基于PLC的PWM直流开环调速

1 一 工程训练目的和内容 一 工程训练的目的 工程训练是对学生进行工程基本训练的重要环节 培养学生的工程实践能力 1 通过现场观察 分析 实验和应用常用电器 电子元件 电子仪器 培养学生正确选 择和使用电子器件及仪器的能力 2 电路板的焊接和调试 培养学生实际动手能力 3 通过一个实际系统的工程设计 实现与调试 培养学生工程设计和工程实践能力 总之 工程训练的重点是工程设计 选型 操作 调试及其工程总结 培养学生综合应用 所学知识去解决工程和实际问题的能力 二 工程训练的内容 1 熟悉实验陈列的常用电器 电子元件的外型 型号 结构 参数 特点 工作原理 用途 正确选用合适元件 2 根据给出的电路印刷板 要求推断出其电路原理图 并分析其工作原理 同时训练焊 接技术 要求原理图正确 原理分析透彻 焊接符合要求 3 完成一个实际系统的工程设计 实验与调试 1 用 Protel99se 绘制出系统原理图 2 分析说明系统的工作原理和各单元的工作原理 3 主要参数计算及元器件的选型 列出元器件清单表 4 完成系统的组装与调试 分析系统的性能 2 二 工程训练选题以及设计分析 一 工程训练选题 本次工程训练 为了能够有效提高自己的系统分析设计能力 动手能力 调试能力 自动化技术综合应用能力 并且为了接下来的运动控制的学习打下一定的基础 我们小组 一致决定选择基于 PLC 的直流 PWM 开环调速系统 选题要求及一些参数如下 1 原始参数 电机功率 1 5kW 额定电压 220VDC 额定电流 8 7A 额定转速 1500rpm 额定励磁电压 220VDC 2 根据参数算出 PWM 的最大占空比 3 设计系统主要回路 选定器件的参数 4 根据要求设计控制回路 选定控制器件和 PLC 型号等 5 根据要求设计系统软件 实现电机的开环调速 6 硬件软件中必须有响应的电路保护措施 7 联系实验室进行系统调试 8 实验室调试及结果分析总结 考虑到是开环调速 无须我们进行测速反馈甚至双闭环反馈 可以说难度非常适合即 将开始大四专业课学习的我们 这个选题不仅涵盖了之前的一些专业基础知识 比如电机 及拖动原理 PLC 技术的应用 电力电子技术及 PWM 应用 同时也涉及了运动控制中基 础的直流电机调速部分 是一个自动化技术在工程上的典型应用 设计要求未采用传统的 单片机系统 而采用工业现场中普遍使用的 PLC 来实现 可以帮助我们更好的认识工业应 用 二 系统设计分析 在确认选题后 我们就开始了资料搜索阶段 针对题目 我首先分析了自己的知识薄弱环节 主要有两部分 一是 PWM 技术的应 用 虽然我们已经在电力电子技术课程中进行过学习 在自控实验以及计算机控制实验中 也略有涉及 但我个人还没有实际应用过 PWM 控制技术 二是器件选型的知识 由于我 在工厂供电课程设计时接触了实际电力系统的器件选型 了解到选型是一个需要综合考虑 的一个问题 包括额定值计算 考虑裕量等等 但在实际的电子元器件选型 我却几乎没 有经验 因此 我主要在这两个方向进行资料检索 3 基于题目难度 这里主要将以下几部分进行系统设计分析 一 PWM 技术的应用 PWM 技术可以说是此次设计的核心任务 这里的 PWM 技术是指功率器件工作在开关 饱和导通状态 通过改变功率器件的驱动脉冲信号的开通和关断时间 来改变加载负载两 端的平均电压的大小 对于本题 负载是直流电机 也就是固定脉冲信号的开关频率及周 期 通过改变脉冲宽度来实现改变直流电机的电枢电压 进行调压调速 直流他励电机的调速方法主要有三种 一 电枢串电阻调速 二 改变电压调速 三 弱磁调速 其中 变电压调速应用较广 因为进行调压调速 铜耗较小 电机机械特性较 硬 低速运行时 转速随负载变化幅度较小 稳定性较高 而且能实现无级调速 性能优 越 在实际的直流电动机可逆 PWM 控制 常用的拓补结构包括 T 型半桥电路和 H 桥电路 其中 H 桥电路应用广泛 其电路如图 2 1 所示 图中未画出阻容吸收支路 M V1V3 V2V4 VD1 VD2 VD3 VD4 U 图 2 1 可逆直流 PWM 控制中的 H 桥电路 显然 通过图示电路 