毕业设计论文-S7-200PLC控制的PWM直流电机(含程序)

精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 毕业设计论文毕业设计论文 题题 目目 S7 200PLCS7 200PLC 控制的控制的 PWMPWM 直流电机直流电机 学生姓名 专业班级 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 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 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 目 录 1 设计内容及要求设计内容及要求 1 1 1 1 1 2 1 1 3 2 2 系统的总体设计系统的总体设计 3 2 1 直流电动机的结构及工作原理 3 2 1 1 直流电动机的结构 3 2 1 2 直流电机的工作原理 4 2 2 直流电动机的基本方程 5 2 3 直流电动机的机械特性 6 2 4 直流电动机的调速 8 2 4 1 他励直流电动机的串电阻调速 9 2 4 2 降低电枢供电电压调速 10 2 4 3 减弱磁通调速 11 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 12 3 1 直流电机的 PWM 调速概述 12 3 2 直流电动机 PWM 调速系统的构成 12 3 3 S7 200PLC 实现直流电动机的 PWM 调速 17 3 3 1S7 200PLC 的高速脉冲输出指令 17 3 3 2 控制原理的实现 18 4 系统的软件设计系统的软件设计 19 4 1S7 200 PLC 编程的基本概念 19 4 2S7 200 PLC 的编程指令 20 4 2 1 基本逻辑指令 20 4 2 2 基本功能指令 21 4 2 3 中断指令和高速计数器指令 22 4 3STEP 7 Micro MIN V4 0 编程软件简介 25 4 3 1 编程软件项目的组成 25 4 3 2 程序的编写与传送 26 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 5 实验结果分析实验结果分析 27 5 1 控制系统设计概述 27 5 2 1 控制系统的电源设计 27 5 2 2 控制系统功率驱动电路的设计 28 6 结论结论 30 6 1 调速控制系统软件概述 30 6 2 控制系统功率驱动软件 33 6 2 1 功率驱动软件编程思想 33 6 2 2 功率驱动软件的流程图 34 6 2 3 功率驱动软件程序编写 35 6 3 控制系统测速软件 38 6 3 1 系统测速软件编程思想 38 6 3 2 控制系统测速软件流程图 40 6 3 3 控制系统测速软件编程 41 6 4 控制系统扫描显示软件 43 6 4 1 扫描显示软件编程思想 43 6 4 2 扫描显示软件流程图 43 6 4 3 扫描显示软件程序编写 45 7 48 7 1 本次设计实验结果及分析 48 7 2 本控制系统特点 49 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 1 1 设计内容及要求设计内容及要求 1 11 1 设计目的设计目的 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 21 2 设计内容设计内容 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 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 1 31 3 设计原理设计原理 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 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 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 1 1 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 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 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 32 1 3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 电动机的机械特性是指 U UN 常值 If 