【电气工程及其自动化】基于plc控制的直流电机闭环控制系统的软件设计终稿

本科生毕业论文（设计）基于PLC控制的直流电机闭环控制系统的软件设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111设计意义和设计目标112直流电机调速技术的现状与发展113直流电机调速方法与PWM调控技术12系统总体结构设计与选型221控制系统方案的选择222控制系统结构的选择323整体设计324各模块功能的简单介绍425系统输入部分的硬件设计43系统输入部分的硬件设计531直流电机速度检测模块532驱动模块533控制模块534触摸屏的介绍与选择54系统软件程序设计641程序流程图6411各子程序功能介绍642PWM输出原理6421PWM子程序框图843触摸屏输入控制模块844编码器反馈模块10441反馈程序框图如下105系统组装与调试1251硬件系统组装与调试1252HMI和PLC软件调试126结论与展望1361结论1362展望13参考文献14附录15附录1使用驱动电路的直流控制系统PLC程序15附录2使用直流驱动器的直流电机控制系统PLC程序19附录3闭环的直流电机控制系统PLC程序20致谢23基于PLC的直流电机闭环控制系统的软件设计摘要主要介绍基于PLC利用PWM原理驱动直流电机的方法。根据硬件线路的搭建，编写程序，实现按键信号的输入处理，调用芯片内部的PWM功能模块产生PWM信号，进而利用驱动电路驱动电机运转，并通过反馈的设计，完成了直流电机的闭环调速。关键词PLCPWM直流电机闭环控制PWMDCMOTORTHECLOSEDSPEEDCONTROLLERBASEDONPLCABSTRACTTHISTHESISMAINLYINTRODUCEDTHEMETHODOFPRINCIPLEOFPWMDRIVEBASEDONPLCBYUSINGDCMOTOR8ACCORDINGTOTHECONSTRUCTIONOFTHEHARDWARECIRCUIT,PROGRAM,REALIZETHEKEYSIGNALINPUTPROCESSING,CALLEDCHIPINTERNALPWMMODULETOPRODUCEPWMSIGNAL,THENDRIVECIRCUITDRIVEMOTOROPERATIONANDCONTROLOFFUNCTIONSSUCHASMOTORDIRECTIONOFROTATION,ANDTHROUGHTHEFEEDBACKDESIGN,COMPLETEDTHECLOSEDLOOPSPEEDCONTROLOFDCMOTOR7KEYWORDPLCPWMDCMOTORTHECLOSEDLOOP1绪论11设计意义和设计目标设计意义是了解PWM工作原理，掌握使用PLC产生PWM脉冲的方法。并通过利用PWM方法提高直流电机调速的效率与调速范围、降低系统成本并实现对直流电机转速的控制，通过编码器反馈信号回PLC，实现闭环调速。12直流电机调速技术的现状与发展直流电机的应用场合很多，且多用于调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖据机械等。2目前，大多的直流电机控制系统用单片机或DSP芯片作为控制器，但单片机或DSP做控制器，占用端口多，外部元件也多，影响系统稳定性和可靠性。可编程控制器（PLC）作为近几十年发展来的一种新型工业控制器，它可靠性高、抗干扰能力强，它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等特点结合起来。用PLC对直流电机进行PWM调速控制，可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。113直流电机调速方法与PWM调控技术直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小但低谷时受到磁场饱和的限制，高速时受到换向火花和转向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。自动控制系统的控制方式有两种开环控制和闭环控制。开环控制具有控制简单的优点，但是它抗干扰能力差，因此很难满足快速要求。闭环控制是偏差控制（即给定值与被控量的偏差），控制的目的是使偏差位置零或接近零，使控制达到“准”，再通过控制算法达到“快”的要求。传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。