毕业设计（论文）-龙门刨床控制系统设计研究

摘要在分析和研究龙门刨床（B2012A）原控制系统的基础上，设计了龙门刨床直流脉宽调速系统。该系统以直流脉宽调速电路和可编程控制器为调速器件，能通过主电动机实际转速自动调节，从而实现工作台的可逆调速，克服了龙门刨床换向冲击大、工作效率不高的一系列缺点。系统硬件结构简单，控制安全可靠，运行平稳，调速精度高，且经济实用，具有广阔的应用前景。关键词龙门刨床；可编程控制器；直流脉宽；可逆调速ABSTRACTBASEONTHEANALYSISANDRESEARCHOFTHEORIGINALCONTROLSYSTEMOFDOUBLEHOUSINGPLANERB2012A,DESIGNEDAPULSEWIDTHTYPEOFDIRECTCURRENTSPEEDREGULATSYSTEMTHEDIRCETCURRENTPULSEWIDTHSPEEDREGULATANDPROGRAMMABLECONTROLISINTHISSYSTEMASTHEMAINSPEEDGOVERNINGDEVICE,ITCANAUTOMAINCALLYREGULATETHESPEEDACCORDINGTOTHEREALROTALAINSPEED,ANDREALIZEDREVERSIBLYREGULATINGTHESPEEDOFTHEWORKPLATFORMITELIMINATEDTHEIMPACTOFORIGINALSYSTEM,IMPROAEDTHEWORKEFFICIERRCYGREATLYTHESTRUCTUREOFHARDWAREISSIMPLE,THECONTROLLINGISSALFANDDEPENDABLE,THEMOVINGISSMOOTHANDTHESPEEDREGULATINGISPRECIESFURTHERMORE,THISSYSTEMISECONOMICALANDPRACTICAL,THEOUTLOOKOFITSAPPLICATIONISWIDEKEYWORDSDOUBLEHOUSINGPLANERPROGRAMMABLECONTROLPULSEWIDTHTYPEOFDIRECTCURRENTREVERSIBLYSPEEDREGULATING目录第一章概论111龙门刨床自动控制技术的发展历史及趋势112龙门刨床的工艺特点213现有龙门刨床控制系统存在的问题314课题的研究意义315本课题的主要任务4第二章系统方案设计521理想的速度运行曲线522实现理想速度运行曲线的方法623总体方案设计6231系统方案论证6232系统主要配置和使用方法8233系统硬件设计11234系统工作流程和控制功能实现12235系统重要参数测定和计算13第三章双闭环直流脉宽调速系统1531转速电流双闭环直流调速系统1532直流电动机的PWM控制原理19第四章系统软件设计2441FXGP/WIN软件介绍2442程序设计分析2443编程用到的特殊指令25431FROMTO指令25432PWM指令26433PLSY指令2744I/O分配列表2745部分程序设计2846程序设计中应注意的问题2947系统接线图30第五章系统调试3151调试中出现的问题及解决方法3152开关问题及元件好坏判定31第六章结论33结束语34致谢35参考文献36附录38第一章概论11龙门刨床自动控制技术的发展历史及趋势在进给系统（如横梁、刀架）中，用交流鼠笼电机拖动，利用皮带、齿轮传动或用电磁离合器来改变进刀和退刀方向。这种传动方式电气装置简单，但机械结构较复杂并且调速困难，皮带和离合器经常损坏，这是比较古老的龙门刨床。龙门刨床的电力传动系统12，由始至今一般有以下两种方式1）工作台主传动系统在历史上曾经采用电机扩大机直流发电机直流电动机组成的直流调速系统，简称KFD系统。利用这种直流机组传动克服了古老刨床机械结构复杂、难以调速的毛病，系统可靠性相对较高一些，调速范围较宽，因它只受电枢压降的影响，但KFD系统有扩大机组和发电机组，故成本高，占地面积大，噪音大，且KFD系统是机组变流，变流过程损耗大，效率低，其系统的惯性除受直流电动机影响外，还受到发电机和电机扩大机电磁惯性的影响，故惯性大，换向时冲击大。2）随着电力电子技术的发展，从上世纪七八十年代起，工作台主传动系统是以可控硅直流电动机系统，简称SCRD系统为主。SCRD系统可省掉扩大机组和发电机组，节省成本，其系统的效率几乎与负载无关，适宜于负载变动较大的情况，且可控硅基本上属于无惯性环节，反应速度较快，电磁惯性可以减到很少，但SCRD系统可靠性稍差。因可控硅电压与电流过载能力小，在过压、过流、电压和电流上升率太大的情况下容易损坏，且受温度影响，特性易变化，触发部分用的半导体元件其特性受温度影响也易发生变化，受外界干扰，易产生误动作。另外，SCRD系统的调速范围，除了受电动机电枢压降影响外，还受可控整流线路参数的影响，在低速时可控硅控制角增大，管压降增大，致使静差度增大，调速范围低。龙门刨床的主拖动系统在加工过程中起主要作用，而现有的龙门刨床主拖动系统都存在着投资大、消耗量大、调节精度不高、换向冲击大等一系列缺点，因此对龙门刨床电控系统进行改造势在必行。近些年来，随着科学技术的高度发展，控制领域的数字化进程加快，全数字直流调速技术不断完善，部分龙门刨床己改造成各种各样的数控机床，工作效率大大提高，老式龙门刨床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被全数字控制系统完全取代。12龙门刨床的工艺特点龙门刨床是制造大型机械设备不可缺少的工作母机。应用非常广泛，具有多种控制要求。其主要用来加工大型工件的各种平面、斜面、槽。