用plc直流電機控制設計

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河南科技大學課程設計說明書

課程名稱題目學院班級學生姓名指導教師日期

電氣控制技術用PLC控制直流電機

農(nóng)業(yè)工程學院課程設計說明書

電氣控制技術課程設計任務書

姓名設計題目班級學號用PLC控制直流電機控制要求某電梯的曳引電機為220V、4kW直流電機，額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)，額定電流22A?，F(xiàn)要求使用PLC實現(xiàn)該電機的PWM調(diào)速，調(diào)速范圍為20～90%。實現(xiàn)：（1）電機的正反轉(zhuǎn)控制。（2）在3s內(nèi)將電機轉(zhuǎn)速從90%減速至20%。設計任務及要求1.根據(jù)控制要求，制定合理的設計方案。2.正確選用PLC，確定輸入、輸出設備。完成PLC的I/O點分派，并繪制接線圖。3.設計PLC控制程序（1）繪制系統(tǒng)功能表圖（2）設計梯形圖，并加以解釋（3）模擬調(diào)試4.繪制有關圖紙：電氣控制原理圖（主電路和控制電路）5.完成課程設計說明書，總量不少于15頁A4紙。設計時間安排查閱資料（1天）設計并繪制電氣控制原理圖（2天）設計PLC控制程序（2天）模擬調(diào)試（2天）撰寫課程設計說明書（2天）辯論（1天）主要農(nóng)業(yè)工程學課程設計說明書

卻是由于法國工程師佛唐在觀測一名工人誤接兩部發(fā)電機而產(chǎn)生的靈感。這一時期，直流電動機獲得飛速發(fā)展。

20世紀60年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流調(diào)速的方法不斷進步和完善，其調(diào)速性能可與直流調(diào)速相媲美,目前，在好多應用場合交流電動機的調(diào)速已取代直流電動機調(diào)速。然而，直流拖動控制系統(tǒng)終究在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以直流電動機的控制依舊很重要。直流電機由于具有起動轉(zhuǎn)距大、體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速簡單控制，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等十分優(yōu)良的特性，因而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。其缺點就是體積大、價格昂貴、維護繁雜，頻繁啟動簡單引起故障，以及直流電的傳輸距離有限。

§1.2西門子S7-200PLC概述

西門子公司的S7-200PLC是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型PLC。它指令豐富、功能強大、可靠性高、適應性好、結(jié)構(gòu)緊湊、便于擴展、性能價格比高，深受用戶歡迎，可以應用于各種小型自動化系統(tǒng)。S7-200的接口模塊有數(shù)字量模塊、模擬量模塊、智能模塊等。

S7-200有兩種工作方式，即RUN(運行)模式與STOP(中止)模式。在CPU模塊的面板上用“RUN〞和“STOP〞LED顯示當前的操作模式。在RUN模式，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能；在STOP模式，CPU不執(zhí)行用戶程序，可以用編程軟件創(chuàng)立和編輯用戶程序，設置PLC的硬件功能，并將用戶程序和硬件設置信息下載到PLC?？梢酝ㄟ^以下三種途徑來改變工作模式：用模式開關改變工作模式；在程序中改變工作模式；用STEP7-Mico/Win32編程軟件改變工作模式。假使程序存在致命錯誤，在消除它之前不允許從中止模式進入運行模式。PLC操作系統(tǒng)儲存非致命錯誤供用戶檢查，但不會從運行模式自動進入中止模式。PLC的工作方式為掃描工作方式。S7-200的主要特點有以下幾點：（1）功能強大（2）先進的程序結(jié)構(gòu)

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（3）靈活便利的尋址方法

（4）功能強大、使用便利的編程軟件（5）簡化繁雜編程任務的向?qū)Чδ埽?）強大的通信功能（7）品種豐富的配套人機界面（8）有競爭力的價格（9）完善的網(wǎng)上技術支持

§1.3直流電動機的啟動和正反轉(zhuǎn)

§1.3.1直流電動機的啟動

他勵直流電動機啟動時，應率先給電動機的勵磁繞組通入額定勵磁電流，以便

在氣隙中建立額定磁通，然后再接通電樞回路。在啟動時，對直流電動機有兩條最基本的要求：一是要有較大的啟動轉(zhuǎn)矩Tk(即轉(zhuǎn)速為零時磁轉(zhuǎn)矩)，使電動機在負載狀態(tài)下能順利啟動。并且啟動過程所需的時間能盡量縮短一些：二是要把啟動電流Ik限制在允許的范圍之內(nèi)。

