基于PLC的电机控制器设计毕业论文.docx
《基于PLC的电机控制器设计毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的电机控制器设计毕业论文.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于PLC的电机控制器设计毕业论文
目录
1.绪论-1
1.1文献综述 1
1.2选题背景及其意义-2
2系统方案设计 3
2.1直流PWM的选择及设计思路 3
2.2PWM在直流调速系统中的体现 4
2.3系统结构设计 5
2.4系统控制方案设计-7
3.系统硬件设计 9
3.1系统设备的选型 9
4.参数的计算 11
4.1电动机额定参数-11
4.3转速环参数11
4.3电流环参数 12
5.系统软件设计 14
5.1程序流程图设计-14
5.2PLC硬件配置 15
5.3PLC程序设计 17
5.4主程序设计 17
IV
6.调试26
6.1组态系统设计---26
6.2监控实时曲线的建立及监控---30
7.结论32
参考文献 33
基于PLC的直流电动机调速控制器设计 Ⅳ
致谢--34
附录A原理图 35
附录B组态界面 36
附录CPLC程序 38
5
1
基于PLC的直流电动机调速控制器设计
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，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，
44
2
基于PLC的直流电动机调速控制器设计
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
工业组态技术从中孕育而生。
国内的组态软件有KingView、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]。
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。
3
基于PLC的直流电动机调速控制器设计
2系统方案设计
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
V1
VD1
V3
M
V2
VD2
V4
+
U
_
VD3
VD4
图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。
2.1.2PWM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
U tonU
d T s
T tonUT s
2ton
T
1Us
（
）
2-1
4
基于PLC的直流电动机调速控制器设计
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
1
调速时，我们知道 的可调范围为0~1，相应的，=-1~1，当 2时，为正，电
1 1
动机正转；反之，当 2时，为负，电动机反转；当 2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，具体的硬件设计下一节会具体讲到。
2.2PWM在直流调速系统中的体现
n n
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U*与速度反馈信号U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U*与输出电压U同时附加到电流调节器ACR
i i
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，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。
5
基于PLC的直流电动机调速控制器设计
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
U 1U
b 2
samax
（2-2）
当Uc>0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<0时，让其输入端合成的电压为正的宽度减小，锯齿波过零时间后移倒相，可以获得正半波相比较负半波宽的输出信号。
2.3 系统控制方案设计
2.3.1控制系统结构框图
控制系统结构如图2-4所示系统分为上位机和下位机两大单元。
上位机以组态王
KINGVIEW工业组态软件搭建上位机监控系统，实现对直流电机参数进行检测以及参数设置等操作。
下位机以西门子S7-300系列PLC作为现场控制器，并通过PLCS7-300里自带的PID功能输出模拟量给脉宽调制器，在通过IGBT驱动给四个IGBT管子提供宽度不等的脉冲，最终是实现对直流电机的调速控制。
6
基于PLC的直流电动机调速控制器设计
图2-4控制系统结构框图
升级会员 