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 Tem 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 2 ac em eeT RRU nT CC C 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载 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 0 0 N eN em U nn C T 在额定运行点 N emNTN nn TTCI 计算出额定电磁转矩 9 55 emNTNNeNN TCICI 2 2 在电动机的名牌上可以查到 UN IN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 2 2 3 电动机的总损耗为 2 NNNN pU IP 3 额定电枢铜耗为 2 CuaNNa pI R n 02 n 01 n 0 n em T o 1 2 3 4 的机械特性 他励直流电动机22 图 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载 因此 电枢电阻 Ra为 a R 2 3 2 1012 23 NNN N U IP I 4 式中 PN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 PN IN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 n0 0 nN TN 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 Ce 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 Tem 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 N R n 0 n N ne ca T C RR 2 55 9 5 得到额定负载下的运行点 n nRN Tem 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 已经广泛引用在各种机械 设备和生产过程的自动控制系统中 西门子公司的 SIMATIC S7 200 系列属于小型 PLC 可用于代替继电器 的简单控制场合 也可用于复杂的自动化控制系统 由于它有极强的通信 功能 在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用 S7 200 的可靠性高 可以用梯形图 语句表 和功能图三种语言来编 程 它的指令丰富 指令功能强 易于掌握 操作方便 内置有高速计数 器 高速输出 PID 控制 RS 485 通信 编程接口 PPI 通信协议 MPI 通 信协议和自由端口模式通信功能 最大的可以扩展到 248 点数字量 I O 或 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载 35 路模拟量 I O 最多有 30 多 KB 程序和数据存储空间 西门子公司在 2004 年推出了升级产品 CPU 224 和 CPU 226 本设计所 用的是 CPU 224 新产品 CPU 224 除具备升级 CPU 特性外 还集成有 2 路模 拟量输入 1 路模拟量输出 有 2 个 RS 485 通信口 高速脉冲输出频率提 高到 100 kHz 2 相高速计数器频率提高到 100kHz 有 PID 自整定功能 这 种新型 CPU 增强了 S7 200 在运动控制 过程控制 位置控制 数据监视和 采集 远程终端应用 以及通信方面的功能 STEP 7 Micro WIN V4 0 是 S7 200 PLC 系列产品的最新版编程软件 本设计编程就是用 STEP 7 Micro WIN V4 0 编程软件来完成的 STEP 7 Micro WIN V4 0 的兼容性极强 支持所有 S7 200 CPU 22x 系列产品 增 加了数据记录指令 PID 自整定指令 配方指令 夏令时指令 间隔定时指 令 诊断 LED DIAG LED 指令 线性斜坡脉冲指令等 2 3 STEP 7 Micro MIN V4 0 编程软件简介 本节所述的内容是 STEP 7 Micro WIN V4 0 版编程软件的介绍与应用 安装编程软件的计算机应使用 Windows 操作系统 为了实现 PLC 与计算机 的通信 必须配备下列设备中的一种 一条 PC PPI 电缆或 PPI 多主站电缆 一块插在个人计算机中的通信处理器 CP 卡和 MPI 多点接口 电缆 2 3 12 3 1 编程软件项目的组成编程软件项目的组成 