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单闭环直流调速系统毕业论文
摘要
基于转速单闭环直流调速系统的工作原理，根据对主电路参数计算和对各环节分析的结果，进行元器件的选择以及直流调速系统电路部分的整体设计；采用OMRON-PLC为控制器，在熟悉CP1L-M40DR-A型号OMRON-PLC的结构、功能指令用法、掌握控制程序设计调试方法的基础上，通过调速系统硬件配置和梯形图的设计，经模拟调试输出信号，验证各种指标均满足系统的要求，设计实现调速过程速度快、精度高、控制系统的参数便于调试和高工作可靠性的直流调速系统。
关键词：
PLC；直流调速系统；应用
Abstract
Accordingtothemaincircuitparametercalculationandtheresultsoftheanalysisofthelink，goonthechoiceofcomponentsandDCspeedcontrolsystemofthecircuitoftheoveralldesignbasedontheworkingprincipleofthesingleclosed-loopDCspeedcontrolsystem.TousethePLC（CP1L-M40DR-A）equipmentfromOMRONCompanyascontroller,makinguseofitsfunctioninstruction.Hardwaredispositionandladderchartaregiveninthistext.Itcanbeadjustedbyemulationandvariousindexsignsofoutputsignalallsatisfytherequirementsoftheadjustsystem.Finallyitcomestorealizingfastadjustmendofthespeedcourse,highprecision,whichmakeiteasytodebugcontrolprocedureandworkreliable,whichisadevelopmentdirectionintheindustrialcontrol.
Keywords:
PLC;DCadjustingspeedsystem；Application
目录
摘要I
AbstractII
目录III
引言1
1绪论2
1.1直流调速系统的应用2
1.2PLC的优势及发展2
1.3选题背景及主要内容3
2系统设计原理5
2.1直流调速系统的调速方法5
2.2闭环直流调速系统6
2.2.1闭环调速系统与开环调速系统的比较6
2.2.2单闭环调速系统原理6
2.3PLC控制技术9
2.3.1PLC的工作过程9
2.3.2PLC的输入输出模块10
3直流调速系统硬件部分的设计14
3.1布线及参数计算14
3.1.1布线14
3.1.2参数计算14
3.2系统运行及调整15
4PLC控制部分设计16
4.1与外部设备的连接16
4.2模拟输入、输出17
4.3程序部分设计17
4.4程序运行18
结论23
参考文献24
致谢25
引言
在现代化工业生产过程中，几乎处处使用电力传动装置，而且随着工艺要求及产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。
由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，直流调速系统一直占据垄断地位。
经过效率低适于小功率直流电机、开环控制且仅能有级调速，到使用旋转变流机组，用交流电动和直流发电机组成机组以获得可调的直流电源，再到晶闸管相控整流供电的出现，直流调速系统得到了步步完善，使之在理论和实践上都比较成熟。
目前,在直流电机的控制系统中，由于通用性较强，多采用以单片机或DSP作为微处理器的控制系统,但随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展,对整个系统的稳定性和可靠性要求的提高，可编程控制器PLC开始代替单片机或DSP出现在直流调速系统中。
作为一种工业控制装置,PLC具有丰富的I/O接口模块、模块化结构、编程简单易学、安装简单，维修方便等特点，尤其以抗干扰能力强和可靠性高而著称。
随着其技术的迅速发展,PLC的性价比也在不断提高。