对场效应管的控制 实现电机的双向控制 根据在一个开关周 期内 点数两段所作用的电压极性的不同以及电路状态的不同 可逆 PWM 控制可以分为 三种工作模式 即双极性模式 单极性模式和受限单极性模式 在三种控制方式中 我们选择了双极性可逆 PWM 控制模式 其特点是在一个开关周 期内 作用到电枢两端的电压极性是正负交替的 而非指 PWM 驱动信号的双极性 双极性可逆 PWM 模式实现的基本方法是 同侧的上下桥臂控制信号是相反极性的双 极性 PWM 信号或互补的单极性 PWM 信号 而不同侧之间上 下桥臂的控制信号相同 4 对于图 2 1 中所示的 H 桥电路 控制信号是 V1 V4 V2 V3 而实现电机的双向运行 是通过调节 PWM 占空比完成的 以上桥臂 V1 的 PWM 信号 为例 当占空比 50 时 电动机正向运行 当占空比 50 时 电动机反向运行 当 占空比 50 时 电动机两端平均电压为零 电动机处于停止状态 这里点击的旋转正反 方向是相对的 下面对各种电路运行状态进行分析 而无论电机转向如何 双极性可逆 PWM 控制中 共存在四种可能的运行状态 U ia 2L VD2 VD3R ea U ia 1L V1 V4R ea Uia 4L VD1 VD4R ea U ia 3L V2 V3R ea a b c d 图 2 2 双极性可逆 PWM 模式中的等效电路 a 电动状态 b 电动续流状态 c 反接制动状态 d 再生制动状态 运行状态 1 电动状态 在 V1 和 V4 的 PWM 信号为高电平时 功率管 V1 V4 饱和 导通而 V2 V3 关断 电枢两端所加电压为 U 电枢电流上升 电动机处于正向电动状态 等效电路图如图 2 2a 所示 运行状态 2 电动续流状态 在 V1 和 V4 的 PWM 信号变为低电平时 功率管 V1 V4 关断而 V2 V3 饱和导通 电枢两端所加电压为 U 此时电枢电流方向不能立即 改变 电动机的自感电动势克服反电动势通过二极管 VD2 VD3 续流 电动机消耗存储在 电感中的能量 电流衰减 电动机处于电动续流状态 等效电路图如图 2 2b 所示 运行状态 3 反接制动状态 如果电动机续流结束 但 PWM 信号依然没有变化 即 5 V1 V4 维持关断而 V2 V3 维持饱和导通 此时电动机在反向电压的作用下 产生一个 反向的电流回路 如果电动机方向没有改变 运行状态相当于反接制动 等效电路图如图 2 2c 所示 运行状态 4 再生制动状态 如果存在上述的反接制动状态 则 V1 V4 的 PWM 变 为高电平后 电枢两端电压重新为 U 电枢电流方向不能立刻改变 反向电流将经二极管 VD1 VD4 向店员充电并逐渐减小为零 电动机处于再生制动状态 等效电路图如图 2 2d 所示 就电机的集中运行状态 通过图 2 3 来加以说明 图 2 3 是电机正转时的 PWM 变换 器的驱动电压 输出电压和电流波形图 Ug1 Ug2 t t VD2 VD3 VD2 VD3 V1 V4 V1 V4 tonT Ug4 Ug3 t t Us Us UAB tonT idid1 id2 12 112 1212 34434 1 图 2 3 双极性控制可逆 PWM 变换 器的驱动电压 输出电压和电流波形 6 图中 相当于一般负载时的情况 脉动电流的方向始终为正 图中的数字 1 2 表 1d i 示对应于图 2 2 中的 a b 两种运行状态 此时不出现反接制动和再生制动状态 相 2d i 当于轻载情况 电流可在正负方向之间脉动 但平均值仍为正 此时出现电机的四种运行 状态 在双极性 PWM 控制中 当 PWM 占空比为 50 的时候 在稳态情况下电动机将处于 停止状态 而电流的脉动将导致发动机存在一定的微小振动 有利于克服静摩擦等 但同 时对点击的换向及散热不利 双极性控制的桥式可逆 PWM 变换器有下列优点 1 电流一定连续 2 可使电机四象限运行 3 电动机停止时有微振电流 能消除静摩擦死区 4 低速平稳性好 系统的调速范围可达 1 20000 左右 5 低速时 每个开关器件的驱动脉冲仍然较宽 有利于保证器件可靠导通 双极性控制方式的不足之处是 