特别适用于加工大型的、狭长的机械零件，如机床的床身、箱体、立柱、导轨等。其生产工艺的特点是工作台与工件频繁的进行往复运动。工件的切削加工仅在工作行程内进行，而返回行程只做空运转。在切削时没有进给运动，只在返回行程转到工作行程的期间内刀架才位移一定距离。因而龙门刨床的主运动是工作台和工件的纵向往复运动。龙门刨床工作台速度运行图12如图11所示。图中LQ工作行程；LH返回行程；VJ慢速切入速度；VQ切削速度；VH返回速度；图11原龙门刨床工作台速度运行图0T1工作台前进起动阶段；T1T2刀具慢速切入阶段；T2T3加速至稳定工作速度阶段；T3T4稳定工作速度阶段；T4T5减速退出工作阶段；T5T6反接制动到后退工作阶段；T6T7后退穗定速度阶段；T7T8后退减速阶段；T8T9后退反接制动阶段。刀具切入工件之前减速的目的，是为了减少刀具在切入时所承受的冲击，延长刀具的使用寿命，称为慢速切入。切入工件后再加速到规定的切削速度VQ。切出工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂。返回过程不切削工件，为提高生产率，反向时直接加速到高速返回速度VH。返回行程再反向到工作速度之前，为了减少反向时的越位，还要求有一个减速过程。13现有龙门刨床控制系统存在的问题从速度运行图11可以看出，在龙门刨床的工作过程中，对起动、制动特性要求很高，由于换向快，正反向起动、制动频繁，其中有很大一部分时间是工作在过渡过程中，为了提高生产效率，显然必须尽量缩短换向过渡时间。但是换向的时间愈短，起、制动电流就愈大，这样又容易损坏电机，而且换向时速度突变使刨床产生较大的机械冲击，这对工作台主拖动直流电机和传动机构都有很大的影响，导致传动部件的快速磨损，降低刨削加工质量。而且，由于老式龙门刨床大多数采用的是“电机扩大机直流发电机直流电动机KFD”主拖动系统，存在投资大、用料多、耗电量大、占地面积宽、噪音大、难维护等一系列缺点。经上世纪后期改进为可控硅直流调速系统SCRD系统，但还存在着一些问题如电路结构复杂，需要的功率开关元件多；在相控方式下电压、电流波形的畸变因数和相移因数随运行速度一同下降；主电路开关频率低，使系统的截止频率过低，不利于提高系统对外部信号的响应速度等。因此，提高调速精度和工作效率，消除换向冲击，保护主电机和传动机构，成为大型龙门刨床期待解决的技术问题。14课题的研究意义龙门刨床如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使用寿命。龙门刨床主要分为机械和电气控制两大组成部分，机械部分相对比较稳定，使龙门刨床运行在最优状态主要取决于电气控制系统控制方式。在传统龙门刨床中，这种现象尤其明显，其机械部分刚性好，精度较高，一般其基本性能可达到现代同类机械的水平，但控制和驱动部分则显得不同程度的老化，这对加工性能及成本有很大的影响，有的甚至无法在一些加工要求稍高的工件场合下使用，本科题通过对原系统以及龙门刨床加工运行性能和要求进行分析研究，设计了一套低成本高性能的控制方案，如果应用于实践，可最大限度发挥龙门刨床的加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对老式龙门刨床的改造提高有很大的实际意义。15本课题的主要任务本课题对龙门刨床的控制系统进行全面改造，对龙门刨床主电机设计了双闭环直流PWM调速系统，以取代原来的控制系统，消除其诸多弊端，使刨床经济有效运行。课题主要做以下工作（1）设计出系统的方案，并对系统重要参数进行测定和计算。（2）本课题要用双闭环直流脉宽调速系统，所以主要是对其论述。（3）用PLC对双闭环直流脉宽调速系统的转速环和电流环进行编程实现，并用设计出的电路图进行硬件的焊接和接线。（4）对系统进行运行和调试，测定系统的运行情况。第二章系统方案设计21理想的速度运行曲线龙门刨床横梁、刀架等部件的控制可以用可编程控制器来完成，而要提高龙门刨床的工作效率，解决工作台的换向冲击等问题，必须平滑精确地调节工作台运行速度及过渡过程的加、减速，使其实现可逆运行。其理想的速度运行图37如图21所示图21工作台理想速度运行图图中LQ工作行程；LH返回行程；VQ切削速度；VH返回速度；0T1工作台前进加速至稳定工作速度阶段；T1T2稳定工作速度阶段；T2T3减速至零前进换向；T3T4后退加速阶段；T4T5后退稳定速度阶段；T5T6减速至零后退换向。由图21可见，工作台换向时加、减速平滑且时间短，能很好地消除因换向时速度突变产生的机械冲击，大大提高工作效率。22实现理想速度运行曲线的方法1速度反馈安装直流测速发电机。直流测速发电机能够产生和电动机转轴角速度成比例的电信号，为速度控制系统提供转轴速度负反馈，具有在宽广的范围内提供速度信号等优点。2电流反馈限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采用的一种限流措施。当直流电动机全压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流；运行过程中，如电动机遇到堵转的情况，电流也不会大大超过允许值。过大的电流不仅对电机换向不利，对过载能力底的晶闸管来说，更是不能允许的。根据反馈控制原理，要维持哪一物理量基本上不变，就应该引入那个物理量的负反馈。因此，引入电流负反馈应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。