基于PLC的直流电机调速系统设计

学院毕业设计 基于 PLC 的直流电机调速系统设计 学 生 学 号 专 业 班 级 指导教师 学院自动化与电子信息学院 年 摘摘 要要 设计选用日本三菱公司FX2N 16MT基本单元和FX2N 4AD FX2N 2DA 模拟量 输 输出扩展模块 并利用其功能指令设计的直流脉宽双闭环调速系统 实现了 调速过程速度快 精度高 控制系统的参数便于调试和高工作可靠性 通过给定 的调速系统硬件配置和梯形图 经模拟调试输出信号验证了各项指标均满足调 速系统的要求 关键词 关键词 PLC 调速系统 应用 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 ABSTRACTABSTRACT The double closed loop DC PWM speed system of direct motor uses the FX2N 16MT basic unit of Japanese Mitsubishi company and FX2N 4ADs FX2N 2DA emulation input output expanding mold making use of its function instruction It realizes fast adjust mend of the speed course high precision which make it easy to debug control procedure and work reliable which is a development direction in the industrial control Hardware disposition and ladder chart are given in this text It can be adjusted by emulation and various index signs of output signal all satisfy the requirements of the adjust system KeyKey wordswords PLCPLC AdjustingAdjusting SpeedSpeed SystemSystem ApplicationApplication 目录 1 1 直流调速系统的发展史概述 1 1 2 可编程控制器 PLC 2 1 2 1 PLC 的发展概述 2 1 2 2 PLC 的特点 3 1 3 选题背景及论文主要内容 4 1 3 1 选题背景 4 1 3 2 论文的主要内容 4 第 2 章 直流调速系统 6 2 1 调速系统的性能指标 6 2 1 1 稳态性能指标 7 2 1 2 动态指标 8 2 2 PWM 直流调速系统 10 2 2 1 直流电动机的 PWM 控制原理 10 2 2 2 PWM 直流调速系统的组成 11 2 2 3 PWM 调速系统的主要参数 17 2 3 双闭环直流脉宽调速系统 19 2 3 1 电流 转速反馈环节 19 2 3 2 设计中的调节器计算 21 2 3 3 双闭环脉宽调速系统的起动过程 25 第 3 章 现代 PLC 控制技术 27 3 1 PLC 的组成和分类 27 3 2 PLC 的工作原理 27 3 3 PLC 电机控制系统设计的基本内容和步骤 29 3 3 1 PLC 的硬件设计的一般步骤 29 3 3 2 PLC 软件设计的一般步骤 30 3 3 3 设计中用到的模块 31 第 4 章 基于 PLC 的直流电机调速系统设计 33 4 1 设计任务 33 4 2 脉宽调制系统特有部分设计 33 4 3 PLC 硬件设计 35 4 4 PLC 软件设计 37 结束语 39 致谢 40 参考文献 主要及公开发表的文献 41 附录 43 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 第 1 章 引 言 传统直流电动机双闭环调速系统采用的是继电器控制 加PI 调节器及校正 装置 实现控制系统稳定运行 但由于继电器 集成运算放大器 电气元件的 老化易出故障而损坏 而且结线复杂 使其工作可靠性较差 采用 PLC 设计的 直流电动机双闭环调速系统能有效地克服上述缺点 并且具有结构简单 调试 修改参数方便 工作可靠 性能价格比较高的优点 同时 PLC 控制的直流电 动机双闭环调速系统实现了数字化控制 13 14 1 1 直流调速系统的发展史概述 电机调速的发展与电力电子技术的发展是不可分离的 电机调速和电力电 子技术相互结合 相互促进 实现了现代的电气传动控制 一弱点检测 判断 并发出控制信息 用强电来执行控制的使命 从这个角度上看 可以说 现代 电气控制技术是强电与弱点相结合的技术 早期的电机控制只是利用电器来控制电动机的启动 制动 正反转和分级 调速 随着技术的进步 生产工艺对电机控制提出了越来越高的要求 诸如精 确稳定的运行速度 无极调速 快速反向 准确定位等等 直流电机变压和弱 