因此采用PLC对直流调速系统进行改造研究，进行转速负反馈控制,以提高直流调速系统的控制性能，实现直流电机的数字控制，从直流调速系统的动态性能上来说，具有一定的意义。
1绪论
1.1直流调速系统的应用
表1-1是直流调速系统的应用
特点
1）调速特性优良；2）可以平滑调速、方便；3）大范围调速；
4）能承受频繁的起动制动及反转；5）冲击负载频繁时，承受能力较强；6）过载能力大；
主要应用场合
1）调速范围较宽；2）动态响应过程较快；3）过渡过程能自动化且具有平滑性；4）在低速运转时力矩大
应用领域
广泛应用于数控机床、印刷印染、电工机械、橡胶机械、轻工机械、光缆线缆、机车车辆、物流输送、医疗、通讯、卫星系统等行业
调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统。
直流电动机尽管不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是交流电动机无法代替直流电动机在低转速的时候具有力矩大的特点。
在许多工业过程中，需要高性能可控电力拖动场合仍要采用直流调速，因此，尽管在交流调速迅速发展的冲击下，直流调速仍然占主要地位，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。
1.2PLC的优势及发展
表1-2PLC的主要特点
高可靠性
所有的I/O接口电路实现光电隔离，使外电路与PLC内部电路电气隔离。
输入端使用R-C滤波器，开关电源性能优良，并对采用的器件进行严格的筛选
各模块均采用屏蔽措施，防止辐射干扰，具有良好的自我诊断，出现问题，CPU立刻动作，防止故障扩大
I/O接口功能丰富且使用方便
针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块、器件或设备，如：
按钮、行程开关、接近开关、传感器、变送器、电磁线圈、控制阀等，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
编程、调试简单方便
采用梯形图编程，且各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况、调试和查找故障。
传统的直流调速中，集成运算放大器等器件容易老化、故障与损坏，且接线复杂，可靠性差，采用PLC进行调速控制能有效的克服以上缺点，并且具有结构简单、调试方便、可靠性高、性价比高等优点，因此采用PLC对直流调速系统实现数字化控制。
我国PLC技术研究开展较晚，技术相对封闭落后，自动化程度不如一些发达国家，因此我国市场上的主要PLC产品主要来源于欧美发达国家（主要为大中型机）以及日本（主要为小型机）和中国台湾地区。
表1-3我国主要PLC产品
大、中型机
小型机
欧美
大型：
德国西门子：
SS系列：
95U、100U、115U、135U及155U和S7系列的S7-400
美国AB：
PLC－5系列
中型：
德国西门子：
S7系列的S7-300机
美国施耐德-莫迪康：
984
德国西门子：
S7系列的S7-200
日本
欧姆龙：
CPM1A型机，P型机，H型机，CQM1、CVM、CV型机，Ha型、F型机等；
三菱：
A系列，AIS、AZC、A3A等
日立：
E-20、E-28、E-40、E-64；
东芝：
EX及EX－PLUS系列；
富士：
NB、NS系列；
三菱：
FI、FXZ系列
台湾
台达,台安和永宏等一些PLC开发厂商,主要为小型机
我国PLC发展潜能巨大，且应用空间很广，近年来，国内小型PLC在吸收国外丰富经验，尤其是日本对小型PLC的开发经验的基础之上迅速崛起,市场逐步成熟，与国外先进水平的差距日益减小，同时带动了国内PLC水平的整体发展。
随着社会工业化的进程，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期，将逐步更上国际先进水平的脚步。
1.3选题背景及主要内容
由于变频技术的出现，交流调速的出现冲击直流调速的发展，但纵观全局，尤其是我国的发展现状，再加上全数字直流调速系统的出现，进一步提高直流调速系统的精度与其高可靠性，直流调速系统仍将处于十分重要的地位。
而PLC作为一种高可靠性的控制工具，也将越来越多的应用于直流调速系统。
本文设计了一个基于PLC的转速单闭环直流调速系统，选用欧姆龙CP1L型PLC产品（CP1L-M40DR-A）。
对直流调速系统的进行研究与设计，具体做了以下工作：
1对转速单闭环直流调速系统进行了理论研究与分析
2对PLC控制技术进行了理论研究
