基于PLC的直流电动机双闭环调速系统设计.docx
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基于PLC的直流电动机双闭环调速系统设计
基于PLC的直流电动机双闭环调速系统设计
摘要
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，可编程控制器（PLC）的功能更加完善，应用更为广泛，基于PLC的控制系统渐渐成为工业控制系统的主流。
本文介绍了基于PLC的直流电机双环调速系统，根据直流调速理论及自动控制系统的理论，介绍了PLC控制的双闭环调速系统的组成、工作原理和动态性能。
本系统实现了对直流电机双闭环调速系统进行全数字化的改造，使电流环和速度环控制器都由PLC系统来实现。
重点讨论了用西门子S7-200系列PLC中的CPU222及其两个扩展模块来实现直流电机双闭环调速系统。
应用PLC的PID功能指令来实现直流电机速度的闭环控制。
系统易于扩展，便于扩展各种I/O模块和功能模块。
关键词可编程控制器；直流电动机；双闭环；控制
BasedonPLCdcmotordoubleclosed-loopspeedregulationsystemdesign
Abstract
Alongwiththerapiddevelopmentofthepowerelectronictechnology,computertechnologyandtheautomaticcontroltechnology,theprogrammablecontroller’s（PLC）functionmoreperfectandmoreextensiveapplicationbasedonPLCcontrolsystem,graduallybecomethemainstreamoftheindustrialcontrolsystem.
InthispaperintroducesthedcmotorbasedonPLCdoubleclosed-loopspeedregulationsystem,accordingtothedcspeedcontroltheoryandthetheoryofautomaticcontrolsystem,thispaperintroducesthePLCcontrolofdoubleclosed-loopspeedregulationsystemcomposition,workingprincipleandthedynamicperformance.Thissystemofdcmotordoubleclosed-loopspeedregulationsystemofthedigitaltransformation,makecurrentloopandspeedloopcontrollerbyPLCsystemarediscussedtorealize.WithSiemensS7-200PLCandtheCPU222bothextensionmoduletorealizedcmotordoubleclosedloopspeedregulationsystem.ApplicationofPLCPIDcommandstorealizedcmotorspeedclosed-loopcontrol.Thissystemiseasytoexpand,easytoexpandallkindsofI/Omodulesandfunctionmodules.
KeywordsPLC；Directcurrentmachine；Doubleclosed-loop；Controls
1第1章绪论
1.1直流电动机简介
直流电动机调速系统在当前的工业生产中应用相当广泛。
比如轧钢分厂的可逆轧钢机、机修分厂的龙门创床那样需要经常正、反转运行的调速系统，尽可能地缩短直流电动机的起动，制动过程的时间是提高生产率的一个重要因素。
最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速。
50年代末出现的晶闸管，它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
因而，晶闸管直流调速系统迅速发展，晶闸管变流技术也日益成熟，直流调速系统更加完善。
直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高、维修困难，需备有直流电源才能使用。
但因直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。
在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。
特别是晶闸管与直流电动机拖动系统具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大、易于实现无级调速等优点而被广泛应用。
直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高等优点，被广泛的应用。
直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。
系统弱电部分检测系统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号，根据检测到的信号发出控制信号。
1.2双闭环调速系统
直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。
广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。
它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。
由于调速系统的主要被控量是转速,，故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。
双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
1.3PLC在电机调速中的应用
可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置，是船舶实现自动化、智能化控制的核心控制元件。
它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，采用模块式组合设计，具有控制功能强，可靠性高、使用灵活方便，易于扩展而且PLC系统开发简单、编程容易、抗干扰能力强、适合在工业环境下工作，故而只要合理设计，降低成本，它将会受到现场技术人员的欢迎。
，在船舶主机遥控系统、锅炉控制系统中央冷却控制系统等重要设备上得到了广泛应用。
在本课题所进行的双闭环调速系统设计中，采用PLC作为系统的主控器件。
之所以选择用PLC来实现系统的控制思想，是因为PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点。
除上述优点外，PLC具有超强的稳定性和长时间连续工作的能力，因而，PLC是为工业生产过程控制化专业设计的控制装置，具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低。