图 4 3 是 V4 0 编程软件的界面 项目 Project 包括下列基本组件 4 1 程序块 程序块由可执行的代码和注释组成 可执行的代码由 主程序 OB1 可选的子程序和中断程序组成 代码编译并被下载到 PLC 程序注释被忽略 2 数据块 数据块由数据 变量存储器的初始值 和注释组成 数据被编译并下载到 PLC 注释被忽略 数据块的编写方法详见 13 10 代替继电器控制系统的数字量控制系统可以只设置主程序 OB1 不使用 子程序 中断程序和数据块 3 系统块 系统块用来设置系统的参数 例如存储器的断电保持 范围 密码 STOP 模式时 PLC 的输出状态 输出表 模拟量与数字量输入 滤波值 脉冲捕捉位等 系统块中的信息需要下载到 PLC 系统块中参数的 设置方法详见 13 10 4 符号表 符号表允许程序员用符号来代替存储器的地址 符号 地址便于记忆 使程序更容易理解 程序编译后下载到 PLC 时 所有的符 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载 号地址被转换为绝对地址 符号表中的信息不会下载到 PLC 5 状态表 状态表用来观察程序执行时指定的内部变量的状态 状态表并不下载到 PLC 仅仅是监控用户程序运行情况的一种工具 6 交叉引用表 交叉引用表列举出程序中使用的各操作数在哪一 个程序块的哪一个网络中出现 以及使用它们的指令的助记符 还可以查 看哪些内存区域已经被使用 在作为位使用还是作为字节使用 在运行 RUN 模式下编辑程序时 可以查看程序当前正在使用的跳变触点的编号 交叉引用表并不下载到 PLC 编译成功后才能看到交叉引用表的内容 在交 叉引用表中双击某操作数 可以显示出包含该操作数的那一部分程序 7 项目中各部分的参数设置 执行菜单命令 工具 选项 在出现的对话框中选择某一选项卡 可以进行有关的参数设置 图 2 3 V4 0 编程软件的界面 2 3 22 3 2 程序的编写与传送程序的编写与传送 操作步骤如下 1 创建一个项目或打开一个已有的项目 执行菜单命令 文件 新建 或按工具条最左边的 新建项目 按钮 用菜单命令 文件 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载 打开 可以打开已有的项目 2 设置与读取 PLC 的型号 在编程之前 应正确设置其型号 以 防止创建程序时发生编译错误 执行 PLC 类型 菜单命令 在出 现的对话框中可选择型号 3 选择编译语言和指令集 执行菜单命令 工具 选项 将 弹出选项窗口 在 一般 选项卡中可选择语言和指令集 4 确定程序结构 较简单的控制程序一般只有主程序 OB1 系 统较大 功能复杂的程序除了主程序外 可能还有子程序 中断程序和数 据块 5 编写符号项目 符号表用符号地址代替存储器的地址 便于记 忆 6 编写数据块 数字量控制程序一般不需要数据块 7 编写用户程序 用选择的编程语言编写用户程序 8 注释与符号信息表 符号信息表列出了网络中使用符号地址的 有关信息 未显示网络注释时可以在网络的标题行输入信息 9 编译程序 选择 PLC 菜单中的命令按钮 可以分别编译当 前打开的程序或全部程序 10 程序的下载 上载和清除 2 42 4 组态王的组成组态王的组成 利用组态软件可以进行人机对话 设计组态画面时必须设计包括 监 控画面 实时曲线 历史曲线 参数设定 报表生成 在设计后可以有效 地直观地对控制单位与被控单位进行监控 2 4 12 4 1 画面制作画面制作 建模 建模就是在对系统要求进行分析后 建立数学模型 以转速控制系统 为例 直流电机为控制对象 目的是将直流电机的转速实时显示出 文本输入 用鼠标单击 工具箱 中的 文本 工具按钮 然后将鼠标移动到画 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载 面上适当位置单击 用户便可以输入文字 输入完毕后 单击鼠标 文字 输入完成 图素输入 利用组态王的图库绘制需要的图素 单击 图库 中的 打开图库 菜单项 或使用快捷键 F2 出现 图库管理器 窗口 动画连接 要逼真的显示系统的运行状况 必须将图素和数据库中已经设定的相 应变量联系起来 即让画面 动 起来 将图素和数据库中对应变量建立 联系的过程称为 动画连接 建立动画连接后 当数据库中的变量发生变 化后 图形对象就可以按照设定的动画连接随之做同步的变化 命令语言及控制程序编写 命令语言都是靠事件触发执行的 如定时 数据的变化 键盘键的按 下 鼠标的点击等 根据事件和功能的不同 包括应用程序命令语言 热 键命令语言 事件命令语言 数据改变命令语言 自定义函数命令语言 动画连接命令语言和画面命令语言等 具有完备的词法语法查错功能和丰 富的运算符 数学函数 字符串函数 控件函数 SQL 