但是，这种作用只应在启动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，使静特性保持较好的硬度，让电流自由地随着负载增减。这样一来，一旦电流超过某一规定值时，电流负反馈即投入运行，使静特性急剧地“软化”。随着电流的增加，电动机转速不断下降，当电流增加到某一数值（即堵转电流）时，电动机停止转动。这种当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，简称截流反馈。23总体方案设计231系统方案论证针对原系统的缺陷和改造要求实现的功能，设计了以可编程控制器为核心的双闭环直流脉宽调速控制系统。系统通过直流脉宽调速系统实现对工作台主拖动直流电机的调速，采用可编程控制器进行逻辑控制实现工作台可逆控制。1现在有些系统是应用可编程控制器和直流调速器实现调速的，其实只用可编程控制器和简单的电路（本课题使用双极式H型PWM变换器电路）就可以完成调速。因为可编程控制器除了能完成一些基本的功能外，它还有许多特殊的指令，例如在本课题中用到的PWM指令就可以完成调速功能，完全可替代直流调速器。这样提高了系统的集中性，以可编程控制器为核心，这样充分利用了PLC的功能，而用直流调速器还得用可编程控制器使系统变的复杂；另外，考虑到直流调速器价格比较贵，在同样都用PLC的情况下，双极式H型PWM变换器电路比直流调速器便宜的多，性能上都能完成同样的指标，所以在性价比上用PLC和简单的电路比较划算。综合上述，本课题选用了PLC和双极式H型PWM变换器电路完成工作台直流电动机PWM调速系统。2对于本论文而言，根据具体情况，直流脉宽调速系统选用转速、电流双闭环直流调速系统。这是由于以下的原因对于龙门刨床这样电机经常正反转运行的调速系统，尽量缩短制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流马上降低下来。使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这时，起动电流呈方形波，而转速足线性增长的，这是在最大电流转矩受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。理想起动过程波形89如图22所示。图22理想起动过程波形实际上，由于电路电感的作用，电流不能突跳，理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反彼就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端；到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再依靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。232系统主要配置和使用方法针对原系统特点和实验室设备，经分析和研究，系统采用如下配置（1）主拖动直流电机，额定电枢电压为220V，额定直流电流为12A。（2）可编程控制器采用三菱的FX2N系列10。三菱FX2N系列PLC运算速度极快，基本指令运行速度为008S/指令,应用指令运行速度为152至几百S/指令。指令丰富，功能强大，具有数据处理、高速处理、逻辑控制、模拟量控制、运动量控制、网络通讯等强大的功能。在具体配置上包括主模块FX2N32MR，扩展单元用三个FX16EX、一个FX8EYT、FX2N4AD。原因如下所用频率的范围可能很宽广，需要输出点能够即时反应，于是选用输出类型为晶体管型的。因为系统还包括了横梁、垂直刀架、左右测刀架等的设计，这部分主要用继电器输出类型，而直流调速部分要用到的是晶体管输出类型，并且横梁刀架所用的输入输出比较多，通过计算综合考虑这些因素选择了FX2N32MR，扩展单元用三个FX16EX、一个FX8EYT。FX2N4AD是一种A/D转换器11，将模拟电压量和模拟电流量进行A/D转换，变成数字量。该模块有四个输入通道。输入通道接受模拟信号并将其转化数字量。最大分辨率为12位。电压、电流的输入、输出的选择基于用户的连线。模拟范围可以在直流10V到10V、4MA到20MA和20MA到20MA分辨能力20中选择。FX2N4AD与A主单元的数据传递通过缓冲寄存器进行，在FX2N4AD中有32个缓冲器，每个16位。FX2N4AD占有FX2N8位输入输出扩展总线。这8位可以分配给输入和输出。FX2N4AD可以从基本单元或者功率扩展单元的5V内得到30MA。1FX2N4AD使用注意事项模拟输入通过一对保护电缆接受，电缆线应该从电源线或任何可能引起电子干扰的线分别接线。如果电压波动在输入的时候发生或者外部接线引起电子干扰，需连接一个01到047的电容。F如果使用电流输入，把和相互连接起来。VI如果有较强的电子干扰，连接FG接地端和FX2N4AD的地端。将FX2N4AD的地端和基本单元的地端相连。2FX2N4AD缓冲器分配对于没有标志的缓冲器来说数据可以用FROM指令读入PLC。有特殊标志的缓冲器可以用TO指令写入。在从特殊模块读出数据之前，先确认这些设施是否被输入到模块。缓冲器可以通过软件调整OFFSET和GAIN，如同使用FX2N4AD面板的开关设施一样。3FX2N4AD通道选择初始化通道初始化缓冲器的0用16位进制的4位数表示HOOOO最小的控制1通道，第4位控制4通道。每一位的设置如下O0设置范围10V到10V；O1设置范围4到20；MAO2设置范围20到20；O3通道关闭。（3）CS50B1霍尔电流传感器。应用霍尔效应开环原理的电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。