基于PLC的电机控制器设计Word格式.docx
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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
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
致谢--------------------------------------------------------------------34
附录A原理图-----------------------------------------------------------35
附录B组态界面--------------------------------------------------------36
附录CPLC程序----------------------------------------------------------38
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，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]。
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。
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
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
（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0~1，相应的，
=-1~1，当
时，
为正，电动机正转；
反之，当
为负，电动机反转；
当
=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
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，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。
图2-4控制系统结构框图
2.3.2系统结构设计
本设计以直流电机调速为研究对象其结构如图2-5所示。
本设计为转速、电流双闭环反馈控制的直流调速系统，通过给可编程控制器PLCS7-300的模拟量输入，再通过第一级的的6个二极管组成的整流器，常采用不可控整流，把提供的交流电整流成直流电；
中间部分加上大电容滤波得到稳定的直流电压，在通过4个全控器件，采用PWM调速的方式给直流电机供电，占空比0~0.5时电机反转，0.5~1时电机正转。
图2-5直流电机调速系统结构图
2.3.4直流电机的转速控制
直流电机的转速控制通过PID控制实现，通过调节PLC中自带的FB41模块中的PID给定值和比例增益，再通过LMN输出浮点格式的PID输出值。
如图2-6为直流电机的转速控制模块的示意图。
OB35中电流的FB41模块调用OB100中的SP_INT值、GAIN和Ti值，经过自带的PID算法，得出结果，然后把电流FB41模块的输出与转速FB41的输入连接，给转速FB41的SP_INT，然后转速FB41模块继续调用OB100中的GAIN和Ti值，最后得出0~10V的电压值。
图2-6直流电机的转速控制的模块示意图
3系统硬件设计
3.1系统设备的选型
3.1.1PLC的选择
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/0板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、地板或机架，这些模块也可以依照一定的规则组合配置。
下面说明一下PLC可编程控制器系统的四个主要的部分:
（1）中央处理器（CPU）。
这个是系统的大脑，对输入信号的不断采集，执行用户输入的程序，对系统的输出经行刷新，包括3个子部分:
（1）微处理器。
它是进行逻辑操作和数学的计算中心。
（2）存储器。
CPU中信息、数据获取和存储的地方，保存着用户程序和系统软件。
（3）电源供应。
将交流电（AC）转换成为直流电（DC）。
在电源供应的过程中，电源提供对直流电进行调节和滤波，用来保证计算机的正常操作运行。
（2）监视器/编程器。
监视器/编程器是用来和PLC电路进行互联通信的设备。
工业终端、PC和手持终端都可以当作监视器/编程器。
（3）I/0模块。
输入模块里有很多输入端子，传感器可以通过这些输入端子来激活各种静态开关设备、电机、执行继电器、电磁线圈和显示屏。
如果用户有需要，还可以增加能够将I/0模块进行远距离互联的电子系统。
3.1.2脉宽调制器的选型
它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。
在本设计中，脉宽调制器SG3525主要是从PLC中接收FB41中的PID运算结果（0~10V）的电压，经过与锯齿波比较然后输出宽度不等的脉冲，在通过IGBT的驱动电路，给硬件图中的4个IGBT管子脉冲，来实现对直流电机的控制的。
输入信号从9号脚COMP输入，然后从11号脚输入PWM脉冲信号。
3.1.3IGBT驱动器
脉宽调制器的后面连接一个IGBT驱动器，他的功能就是给四个IGBT的管子驱动脉冲，提供适当的正向栅压和反向栅压。
市场上普遍的驱动器为日本富士的WXB841，日本英达HR065，日本三菱M57959~57962L，中国西安HL402，美国UC3724~3725。
如图3-1为本次设计中选用的美国UC3724驱动器，从驱动电路中我们可以看到7号脚输入信号，4和6号脚则输出驱动信号。
图3-1美国UC3724驱动电路
3.1.4其他设备的选型
本次设计应用到了很多硬件，通过从直流电机的参数向上推算，并考察电工手册里的元器件参数，我选用了一下一些硬件。
如表3-1所示。
表3-1设备选型及参数表
设备
型号、参数
数量
直流电机
2.2KW220V
1
脉宽调制器
SG3525
二极管
SR510
12
IGBT模块PS21867-P/-AP
30A/600V
西门子PLC
S7-300
IGBT驱动器
UC3724~3725
输出高电平15V
输出低电平0V
4参数的计算
4.1电机额定参数
额定功率
；
额定电压
额定电流
额定转速
电枢电阻
电枢电感
转动惯量
4.2电流环参数计算
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，又前述动态分析过程可知，
型系统可以满足要求。
从动态角度看，不允许电流有太大超调，以保证电流不超过最大允许值。
综上，可将电流环设计成典型
型系统。
采用PI调节器，其传递函数可写成：
（4-1）
其中，
是电流调节器比例系数
是电流调节器的时间常数
电流环开环传递函数为：
（4-2）
因为
，故，可令
，以消去较大的滞后时间常数。
这样便可将电流环校正成了典型
，因此
（4-3）
其中，
要求电流超调量
，查表可知，
综上：
校验：
1）校验晶闸管整流传递函数的近视条件
2）校验忽略反电动势变化对电流影响的条件
3）校验电流环小时间常数近似处理条件
综上，近似处理的条件均满足。
电流环的开环传递函数为
电流调节器ACR的传递函数为
4.3转速环参数计算
由于负载的波动，为了实现转速无静差在负载扰动前必须有一个积分环节，加上后面的一个积分环节，转速环共有两个积分环节。
故这里将转速换校正成典型
为了限制超调，可以将ASR设计成限幅型PI调节器。
其传递函数为：
（4-4）
是转速调节器的比例系数；
是转速调节器的时间常数。
这样，调速系统的开环传递函数为:
（4-5）
s
令
则，
同时按照典型
型系统参数的关系有
其中，h为中频宽（这里取5）。
校验:
转速环截止频率为
1）电流环传递函数简化条件
2）转速环小时间常数近似处理条件
综上，所有近似处理的条件均满足。
转速环的开环传递函数为
转速调节器的传递函数为
5系统软件设计
5.1程序流程图设计
如图5-1，摁下启动按钮后，系统开始运行，转速给定后，经过与实际转速的比较，相同则显示在组态王的监控画面中，否则按照实际要求转速调节IGBT的占空比来达到理想的控制要求。
图5-1程序流程图
5.2PLC硬件配置
5.2.1PLC硬件组态配置
PLC硬件组态是完成PLC主机对外扩展模块的信息配置，如图5-2所示
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