在工作过程中 4 个开关器件可能都处于开关状态 开关损耗大 而且切换时可能发生上下桥臂直通的事故 为防止直通 在上下桥臂的驱动 脉冲之间 应设置逻辑延时 二 线路保护 电路的保护由电压传感器 电流变送器 开关器件继电器完成 所有的传感器检测的 信号送入 PLC 进行软件处理后 将控制信号直接驱动开关线圈或者场效应管 首先从上电整流开始 由于整流侧为大电容 突加交流信号 相当于短路 为了限制整流电流 整流侧串联 一限流电阻 当整流电流达到额定值的 90 时 PLC 输出高电平信号 驱动限流电阻开关 线圈带电 常开触点闭合 常闭触点断开 限流电阻采用常开触点 实现了限流结束后 闭合短路限流电阻 实现切除 这样防止了由于分压引起的误差 在驱动电机过程中 包括整流过流检测和电枢过流检测 整流过流检测比电枢电流检 测高一级 因此动作整定值更大 电枢过电流是为了防止带负载时 负载过大 导致电流 过大烧坏 H 桥场效应管 而整流过电流则防止烧坏整流二极管和限流电阻 当电机运行在回馈制动状态 由于变压器副边不可控整流电路 因此无法将电能回馈 给电网 当电压传感器检测达电压回馈达到泵升电压限制后 导通场效应管续流 通过续 7 流电阻 将多余的电能消耗在电阻上 实现了能耗制动 温度检测模块是当场效应管因长期工作或者过流而温度过高时 PLC 断掉整流电路开 关 防止烧毁 三 场效应管驱动 场效应管属于电压驱动型器件 场效应管的栅源极之间有数千皮法左右的极间电容 为快速建立驱动电压 要求驱动电路具有较小的输出电阻 使场效应管开通的栅源极之间 的驱动电压一般取 10 15V 同样 关断时施加一定幅值的负驱动电压 一般取 5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻 数十欧左右 可以减小寄生 振荡 该电阻阻值应该随被驱动器件电流额定值的增大而减小 图 2 4 可以作为实验的场效应管驱动电路 它包括电气隔离和晶体管放大两部分 当 无输入信号时高速放大器 A 输出负电平 V3 导通输出负驱动电压 当有输入信号时 A 输 出正电平 V2 导通输出正驱动电压 V1 u1 R1 R3 R2 R5 R4 C1 A VCC VCC V2 V3 RG 20V 20V MOSFET 图 2 4 场效应管驱动电路 8 三 直流 PWM 开环调速系统原理 M 电压检测电流检测 电流检测 温度检测 电压传感器 I O 泵升限制 故 障 保 护 故障 综 合 PWM 生 成 驱 动 电 路 通 信 接 口 EM231 V 触 摸 屏 其 他 外 设 PLC S7 200 CPU222 K1 K2 C1 C2 R1 R2 Rb Vb 图 3 1 PLC 控制开环直流 PWM 调速系统硬件原理图 开环直流 PWM 调速系统原理图如图 3 1 所示 其硬件结构主要是由以下几部分构成 1 主回路 三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源 再经过直流 PWM 变换器 得到可调的直流电压 给直流电动机供电 2 检测回路 主要是对可调电压的输入检测 送入 EM231 的 A D 转换送入 CPU222 处理 得到实 际的场效应管驱动输出 另外还包括对故障的检测 3 故障综合 9 对电压 电流 温度信号进行检测 分析比较 若发生故障 立即进行程序处理 实 现软硬件保护 4 PLC PLC 是整个系统的核心 包括了电路控制 电路保护 A D 转换 驱动输出 利用 PLC 实现整个的系统控制 通过 PWM 调速控制 改变一个周期内接通和断开的时间比 占空比 来改变直流电机 电枢上电压的 占空比 从而改变平均电压 控制电机的转速 按照一定的规律改变通 断电的时间 即可控制电机转速 而且采用 PWM 技术构成的无级调速系统 启停时对直 流系统无冲击 并且具有启动功耗小 运行稳定的特点 运行步骤如下 1 PLC 系统上电 下载程序到 PLC 2 开启励磁开关 电机励磁 3 闭合电源开关 选择正转或反转启动电机 4 调节电压输入 改变电机电枢电压 实现调压调速 同时将示波器接到 1 2 号 