數(shù)字觸發(fā)器故障自診斷轉(zhuǎn)速顯示反饋電流小于？NNYYYN圖4-1 主程序流程圖4.3