磁调速可以比较好的满足这些要求 于是诞生了旋转变流机组供电的直流调速 系 Ward Leonard系统 简称G M系统 对调速性能要求再高时 则引入电机 型放大器 磁放大器 电子放大器等放大装置进行反馈控制 到上世纪五十年 代 机组供电直流调速系统的控制技术发展到了巅峰的阶段 也正是它的缺点 暴露的最充分的时候 它的设备多 体积大 费用高 效率低 安装须地基 运行有噪音 维修不方便等等日益称为生产上的负担 为了解决这些矛盾 人 们开始采用水银整流器和闸流管等静止变流装置来代替旋转变流机组 形成所 谓的离子传动控制系统 1957年 可控的半导体器件 晶闸管问世 由它组成的 静止式可控整流装置无论在运行性能上还是在可靠性上都具有明显的优势 60 年代成了晶闸管的时代 这种静止式变流装置供电的直流调速系统称为晶闸管 电动机调速系统 简称V M系统 70年代以来 国际上电力电子技术突飞猛进 推出了新一代的开和关都能控制的 全控式 电力电子器件 如门极可关断晶 闸管 GTO 大功率晶体管 GTR 场效应晶闸管 P MOSFET 等 自从全控 型电力电子器件问世以后 就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式 形成了脉宽调制变换器 直流电动机调速系统 简称直流脉宽调速系统 或直流 PWM调速系统 1 3 5 10 1 2 可编程控制器 PLC 可编程序控制器的英文为 Programmable Controller 在二十实际七十至 八十年代一直简称为 PC 由于到 90 年代 个人计算机发展起来 也简称为 PC 加之可编程序的概念所涵盖的范围太大 所以美国 AB 公司首次将可编程序 控制器定名为可编程序逻辑控制器 PLC Programmable Logic Controller 为了方便 仍简称 PLC 为可编程序控制器 6 15 1 2 1 PLC 的发展概述 1968年美国 GM 通用汽车 公司提出取代继电器控制装置的要求 第二年 美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器 满足了 GM 公司装配线的要求 随着集成电路技术和计算机技术的发展 现在已有第五代 PLC 产品了 在八十 年代至九十年代中期 是 PLC 发展最快的时期 年增长率一直保持为30 40 由于 PLC 人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步 挤占了一部分 DCS 的 市场 过程控制 并逐渐垄断了污水处理等行业 但是由于工业 PC IPC 的 出现 特别是近年来现场总线技术的发展 IPC 和 FCS 也挤占了一部分 PLC 市 场 所以近年来 PLC 增长速度总的说是渐缓 目前全世界有200多厂家生产 300 多品种 PLC 产品 主要应用在汽车 23 粮食加工 16 4 化学 制药 14 6 金属 矿山 11 5 纸浆 造纸 11 3 等行业 我国市场上流行 的有如下几家 PLC 产品 施耐德公司 包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品 目前有 Quantum Premium Momentum 等产品 罗克韦尔公司 包括 AB 公司 PLC 产品 目前有 SLC Micro Logix Control Logix 等产品 西门子公司的产品 目前有 SIMATIC S7 400 300 200系列产品 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 GE 公司的产品 日本欧姆龙 三菱 富士 松下等公司产品 6 1 2 2 PLC 的特点 1 编程方法简单易学 梯形图是使用最多的 PLC 编程语言 其电路符号和表达方式与继电器电路 原理图相似 梯形图语言形象可观 易学易懂 熟悉继电器电路图的电气技术 人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言 并用来编制用户程序 6 17 2 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路 技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很 高的可靠性 例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来 说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及 开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有 硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 在应用软件中 应 用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除 