场效应管的驱动电路输出上 观察调整时 PWM 的脉宽输出 10 四 系统器件选型 系统选型包括了主电路图的所有器件其控制器件的选型 对于最大占空比的选择 我们采用了反推法 即先整定双极性输出时 PWM 最大占 空比为 80 然后进行器件选型 这里主要指整流变压器模块 因此整个系统最大占空 比 80 1 PLC 模块选型 经过统计输入 输出点数 3 路 DI 四路 DO 4 路 AI 并综合考虑稳定性 实用性 和经济性 我们选用西门子公司的 S7 200 可编程控制器 CPU 型号为 CPU222 具有 8 输 入 6 输出 可扩展 2 个模块 工业应用较广 由于保护模块有模拟量的输入进入 PLC 进行处理 因而还要选用一个 PLC 的扩展模 块 模拟量输入模块 由于保护为四路 因而选用 EM231 即 EM 231 CN AI 4 12 位 具有 4 路模拟量输入 采用单极性 全量程范围 0 32000 2 整流变压器模块选型 整流模块的作用是为了给出符合电动机正常运行的电压 从电动机的参数可以看出 电动机的额定电压为直流 220V 而给定的电压为交流 380V 因而我们需要整流模块将给 定的 380V 交流电压整流成平稳的直流电压 再通过 PWM 变换得到 220V 的直流电压 经过查阅资料 我们选用不可控二极管三相整流电路对变压器的副边进行整流 三相整流电路右侧电压 Us 的计算 已设定可调的最大占空比为 80 根据直流电动机的额定电压 可算出不可控三相整 流电路需要整流出来的电压 Us 为 220 0 8 275V 变压器副边电压 U2 的计算 经查阅书籍 得知三相不可控整流电路副边电压与整流电压之间关系如下 Us 2 34U2 4 1 由上式计算得 U2 Us 2 34 得出变压器二次侧电压为 117 5V 考虑变压器的电网电压波动以及线路压降 应将副边电压乘以一个适当的倍数 因而 最终得出的副边电压为 1 1 1 05 U2 136 5V 变压器副边电流 I2 的计算 由三相不可控整流电路的副边电流 I2 和整流电流 Is 的关系可知 I2 0 816Is 4 2 11 代入电枢额定电流 可计算出 I2 7 1A 变压器容量的计算 由以上计算出的副边电压及副边电流 可以计算出三相交流变压器的容量为 S 3U2I2 4 3 可得 S 3 7 1 136 5 2907 5VA 取 3 kVA 因而 变压器选型为 品牌 威泰漋 型号 SGG 3KVA 铁心形状 E 型 频率特性 低频 其性能参数如下 1 节能低噪 采用优质冷轧硅钢片叠装 采用特殊浸漆工艺处理 有效降低了 运行时的震动和噪声 以及采用耐高温的绝缘材料设计等新工艺 新技术的引入 使变压器更加节能 更加宁静 节能低噪线圈留有通风槽 空气流动畅通 有效 降低线圈温度 高可靠性 结构合理 效率高 波形不失真 使用方便可靠 能长 时间运行 性能指标完全符合 GB 6450 干式电力变压器标准要求 可隔离开主电 网供电 防冲击 防干扰 防雷电 2 环保特性 具有耐热性 防潮性 稳定性 化学兼容性 低温性 抗辐射 性和无毒性 3 主要技术参数 1 安全系数高 不产生谐波 2 任意接线方式 无噪音 3 温升 75 4 频率 50Hz 60Hz 5 噪音 40db 6 绝缘等级 B 级 7 外形美观大方 整流二极管选型 整流二极管的参数主要为承受反向电压峰值和二极管的正向平均电流值 二极管承受的反向电压峰值 URM 2 45 U2 2 45 130 320V 二极管正向平均电流 IVD 1 5 2 IS 1 57 11 08A 取 12A 根据以上二极管的参数 考虑到 2 3 URM和 1 5 2 IVD裕量 我们选择深圳深科 电子公司的整流二极管 其型号为 KBU640G反向耐压峰值 800V 二极管正向平均电流 25A 工作温度 55 150 摄氏度 3 PWM 输出模块选型 这里的 PWM 输出模块是指 H 桥场效应管的器件选型 包括 12 场效应管选型 根据实验设备的要求 PWM 输出采用场效应管 场效应管的主要参数为额定正向平 均电流 反向击穿电压值 根据电动机额定电流的参数以及可调的最大占空比 可以 