函数和系统函数 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载 图 2 4 组态监控画面 趋势曲线和其他曲线 1 历史趋势曲线 在组态王开发系统中制作画面时 选择菜单 图库 打开图库 项 弹出 图库管理器 单击 图库管理器 中的 历史曲线 在图库窗口 内用鼠标左键双击历史曲线 如果图库窗口不可见 请按 F2 键激活它 然后图库窗口消失 鼠标在画面中变为直角符号 鼠标移动到画面上 适当位置 单击左键 历史曲线就复制到画面上了 2 实时趋势曲线 在组态王开发系统中制作画面时 选择菜单 工具 实时趋势曲线 项或单击工具箱中的 画实时趋势曲线 按钮 此时鼠标在画面中变为十 字形 在画面中用鼠标画出一个矩形 实时趋势曲线就在这个矩形中绘出 数据报表 数据报表是反应生产过程中的数据 状态等 并对数据进行记录的一 种重要形式 它既能反映系统实时的生产情况 也能对长期的生产过程进 行统计 分析 使管理人员能够实时掌握和分析生产情况 2 4 22 4 2 组态王通讯与变量设置组态王通讯与变量设置 1 通讯连接设置 设置上位机与下位机的连接 在组态王工程浏览器树型目录中 选择 设备 在右边的工作区中出现了 新建 图标 双击此 新建 图标 弹 出 设备配置向导 对话框 在上述对话框选择西门子提供的 S7 200 的 PPI 项后单击 下一步 弹出对话框 接下来为设备选择连接的串口 为 COM1 设备地址为 2 以及设置通信故障恢复参数 一般情况下使用系 统默认设置即可 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载 2 变量定义 在组态王工程浏览器中提供了 数据库 项供用户定义设备变量 根据系 统设计中每个界面需要的各种变量 在数据词典中进行相应的变量定义 所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁 数据库中变量的集合形象地 称为 数据词典 数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息 对于大批同一类型的变量 组态王还提供了可以快速成批定义变量的方法 即结构变量的定义 以下为本次设计中所需要定义的一些数据变量 2 5 测速方法 目前工业中测量转速的方式主要有两种 一种是将转速转化为模拟 信号 对模拟信号进行测量 如测速发电机是将转速直接转换为电压信号 然后测量其电压 这种方法的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的 影响 另一种是将转速信号转化为脉冲信号 然后用数字系统内部的时钟 来对脉冲信号的频率进行测量 这种方法的优点在于抗干扰能力强 不受 温度变化影响 稳定性好 2 6 直流电动机的调速 在生产实践中 有许多生产机械根据工艺 要求需要调节速度 改变生产机械的转速可以 采用改变传动机构的速比实现 这种方法称为 机械调速 在生产中应用较多的是电气调速 即人为地改变电动机的参数 从而得到不同的 转速 从机械特性可知 电动机的转速由电动机 的机械特性和负载机械特性的交点 即工作点 决定 若工作点变了 电动机的转速也就变了 如图 2 6 所示 电动机额定运行时工作于固有 机械特性 1 与负载机械特性 3 的交点 A 其转速为 nA 如果在电枢回路串入 n A n B n 0 n em T o A B 1 2 3 L T 62 图 电动机的调速 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载 电阻 那么电动机的机械特性将变为图中直线 2 它与负载机械特性 3 的交 点为 B 点 电动机的转速变为 nB 从而实现了转速调节 常见的几种调速 方式 1 他励直流电动机的串电阻调速 2 降低电枢供电电压调速 3 减弱磁 通调速 2 7 如何实现电机启动过程的准时间最优 在设备物理上的允许条件下实现最短时间的控制称作 时间最优控制 对于调速系统 在电动机允许过载能力限制下的恒流启动 就是时间最优 控制 实际启动过程与理想启动过程相比还有一些差距 不过这两段时间 只占全部启动时间中很小的成分 无伤大局 故可称做 准时间最优控制 2 8 如何实现电机调速的静态调速无静差 积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行 实现无静差调 速 比例调节器的输出朱取决于输入偏差量的现状 而积分调节器的输出 则包含了输入偏差量的全部历史 从无静差的角度突出地表明了积分控制 优于比例控制的地方 但是从另一方面看 在控制的快速性上 积分控制 却又不如比例控制 同样在阶跃输入作用之下 比例调节器的输出可以立 即响应 而积分调节器的输出却只能逐渐地变化 