霍尔电流传感器的最大优点是测量精度高、线形度好、可以做到无接触检测，这是一般电流传感器无法达到的。在此系统中采用的磁场平衡式霍尔电流检测器，他的工作方式是被检测电流通过导线产生的磁场被聚集在磁环PI内，垂直通过霍尔元件，感应出霍尔元件，这一微弱电压经过放大器放大以后，产生一补偿电流，经过有匝线圈所产生的磁场与被测电流所产生的磁场方向相反，SISNPI抵消了产生的磁场，使霍尔元件的输出减小，愈大，合成磁场愈小，直到穿过霍PSI尔元件的磁场是零为止，此时补偿电流能间接反映出的数值，由于的稳定值反映SIPSI了零磁通，这种方法又称为霍尔器件指零式。霍尔电流传感器有四根输出线，从1到4分别为15V、15V、输出和地。霍尔电流传感器随时采集电流瞬时值，并把它转化为易于处理和传递数字信号。霍尔电流传感器结构12如图23所示。图23霍尔电流传感器结构传感器按结构图说明接线，当待测电流从传感器穿芯孔中穿入，即可从输出端测得与被测电流一一对应的电压值。霍尔电流传感器参数12如表21所示。表21霍尔电流传感器参数型号CS050BIPI额定输入电流50AIP电流测量范围100AVSI额定输出电压41VVC电源电压12155V（4）220V直流电源。（5）直流测速装置。（6）四个20N60C3模块IGBT管。（7）四个IN4007续流二极管。（8）四个1K电阻和两个05K电阻。233系统硬件设计1系统主要用到的是双极式H型PWM变换器电路8如图24所示。图24双极式H型PWM变换器电路图中VT1VT4为IGBT管；VD1VD4为续流二极管。2IGBT驱动电路13绝缘栅双极晶体管简称IGBT，由于IGBT内具有寄生晶体管，所以也可称作绝缘栅门极晶体管。本课题采用20N60C3组成双极式H型PWM变换电路，IGBT是20N60C3模块中的重要部分。绝缘栅双极晶体管本质是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多一个P型层。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供积极基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MODFET基本相同，只需要控制输入极N沟道MOSFET，具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成以后，从P基极注入道N层的空穴，对N层进行电导调制，减少N层的电阻使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。在本课题中，当Y0置“0”时，对应的晶体管截止，由于上拉电阻的存在，使M点的电位升为高；Y0置“1”时，M点电位为低。上拉电阻阻值由加在其上的电压和IGBT管的基极电流来确定，本设计选用5V的驱动电压，基极电流为10豪安，计算出上拉电阻为500欧姆。驱动电路的设计完成，在设计电路的过程中，遇到许多问题，比如不知道如何选用上拉电阻，在老师的指导下，驱动电路的设计才得以顺利完成。驱动电路如图25所示。图25驱动电路234系统工作流程和控制功能实现本系统通过测电动机电枢两端的电压和电流，将转速对应的电压值（模拟量）和霍尔电流传感器检测到的电流对应的电压值（模拟量）分别送到FX2N4AD的电压模拟量输入端口CH1和CH2，再将转化后的值送到PLC中进行比较、决策、处理，调节输出控制脉冲，直到符合给定要求，实现电机转速的控制。其调速结构图如图26所示。图26双闭环调速系统结构图可编程控制器的模拟量输入端口直接接到直流电机测速输出端和霍尔电流传感器的输出端，可编程控制器的脉冲输出端接到IGBT的驱动端。系统采用可编程控制器进行逻辑控制以实现可逆控制。系统电路图如图27所示。图27系统电路图235系统重要参数测定和计算1限流保护值IDMAX限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采取的一种限流措施，当直流电机全压启动时，会产生很大的冲击电流；运行过程中若遇到堵转情况，电流就会超过允许值，对电机换向不利，对过载能力低的晶体管来说，更是不能允许的。根据控制理论要维持哪个量不变，就必须引入负反馈，而要处理当其电流小于允许值时正常工作，当大于其值时就断开，这种截流控制的方法在PLC内部编程是极易实现的，也表现出了PLC的优越性。一般来说堵转电流是非常大的，因此我们采用的截止电流经常为额定电流的152倍，有利于保护设备。限流保护的值（数字量形式）如式21所示IDMAX40（21）当转速为额定转速1500R/MIN时，电枢电流额定值为12A。由于霍尔电流传感器的额定输入电流是50A，对应的输出电压是4V（见表21霍尔电流传感器参数）。所以其转换系数为4/50V/A。将电枢额定电流转换成电压形式为48/50V，再经AD转换器转换成二进制的数字量为（48/50/10）2048，取整数为20。所以限流保护的值（数字量形式）为40。2转速初值的给定由于当转速为额定转速1500R/MIN时，测定测速发电机对应的电压为6V，经AD转换器转换后为（6/10）2048，取整数为1229，由于输入时要求转速与实际键入的数值不同，所以进行一下换算，把1229存入寄存器D10中，换算后的值存到寄存器D12中。程序上只需将D10做如式22所示的换算D1215000D10/（62048）（22）所以当要求在多大的转速下工作时只需键入多大的数值（但必须在额定转速之内）即可。