PLC 以外的电路及设 备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了 3 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用 于各种规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具有完善 的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 PLC 的功能单元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC 通信 能力的增强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易 4 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继 电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计 算机从事工业控制打开了方便之门 5 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制 系统设计及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同 一设备经过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产 场合 6 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于100mm 重量小于150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理想控制 设备 1 3 选题背景及论文主要内容 1 3 1 选题背景 在现代工业中 为了实现各种生产工艺过程的要求 需要采用各种各样的 生产机械 这些生产机械大多采用电动机拖动 多数生产机械的任务是将电能 转换为机械能 以机械运动的形式来完成各种工艺要求 随着工业技术的不断 发展 各种生产机械根据其工艺特点 对生产机械和拖动的电动机也不断提出 各种不同的要求 有的要求电动机能迅速启动 制动和反转 有的要求多台电 动机之间的转速按一定得比例协调运动 有的要求电动机达到极慢的稳速运动 有的要求电动机启 制动平稳 并能准确地停止在给定的位置 上述这些不通 的工业要求 都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置实现的 可见各种拖 动系统都是通过控制转速来实现的 因直流电动机具有良好的起 制动性能 宜于在大范围内平滑调速的特点 故被广泛的应用在需要调速或快速正方向的 电力拖动领域中 1 鉴于以上原因 本文对直流拖动控制系统进行研究 并对系统进行改造和 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 升级 从直流调速系统的动态性能来讲 具有一定得意义 1 3 2 论文的主要内容 本文是设计一个基于 PLC 的控制电路为电流 转速双闭环 主电路为双极 性可逆 H 形直流脉宽调速的可逆直流调速系统 采用专用集成驱动电路 本设 计选用汤姆森公司的 UAA4002型产品 对直流电机调速系统进行了研究和设计 具体做了以下的工作 1 对双闭环控制的 PWM 直流调速系统进行了理论研究 2 对现代 PLC 控制技术进行了研究 3 采用 visio 2003 软件对相关电路进行设计 绘制 4 对调速系统的 PLC 控制部分进行设计 第 2 章 直流调速系统 人为机械特性方程式为 nnT KK RR K U n Nfe aad Ne N 0 2 式中 UN N 额定电枢电压 额定磁通量 Ke Kt 与电机有关的常数 Rad Ra 电枢外加电阻 电枢内电阻 n0 n载转速 转速降 T 周期 可得 当分别改变UN N和Rad时 可以得到不同的转速 从而实现对速 度的调节 由于 F If 当改变励磁电流If时 可以改变磁通量 的大小 从 而达到改变磁通调速的目的 但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制 电 动机的励磁电流If和磁通量 只能在低于其额定值的范围内调节 故只能弱磁 调速 而对于调节电枢外加电阻Rad时 会使机械特性变软 导致电机带负载能 力减弱 特性 通过改变电枢电压调节直流电机速度的方法被广泛采用 改变电枢 电压可通过多种途径实现 如利用晶闸管供电速度控制系统 大功率晶体管速 度控制系统 直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等 1 3 2 1 调速系统的性能指标 一台需要转速控制的设备 其生产工艺对控制性能都有一定的要求 例如 本文设计的调试系统要求稳态无静差 动态过渡过程时间 ts 0 1s 电流超调量 5 