在不發(fā)生換向障礙、不產(chǎn)生電機過熱、不受到過大沖擊等條件下安全啟動，并且對電網(wǎng)也不產(chǎn)生有害的影響。實際工作中把握的原則是在保證足夠啟動轉(zhuǎn)矩的前提下，盡量減小啟動電流把他勵法稱為直接啟動。采用直接啟動方法時，在電樞剛接到電源的瞬間，因n=0，Ea=0，若忽略電樞回路電感，則電樞電流瞬間達到最大值Ia=U/Ra。由于Ra很小，I可能達直流電動機的電樞繞組直接接到額定電壓的電源上，這種啟動方到額定電流的10～30倍。這么大的電樞電流將使換向器產(chǎn)生猛烈的火花，甚至產(chǎn)生環(huán)火，燒壞換向器及電刷；而且這個瞬間大電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩沖擊也會造成拖動系統(tǒng)傳動機構(gòu)損壞。所以，只有容量為數(shù)百瓦的微型直流電動機，才允許采用直接啟動方法(因力這類直流電動機有較大的電樞電阻．轉(zhuǎn)動慣量也較小啟動時轉(zhuǎn)速上升較快)。一般直流電動機的最大允許電流為（1.5～2）IN，所以不能采用直接啟動方法，必需把啟動電流限制在允許范圍之內(nèi)。為了限制啟動電流，可以采用降低電源電壓或在電樞回路中串電阻的方法。

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§1.3.2直流電動機的正反轉(zhuǎn)

直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是拖動轉(zhuǎn)矩，所以電動機運行時的旋轉(zhuǎn)方向與電磁轉(zhuǎn)矩

的方向一致。為了改變電動機的轉(zhuǎn)向，就要改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。從轉(zhuǎn)矩公式Tem=CTΦIa可知，電磁轉(zhuǎn)矩取決于磁通和電樞電流的相互作用。只要磁通和電樞電流的方向有一個發(fā)生改變，則電磁轉(zhuǎn)矩和電樞轉(zhuǎn)向也隨之改變。具體方法有二：

（1）保持電樞端電壓的極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，而改變磁通的方向：

（2）保持勵磁繞組的電壓極性不變，將電樞繞組反接，使電樞電流的方向改變。顯而易見，假使電樞繞組和勵磁繞組同時反接，使磁通和電樞電流都改變方向，則電磁轉(zhuǎn)矩和電樞旋轉(zhuǎn)方向都達不到反向的目的。由于直流電動機勵磁繞組的匝數(shù)較多，電感較大，反向勵磁的建立過程緩慢，電動機反轉(zhuǎn)的過程不能迅速進行。同時，當勵磁繞組斷開時，會產(chǎn)生很高的感應電勢，可能使絕緣擊穿，所以在實際應用中，多采用反接電樞繞組的方法來實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)。

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其次章總體設計

本論文研究的主要內(nèi)容是S7-200PLC控制的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計，著重介紹硬件設計部分。此控制系統(tǒng)基于S7-200PLC設計直流電動機的控制器，實現(xiàn)了直流電動機的啟動、正反轉(zhuǎn)控制以及PWM無級調(diào)速功能。本設計所使用的電機為直流電動機，PLC為西門子S7-200PLC，并要求使用PWM實現(xiàn)調(diào)速控制。要完成本設計，首先必需把握直流電機的工作原理和調(diào)速方法，以及S7-200PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程及其使用方式，還要學會使用STEP7-Micro/WinSP3V4.0軟件進行編程。完成硬件系統(tǒng)的設計方案，包括DC+24V與DC+5V電源系統(tǒng)、主控制回路、保護回路。首先完成元器件的參數(shù)確定，做出系統(tǒng)原理圖，然后具體實現(xiàn)硬件系統(tǒng)設計，進行試驗、調(diào)試電路，最終優(yōu)化電路，達到最正確效果。最終還對控制系統(tǒng)設計的其它可能性進行了設想和構(gòu)思，以便進行拓展

§2.1電動機起動

一般直流電動機的最大允許電流為（1.5～2）IN，所以不能采用直接啟動方法，

必需把啟動電流限制在允許范圍之內(nèi)。為了限制啟動電流，可以采用降低電源電壓或在電樞回路中串電阻的方法。本設計采用電樞回路串電阻來降低直流電機啟動時的電流，防止燒壞電器。

如下圖，啟動時將電阻串入KM2與KM4回路，在定時器的記時下，利用KM3與KM5短接KM2，KM4來實現(xiàn)啟動。

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圖2-1電機啟動原理圖

啟動時通過KM2或者KM4來實現(xiàn)串電阻啟動，然后通過KM3或者KM5短接電阻，完成曾啟動過程。

§2.2直流電動機正反轉(zhuǎn)