随着电力电子技术的发展，创造了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调制（PULSEWIDTHMODULATION,PWM）是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比（即占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中当电机通电时，其速度增加，电机断电时其速度降低。只要按照一定的规律改变通断电的时间，就可使电机的速度保持在某一稳定值上。PWM系统在很多方面有较大的优越性1主电路线路简单，需用的功率器件少；2开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；3低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达110000左右；4若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高；6直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高；7处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有ON，要么完全无OFF。电压或电流源是以一种通ON或断OFF的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。62系统总体结构设计与选型21控制系统方案的选择PLC具有高可靠性、丰富的I/O接口、编程简单易学、采用模块化结构的特点，因此应用它产生一个具有周期的脉宽去控制PWM，来实现转速的控制，可以获得高稳定和高可靠性。其中，PWM具有五大优点1需要功率元件小，线路简单，控制方便，开关频率高。2电流容易连续，电机损耗和发热小。3低速性能好，速度精度高，因而调速范围宽。4系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰性能力强。5主电路元件工作在开关状态，损耗小，装置功率高。所以PWM的选用能够适应快速定位的要求22控制系统结构的选择自动控制系统的控制方式有两种开环控制和闭环控制。开环控制具有控制简单的优点，但是它抗干扰能力差，因此很难满足快速要求。闭环控制是偏差控制（即给定值与被控量的偏差），控制的目的是使偏差位置零或接近零，使控制达到“准”，再通过控制算法达到“快”的要求。3根据伺服系统的结构有以下几个环节电流环为了实现对电流的控制，使电机启动，电流能够维持一个电机允许的启动电流，充分利用电机的过载能力，从而获得更快的动态响应，但是在制动时却不能快速制动，不能达到“快”的要求。转速环克服负载扰动时对电机转速的影响，使电机转速平稳，同时，转速环的设置能够减小机电时间常数从而提高系统的快速性。位置环使位置（电机转角）准确跟随给定值。根据以上对三个环节的特点，再结合系统采用的PWM，对三个环节进行取舍，采用了转速环，从而实现最小系统和硬件的紧凑化。23整体设计本系统采用PLC为核心、监测模块、触摸屏、驱动电路组成，其设计框架如图1所示。图1整体设计框架功能作用触摸屏负责控制信号的输入反馈信号的显示。使用PLC内置的PWM功能模块，产生出具有特定占空比的输出电压，经过驱动放大电路，驱动直流电机并调节转速和方向。另外把电动机的即时运行状态传输回PLC中，经过数据的分析与转换，再显示触摸屏上，做监测使用。24各模块功能的简单介绍1PLC模块进行运算和控制功能2触摸屏人向机器输入信息，显示PLC系统的运行结果与运行状态3驱动电路模块控制外设电器工作4闭环调速模块反馈信号和调速25系统输入部分的硬件设计对于硬件的连接，要仔细考虑，根据课题的要求，合理布置器件，妥善连接。触摸屏、PLC、驱动模块和闭环调速模块各端口正确连接，并把各导线排放整齐，不能杂乱无章，这样可以更好得分析故障。该方案系统电路图如下图31所示图2闭环直流控制系统电气总图3系统输入部分的硬件设计31直流电机速度检测模块本设计用的直流电机是448线AB相编码器直流电机（330V），自带旋转编码器进行测速反馈。32驱动模块L298N驱动模块,它接收数据，将相关数据传送给被测模块，启用被测模块。相当于被测模块的主程序。33控制模块采用三菱FX2N8MT型号PLC来驱动直流电机。