比例积分控制综合了比 例控制和积分控制两种规律的优点 又克服了各自缺点 扬长避短 相互 补充 比例部分能迅速响应控制作用 积分部分则最终消除稳态偏差 2 9 如何实现电机调速 调制的方法 把恒定的直流电源电压调制成频率一定 宽度可变的脉 冲电压序列 从而可以改变平均输出电压的大小 以调节电动机的转速 3 硬件设计 3 1 控制系统设计概述 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载 本次设计采用 S7 200 PLC 实现 PWM 控制直流电动机 单闭环回路 使 用 PLC 的 CPU224 模块 分析本设计后决策使用的硬件有 开关 固态继电 器 整流装置 光电编码器 直流电机 西门子 PLCS7 200 设计用霍尔传 感器来检测电动机的转速 将其以脉冲的形式输出 并送至 PLC 内部的高 速脉冲计数器 使用 M 法测速原理 通过编程转换成转速 经过软件实时 扫描 从而得到电机的转速 控制器 PLC 被控对象 电 机 光电编码器 图 3 1 控制结构框图 3 2 控制系统的硬件设计 确定了相关的实验设备之后 接下来就需要硬件选型表 3 3 实验平台的搭建 下面是相关的实验设备实物图及整体的实物连接图 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载 图 3 2 实物元件图 图 3 3 整体实物连接图 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载 图 3 4 电气控制原理图 3 43 4 控制系统的转速检测控制系统的转速检测 转速的测量方式有多种 数字测速具有测速精度高 分辨能力强 受 器件影响小等优点 被广泛应用于调速要求高 调速范围大的系统 数字 测速方法有 M 法 T 法 M T 法和 E T 法 关于各方法的使用和优缺点 本 实验使用了 M 法测速 3 53 5 系统测速软件编程思想系统测速软件编程思想 速度检测有模拟和数字两种检测方法 模拟测速一般采用测速发电机 其输出电压不仅表示了转速的大小 还包含了转速的方向 不过模拟测 速方法的精度不够高 在低速时更为严重 对于要求精度高 调速范围大 的系统 一般采用数字测速 数字测速具有测速精度高 分辨能力强 受 器件影响小等优点 被广泛应用于各种调速系统 考虑到实验经费等多方 面因素 本次设计采用数字测速 数字测速最常见的检测元件是光电式旋转编码器 旋转编码器与电动 机相连 当电动机转动时 便发出转速或转角信号 然后送给接受处理装 置 脉冲送到 PLC 的高速计数器中 再通过基于测速原理的计算转换成转 速值 目前常用的测速方法有以下几种 1 M 法 是在一定时间间隔内 对霍尔传感器输出脉冲数进行计数 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载 并计算出转速 适用于电动机转速的高速测量 2 T 法 是通过测量霍尔传感器的脉冲周期来计算电机转速的一种 测量方法 适合于电动机的低速测量 3 M T 法 是结合了 M 法和 T 法的优点 在低速及高速段均有较高 的分辨能力和测量精度 4 E T 法 其原理是从 T 法出发 只是为了克服 T 法高速时的精度 问题 本次实验设计中的电动机的额定转速为 3000r min 用 T 法或 M T 法难 以实现传感器两个输出脉冲之间时间的测量 所以在本次设计中采用了 M 法测量 一 M 法测速的原理 在一定的时间 Tc内测取霍尔传感器输出的脉冲个数 M1 用以计算这段 时间内的平均转速 称作 M 法测速 如图 6 3 所示 把 M1除以 Tc就可得 到霍尔传感器输出脉冲的频率 f1 M1 Tc 所以又称频率法 电动机每转一圈 共产生 Z 个脉冲 把 f1除以 Z 就得到电动机的转速 在习惯上 时间 Tc以 秒 s 为单位 而转速是以每分钟的转数 r min 为单位 则电动机的转速为 6 1 c ZT M n 1 60 在上式中 Z 和 Tc均为常值 因此转速正比于脉冲个数 M1 高速时n M1大 量化误差小 随着转速的降低误差增大 转速过低时 M1将小于 1 测速装置便不能正常工作 所以 M 法测速只适用于高速段 二 M 法测速的分辨率 在 M 法测速中 当计数值由 M1变为 M1 1 时 按式 6 1 相应的转速 由 60 M1 ZTc变为 60 M1 1 ZTc 则 M 法测速分辨率为 6 ccc ZTZT M ZT M Q 6060 1 60 11 2 1 M 传感器输出脉冲 c T 测速时间 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载 图 6 6 M 法测速 可见 M 法测速的分辨率与实际转速的大小无关 从式 6 2 还可看 出 要提高分辨率 