3利用visio2007进行相关电路的设计与绘制
4利用CX-Programmer对调速系统PLC控制部分进行设计
2系统设计原理
2.1直流调速系统的调速方法
根据直流电机的工作基本原理，直流电机的机械特性方程
（式1-1）
其中，U、
——电枢电压、磁通量；
——电机常数；
——电枢电阻；I——电流
由式1-1可知直流调速方法有三种：
调节电枢电压U、改变电机主磁通以及改变电枢电路电阻R。
三种方法比较见表2-1
表2-1直流调速方法比较
调速方法
特点
适用范围
调节电枢电压U
动态响应的速度快，是一种恒转矩调速法，
大范围的系统，能实现无级平滑调速
改变主磁通
无级平滑恒功率调速，动态响应较慢，调速范围小
调速范围不大，往往配合调压调速使用，做额定转速以上作小范围升速
改变电枢电阻R
只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低
在一些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用
传统的直流调速常用的一种方法是采用直流斩波器和脉宽调制变器，即PWM脉宽调制转速，原理如图：
图2-1PWM脉宽调制转速原理图
功率放大器的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，改变基极调制脉冲宽度来改变输出电压，从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，脉宽的变化使电机电枢电压随之变化。
由于现代工业化生产的发展，对调速范围要求较高，所以常采用调节电枢电压，同时配合弱磁调速与改变电枢电路电阻的方式，来实现对直流电机的调速。
2.2闭环直流调速系统
2.2.1闭环调速系统与开环调速系统的比较
表2-1开、闭环系统的比较
优点
缺点
开环系统
结构简单，控制电压直接控制电机触发电路
抗干扰能力差，负载或电网电压发生波动时，电机的转速改变，不够稳定，因此只能应用于负载相对稳定、对调速系统性能要求不高的场合。
闭环系统
调速性能好，系统特性曲线较硬，转矩变化几乎不会扰动系统速度，有助于提高系统的精度和稳定性，从而提高生产效率和品质。
系统结构复杂，需要对调节器进行工程设计，比较繁琐。
开环系统引入反馈单元形成闭环系统，当电压波动时，闭环系统可以产生相应的控制作用消除扰动，稳定性及抗干扰性较强，应用更为广泛，因此选择闭环直流调速系统进行设计。
2.2.2单闭环调速系统原理
单闭环调速系统的结构框图与原理图如下
图2-2转速单闭环直流调速系统结构图
图2-3转速单闭环直流调速系统原理图
原理：
以电枢电压作为控制量，直流电动机的转速作为被控量，给定一个电压，经过晶闸管整流触发电路，启动直流电动机；测速发电机检测转速，与转速的输入电压进行比较，根据比较的结果，将偏差值（两电压相减）输送到触发装置，同时改变晶闸管的导通角，从而使整流装置的输出电压有所改变，并通过反馈来实现对直流电动机转速的控制。
设计中，采用PLC对系统进行调速控制。
调速系统由转速调节器、触发电路、整流电路及电路主回路和转速检测反馈电路构成，其中：
1、使用比例调节器作为转速调节器。
图2-4P调节器
图2-5PI调节器
图2-4是比例调节器（P调节器）的原理图，图2-5是比例积分调节器（PI调节器）的原理图。
所选放大单元为比例放大单元。
比例控制较为简单，但响应速度快，输出信号与输入的误差信号成比例关系，比例控制时，系统输出时是存在稳态误差的；在积分控制中，控制器的输出信号与输入的误差信号的积分成正比关系，为了消除稳态，可以引入积分环节。
2、使用晶闸管整流装置，门极直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。
图2-5整流装置
3、系统中有电流截止负反馈环节。
图2-6电流截止负反馈
有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况，由于闭环系统的机械特性很硬，若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值，所以引入电流截止负反馈进行保护。
当电流较小时，二极管截止，电流反馈不起作用；电流过大时，二极管导通，电流反馈起作用，降低电压，从而使电流降到允许值范围内。
2.3PLC控制技术
2.3.1PLC的工作过程
