毕业设计论文S7200PLC控制的PWM直流电机含程序

毕业设计论文题 目 S7-200PLC 控制的 PWM 直流电机 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 设计总说明随着 PLC 技术的发展，以及其性价比的提高，利用 PLC 控制直流电动机已经越来越普遍，采用先进的 PWM 控制技术则可构成直流电动机无级调速系统，同时起、停时直流系统无冲击，而且具有启动功耗小，运行稳定等特点。本文介绍了 24 伏 29 瓦直流电动机 PWM 调速硬件系统，编写了用 S7-200 PLC 实现 24 伏 29 瓦直流电动机 PWM 的控制程序，程序包括控制系统的指令的初始化、转速检测、调速三部分。与相应的硬件电路配合，实现了对 24 伏 29 瓦直流电动机的 PWM 控制。该控制系统功能包括电机的 PWM 调速、转速检测、电机转速的调节。PWM 调速是用 S7-200 PLC 内部自带的PWM 高速脉冲输出功能指令，通过对其占空比的设置来改变脉冲宽度和周期，实现控制任务；速度检测和调速是通过硬件与 S7-200 PLC 的高速计数器配合和 PWM 的设置来实现的，所有程序都己编译通过，经过实验验证，工作状态良好。文中对直流电动机结构、工作原理、PWM调速系统的构成、S7-200 PLC的部分指令以及用S7-200 PLC实现PWM调速做了简单介绍。关键词：直流电动机；PWM 调速；S7-200 PLC；转速检测；单闭环目 录1 设计内容及要求 .11.1.11.2 .11.3.22 系统的总体设计 .32.1 直流电动机的结构及工作原理 .32.1.1 直流电动机的结构 .32.1.2 直流电机的工作原理 .42.2 直流电动机的基本方程 .52.3 直流电动机的机械特性 .62.4 直流电动机的调速 .82.4.1 他励直流电动机的串电阻调速 .92.4.2 降低电枢供电电压调速 .102.4.3 减弱磁通调速 .113 系统的硬件设计 .123.1 直流电机的 PWM 调速概述 .123.2 直流电动机 PWM 调速系统的构成 .123.3 S7-200PLC 实现直流电动机的 PWM 调速 .173.3.1S7-200PLC 的高速脉冲输出指令 .173.3.2 控制原理的实现 .184 系统的软件设计 .194.1S7-200 PLC 编程的基本概念 .194.2S7-200 PLC 的编程指令 .204.2.1 基本逻辑指令 .204.2.2 基本功能指令 .214.2.3 中断指令和高速计数器指令 .224.3STEP 7-Micro/MIN V4.0 编程软件简介 .254.3.1 编程软件项目的组成 .254.3.2 程序的编写与传送 .265 实验结果分析 .275.1 控制系统设计概述 .275.2.1 控制系统的电源设计 .275.2.2 控制系统功率驱动电路的设计 .286 结论 .306.1 调速控制系统软件概述 .306.2 控制系统功率驱动软件 .336.2.1 功率驱动软件编程思想 .336.2.2 功率驱动软件的流程图 .346.2.3 功率驱动软件程序编写 .356.3 控制系统测速软件 .386.3.1 系统测速软件编程思想 .386.3.2 控制系统测速软件流程图 .406.3.3 控制系统测速软件编程 .416.4 控制系统扫描显示软件 .436.4.1 扫描显示软件编程思想 .436.4.2 扫描显示软件流程图 .436.4.3 扫描显示软件程序编写 .457 .487.1 本次设计实验结果及分析 .487.2 本控制系统特点 .491 设计内容及要求1.1 设计目的本设计是针对电机对象， 由上位机给定分程系数，用西门子 S7-200可编程控制器的原理编程，特别是光电编码器脉冲数的读取和 PID 算法程序的编制。其中，使用 KINGVIEW 监控组态软件编写上位机监控程序，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，历史曲线，报表打印等功能。1.2 设计内容设计一个直流电机转速控制系统，其主要内容为：1.熟悉可编程控制器和实验设备。2.掌握西门子 S7-200-CPU224 的性能，熟悉编程环境。