计算出场效应管的正向平均电流为 2 8 7 0 8 1 57 13 85A 其反向击穿电压值应 不小于整流电压值 275V 仍然考虑 2 3 URM和 1 5 2 IVD裕量 因此 根据上述计算的参数 场效应管选型如下 IRFP450反向击穿电压 800V 正向平均电流 20A 平均功率 180W 管型 NMOS 结温 小于等于 150 摄氏度 续流二极管选型 续流二极管的反耐压值应大于 1 5 倍的整流电压值 即 U 1 5 275 413V 其平均正向电流应大于流过场效应管电流的 10 因而正向平均电流为 0 4 14 1 4A 由上述参数对续流二极管选型如下 FR305 最大反耐压值 800V 正向平均电流 3A 正向浪涌电流 200A 反向恢复时间 0 25 微秒 阻容吸收回路选型 为了限制电路电压上升率过大 确保场效应管安全运行 常在场效应管两端并联 RC 阻容吸收网络 利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率 因为电路总是 存在电感的 变压器漏感或负载电感 所以与电容 C 串联电阻 R 可起阻尼作用 它可 以防止 R L C 电路在过渡过程中 因振荡在电容器两端出现的过电压损坏场效应管 同时 避免电容器通过场效应管放电电流过大 造成过电流而损坏场效应管 另外 由于场效应管过流过压能力较差 如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的 RC 阻容吸收网络就是常用的保护方法之一 阻容吸收回路由电阻和电容组成 其电阻与电容的计算可依据经验公式 1 电容 C 2 5 5 108 场效应管正向电流值 14A 计算得出电容的值为 0 75uF 因而电容的选型为 深圳国华电子公司 CBB62 21 MPX 反向耐压值 500V 电容值 0 75uF 2 电阻 R 2 4 535 场效应管正向电流值 14A 计算得出电阻的值为 150 欧姆 13 选型为 深圳国华电子公司 KNP 150W 阻值 150 欧姆 功率 150W 4 保护模块选型 主回路限流电阻选型 由于在主回路中 系统一上电 便会对整流电压侧的滤波电容进行充电 为了防止电 流过大 在整流侧与电容的回路形成短路 必须在主回路中串入限流电阻 限流电阻 保护作用之后 应该在滤波电容两端的电压达到整流电压的 90 被切除 以防止不必 要的损耗 限流电阻是为了不烧毁整流二极管而设置的 根据二极管的正向平均电流以及变压器 二次侧的电压值 可以算出限流电阻的阻值为 R 136 5 1 5 91 欧姆 考虑安全裕量 取限流电阻阻值为 100 欧姆 功率为 500W 因而 限流电阻选型为 深圳凯华信电子有限公司 MFR012 阻值 100 欧姆 功率 500W 滤波电容及均压电阻选型 经三相不可控电路整流出来的电压需要经过电容滤波 才能得到波形更好直流电压 选取滤波电容的容值为 2200uF 则其耐压值应满足 1 5 320V 480V 因此滤波电容的选型为 雅达康电容器公司 2200 uF 500V 所设计的电路中 由于有两个滤波电容串联 需要用均压电阻进行均压 其阻值计算 为 R 220 0 01 22K 设要求流过电阻的电流为 0 1A 则均压的电阻的功率为 P 0 1 0 1 22 1000 220W 均压电阻的选型为 深圳凯华信电子有限公司 MFR031 阻值 22 K 功率 220W 电压传感器选型 由于整流侧电压为 275V 电压传感器应在主回路电压达到 90 的时候 即电压达到 248V 时 发出信号到 PLC 中 以产生动作将主回路中的限流电阻切掉 因而 电压传感器的选型为 深圳信瑞达公司 LF DV22 32A 0 2 0 400V 其主要参数为 输入范围 0 400V 响应时间 小于等于 300 毫秒 输出 0 5V 冲击电压 5KV 电流变送器选型 当电流变送器检测到大于电动机额定电流 8 7A 则向 PLC 发出信号 进行相应的保 14 护 电流变送器选型为 深圳信瑞达公司 LF 35D20 1 0 0 20A 其主要参数为 输入 0 20A 输出 0 5V 