采用反接電樞繞組的方法來實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)控制PLC梯形圖如圖2-2所示

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圖2-2PLC正反轉(zhuǎn)梯形圖

所以本設計也采用反接電樞繞組的方法來實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)，啟動時先接通勵磁繞組，在勵磁電流正常的狀況下接通電樞繞組，中止時先中止電樞繞組，延時5s再斷開勵磁繞組，反轉(zhuǎn)啟動時，應先中止后再反接啟動。

如圖2-2，按下正轉(zhuǎn)按鈕I0.1,Q0.3線圈得電自鎖，KM2得電，接通電動機勵磁繞組，欠電流過電流繼電器FI通電動作接點閉合，I0.3接點閉合，Q0.2得電，KM1得電接通三相電源，經(jīng)過整流器U1整流，電樞繞組獲得直流電，電動機串電阻運行，3s后定時器T38接通，電動機正轉(zhuǎn)啟動完畢。反轉(zhuǎn)按下I0.2同理。由圖2-2可知，只有KM3或KM4得電，勵磁繞組有電流流過時欠電流過電流FI動作后，電樞繞組才能得電，一防止電動機失磁。

中止時，按下中止常閉按鈕SB1，I0.0常閉接點接通，M0.0線圈得電自鎖,M0.0常閉接點斷開Q0.2，電樞繞組失電，由于慣性，電動機將繼續(xù)轉(zhuǎn)動，同時定時器T37延時5s斷開Q0.2，M0.0線圈電動機中止轉(zhuǎn)動勵磁繞組斷電。

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在電動機工作時，假使勵磁繞組斷線，電動機失磁，則欠電流繼電器FI失電，其常閉觸點斷開，I0.3輸入端斷開，Q0.2失電，接觸器KM1斷開電樞繞組。假使電動機過載，電樞繞組中的電流過大，則過電流繼電器FI動作，F(xiàn)I常閉觸點斷開，I0.3輸入端斷開，斷開電樞繞組。

在電動機正轉(zhuǎn)時，按下反轉(zhuǎn)按鈕無效，只有再按下中止按鈕，電動機制動5s中止后才能反轉(zhuǎn)。

§2.3PWM調(diào)速模塊設計§2.3.1PWM模塊電機調(diào)速原理

直流調(diào)速系統(tǒng)中應用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)理電樞電壓。為了獲得

可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制(PWM)技術，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電極端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)被稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制(Pulse-WidthModulation，縮寫為PWM)式直流調(diào)速系統(tǒng)，是一種在VC-M直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎上以脈寬調(diào)制式可調(diào)直流電源取代晶閘管相控整流電源后構(gòu)成的直流電動機轉(zhuǎn)速調(diào)理系統(tǒng)。

對于直流電機來說，假使加在電樞兩端的電壓為圖4所示脈動電流壓（要

求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的狀況下，改變T1和T2的寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對這一變化進行推導。

t1t2T

圖2-3加在電樞兩端的電壓

設電機接全電壓U時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動電

壓占空比為D=t1/T,則電樞平均電壓為

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U平=U·D且可以推得電機轉(zhuǎn)速n為：n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD。在假設電樞內(nèi)阻很小的狀況下式中K=U/CeΦ，是常數(shù)。上述式中，Ce

為電動勢常數(shù)，Φ是磁通量。

圖2-4為施加不同占空比是實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關系圖。

圖2-4占空比與電機轉(zhuǎn)速的關系

由上圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全的線性關系（圖中實線），原因是

電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近似為線性關系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機PWM調(diào)速原理。

§2.3.2PWM控制的原理

PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度

進行調(diào)制來等效地獲得所需要的波形。

如下圖2-5所示，設定值計數(shù)器設置PWM信號的占空比。當U\\D=1，輸入CLK2，使設定值計數(shù)值的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機轉(zhuǎn)速加快；當U\\D=0，輸入CLK2使設定值計算器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機轉(zhuǎn)速變慢。在CLK0的作用下，鋸齒波計數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當計數(shù)值小于設定值時，數(shù)字比較器輸出低電平；當計數(shù)值大于設定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，由此產(chǎn)生周期性的PWM波形。

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圖2-5PWM控制電路原理圖

§2.4S7-200PLC實現(xiàn)直流電動機的PWM調(diào)速

本次設計所使用的PLC的CPU型號為224xp，通過調(diào)理對應的電位器就可以改變PWM波的脈寬，來實現(xiàn)直流電動機的PWM調(diào)速。S7