本文首先详细的介绍了大功率直流调速系统的基本原理，分析了调速系统的基本组成以及基本调速方法；然后系统地论述了现代PLC控制技术，介绍了PLC控制系统的基本设计方法；接着本文以经济性好、可靠性高的大功率晶闸管为调速系统可控整流电源，根据现代控制理论，采用转速—电流双闭环调速方法对大功率直流调速系统的主电路、转速控制电路以及信号检测电路进行设计，结合现代PLC控制技术对调速系统运行进行控制。
2第2章系统总体设计及算法模型确定
2.1系统总体设计
系统总体设计根据前述，采用PLC及其外部接口设备对电机进行检测和控制。
对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。
它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
转速、电流双闭环直流调速系统如图2-1所示。
图2-1转速、电流双闭环直流调速系统框图
为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
PLC要从外部输入电流反馈和转速反馈信号，输出触发脉冲信号，其余工作均在PLC内部完成，数字给定也是用软件方法在PLC内部设定。
2.2双闭环调速系统常用控制方法介绍
双闭环调速系统采用矩形逼近离散化方法时，这种算法分析简单，转速调节器和限幅器的作用是分开的，由于转速调节器有积分饱和作用，c（k）值将会变得很大，转速将会出现较大的超调量，使速度调节时间变得很长。
在此，限幅器并没有限制c（k）的值，而只是限制了u（k）的值。
采用双PI调节器，动静态性能好，抗扰性能佳。
速度调节及抗负载和电网扰动，可获得良好的动静态效果。
电流环校正成典型Ⅰ型。
为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。
双闭环调速系统采用PID算法可实现直流电动机软起动，而且时间可调。
模块内有积分环节，可实现直流电机软起动。
根据用户实际需要，可调起动时间，给用户预留了2个端口，调节2个电位器，可改变积分时间长短，从而改变电机起动时间。
积分环节适用于起动过渡过程平稳的场合。
如果用户要求在负载一定的条件下，电机以最短的时间起动，即以最大的等加速度起动，可把积分环节去掉，模块所留出的2个端口作为电流环和速度环的输出限幅，调节电流的输出限幅，改变电机的最大起动电流，获得理想的过度过程。
1、调速方式的选择
直流电动机电枢回路的电压平衡方程为
（2.1）
电枢反电势为
（2.2）
由此得到转速特性方程如下
（2.3）
由转速特征方程可以看出，调节直流电动机的调速方法有如下3种：
（1）调节电枢电压调速
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。
Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机励磁调速
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速，从电机额定转速向上调速，属于恒功率调速方法。
If变化时间遇到的时间常数同Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，所需电源容量较小。
（3）改变电枢电阻调速
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。
但只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，空载时几乎没什么调速作用还会在调速电阻上消耗大量电能。
图2-2直流电动机机械特性
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，其机械特性如图2-2所示改变电阻时，转速n随电枢电压的降低而降低，但机械特性的斜率保持不变；改变电阻只能有级调速；弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压调速方案，在基速以上作小范围的升速。
所以本次设计采用调压调速。
2.3控制方法的确定
算法是对特定问题求解步骤的一种描述，它是指令的有限序列，其中每一条指令表示一个或多个操作。
算法分析的任务是对设计出的每一个具体的算法，利用数学工具，讨论各种复杂度，以探讨某种具体算法适用于哪类问题，或某类问题宜采用哪种算法。
算法设计技术有很多，例如：
贪心法、分之策略、动态规划、网络流、近似算法、随机算法等。
算法设计的正确选择为从事实际问题的算法设计与分析工作提供了清晰的、整体的思路和方法。
算法设计与算法分析是不可分割的，算法分析是对于设计出的每一个具体的算法，利用数字作为工具讨论它的各种复杂度，就是算法分析的主要任务。
2.3.1PID控制的结构
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近60年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用PID控制技术。
PID控制包含比例、积分、微分三部分，实际中也有PI和PD控制器。
PID控制器就是根据系统的误差利用比例、积分、微分计算出控制量，图2-3中给出了一个PID控制的结构图：
图2-3PID控制的结构图
控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中可用公式（2.4）表示如下：
（2.4）
公式中，e（t）表示误差，也是控制器的输入，u（t）是控制器的输出，Kp、Tp与Ti分别为比例系数、积分时间常数及微分时间常数。
式（2.4）又可表示为：
（2.5）
公式中，U（s）和E（s）分别为u（t）和e（t）的拉氏变换，Kp、
、
分别为控制器的比例、积分、微分系数。
1、比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
2、积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3、微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后的组件，使力图克服误差的作用其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量严重地冲过头。
所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分（PD）的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.3.2PID参数的调整
在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。
增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。
增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。
在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。
首先整定比例部分。