PLC输入部件接受外部模拟信号，通过CPU内部处理即程序的执行，最后通过输出部件与直流调速系统的触发部分相连，来控制直流调速系统的运转。
工作流程如图2-7。
图2-7PLC的工作流程
2.3.2PLC的输入输出模块
输入、输出接口是PLC与外界连接的接口。
输入接口将两种形式的信号传送给CPU，包括按钮、行程开关等开关量的信号以及电位器、测速发电机等提供的模拟输入信号；而输出接口连接被控对象的执行元件，如指示灯、调速装置（模拟量）等
该系统采用模拟输入与模拟输出接口，将给定电压、测速发电机转换电压作为模拟输入量，触发电压作为模拟输出量。
1、模拟输入、输出内部电路连接及数据写入
图2-8模拟输入内部电路连接图
图2-9程序数据写入
图2-10模拟输出内部电路连接图
图2-11程序数据写入
通过PLC内部电路连接，将对应端子与外部设备（电位器与测速发电机）相连。
根据PLC模拟输入、输出原则，需将模拟输入量与模拟输出量量程设定写入程序，才能进行数模转换。
根据图2-9、2-11所示的设定原则设定数模转换数据，得到模拟输入量程设定为#80DD，模拟输出量程设定为#8009。
2、输入输出继电器的分配
图2-12写入模拟输入量A/D转换值
图2-13写入模拟输出量D/A转换值
CP1L-M40DR-A模拟输入单元，占用2个模拟输入通道，分配给CPU的输入通道为1CH，输出通道为101CH，根据模拟输入原则，模拟输入1、模拟输入2的量程代码写入102CH单元，模拟输入1的数模转换值存入2CH单元，模拟输入2的数模转换值存入3CH单元；
CP1L-M40DR-A模拟输出单元，占用1个输出通道，经模拟输入后，分配给CPU的输出通道为103CH；根据模拟输出的原则，模拟输出的数模转换值存入104单元。
3直流调速系统硬件部分的设计
硬件部分基于转速单闭环直流调速系统实验进行设计。
3.1布线及参数计算
3.1.1布线
设备与仪器
BT—1型晶闸管直流调速系统实验装置1台、三相整流变压器1台、直流电动机-发电机-测速发电机组1套、平波电抗器1台、直流电流表2只、电压表1只，转速表1只，长余辉双踪示波器1台。
接线：
1、所用单元板为：
给定与速度反馈单元板FGS；双触发器单元板GTD；
主电路单元板VF1、VF2；仪表单元板PVD，PAD1，PAD2；
2、晶闸管整流电路采用VF1和VF2单元板组成的三相全控桥式整流电路，
3、触发电路采用GTD单元板，其中M1～M6端与VF1、VF2中的对应端相连接；
4、各单元板的+15V、-15V端及共地端“⊥”都必须对应连接并与电源箱上稳压电源的对应端子相连接；
5、整流变压器一次侧采用三角型连接，二次侧采用星型连接
6、同步变压器一次侧采用三角型连接，二次侧采用星型连接
具有电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统电路见附件电路图。
3.1.2参数计算
1、电动机的选择和相关计算
选择JB1104-68（Z2-2L）系列直流电动机，其中：
额定电压Um=220V，额定功率Pm=0.8kw，额定转速
=1500r/min,
额定电流
=4.92A，电枢回路电阻Ra=1.25Ω，电枢回路电感La=200mH
Um=
Ra+
（式3-1）
得到直流电动机的电动势系数
=0.1426。
系统要求：
稳态误差S=1%，调速范围D=15；
=1.01（式3-2）
2、测速发电机的选择
测速发电机选型：
型号ZYS-3A,转速为2000r/min时输出电压为110V.
由以上参数可得到
=U/n=0.055，反馈系数
=0.055.
3、稳定性计算
k=
（式3-3）
代入参数得：
控制系统各环节放大系数k=41.7
整流系数
=220/10=22，α=0.055
k=
，（式3-4）
得到比例放大系数
=4.9
机械时间常数Tm=
=75ms
电机时间常数
=L/R=80ms,
电力电子开关器件开通延迟时间常数Ts=0.5ms，
得到临界稳定放大系数：
K<
=150，
即4.9<
α/
<150，在这里选择K=41.7，基本满足系统稳定的条件。
3.2系统运行及调整
布线检查完毕，没有问题后上电，测速发电机运行，接入示波器，根据波形，根据上述参数计算，调整GTD的旋钮，以改变参数是系统达到稳定，调节给定与速度反馈单元板FGS上的旋钮，可以改变给定电压。
在保证系统稳定的前提下，外接电位器代替给定与速度反馈单元板FGS，提供可变的给定电压；PLC程序执行代替FGS的比例放大环节，根据式3-4得出的比例放大系数