线性温度传感器选型 当系统长期工作时 场效应管的发热效应不能忽视 因而需要温度传感器对场效应管 的工作过程进行保护 由场效应管的参数可知 场效应管的结温为 150 考虑安全 裕量 则线性温度传感器的输入应为 0 120 温度传感器的选型为 北京新银燕技术开发有限公司 YTW Cu 50 0 5V 0 120 其主要参数为 输入温度范围 0 120 输出 0 5V 15 五 PLC 程序设计及程序流程图 PLC 程序主要实现启动和停车的要求 完成线路保护 并进行 PWM 输出 启动过程 我设计了电机的正反转按钮 而没有通过调节电阻的输入确定正反转方向 这样的优点在于使用灵活 同时对电机的正反转保护到位 防止调节电阻突然变化时 引 起的电机转向突然变化 线路保护主要通 EM231 的 A D 模块采样值进行故障检测 事实上 传感器信号进入 PLC 处理有多种方式 常用的是将传感器输出变换为高低电平 进行检测 或者通过 A D 转换进行软件处理 另外老师提供了一种继电器转换的方式 也可以实现 我们选择了 EM231 的 A D 转换来实现 EM231 的输入数据格式如图 5 1 所示 图 5 1 CPU 中模拟量输入字中 12 位数据值的存放位置 模拟量到数字量转换器 ADC 的 12 位读数 其数据格式是左端对齐的 最高有效位是 符号位 0 表示是正值数据字 对单极性格式 3 个连续的 0 使得 ADC 计数数值每变化 1 个单位则数据字的变化是以 8 为单位变化的 对双极性格式 4 个连续的 0 使得 ADC 计数 数值每变化 1 个单位 则数据字的变化是以 16 为单位变化的 双极性全量程范围 32000 32000 单极性全量程范围 0 32000 程序中 对电流检测 电压检测都是通过 EM231 模块完成 温度模块虽然经过了设计 但是并未在 PLC 的外围接线电路中画出来 这里对进行故障检测的比较值进行说明 电压检测包括两部分 达到 90 时的限流电阻切除 即电压传感器检测到大于 275 0 9 248V 时 应该发出切除限流电阻的信号 由于选择的传感器和变送器都是二线 制 标准输出信号 电压 为 0 5V 因此线性关系 直接有 AIW 的设置比较值选择为 248 400 32000 19840 也就是全量程的 62 16 同样 进行泵升限制时 1 2 275 330V 得到整定比较值 26400 电流检测时 对于电枢电流 考虑一定的过载 选取 12A 时进行动作 整流线路的限 流由于高一级 因此整定值定为 16A 这样它们的整定值分别为 12 20 32000 19200 16 20 32000 25600 PLC 程序的软件框图如图 5 2 封锁 PWM 输出 禁止电机启动 开始 有故障 限流结束 切掉限流电阻 正转 Y N Y N Y 正转处理反转处理 N PWM 输出 PLC 停止 结束 N Y 图 5 2 PLC 程序框图 图中的正转处理过程与反转处理过程主要是对 PWM 的设置 S7 200 PLC 的 PWM 使用如下 1 确定脉冲发生器 它包括两方面工作 即根据控制要求 一是选用高速脉冲 串输出端 发生器 二是选择工作模式 PWM 2 设置控制字节 按控制要求设置 SMB67 或 SMB77 特殊寄存器 3 写入周期值和脉冲宽度值 按照控制要求将脉冲周期值写入 SMW68 或 SMW78 得特定寄存器 将脉宽值写入 SMW70 或 SMW80 特殊寄存器 4 执行 PLS 指令 经过设置后 用 PLS 指令即可启动 PWM 并由 Q0 0 或 Q0 1 17 输出 对于 SMB67 和 SMB77 的控制字节写法见表 5 1 表 5 1 PLC 使用 PWM 的控制字节的各位含义 Q0 0 控制位Q0 1 控制位功能描叙 SM67 0SM77 0 PWM 更新周期值 0 不更新 1 允许更新 SM67 1SM77 1 PWM 更新脉冲宽度值 0 不更新 1 允许更新 SM67 2SM77 2 PTO 更新输出数 0 不更新 1 允许更新 SM67 3SM77 3 PWM 时间基准选择 0 s 单位时基 1 ms 单位时基 SM67 4SM77 