3.掌握建立计算机控制技术系统的方法，按系统要求组成系统，进行调试以满足给定指标。4.绘制系统结构图，提供程序梯形图。利用西门子 PLC 设计电机转速的控制系统，编写程序，实现单闭环控制系统，实现如下工程：1、 实现启动过程准时间最优，静态调速无静差2、 在 CAD 上画出系统的硬件控制原理图3、 要求电机完成启动、停车、加减速控制4、 在计算机上用组态王模拟实验现场流程图，并进行参数设定。1.3 设计原理利用小型过程控制装置结合计算机控制技术，在组态软件下编程并通过调整和改进控制算法，从而实现单闭环控制系统设计要求。通过利用调节器的工程整定方法，最后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的 PID 参数。通过本设计掌握分程控制系统的基本概念，了解分程控制系统的组成结构。掌握分程控制系统的特点、分程控制系统的设计思想。掌握分程控制参数整定方法，熟悉 PID 参数对控制系统质量指标的影响，用计算机进行 PID 参数的调整和自动控制的投运。2 系统的总体设计2.1 试验系统简介2.1.1 直流电动机概述直流电动机是指通过直流电流而产生机械运动的电动机。在工业生产中，常需要利用电动机的轴上转矩拖动生产机械，对产品进行加工。根据工艺要求，生产机械需要各种不同的速度，因而要求电动机能够在所需要的范围内进行进度调节。和交流电动机比较，直流电动机具有更好的调速性能，不但调速范围广，且易于平滑调节；起、制动转矩大，易于快速起、停车；易于控制， 因而直接流电动机被广泛应用于深调速和高精度，特别是快速可逆电力拖动系统中。例如，用来作为轧钢机、金属切削机床等生产机械的拖动电动机。电子技术的发展和现代控制理论的应用，使直流电机拖动系统更能适应高精度、高指标的生产机械的要求。此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行元件使用。半导体技术的发展，促使直流电机也有所发展，同时也扩大了直流电机的应用范围。但是，和交流电动机比较，直流电动机有结构较复杂、制造成本较高、维修较为困难等缺点，出而直流电功机的应用也受到一定的限制。目前，虽然由晶闸管整流元件组成的静止固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍以其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定地位。2.1.2 直流电动机的结构直流电机在结构上是由固定部分(定子)和旋转部分(转子)组成的。定子主要用来产生磁通和作电机的机械支撑；转子通常称为电枢，用来产生感应电势和电磁转矩 1。下面分别介绍定、转子的主要部件。(一)定子1、主磁极 主磁极的作用是产生主磁通建立气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定的波形沿空间分布。它由磁极铁心和励磁绕组两部分组成，如图 2-1 所示。磁极铁心一般由 11.5mm 的低碳钢板冲片叠装而成。图 2-1 直流电机结构示意图1主磁极；2励磁绕组；3机座；4端盖；5轴承；6电刷；7电枢铁心； 8电枢绕组；9换向器；10轴；11风扇；12极靴；13换向极； 14换向绕组；15电枢齿；16电枢槽；17底座励磁绕组用圆截面或矩形截面的绝缘导体绕制、浸漆烘干而成。磁极铁心套上励磁绕组后用螺钉固定在机座上。主磁极数总数是偶数，各磁极上励磁绕组通常都串联连接，连接时要保证相邻磁极的极性按 N、S 依次排列。2、换向极 换向极的作用是改善换向，消除或减小电刷与换向器之间的火花。换向极的结构与主磁极相似，由铁心和励磁绕组组成，如图 2-1 所示。铁心由薄钢板或整块钢制成。换向磁极安装在两个主磁极之间的几何中性线上，并用螺钉固定在机座上。换向磁极的数目一般与主磁极相等；个别小电机，换向极数目也可以少于主磁极的数目。3、机座 机座既作为电机的机械支撑，又是磁极间磁通的通路，称为定子磁轭。机座由铸钢铸成或由厚钢板焊接而成。4、电刷装置 电刷装置由电刷、刷握、握杆、握杆座及铜丝辫等零部件组成。电刷装置的作用是把转动的电抠电路与不转的外电路接通，它是固定不动的。