即减小 Q 必须增大 Tc或 Z 但在实际应用中 两者 都受到限制 增大 Z 受到编码器制造工艺的限制 增大 Tc势必使采样周期 变长 三 M 法测速的误差率 在 M 法测速中 测速误差决定于编码器的制造精度 以及编码器输出 脉冲前沿和测速时间采样脉冲前沿不齐所造成的误差等等 最多可能产生 一个脉冲的误差 因此 M 法测速误差率的最大值为 6 3 11 max 1 1 6060 1 1 100 100 60 cc c MM ZTZT M M ZT 由式 6 3 可知 与 M1成反比 即转速越低 M1越小 误差率越大 max 实验中固定在电动机轴上的磁片数越多 电动机每转输出的脉冲数就 越多 转速测量也就越精确 由于实际条件的限制 电机每转一圈输出 200 个脉冲 脉冲信号送到 PLC 的高速计数器 程序中设计每隔 200 ms 执行一 次高速计数器指令 程序设计中具体算法分析如下 根据式 6 1 结合本次实验设计 可以得出 Z 3 Tc 50ms 25 1 25s 即 M1为高速计数器所 11 16 25 1 3 60 MMn 计脉冲数 16 为脉冲数到转速值之间的转换系数 在程序中用乘法指令来 实现 本次设计中 在主程序首次扫描时 利用 首次扫描 位 SM0 1 来调 用 PLC 内部高速计数器的初始化子程序 2 实现对高速计数器的状态字节 控制字节 预置值和当前值的设置 然后在调用中断程序 0 来实现脉冲数 到转速的计算与转换 最后把转速值放到一个存储单元 VW20 中 等待扫描 显示 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载 4 PWM 中断 高速计数 PID 指令简介 4 1 直流电机的 PWM 调速概述 直流电机由于具有速度控制容易 启 制动性能良好 且在宽范围内 平滑调速等特点而在冶金 机械制造 轻工等工业部门中得到广泛应用 直流电动机转速的控制方法可分为两类 即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 但低速时受到磁饱和的限制 高速时受到换向火花和换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 调节电阻 R 即可改变端电压 达到调速目的 但这种传统的调压调 速方法效率低 随着电力电子技术的进步 发展了许多新的电枢电压控制方法 其中 PWM 脉宽调制 是常用的一种调速方法 PWM 脉冲宽度调制 是通过控制固定电压的直流电源开关频率 从而 改变负载两端的电压 进而达到控制要求的一种电压调整方法 在 PWM 驱 动控制的调整系统中 按一个固定的频率来接通和断开电源 并根据需要 改变一个周期内 接通 和 断开 时间的长短 通过改变直流电机电枢 上电压的 占空比 来改变平均电压的大小 从而控制电动机的转速 因 此 PWM 又被称为 开关驱动装置 PWM 可以应用在许多方面 如电机调速 温度控制 压力控制等 最近 几年来 随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用 使调 速装置向集成化 小型化和智能化方向发展 与 V M 晶闸管 电动机系统 系统相比 PWM 系统在很多方面有较大的 精品文档 24欢迎下载24欢迎下载 优越性 1 电路线路简单 需用的功率元件少 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 稳态精度高 调速范围宽 可达 1 10000 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 能力强 5 功率开关器件工作在开关状态 导通损耗小 当开关频率适当时 开关损耗也不大 因而装置效率高 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 由于有上述优点 直流 PWM 调速系统的应用日益广泛 特别在中 小 容量的高动态性能系统中 已经完全取代了 V M 系统 4 2 S7 200PLC 实现直流电动机的 PWM 调速 4 2 14 2 1 S7 200PLCS7 200PLC 的高速脉冲输出指令的高速脉冲输出指令 S7 200PLC 的每个 CPU 有两个 PTO PWM 脉冲列 脉冲宽度调制器 发生 器 分别通过数字量输出点 Q0 0 或 Q0 1 输出高速脉冲列或脉冲宽度可调 的波形 3 脉冲输出指令 PLS 见图 3 4 检查为脉冲输出 Q0 0 或 Q0 1 设置的特殊存储器为 SM 然后启动由特殊存 储器位定义的脉冲操作 指令的操作数 Q 0或 1 用于 指定是 Q0 0 或 Q0 1 输出 PTO PWM 发生器与输出映像寄存器共同使用 Q0 0 及 Q0 1 当 Q0 0 或 