第三章双闭环直流脉宽调速系统31转速电流双闭环直流调速系统为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接。本课题的转速电流双闭环调速系统结构原理如图31所示。图31转速电流双闭环调速系统结构原理框图图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，UN和UN为转速给定（数字量）和转速反馈（数字量），UI和UI为电流给定（数字量）和电流反馈（数字量），TG为测速发电机，LD为平波电抗器。A/D转换由FX2N4AD实现。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两组IGBT管的触发。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就行成了转速、电流双闭环调速系统。负载扰动作用在电流环之后，主要靠转速调节器来产生抗扰作用，因此只要转速调节器具有较好的抗扰性能指标，突加减负载时，动态速降升也不会很大。而电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，因此，双闭环调速系统具有较强的抗电网电压扰动性能。转速调节器和电流调节器是双闭环调速系统的核心，通常都采用PI调节器设计。本课题用PLC来实现转速调节和电流调节。转速调节器的主要作用是使转速N跟随给定电压UN变化，使系统稳态无静差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器对电网电压波动起及时抗扰作用，保证起动时获得允许的最大电流，在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压UI变化，当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。实际上，对于双闭环系统。不论起动或稳态运行时、电流调节器是不会达到饱和状态的。只有转速调节器存在饱和与不饱和两种情况。闭环系统的静特性可分为二段（1）转速调节器不饱和系统处于正常负载运行时，两个调节器都不会饱和，依靠转速调节器的调节作用达到转速的无静差，保证系统具有很硬的特性。在此段内，电流调节器起辅助作用，负载电流大小与电流给定值成正比。系统处于稳态时，两个调节器输入偏差电压都为零。（2）调节器饱和当负载转矩加大，达到设定的最大电流以后，转速降低，转速偏差增大，使转速调节器的输出达到饱和值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响，双闭环系统变成一个恒电流无静差的单环调节系统。在最大电流的给定电压值下，依靠电流环的自动调节，从而获得很好的下垂特性，起到了过流保护作用。最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。由于突加给定的动态过程是衡量系统性能的重要因素，对于所要设计的双闭环系统，在突加给定的启动过程中，转速调节器输出电压、电流调节器输出电压、电动机电枢电流和转速动态响应过程分为三个阶段8第一阶段为电流上升阶段。突加给定电压后，由于电动机的机电惯性较大，转速增长较慢，转速调节器的输入偏差的数值较大，使转速调节器的输出迅速达到饱和值，该饱和值作为电流调节器的输入给定，使电流调节器的输出、电枢电流迅速上升，当电枢电流负载电流后，电动机开始起动。因为电流反馈信号随着电枢电流的上升迅速增大，使电流调节器的输出偏差急剧减少，电流调节器的输出电压还达不到饱和值。当电流上升到接近设计时所选定的最大值时，电流反馈电压与最大电流给定电压几乎相等，并保持动态平衡，转速负反馈就是按此要求确定的。第二阶段为电流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，属于恒流升速阶段。这是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，由于转速低于给定值，转速调节器一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统只有电流环工作，表现为电流恒值的调节系统。此时由于基本上保持电流恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。随着转速的上升，直流电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，使电枢电流略低于最大电枢电流值，反馈电压也略有下降，出现偏差，电流调节器及时进行恒流调节。也就是说，为了克服这个扰动，电流调节器的输出电压也必须基本上按线性增长，才能保持电枢电流的恒定，获得“时间最佳”起动。在整个起动过程中，电流调节器的输出是不应该饱和的，这就决定了其时间常数的选择，不应当让电流调节器的时间常数比调节对象的时间常数T1小得太多，同时整流装置的最大电压也须留有余地，即可控硅装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。第三阶段为转速调节阶段，转速调节器在这个阶段中者发挥作用。当转速上升到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，转速调节器的输入偏差电压为零，但其输出由于积分保持作用还维持在限幅值上，所以直流电动机仍在最大电流下继续加速，必然使转速超调。转速超调后，由于在速度调节器的入口出现负的偏差电压，使速度调节器退出饱和状态，其输出电压也就是电流调节器的电流给定立即从限幅值降下来，主回路电流也随之从最大电流下降。