空载起动到额定转速时的转速超调量 10 所有这些要求 都 i n 可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标 作为设计系统时的依据 各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求 归纳起来有以下三 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 个方面 1 3 1 调速 在一定的最高转速和最低转速范围内 分档 有级 地或者平 滑 无级 地调节转速 2 稳速 以一定的精度在所需转速上稳定地运行 不因各种可能的外来 干扰 如负载变化 电网电压波动等 而产生过大的转速波动 以确保产品质 量 3 加 减速控制 对频繁起 制动的设备要求尽快地加 减速 缩短起 制动时间 以提高生产率 对不宜经受剧烈速度变化的生产机械 则要求起 制动尽量平稳 以上三个方面有时都须具备 有时只要求其中一项或两项 其中有些方面 之间可能还是相互矛盾的 为了定量地分析问题 一般规定几种性能指标 以 便衡量一个调速系统的性能 2 1 1 稳态性能指标 运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标 又称静态指标 例如 调速系统稳态运行时调速范围和静差率 位置随动系统的定位精度和速度跟踪 精度 张力控制系统的稳态张力误差等等 下面我们具体分析调速系统的稳态 指标 1 3 5 1 调速范围 D 生产机械要求电动机能达到的最高转速 nmax和最低转速 nmin之比称为调速 范围 用字母 D 表示 即 其中 nmax 和 nmin 一般指额定负载时的转速 对于少数负载很轻的机械 例如精密磨床 也可以用实际负载的转速 在设计调速系统时 通常视 nmax为 电动机的额定转速 nnom 2 静差率 S 当系统在某一转速下运行时 负载由理想空载变到额定负载时所对应的转 速降落 nnom与理想空载转速 n0称为静差率 S 即 显然 静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度 它和机械特性 的硬度有关 特性越硬 静差率越小 转速的稳定程度就越高 由此可见 调速范围和静差率这两项指标并不是孤立的 必须同时提高才 有意义 2 1 2 动态指标 运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标 动态指标包括跟随性能 指标和抗扰性能指标两类 1 3 1 跟随性能指标 在给定信号 或称参考输入信号 R t 的作用下 系统输出量 C t 的 变化情况用跟随性能指标来描述 对于不同变化方式的给定信号 其输出响应 不一样 通常 跟随性能指标是在初始条件为零的情况下 以系统对单位阶跃 输入信号的输出响应 称为单位阶跃响应 为依据提出的 如图2 1所示 具体 的跟随性指标有下述几项 图 2 1 随性能指标的单位阶跃响应曲线 1 上升时间 tr 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值所需的时间称为上升时间 它表示动态响应的快速性 2 超调量 动态过程中 输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比 用百分数 表示 叫做超调量 即 超调量用来说明系统的相对稳定性 超调量越小 说明系统的相对稳定性 越好 即动态响应比较平稳 3 调节时间 ts 调节时间又称过渡过程时间 它衡量系统整个动态响应过程的快慢 原则 上它应该是系统从给定信号阶跃变化起 到输出量完全稳定下来为止的时间 对于线性控制系统 理论上要到才真正稳定 实际应用中 一般将单位阶 跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带 通常取稳态 值的 5 或 2 所需的最小时间定义为调节时间 2 抗扰性能指标 图 2 2 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标 1 动态降落 Cmax 系统稳定运行时 突加一个约定的标准的负扰动量 在过渡过程中所引起 的输出量最大降落值 Cmax叫做动态降落 用输出量原稳态值 C 1的百分数来表 示 输出量在动态降落后逐渐恢复 达到新的稳态值 C 2 C 1 C 2 是系统在 该扰动作用下的稳态降落 2 恢复时间 tv 从阶跃扰动作用开始 到输出量基本上恢复稳态 距新稳态值 C 2之差进 入某基准量 Cb 的 5 或 2 范围之内所需的时间 定义为恢复时间 tv 其 中 Cb 称为抗扰指标中输出量的基准值 调速系统的动态指标以抗扰性能为主 而随动系统指标则以跟随性能为主 2 2 PWM 直流调速系统 2 2 1 直流电动机的 PWM 控制原理 制调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器 简称PWM变换器 图2 3是脉 