Q0 1 被设置为 PTO 或 PWM 功能时 PTO PWM 发生器控制输出 在该输出点禁止使用数字输出功能 此时输出波 形不受映像寄存器的状态 输出强制或立即输出指令的影响 不使用 PTO PWM 发生器时 Q0 0 与 Q0 1 作为普通的数字输出使用 脉冲宽度与脉冲周期之比成为占空比 脉冲列 PTO 功能提供周期与 脉冲数目可以由用户控制的占空比为 50 的方波输出 脉冲宽度调制 PWM 简称为脉宽调制 功能提供连续的 周期与脉宽可以由用户控制的输出 本次设计所使用的 PLC CPU 型号为 224 它有两个模拟电位器 用特殊存储 器 SMB28 和 SMB29 来标志 分别对应于模拟电位器 0 和模拟电位器 1 动触 电的位置 只读 通过调节对应的电位器就可以改变 PWM 波的脉宽 由于 本次设计主要用脉冲宽度调制器 PWM 所以对于脉宽列 PTO 就不再作 详细介绍 所有控制字节 周期 脉冲宽度和脉冲数的默认值均为 0 通过修改 PLS EN Q ENO 脉冲输出指令图14 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载 SM 区 包括控制字节 然后再执行 PLS 指令 可以改变 PWM 输出波形的特 性 将控制字节的 PWM 允许位 SM67 7 或 SM77 7 置为 0 然后执行 PLS 指令 在任意时刻均可以禁止 PWM 波形输出 PWM 功能提供可变占空比的脉冲输出 时间基准为 us 或 ms 周期的变 化范围为 10 65535us 或 2 65535ms 脉冲宽度的变化范围为 0 65535us 或 0 65535ms 当指定脉冲宽度大于周期值时 占空比为 100 输出连续 接通 当脉冲宽度为 0 时 占空比为 0 输出断开 如果指定的周期小于 两个时间单位 周期被默认为两个时间单位 可以用下述两种方法改变 PWM 波形的特性 1 同步更新 如果不要求改变时间基准 即可以进行同步更新 同步更新时 波形特性的变化在两个周期的交界处 可以实现平滑过度 2 异步更新 PWM 的典型操作是脉冲宽度变化但周期保持不变 因 此不要求改变时间基准 如果需要改变 PWM 发生器的时间基准 则应使用 异步更新 异步更新瞬时关闭 PWM 发生器 与 PWM 的输出波形不同步 可 能引起被控设备的抖动 因袭建议选择一个适用于所有周期时间的时间基 准 使用同步 PWM 更新 控制字节中的 PWM 更新方式位 SM67 4 或 SM77 4 用来指定更新类 型 执行 PLS 指令使改变生效 如果改变了时间基准 不管 PWM 更新方式 位的状态如何 都会产生一个异步更新 下表为与 PWM 有关的特殊存储器 如果要装入新的脉冲数 脉冲宽度 或周期 应在执行 PLS 指令前将它们装入相应的控制寄存器 表 3 1 PWM 控制寄存器与有关的特殊存储器 Q0 0Q0 1 描述 SM67 0SM77 0 PWM 更新周期值 1 写新的周期值 SM67 1SM77 1 PWM 更新脉冲宽度 1 写新的脉冲宽度 SM67 2SM77 2 未用 SM67 3SM77 3 PWM 基准时间单位 0 1us 1 1ms SM67 4SM77 4 PWM 更新方式 0 异步更新 1 同步更新 SM67 5SM77 5 未用 SM67 6SM77 6 PWM 模式选择 0 PTO 1 PWM 控制 字节 SM67 7SM77 7 PWM 有效位 0 无效 1 允许 SMW68SMW78 PWM 周期值 2 65535 倍时间基准 其他寄 存器 SMW70SMW80 PWM 脉冲宽度值 2 65535 倍时间基准 精品文档 26欢迎下载26欢迎下载 4 2 24 2 2 控制原理的实现控制原理的实现 有了高速脉冲输出指令 实现对直流电动机的 PWM 调速就非常方便了 可以通过控制字节的设置来改变脉冲宽度和周期 实现控制任务 在初始 化子程序中设置控制字节是一个关键程序 若设置出错 就会导致脉冲无 法输出 4 3 中断指令 中断指令使系统暂时中断正在执行的程序 而转到中断服务程序去处 理那些急需处理的事件 处理后返回原程序执行 包括中断允许 ENI 指 令 全局中断禁止 DISI 指令 中断连接 ATCH 指令 中断分离 DTCH 指令 中断返回 CRETI 指令 按优先级从高到低中断可分为通 信口中断 I O 中断 时基中断 1 中断允许 ENI 指令 全局地允许所有被连接的中断事件 全局中断禁止 DISI 指令 全局地禁止处理所有中断事件 中断连接 ATCH 指令 用来建立某个中断事件和某个中断程序之间 的联系 并允许这个中断事件 中断分离 DTCH 指令 用来解除某个中断事件和某个中断程序之间 的联系 并禁止该中断事件 表 5 2 部分中断事件及其事件号 事件号中断描述优先组优先组中的优先级 8通信口0 