但是，由于电枢电流仍大于负载电流，在一段时间内，转速仍继续上升，到电枢电流小于负载电流时，电机者开始在负载的阻力下减速，直到稳定如果系统的动态品质不好，可能需要振动几次才能稳定。在这个阶段中，转速调节器和电流调节器同时发挥作用，由于转速调节器在外环，自处于主导地位，而电流调节器则是力图使电枢电流尽快地跟随速度调节器输出电压信号，电流调节器构成的内环是一个电流随动系统。综上所述可看出，转速、电流双闭环调速系统，在突加阶跃给定的起动过程中，转速调节器处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统巧妙地利用了转速调节器的饱和非线性，使系统成为一个恒流调节系统，这就是电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。转速的动态响应有一定的超调，当转速超调后，转速调节器退出饱和，才真正发挥线性调节器的作用，系统达到稳定运行，又表现为一个转速无静差调速系统。在不同的情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。转速调节器在饱和期间，它也不是没有作用，而是起着饱和非线性控制作用，只有这样，才能保证内环的恒值电流调节。通过这种非线性控制，使系统在最大电流受限制的约束条件下，实现了“最短时间控制”或“时间最优控制”的基本思想，因而充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能短。当然，这里只是实现了时间最优控制的基本思想，因为在起动过程的第一和第三阶段并不是按时间最优进行控制的，但是这两个阶段在整个起动时间中并不占主要地位。在双闭环调速系统中，两个调节器还能起到动态抗干扰作用，我们知道，单闭环调节系统对于被包围在反馈环内的一切扰动作用都有抑制作用，因为一切扰动作用最终都要反应到被调量上来，都可以通过测出被调量的偏差而进行调节。在单闭环存在不能及时调节的问题。增加电流内环后，电压扰动被包围在电流环里面，可以及时通过电流反馈得到调节，而不必等到它影响转速后故能有所反应。负载扰动作用在被调量转速的前面，它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在转速调节器上得到反映。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用己为时已晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时地调节，不必等影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。由负载变化引起的扰动，由双闭环调运系统的动态结构可以看出，负载扰动作用的变化在电流环之外、转速环之内，只能靠转速环来产生抗扰作用。因此在突加减负载时，必然会引起动态速降升。为了减小动态速降升，在设计速度调节器时应加以考虑。对于电流调节器的设计，在抗负载扰动时，要求电流环具有良好的跟随性能就可以了。由此可知，双闭环调速系统的抗负载扰动是依靠转速环来抑制的。由转速调节器进行调节。转速和电流两个闭环的作用可归纳如下1转速调节器的作用1）在稳态运行时，使转速跟随给定电压变化，实现转速的无静差。2）对负载变化起抗扰作用。3）转速调节器一旦饱和，起着饱和非线性的控制作用，使电流环进行恒流调节。4）其输出限幅值决定允许的最大电流。2电流调节器的作用1）对电网电压波动起及时抗扰作用。2）起动时，可限制起动电流，保证在允许最大电流下起动，实现最佳起动过程。3）在转速调节过程中当负载变化时，使电流入跟随给定电压变化。4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用，如果故障消失，系统能够自动恢复正常。双闭环调运系统的静持性在负载电流小于最大给定电流时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到最大给定电流后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到电流的自动保护。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环调速系统性能好，然而，在实际应用中，由于放大器放大倍数并非无穷大，这两段特性都存在很小的静差。双闭环调速系统突加给定电压UN由静止状态启动时，转速和电流的过渡过程波形如图32所示。图32双闭环调速系统启动时的转速和电流波形图中N为转速给定值，ID为电枢电流，IDL为负载电流，IDM为最大电枢电流。由图32可以看出，双闭环调速系统在起动和升速过程中，表现出很快的动态跟随性能。32直流电动机的PWM控制原理直流电动机稳态转速NR/MIN的表达式14如式31所示31CERDIUN式中,UD电枢端电压V；ID电枢电流A；RD电枢电路总电阻；每极磁通量；CE与电动机结构相关的常数。由式（31）可见，直流电动机的调速方法有三种1改变电枢回路总电阻R；设直流电源电压为US，将电枢串联一个电阻R，接到US，则稳态电压方程式如式32所示32IDRUS但这种传统的调压调速的方法，其效率很低。因此，随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压的控制方法。