宽调制型调速系统原理图和波形图 开关VT表示脉宽调制器 调速系统的外加 电源Us 为固定的直流电压 当开关VT闭合时 直流电流经过VT给电动机M供电 开关VT断开时 直流电源供给M的电流被切断 M的储能经二极管VD续流 电枢 两端电压接近为零 如果开关VT按照某固定频率开闭而改变周期内的接通时间 时 控制脉冲宽度相应改变 从而改变了电动机两端平均电压 达到调速目的 1 2 12 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 T VT VD Ud M Us u t ton Ud 控制电路 图 2 3 a 原理图 b 波形图 2 2 2 PWM 直流调速系统的组成 由GTR构成的脉宽调速系统的组成如下图2 4 1 2 12 其中GM为三角波振荡 器 UPW 为脉宽调制器 GD为基极驱动器 PWM为脉宽调制变换器 FA为瞬时 动作的限流保护环节 电动机M的转速n由测速发电机TG测量 速度反馈信号Un 与速度给定电压Um 同时加在速度调节器ASR的输入端 构成调速系统的速度外 环 电动机的电枢电流Ia 由电流传感器TA检测 其输出电压Ui 与速度调节器输 出电压Ui 同时加到电流调节器ACR 的输入端 构成调速系统的电流内环 M TG FA PWM GDDLDUPW GM ACR ASR Us Ud TA Uc Ui Ui Un Un 图 2 4 双闭环控制的脉宽调速系统原理框图 1 锯齿波发生器 如图2 5 它是由两个运算放大器组成 它们形成自激震 荡 A1输出正负对称的方波脉冲 A2输出锯齿波 这种锯齿波发生器线性度好 调整简便 在工程中应用广泛 其震荡频率为 4 2 1 2 4 5414 542 RRCRR RRR f X 式中 为电位器RP的分压系数 X A1 A2 Rbal4Rbal3 R1 R2 R3 R4 R5 C VZ1 VZ2 RP X Uo2 图2 5 锯齿波发生器 二 脉宽调制器 4 这是最关键的部件 它是将输入直流控制信号转换成为与之成比例的方波 电压信号 以便对电力晶体管进行控制 从而得到希望的方波输出电压 实现 上述电压 脉宽变换功能的环节称为脉冲宽度调制器 简称脉宽调制器 A3 UPWM R0 R0 R0 Rb Usa Ub Uc 图 2 6 脉宽调制器 图 2 6 为脉宽调制器的原理图 它是一个电压 脉宽变换电路 由 ACR 输出 的控制电压 Uc进行控制 其输出电压的脉冲宽度与 Uc成正比 运算放大器 A3 工作在开环状态 它能输出正 负的饱和电压 它的输入端有三个信号 除 Uc 外 还有调制信号 Ua 也就是图 2 5 的 Uo2 和偏移电压 Ub 控制电压 Uc的极性与幅值随时可变 与 Uo2相减 从而在运算放大器 A3的 输出端得到周期不变 脉冲宽度可变的调制输出电压 Upwm 为了在 Uc 0 时电压 比较器的输出端得到正 负半周期脉冲宽度相等的调制输出电压 Upwm 另一个 输入信号端是加一负的偏移电压 Ub 其值为 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 max 2 1 sab UU 这时 Upwm如图 2 7a 所示 当 Uc 0 时 使输入端合成电压为正的宽度增大 即锯齿波过零的时间提前 经比较器倒相后 在输出端得到正半波比负半波窄的调制输出电压 图 2 7b 当 Uc 0 时 输入端合成电压被降低 正的宽度减小 锯齿波过零时间后移 经倒相 得到正半波比负半波宽的输出信号 图 2 7c usa upwm c uc0 usa uc ub upwm upwm 图 2 7 锯齿波脉宽调制波形图 二 基极驱动电路 4 2 11 脉宽调制器输出的脉冲信号经过信号分配和逻辑延时后 送给基极驱动电 路作功率放大 以驱动主电路的电力晶体管 每个晶体管应有独立的基极驱动 电路 为了确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通 关断时能迅速截止 正 确设计基极驱动电路时非常重要的 基极驱动电路有多种 下面介绍一种集成 电路 它可以使电力晶体管具有多种自保护功能 且保证电力晶体管运行于参 数最优的条件下 大规模集成电路UAA4002是为一塑封16引线双列直插式集成电路 是由法国 汤姆森半导体公司研制和生产 其端子排列与原理图如图2 8所示 RT INH 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 UAA 4002 IB1 U UCC UCE IC RSD RD GND IB2 E CT R U SH 程序流程图PLC的型号选择 PLC模块选择 I O分配 设置和安装 系统联机调试 系统投入运行 软件设置 编辑应用程序 程序的修改和调试 确定控制对象及控制范围 软 件 设 计 硬 件 设 计 图 2 8 UAA4002模块 14脚 接正电源 2脚 接负电源 9脚 接零 提供参考的电位 5脚 输 入端 3脚 封锁端 高电位时完全封锁输出信号 零电位时选择电位输入 16 