将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。
如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。
在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小（一般缩小为原值的0.8），然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。
在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。
如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。
首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。
2.3.3PID模块
PID模块的开发使PLC具有闭环控制功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。
当控制过程中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，并把变量保持在设定值上。
PID算法一旦适应了工艺，就可以在工艺混乱的情况下依然保持设定值。
对于连续的PID算法：
（2.6）
然而系统编程计算的时候一般是采用离散型的增量式PID算法，因为指令执行需要时间，所以不管PLC和高速数字信号处理器DSP都是采用离散的算法。
其中T是采样时间，总体来说采用时间越小，控制更精确，但是也不能过小，太小容易占用CPU资源，也容易产生的偏差较小，在运算的时候易被舍掉，从而产生积分量化误差。
以下是离散算法：
（2.7）
，
，
代换之后变为：
（2.8）
PID调节器的参数直接影响到系统的性能。
在高性能的调速系统中，有时仅仅靠调整PID参数难以同时满足各项静动态性能的指标。
基于此，衍生出多种改进的PID算法，提高系统的性能。
1、控制方式
S7–200的PID回路没有设置控制方式，只要PID块有效，就可以执行PID运算。
在这种意义上说，PID运算存在一种“自动”运行方式。
当PID运算不被执行时，我们称之为“手动”方式。
同计数器指令相似，PID指令有一个使能位。
当该使能位检测到一个信号的正跳变（从0到1），PID指令执行一系列的动作，使PID指令从手动方式无扰动地切换到自动方式。
为了达到无扰动切换，在转变到自动控制前，必须用手动方式把当前输出值填入回路表中。
PID指令对回路表中的值进行下列动作，以保证当使能位正跳变出现时，从手动方式无扰动切换到自动方式：
置给定值（SPn）过程变量（PVn）
置过量变量前值（PVn-1）过程变量现值（PVn）
置积分项前值（MX）输出值（Mn）
PID使能位的默认值是1，在CPU启动或从STOP方式转到RUN方式时建立。
CPU进入RUN方式后首次使PID块有效，没有检测到使能位的正跳变，那么就没有无扰动切换的动作。
2.4系统参数计算
2.4.1主电路参数计算
1、直流电动机：
、
、
，
，允许过载倍数λ=1.5；
2、晶闸管装置放大系数：
；
3、回路总电阻：
R=3.3Ω；
4、时间常数：
，
；
5、电流反馈系数：
；
6、转速反馈系数：
。
设计要求：
（1）静态指标：
无静差；
（2）动态指标：
电流超调量
；（3）空载起动到额定转速时的转速超调量
。
2.4.2电流环节（ACR）的设计
1、确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数
。
三相桥式电路的平均失控时间
；
（2）电流滤波时间常数
。
三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有
，因此取
；
（3）电流环小时间常数
。
按小时间常数近似处理，取
。
2、确定将电流环设计成何种典型系统
根据设计要求电流超调量
，保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。
3、电流调节器的结构选择
电流调节器选用PI型，其传递函数为：
（2.9）
4、选择电流调节器参数
ACR超前时间常数：
；
电流环开环增益：
因为要求
，故应取
，因此
（2.10）
于是，ACR的比例系数为
。
5、计算电流调节器的电路参数
按所用运算放大器，取
，各电阻和电容值计算如下：
，取
；（2.11）
，取
；（2.12）
，取
。
（2.13）
6、校验近似条件
电流环截止频率：
（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足
。
因为
，所以满足近似条件。
（2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足
。
现在
，满足近似条件。
（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件
。
现在
，满足近似条件。
2.4.3转速环（ASR）的设计
1、确定时间常数
（1）电流环等效时间常数为
；
（2）转速滤波时间常数
。
根据所用测速发电机纹波情况，取
；
（3）转速环小时间常数。
按小时间常数近似处理，取
。
2、确定将转速环设计成何种典型系统
由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。
3、转速调节器的结构选择
转速调节器选用PI型，其传递函数为：
。
（2.14）
4、选择转速调节器参数
按跟随和抗绕性能都较好的原则取h=5，则
ASR超前时间常数：
；
转速开环增益：
；于是ASR的比例系数为：
。
5、计算转速调节器的电路参数
按所用运算放大器，取
，各电阻和电容值计算如下：
，取
；（2.15）
，取
；（2.16）
，取
。
（2.17）
6、校验近似条件
转速环截止频率
。
（1）校验电流环传递函数的近似条件是否满足
。
现在
，满足简化条件。
（2）校验小时间常数的近似处理是否满足条件
。
现在
，满足近似条件。
（3）校核转速超调量。
当h=5时，
，不能满足设计要求，实际上这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
2.4.4按转速环（ASR）退饱和重新计算超调量
当h=5时，
；而
，因此，
能满足设计要求。
1第3章硬件设计
3.1系统总体结构
图3-1为控制系统总体结构图，表示了系统的基本组成电路和各部分之间的主要关系，箭头表示信息的流向。
从概略图可知，本系统基本由四部分组成，分别是PLCCPU主机部分、电机驱动部分、电流检测部分和速度检测部分，下面分别加以说明。
图3-1系统总体结构图
3.1.1CPU主机部分
CPU222可单机工作，也可进行I/O和功能块的扩展。
通过扩展口用扁平数据线将CPU222与模拟量扩展块EM235连接，实现模拟量的输入和输出。
进行扩展时，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在扩展链中所处的位置。
CPU222应用220V交流电源，EM235电源由CPU222提供。
3.1.2电机驱动部分
CPU222将速度值传送给模
升级会员 