4 PWM 更新方式 0 异步更新 1 同步更新 SM67 5SM77 5 PTO 单 多段方式 0 单段管线 1 多段管线 SM67 6SM77 6 PWM 模式选择 0 选用 PTO 模式 1 选用 PWM 模式 SM67 7SM77 7PWM 脉冲输出 0 禁止 1 允许 例如在程序中 对于两路 PWM 输出 一路输出时 要禁止另一路输出 分别设定控 制字节 分别表示 1 选用 PWM 模式 允许 PWM 输出 s 为单位时基 不改变周期值 允许更新脉宽值 同步更新方式 2 选用 PWM 模式 不允许 PWM 输出 s 为单位时基 不改变周期值 允许更新脉宽值 同步更新方式 程序设定 PWM 输出周期 100 s 已经设定 PWM 最大占空比为 80 按照双极性输出原理 即 90 US 10 US 得到最大占空比是分别由 0 9 和 0 1 的两路 PWM 输出 电机最初的占空比为 50 所以不论正转还是反转 要限制 PWM 占空比变化小于或 等于 40 程序将采样的得到的结果除单极性最大量程 32000 乘以 40 得到变化的最大 范围 以 V1 V4 的驱动 PWM 信号为例分析如下 正转时 用 50 加上最大变化范围 得到脉冲宽度值 50 90 s 对应占空比 50 90 同理 反转用 50 减去计算得最大变化范围 得脉冲宽度值 10 50 s 对应占空比 10 50 同时 为了使两路 PWM 输出交替产生 即 1 路高电平持续结束后 2 路高电平开始 18 因此在两路交替输出时 要禁止另一路的 PWM 输出 最后将 PLC 的 I O 分配地址列下 如图 5 3 所示 图 5 3 PLC 的 I O 地址分配 19 六 系统调试及结果分析 在设计完毕后 我们进入实验室 进行系统实验和调试 从系统总体角度讲 原理正确 器件选型合适 PLC 程序无误 就可以完成既定任务 在这里我们观察了两路 PWM 输出波形 与程序理论上基本符合 在调试过程中 我们发现了一个很显著的问题 PWM 死区问题 正如第二部分系统设计分析时 提出的关于软件延时的问题 为了防止上下桥路同时 导通 使得电源短路 因此在上路桥的驱动电压信号结束后 不能立即开通下路桥驱动电 压 这个延时时间称为死区时间 死区定义如下 由于为推挽动作的断开时间 tdOFF的存在 如果推挽动作中的开关元件 同时处于 ON 状态 会出现短路现象 引起设备烧损 所以在使用时 应设计数空区 死 区时间 DT 如果用 PLC 直接实现 要求增加一个高速计数脉冲 会对 PWM 的输出 以及系统的 执行时间产生不必要的影响 因此我在实验室 学习到了利用硬件进行延时的方案 图 6 1 是由时钟振荡电路的输出产生推挽用输出信号的电路 该电路可使 OUT1 OUT2 的 DT 部分分离 这种电路的特征是 DT 通常恒定 输入频率变化 输出波 形的负载也同样变化 由于需要延迟电路部分的输人波形的负载为 50 故应以规定频率 的 2 倍作为触发电路的输入 当时钟 负载均变为 50 时 就不需要触发电路 1 OUT 74HC132 C R F F 2f 输入 Q Q 2 OUT DT DTDT f Q Q 或 DT 死区时间 图6 1 死区时间发生电路 20 七 总结与收获 首先总结此次工程训练 从完成的功能角度讲 可以说基本达到了任务要求 而我个人则在这次训练收获了很多 从设计开始到调试 我们遇到了很多问题 但最 终经过老师和学长的指导 以及自己的翻阅资料 对整个系统 对直流调速 对 PWM 以 及 PLC 的应用都有了进一步的熟悉 在设计最初是对 PWM 的熟悉过程 包括 H 桥的单极性控制和双极性控制 我翻阅了 很多资料 并进行对比 单独拿出 PWM 一个周期进行分析 就是直流斩波的应用 也就 是离不开电力电子技术的应用 事实上 直流斩波器也广泛应用于生产 生活等实际情况 当中 我们通过这次设计 对 PWM 中 占空比 死区的有了更实际的了解 接下来是器件选型过程 这一过程十分繁琐 从元件额定值的计算 到考虑裕量进行 估算 再到最后查阅电工手册等资料进行器件选择 都耗费了很多时间 不仅如此 在很 多器件的选择过程中