如表1所示，为控制系统的I/O分配表输入输出X0信号反馈1Y0驱动第一路桥输入1X1信号反馈2Y1驱动第一路桥输入2Y2第一路桥的输入使能开关表1控制系统I/O分配表34触摸屏的介绍与选择触摸屏是一种直观的操作设备，可以由用户在触摸屏的画面上设置具有明确意义和提示信息的触摸式按键和用于输入数字的输入域。本次设计采用三菱GT1155QSBD型号触摸屏，它编程简单，能够方便的与三菱PLC连接。4系统软件程序设计本设计的PLC编程环境使用GXDEVELOPER86，为现在的最新版本，全部基本指令和功能能令都有，支持在线监控。HMI编写环境为GXWORKS3。41程序流程图图3程序流程图源程序主要是由各子程序组成，通过调用子程序，把各个硬件的功能协调在一起，达到本设计的设计要求411各子程序功能介绍1PWM信号输出控制子程序控制PLC输出PWM信号2速度检测控制子程序检测直流电机的速度大小3直流电机状态控制子程序控制直流电机的启动，关闭。4触摸屏输入控制子程序检测触摸屏的按键状态5触摸屏显示控制子程序显示反应电机状态的相关数据42PWM输出原理所谓PWM就是脉宽调制器，通过调制器给电机提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的脉冲，脉冲宽度越大即占空比越大，提供给电机的平均电压就越大，电机转速也越高。反之，脉冲宽度越小，则占空比越小，提供给电机的平均电压也越小，电机转速就低。45如图4为脉宽调制型调速系统的波形图。主控程序直流电机状态控制模块PWM信号输出控制模块触摸屏显示控制模块速度检测控制模块触摸屏输入控制模块图4波形图脉宽调制指令脉宽调制指令PWM（PULSEWIDTHMODULATION）是用来产生脉冲宽度和周期可调的PWM脉冲，指令格式如下PWMD0K10Y2中寄存器D0内的数值为脉冲宽度，D0越大，占空比越大，电机转速越大，反之越小。取值1D50D51D50图8软件测速的方框图5系统组装与调试51硬件系统组装与调试主要难点是解决HMI和PLC的通讯，因为不同品牌产品所使用的通讯协议大都不同，特别是一些国产的PLC与很多HMI都通讯不上的，所以在选型时，最好是选择同一种品牌的工控产品；通讯线和下载线都尽可能选择带屏蔽的，而且设备要接地。使用功率放大电路的直流控制系统中，经达林顿管放大后，直流电机流入电流可达12A左右，而此时PLC的输出电流只有20MA左右，完全在PLC晶体管输出通道的承受范围，也保证了直流电机的带载能力。使用直流驱动器的开环控制系统中，光电二极管的感应电流比较小，甚至达不到输入通道识别电流，为增大感应电流，可将光电二极管的反向电压加到24V，同时对射的发光二极管需要有10LM以上的照度。该系统中5V电压和24V电压需要共地。52HMI和PLC软件调试本设计的PLC编程环境使用GXDEVELOPER86，为现在的最新版本，全部基本指令和功能指令都有，支持在线监控。HMI编写环境为GXWORKS3。PLC程序调试主要通过在线监控下，对某些寄存器进行强制，再根据流程图去找出问题的所在，并做相应的该进。使用功率放大电路的直流控制系统中，受PLC扫描周期和指令所限，控制脉冲的频率不能太高，导致转速比较慢，同时震荡也比较严重，为尽可能地优化，PLC编程时，需要同时执行的指令都尽量避免顺序执行，且尽可能地简化程序，减少程序步数。为提高人机界面的灵敏度，人机界面设计时，全部的按钮都尽可能采用了按下动作方式。6结论与展望61结论充分考虑控制精度、稳定性以及控制成本的话，使用直流驱动器的直流控制系统是性价比最高的，也是当下应用最广泛的一种。而加入了反馈后的闭环直流控制系统，控制精度明显得到了大大的提高。在日益增高的质量标准的迫使下，工业自动化对控制精度的要求也必然越来越高，所以闭环控制系统是直流控制系统的必然发展趋势。经过多次的测试证明，本次设计的直流电机控制系统具有非常高的可靠性和稳定性，完全可以应用到工业生产中去。但还是有不少不足之处，就人机界面而言，本次设计的HMI界面过于简单，还没有充分应用HMI的诸多功能。62展望本次设计的闭环反馈只是较简单调节速度和定位，接下来还可以充分利用PID控制，具体地技术PID各参数，以实现更圆滑稳定的闭环控制。还可以充分应用充分应用HMI的诸多功能，使控制系统的操作更加人性化。参考文献1周明安，朱光忠直流电机驱动技术发展及现状J机电工程技术，2005201304252陈理壁直流电动机及其应用M上海上海科学技术出版社，1985201304133李荣生电气传动控制系统设计指导M北京机械工业出版社，2004,201304254陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统M北京机械工业出