，将其进行二进制转换，得到4.9D=0101B，在PLC中利用乘法指令，将比例系数#0101B乘以得到的偏差量，经过数模转换，最终输出到触发板。
4PLC控制部分设计
4.1与外部设备的连接
图4-1输入端子排列
图4-2输出端子排列
将电位器的正极与负极分别与模拟输入端子VIN1、输入COM1相连，测速发电机的正极与负极分别与模拟输入端子VIN2、输入COM2相连；触发板GTD（NPN型）与模拟输出端子VOUT1相连，输出COM1接地。
使用的输入点、输出点与对应开关相连后，接入+24V电源（1.00：
电机启动、1.01：
电机停止，连接电源正极，对应COM端连接电源负极；101.00：
程序启动、100.01：
大于标志、100.02：
等于标志、100.03：
小于标志，连接电源正极，对应COM端连接电源负极）。
4.2模拟输入、输出
1）利用电位器提供外部可变给定电压，经过A/D，存入模拟输入一单元。
2）测速发电机转换的电压信号，经过A/D转换，存入模拟输入二单元。
3）经过比较指令后的数值，经过D/A转换，存入模拟输出单元。
表4-1模拟输入、输出相关数据
量程
设定数据
量程设定
数模转换存储（CH）
转换前
转换后
输入
模拟输入1
0~10V
1101
#80DD
2
DR0
模拟输入2
1101
3
DR1
输出
模拟输出
1001
#8009
D0
104
过渡数据
偏差量存入DR2单元，乘以比例系数后，存入D0000单元
4.3程序部分设计
通过外部电位器，为系统提供可变的电枢电压
，测速发电机运转，将转子转速变换为电压信号
，与
比较，经过PLC内部程序执行，通过模拟量输出，给触发板触发电压。
程序中使用的主要模块如下：
1、数模转换
图4-3数模转换比例图
PLC内部设定有数模转换比例，如上图所示。
例如，外部模拟输入2.5V电压，模拟转换对应数据为1500H。
图4-4MOV指令
采用MOV指令进行数模转换，根据PLC设定的数模转换比例，进行模拟信号与数字信号的相互转换，并存入相应单元。
2、数据比较
图4-5CMP指令
通过CMP指令进行数据比较，可以进行常规数据的比较，以及CH数据的比较，并根据比较结果分别设定标志
4.4程序运行
程序逻辑控制流程图如图4-6，梯形图如图4-7
图4-6逻辑控制流程图
图4-7梯形图
程序运行：
1、使用1CH作为输入通道，1.00为电源启动点，1.01为停止点。
2、电源启动，写入输入模拟量1、模拟输入量2的量程设定值#80DD，存入102CH单元；
3、启动数模转换，定时器计时一段时间后，将模拟输入量进行A/D转换，将模拟输入1、模拟输入2的转换值分别存入DR0与DR1单元；
4、对DR0与DR1中的数据进行比较，并进行比较结果标志；
5、根据不同的标志位，进行带符号减法，得到偏差值，存入DR2单元；
6、对DR2单元的数据进行乘法运算，乘以比例系数，即进行比例放大，将结果存入D0000单元；
7、启动数模转换，定时器计时，经过D/A转换得到输出模拟量，存入104CH单元；
8、将104CH单元的数据通过101.04输出到触发板；
9、电位器，改变模拟输入1的值，执行上述步骤。
结论
这次设计选用直流电机作为研究对象，在了解并掌握直流调速系统的原理基础上，建立以转速单闭环直流调速系统为模型的直流电机调速系统；选用比例放大器、测速发电机、晶闸管整流装置构成直流调速系统的放大、测速、整流、反馈等各主要环节。
电路构建完成后，根据所要达到的目标要求，对触发板装置、转速反馈装置以及其他各参数检测板进行静态调试。
采用PLC作为控制器来实现对直流调速系统的逻辑控制，设计并绘制PLC外部接线图以及逻辑控制程序的流程图和梯形图，在此基础之上，将PLC控制器与主题电路相连，成功实现PLC控制直流调速系统运行的控制。
选用放大单元为比例放大单元，虽然速度快，但是系统存在稳态误差，可以增加电容，构成比例积分放大器，消除系统稳态误差，提高调速系统性能；测速发电机作为检测及反馈装置，将速度转变成电压模拟信号，可以改用旋转编码器，将电压模拟信号以正弦脉冲的形式输入到PLC中，提高精确性及系统的动态性能，还可以引入电流反馈，构成双闭环控制系统，增强系统的抗干扰性。
直流调速系统不断更新换代，其他相关学科的理论发展与技术进步也影响着直流调速系统的发展，这就使我们要更为深入的研究各种相关技术以及操作，跟上发展趋势，使直流调速系统更加完善，并更好地应用于各种机械工业生产中。
参考文献
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