电刷的数目一般等于主磁极数目，各电刷在换向器表面的分布应是等距的。(二)转子1、电抠铁心 电枢铁心是主磁路的一部分。当电枢在磁场中旋转时，铁心个的磁通方向不断变化，因而会产生涡流及磁滞损耗。为了减少磁损耗，铁心通常用 0.5mm 硅钢片叠成。2、电枢绕组 电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机实现机电能量转换的关银部件。当电枢在磁场中旋转时，电枢绕组中产生感应电动势；当电枢绕组中流过电流时，它在磁场中受力产生电磁转矩。电枢绕组由一个一个的线圈元件组成，嵌放在电枢铁心的槽中。3、换向器 换向器是直流电机员重要的部件之一。对于电动机是将输入的直流电流转换为电枢绕组元件中的交变电流，产生恒定方向的电磁转矩。根据电机的容量和转速的不同，换向器有多种结构形式。2.1.3 直流电动机的机械特性电动机的机械特性是指 U=UN=常值，I f=IfN =常值，电枢回路电阻(Ra+Rc)=常值条件下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即 n=f（T em） 。它是选用电动机和评价电动机性能时的主要依据之一。本论文重点介绍他励直流电动机的机械特性。他励直流电动机的机械特性方程为：2acemeeTRUnC （2-1）当电动机外加电压为额定值 UN，气隙磁通也为额定值 N，且电枢回路不外串电阻 Rc,即 Rc=0 时，电动机的机械特性称为固有机械特性（也称自然机械特性） ，如图 2-2 中直线 1 所示。它是一条略微向下倾斜的直线。当改变电动机的外加电压 U、主磁通 或电枢外串电阻 Rc 三个参数中的一个时，就可得到人工机械特性。图 2-6 中直线 2 为电枢电阻人工机械特性、直线 3 为改变电动机外加电压人工机械特性、直线 4 为减小磁通的人工机械特性。（一）固有机械特性的绘制忽略电枢反应的去磁通效应时，他励直流电动机的固有机械特性是一直线，只要知道机械特性上的两个点，就可以绘出固有机械特性。取理想空载点和额定运行点计算比较方便。在理想空载点： 0NeemUnCT在额定运行点： NeTNI计算出额定电磁转矩：9.5emNTNeCII （2-2）在电动机的名牌上可以查到 UN、I N 及 nN 三个数据，只要知道电枢回路电阻 Ra，就能算出 n0 及 TN。电动机名牌上是不标出 Ra 的。为了求出 Ra 的值，对效率电机可以采用伏安法实测，如果没有实际电机，则可以根据名牌数据估算 Ra 的值。估算的依据是，普通直流电动机在额定状态下运行时，其电枢铜耗约占总铜耗的 1/22/3。电动机的总损耗为：（2-NNpUIP3）额定电枢铜耗为： 2CuaaIRn0201n0emTo1234的 机 械 特 性他 励 直 流 电 动 机2图因此，电枢电阻 Ra 为：= （2-32101()23NUIP:4）式中，P N 为电动机的额定功率，单位为 KW。综上所述，根据名牌计算电动机固有机械特性的步骤是：1、根据 UN、P N、I N 按式（ 2-4）估算 Ra；2、按式（2-2）计算 Ce N；求 n0=UN/Ce N；3、计算 TemN=9.55Ce NIN。在坐标纸上标出（n 0，0） 、 （n N，T N）两点，过这两点连成一直线，即得到固有机械特性。（二）人为机械特性的绘制求出 Ra、C e N 后，人为机械特性就容易计算了。计算电枢串电阻的人为机械特性时，首先计算理想空载转速 n0=UN/Ce N，得出理想空载点（n= n0，T em=0） ，再根据已知的电枢外串电阻 Rc 以及额定电磁转矩TemN=9.55Ce NIN，计算在额定负载转矩下电动机的转速 nRN：= - （2-Rn0NnecaTC2)(5.95）得到额定负载下的运行点（n=n RN，T em=TN） 。过这两点连一直线，即得到电枢外串电阻 Rc 的人为机械特性。2.2 S7-200 PLC 概述PLC 主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程装置组成，PLC 的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。目前 PLC 已经广泛引用