如由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控制调压；使用可控硅整流器将交流电整流成直流电或者由蓄电池等直流电源供电，再由PWM降压斩波器进行斩波调压等。2减弱电动机磁通；3调节电枢供电电压U。对于要求广范围的无级调速系统来说，以调节电枢供电电压的调速方式为最好。减弱磁通虽然也能平滑调速，但其调速范围不大，一般不单独使用，往往只是配合调压方案，在基速电动机额定转速以上作小范围的升速。变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电抠供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种1旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。2静止可控整流器在交流供电系统中，用静止的可控整流器，例如晶闸管可控整流器以获得可调的直流电压。3直流斩波器和脉宽调制变换器在具有恒定直流供电电源的地方，用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩披器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。晶闸管相控调压或者PWM斩波调压比串电阻调压损耗小，效率高；斩波调压比相控调压又有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波器装置，电动机的损耗和发热较小，动态响应快等。下面介绍PWM降压斩波调压原理，降压斩波电路如图33所示。图33降压斩波电路为一个周期T中，晶闸管V导通时间的比率，称为负载率或者占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的1定宽调频法T1保持一定，使T2再0无穷大范围内变化；2调宽调频法T2保持一定，使T1再0无穷大范围内变化；3定频调宽法T1T2保持一定，使T1再0无穷大范围内变化。不管是哪一种方法，的变化范围为01，因而电枢电压平均值UD的调节范围为0UD，均为正值，即电动机只能再一个方向调速。降压斩波电路电流连续时电压波形如图34所示。图34降压斩波电路电流连续时电压波形当要求电动机在正、反两个方向调速时，即可逆调速时，就要使用双极式H型PWM变换器电路1618。双极式H型PWM变换器电路中晶闸管V1、V4是同时导通同时关断的,V2、V3也是同时导通同时关断的。在一个开关周期内，当0TT/2,则电枢两端平均电压为正，在电动运行时电动机正转；当正脉冲较窄时，TONUN时，说明转速还小没有达到预定要求，所以要加大UI（UI做为电流调节的给定电压），UI再与电流反馈值UI进行比较，当UIUI时，需要加大UCT（UCT为电流调节器输出的控制电压），因为UCT与脉冲宽度成正比，所以直接增大脉冲宽度T，又因为周期T为定值，所以就能增大占空比，从而使电动机电枢两端的平均电压UD增大，进而使转速升高；当UNUN时，说明转速过大，已经超过给定转速，所以要减小UI，UI再与电流反馈值UI进行比较，当UIUI时，需要减小UCT，因为UCT与脉冲宽度成正比，所以直接增大脉冲宽度T，又因为周期T为定值，所以就能减小占空比，从而使电动机电枢两端的平均电压UD减小，进而使转速降低。程序设计总体流程图如图41所示。启动初始化转速调节脉冲形成电流调节电动机PWM变换电路结束转速反馈电流反馈图41程序设计总体流程图程序设计中有两个给定值一个是转速给定用10键输入开关控制，另一个是电流给定通过计算得出。43编程用到的特殊指令1520431FROMTO指令FROM指令用来从特殊功能模块读数据。本课题的FROM指令主要用来进行FX2N4AD的初始化。此命令的格式如图42所示。图42FROM指令的使用上面的FROM指令是将编号为M1的特殊功能模块内从缓冲寄存器BFM编号为M2开始的N个数据读入基本单元，并存于从D开始的N个数据寄存器中。M1特殊功能模块号（范围07）。TO指令用来向特殊功能模块写入数据。本课题的TO指令也主要用来进行FX2N4AD的初始化。此命令的格式如图43所示。图43TO指令的使用上面的TO指令是将基本单元从S元件开始的N个字的数据写到特殊功能模块M1中编号为M2开始的缓冲寄存器中。M1特殊功能模块号（范围07）。M2缓冲寄存器首元件号。（范围031）。N待传送数据的字数（范围031）。432PWM指令PWM指令可以控制输出脉列的周期和宽度。PWM指令的使用如图44所示。图44PWM指令的使用S1指定脉冲宽度，范围132767MS。S2指定周期T0,范围132767MS。D指定脉冲输出Y的元件号。输出的ON/OFF状态用中断方式控制。本课题的周期选定为50MS，每次脉宽增减1MS。因为在低速时如果周期太大，每次增减为1MS会导致电机出现震荡，但是调速精度高；如果周期太小，虽然电机的震荡减轻，但是调速的精度又太低，所以综合考虑周期定为50MS。PWM指令因为要输出两组信号所以用Y0V。变换变址积存器V的值0和1即可。考虑到在低速时，用PWM调速达不到要求，所以用PLSY指令。433PLSY指令PLSY指令用于产生指定数量和频率的脉冲。PLSY指令的使用如图45所示。图45PLSY指令的使用S1指定脉冲频率（11000HZ）。S2指定产生脉冲的数目。脉冲数范围16位指令，132767个脉冲；32位指令，12147483647个脉冲。若指定脉冲数为“0”，则产生无穷多个脉冲。D指定脉冲输出元件号。脉冲占空比为50。脉冲以中断方式输出。44I/O分配列表由于本课题还有其他部分如横梁、左右刀架、垂直刀架等的设计，所以使用的输入输出端口如表41所示。