接收字符0 24通信口1 接受字符1 0I0 0上升沿2 2I0 1上升沿3 12HSC0 CV PV 当前值 设定值 10 27HSC0 输入方向改变11 28HSC0 外部复位12 10定时中断00 11定时中断11 21定时器T32 CT PT 中断2 通信 最高 I O 中等 定时 最低 中断返回 CRETI 指令 根据控制的条件从中断程序中返回到主程序 可用中断程序入口点处的中断程序标号来识别每个中断程序 部分中断事 件及其事件号如表 5 2 所示 4 4 高速计数指令 普通计数器要受 CPU 扫描速度的影响 对高速脉冲信号的计数会发生脉 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载 冲丢失的现象 高速计数器脱离主机的扫描周期而独立计数 它可对脉宽 小于主机扫描周期的高速脉冲准确计数 高速计数器常用于电动机转速检 测的场合 使用时可由编码器将电动机的转速转化成脉冲信号 再用高速 计数器对转速信号进行计数 高速计数器的指令包含定义高速计数器 HDEF 指令和高速计数器 HSC 指令 如表 5 3 所示 高速计数器的时钟输入速率可达 10 30KHz 定义高速计数器 HDEF 指令 为指定的高速计数器 HSCx 选定一 种工作模式 有 12 种不同的工作模式 使用 HDEF 指令可建立起高速计数 器 HSCx 和工作模式之间的联系 操作数 HSC 是高速计数器编号 0 5 MODE 是工作模式 0 11 在使用高速计数器之前必须使用 HDEF 指令来选 定一种工作模式 对每一个高速计数器只能使用一次 HDEF 指令 高速计数器 HSC 指令 根据有关特殊标志位来组态和控制高速计数 器的工作 操作数 N 指定了高速计数器号 0 5 高速计数器装入预置值后 当前计数值小于当前预置值时计数器处于 工作状态 当当前值等于预置值或外部复位信号有效时 可使计数器产生 中断 除模式 0 2 外 计数器方向的改变也可产生中断 可利用这些 中断事件完成预定的操作 每当中断事件出现时 采用中断的方法在中断 程序中装入一个新的预置值 从而使高速计数器进入新一轮的工作 由于中断事件产生的速率远低于高速计数器的计数速率 用高速计数 器可以实现精确的高速控制 而不会延长 PLC 的扫描周期 高速计数器指令在使用过程中 利用相关的特殊存储器位可对高速计 数器实施状态监视 组态动态参数 设置预置值和当前值等操作 HSC0 HSC2 的当前值和预置值所对应的特殊存储器地址如表 4 3 所示 表 4 3 HSC 的当前值和预置值 要装入的值 HSC0HSC1HSC2 新当前值 SMD38SMD48SMD58 新预置值 SMD42SMD52SMD62 为了向高速计数器装入新的当前值和预置值 必须先设置控制字节 并把预置值和当前值存入特殊存储器中 然后执行 HSC 指令 才能将新的 值传送给高速计数器 每个高速计数器都有一个控制字节 控制字节是用来控制计数器工作 精品文档 28欢迎下载28欢迎下载 的 HSC0 HSC2 的控制字节如表 4 2 所示 表 4 2 高速计数器的控制字节 HSC0HSC1HSC2 描述 SM37 0SM47 0SM57 0 复位有效电平控制位 0 复位高电平有效 1 复位低电平有效 SM47 1SM57 1 启动有效电平控制位 0 启动高电平有效 1 启动低电平有效 SM37 2SM47 2SM57 2 正交计数器计数速率选择 0 4 计数速率 1 1 计数速率 SM37 3SM47 3SM57 3 计数方向控制位 0 减计数 1 增计数 SM37 4SM47 4SM57 4 允许更新计数方向 0 不更新 1 更新计数方向 SM37 5SM47 5SM57 5 向 HSC 中写入预置值 0 不更新 1 更新预置值 SM37 6SM47 6SM57 6 向 HSC 中写入新的当前值 0 不更新 1 更新当前值 SM37 7SM47 7SM57 7 HSC 允许 0 禁止 HSC 1 允许 HSC 4 5 PID 指令 4 5 14 5 1 PIDPID 算法算法 PID 控制器管理输出数值 以便使偏差 e 为零 系统达到稳定状态 偏差是给定值 SP 和过程变量 PV 的差 PID 控制原则以下列公式为基础 其中将输出 u t 表示成比例项 积分项和微分项的函数 4 1 式中 e t 调节器输入函数 即给定量与与输出量的偏差 u t 调节器输出函数 Kp 比例系数 精品文档 29欢迎下载29欢迎下载 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数 因为式 4 1 表示的调节器的输入函数及输出函数均为模拟量 所以 计算机是无法对其进行直接运算的 为此 必须将连续形式的微分方程化 成离散形式的差分方程 取 T 为采样周期 k 为采