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嵌入式PLC在电机控制中的应用 班级：08机设 学号：200830454014 姓名：郤浩文摘要:嵌入式可编程控制器操作简便、可靠性高,非常适合于电机精确控制方面的应用。文章采用PLC、直流伺服电机和光电编码器等设备,设计了数控直流伺服电机控制系统。该系统采用了精确的PID闭环控制和工进、快进两档变速功能。试验结果表明,该系统有较好的控制精度和可靠性。 嵌入式可编程控制器(PLC)以微处理器为基础,面向控制过程,适应工业环境,操作方便,可靠性高。从1969年第一台可编程控制器面世以来,经过40年的发展,已经成为最重要最普及应用场合最多的控制器。它使用可编程记忆体存储指令用来执行诸如逻辑、顺序、计时演算的功能,并通过数字或者类似的输入输出模块控制各种机械设备。本论文以数控机床单轴系统为例描述了基于PLC的控制系统的设计步骤和设计思路,提出了一整套完整的基于PLC的精确直流电机控制的设计思路,具有一定的通用性。 1控制系统硬件设计 本设计使用直流伺服电机设计了一种速度可控的高精度伺服系统。其中直流电机选择日本山洋公司PG90型号电机直流伺服电机,转速为3 000 r/min, 编码器为圆光栅编码器。选择西门子S系列PLC控制器,它支持8针非隔离型和9针隔离型RS232串口通信,可以方便的与触摸屏、伺服驱动器等进行通信。直流伺服电机带动工作台前进,运动过程分为以速度V1快进,以速度V2工进两档变速控制。采用光栅进行转速测量,通过共阴极七段数码管用于实时显示直流电机的转速。图1表示了该系统的基本控制结构示意图。 其中编码器产生信号是一组高速脉冲,电机每转一圈产生脉冲信号100个,接到PLC内部高速计数器上,通过Q0.1输出到直流电机两端实现调速和正反转。 2PLC状态转移图设计 状态转移图用于描述控制系统的工作时序,它是按照设计需求,分析各个输入输出与各种操作的基本逻辑关系,根据系统各设备操作内容和顺序。以状态转移的形式强调动作的顺序和条件。状态转移图是基于PLC的控制系统设计的起点,它的主要组成要素由以下几个部分组成。 步:表示某个执行元件状态变化用矩形框表示,数据表示该步编号。初始步用双线框表示。 转移条件:两个步之间用一段横线表示转移,可用文字图形符号或逻辑表达式注明转移条件。当相邻两步之间的转移条件满足时自动转换 动作说明:在步右侧加一个矩形框说明该步对应的动作。 逻辑结构:主要有分支结构和循环结构两种,选择性分支表示在某步后执行若干分支中一条。选择性分支开始用水平线将各分支相连,结束后用水平线将其汇合;循环结构用于多次反复执行。 图2直流电机伺服控制系统的状态转换图。直流伺服电机控制系统的基本工作步骤如下:循环开始工件处于左右丝杠之间,按下启动按钮SB1,接触器KM1得电保持,直流电机正转;电机拖动工件向左快速运行。行至SQ2处限位处,KM1失电,KM2得电,工件向左慢速运行,当到达SQ1处,KM2失电,此时定时器T1开始通电定时,工件停止3s,而后KM3得电,电机反转拖动工件开始向右快速运行。 3PLC梯形图设计 现代PLC采用梯形图作为设计输入方法,软件可以实现梯形图到程序代码的转换。工业电气控制线路中,实现的基本方法是通过继电器、接触器等途径和手段,它们只有0和1两种状态,类似于计算机的二进制码。梯形图正是用来表示这些二进制码之间的逻辑关系,左边的母线如同电源火线,右边母线如同零线。能量可以通过被激励的常开触点或者未被激励的常闭触点自左向右流动,当能量流过线圈时,线圈就被激励。 图2中的状态转移图描述了电动机的不同工作状态的转换,使用梯形图技术可以方便的将图2的状态转移图转换为梯形图,如下图3所示。其中每个过程都可以分成启动模块,自锁保持和停止模块三部分组成,控制电动机在特定的限位标志处启动和停止。 在每个运动过程直流电机精确速度控制是通过闭环控制来实现,给定速度经过PLC高速计数器模块反馈回来与实际的速度进行相减得到速度误差,经过PLC比例积分微分操作控制,再经过D/A变换器变换成模拟信号电机运动,从而达到调速的目的。 其中PID控制算法是最为经典的控制系统设计方法,实现途径是通过下面公式(1)把比例积分微分各个环节离散化: Mn=Kc*en+Kiei+KD(en-en-1)+Minital(1) 其中en为第n次采用时刻PID回路输出计算值;KD为微分项的系数;Ki为积分项的系数;Minital为回路输出初始数值。 4电机控制程序现场测试和修改 PLC程序测试需要到现场与相关的硬件设备进行联机调试,将PLC系统与现场信号隔离,可以使用暂停输入输出服务指令或切断输入输出外部电源,以免引起造成事故的机械设备动作。待调试工作完成后。将程序固化在EPROM中。本设计的全数字电机速度控制系统,经过试验测定,在采样周期T=50 ms,比例和微分系数分别为 0.85和1.02时,电机的速度误差小于1.0 %。 5结语 文章以数字控制加工系统为例系统阐述了可编程控制器在电机精密控制系统中的设计