表41I/O分配列表输入端口功能输出端口功能X1启动Y000正转X2停止Y001反转X015转速增加1续表41输入端口功能输出端口功能X016转速减小1X003X01410键输入开关45部分程序设计1限流保护程序限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采取的一种限流措施，当直流电机全压启动时，会产生很大的冲击电流；运行过程中若遇到堵转情况，电流就会超过允许值，对电机换向不利，对过载能力低的晶体管来说，更是不能允许的。限流保护程序如图46所示。图46限流保护程序程序将40（经AD转换后额定电流的两倍）存入D1中，之后将D1与电流反馈回来的数字值（存在D31中）进行比较，如果D31中的值大于或等于D1中的值，则系统停机。2FX2N4AD初始化程序先将识别码送到D4，之后比较识别码是否正确。再设置四个通道的输出类型CH1和CH2为电压输出型，设为“0”；CH3和CH4空闲不用，设为“3”。之后写入平均取样次数，再读状态信息。最后读取采样平均值。程序如图47所示。图47FX2N4AD初始化程序46程序设计中应注意的问题程序的编制就是用编程语言把一个控制任务描述出来，根据在程序设计过程中总结的经验，还应该注意以下几点问题（1）在编程前应了解你所使用的PLC的技术指标，有些技术指标只需一般了解，而有些指标必须搞清楚。例如梯形图中所使用的各种元件编号、图形符号应与所用的PLC机型及指令系统相一致；还有像PLC的执行式、执行速度、程序语言、程序容量、指令条数、输入输出继电器的点数等。这样才能最大限度发挥PLC的作用。（2）PLC作为一种工业控制专用电子计算机，所有控制信息在机内都是通过“0”和“1”两种数字状态进行传输、运算、处理和存贮的。因为在同一时刻同一继电器的触点不可能有两种状态。所以在每个梯形图中一般不允许双线圈输出的情况。并且我们还要注意的是，对于PLC的输入信号，只能是数字信号，而不要把模拟信号直接接到PLC的输入端，应该经过A/D转换器，转换后在联到PLC的输入端。（3）为了保持梯形图简洁并易于编程，在绘制梯形图时，应注意梯形图中的信号流向总是从左到右，从上到下，不能倒流；当有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个回路放在最上面；当有几个并联回路串联时，应将触点最多的回路放在最左边；当有几个线圈并联时，含有触点的支路应放在无触点支路的下面。（4）在编程时输入输出继电器、内部辅助继电器、定时器、计数器等器件的触点数可以重复使用，无需用复杂的程序结构来减少触点的使用次数。（5）指令表程序的编写应遵循各逻辑回路独立编写，一个逻辑回路从左到右的原则。程序中各条指令的顺序不能颠倒，否则将有可能出现错误，达不到预期的控制目的。（6）在调试程序、修改程序的过程中，如果要删除内存中的内容，其地址码一定要复位回到0000状态，否则内存中的程序不能被删除。47系统接线图系统接线图21如图48所示。图48系统接线图系统的总体程序见附录。第五章系统调试51调试中出现的问题及解决方法编制的程序、焊接的电路在理论上是符合要求的，但在调试过程中遇到很多问题。如在驱动电路的调试中，触发电压输出端和上拉电阻之间的开关断开时，对应的IGBT管组接通，负载灯泡亮；但当开关闭合时，负载灯泡仍亮。经过细心的检查电路和分析电路中元件的通断状态，最后发现PLC的接地端和驱动电路的接地端之间有6伏左右的电势差，将两个接地端接在一起后，问题就解决了。在开始驱动时，由于突然给电路的触发电压过大，使一个IGBT管烧坏。在以后启动系统时，将所给触发电压从48V开始增大（IGBT管的触发电压约48V），调到5V就可以驱动整个系统。PLC程序的调试是在可编程控制器实验装置上进行的。由于开始没有弄清楚PLC输出端口的输出（置“0”或置“1”）与驱动电路的IGBT管导通和截止的关系，编制的程序在每一次输出时都使两组IGBT管导通，不符合电机运转的原理。经过仔细的考虑和老师的指导，将控制循环条件改变后在实验台上演示，其输出是符合要求的。运行完全正确的程序在系统再次启动时有时会出现问题，遇到这种情况，检查线路是否断路或短路、运行程序并进行监控、检查元件是否完好按照这个顺序检查整个系统就可以解决问题。在接下来的调试中，由于特别注意这些问题，系统的运行控制都非常顺利。系统调试时如果给定电压一下加到220V时IGBT管可能烧掉，因为当电压开始时就太大，瞬时电流过大，IGBT承受不了所以就烧掉了。调试时先把电压调低点让电机能转，之后再漫漫加电压直到220V。系统就可以正常工作了。52开关问题及元件好坏判定实验中由于自己怕电压过高引起短接的问题，结果忽略饱和电流的问题，以致使自己在调试中发现电枢的电压会随着供压的高低发生变化，而且模块的发热量很高也很快，不符合晶体管的开关特性。后来经查资料，发现触发电流偏小，使管子没有工作在饱和特性下。后来实验中，满足触发电压的同时，确保饱和电流的供给，模块很好的工作了。在电路检查时，故障也可能出现在IGBT上面，由于其内部又不可见。对于这种情况，可以用以下方法来判定每个管子的好坏。在调试时要判断一个号管子的好坏，只需先将其触发，再把C端与E端相连使之短接，如电路接通证明该管子是好的，反之，则说明它是不能正常工作的。因为电压使用的是220V直流电，电阻为220欧时，没考虑到电流过大及时间长做功的问题，不到5分钟，电阻就烧焦了，后来经过审查，换成了1000欧的电阻，工作就正常了，而且IGBT成了较好的开关器件。在以后的的实验中，这一部分工作很理想