脚 经一小电阻RB接被驱动功率晶体管基极 输出正向驱动电流IB1 1脚 经 一小电感L接驱动功率晶体管基极 输出反向基极关断电流IB2 15脚 V 是 UAA4002输出级电源输入端 经一外接电阻接到正电源VCC 7脚 最小导通时间 整定值 它经一电阻RT接零 从而整定tonmin 在1 12 s间调节 为了使开关辅助网络中的电容充分放电 逻辑处理器的输出脉冲有一最小 的宽度 这个最小导通时间必须至少是RCD网络时间常数的四倍 tonmin保护是最高优先保护 在tonmin内无任何其它保护能中止导通tonmin保 护功能不能舍弃不用 8脚 最大导通时间整定端 它经一电容CT接地 tonmax保 是一重要保护 11脚 退饱和保护阐值整定端 它经一电阻RSD接零 从而整定 退饱和保护阂值 12脚 功率晶体管集电极电流限制端 电流信号输入为负 绝 对值 0 2V时 过流保护动作 若封锁该功能 12脚直接接地 13脚 通过抗饱 和二极管接被驱动晶体管的集电极 起到抗饱和作用 三 脉宽调制变换器 1 3 4 5 10 可逆PWM变换器主电路的结构有H型 T型等类型 本论文主要讨论的是常用 的H型变换器 它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路 H型变 频器在控制方式上分双极式 单极式和受限单级式三种 这里着重分析双极式H 型PWM变换器 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 ub3 Us ub1 VT1 VT2 VD1 VD2 M AB ub2 ub4 VT4 VT3 VD3VD4 ia 1 24 3 图 2 9 H 型双极性可逆 PWM 变换器 H 型 PWM 变换器的开关器件分为 VT1 VT4 和 VT2 VT3 两组进行通 断 控制 组内两器件 VTl VT4 同时导通或关断 两组间的器件 VTI VT4 和 VT2 VT3 则是交替的导通和关断 其栅极驱动信号规律为 ub1 ub4 ub2 ub3 ub1 工 作状态与波形如下 a 正向运行 如图 2 10 所示 第 1 阶段 当电机工作在轻载情况下 在 0 t ton期间 ubl ub4为正 VT1 和 VT4 导通 ub2 ub3为负 VT2 和 VT3 截止 电枢电流 ia沿回路 1 经 VTl 和 VT4 流通 电动机两端电压 UAB US 第 2 阶段 在 ton t T 期间 ubl ub4为负 VTI 和 VT4 截止 ub2 ub3为正 在电枢电感 La的作用下 电枢电流沿回路 2 经 VD2 和 VD3 流通 电动 机两端电压 UAB US b 反向运行 如图 2 11 所示 第 1 阶段 在 0 t ton期间 ub2 ub3为负 VT2 和 VT3 截止 VD1 VD4 续流 并钳位使 VT1 和 VT4 截止 电枢电流 id沿回路 4 经 VD4 和 VD1 流 通 电动机两端电压 UAB US 第 2 阶段 在 ton t T 期间 ub2 ub3为正 VT2 和 VT3 导通 ubl ub4为负 使 VTl 和 VT4 保持截止 电枢电流 id沿回路 3 经 VT2 和 VT3 流通 电动机两端电压 UAB US t US Ud E id T ton US o US i 图 2 10 正向电动运行时电压 电流波形 US i US ton T o t id E Ud US 图 2 11 反向电动运行时电压 电流波形 双极式控制方式是指在一个 PWM 周期里 电机电枢的电压极性呈正负变化 因此其平均电压 Ud计算公式为 ss on s onon d UU T t U T tT T t U 12 1 2 式中 a 一 ton T 为 PWM 波形的占空比 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 由上式可知 电枢绕组所受的平均电压取决于占空比 的大小 当 0 时 Ud Us 电动机反行 且速度最大 当 1 时 Ud Us 电动机正行 且速 度最大 当 a 1 2 时 Ud 0 电动机不动 但电枢两端的瞬时电压和流过电枢 的瞬时电流都不为零 而是交变的 这个交变电流的平均值为零 不产生平均 转矩 徒然增加了电动机的损耗 当然是不利的 但是这个交变电流使电动机 产生高频微振 可以消除电动机正 反向切换时的静摩擦死区 起着所谓 动 力润滑 的作用 有利于快速切换 双极式可逆 PWM 变换器的优点是 电流一定连续 可以使电动机实现四 象限动行 电动机停止时的微振交变电流可以消除静摩擦死区 低速时由于每个 电力电子器件的驱动脉冲仍较宽而有利于保证器件的可靠导通 低速平稳性好 可达到很宽的调速范围 双极式可逆 PWM 变换器存在如下缺点 在工作过程中 四个电力电子器件可能都处于开关状态 开关损耗大 而且容易发生上 下两 只电力电子器件直通的事故 为了防止直通 在上下桥臂的驱动脉冲之间 应 设置逻辑延时 2 2 3 PWM 调速系统的主要参数 采用电力晶体管的 PWM 调速系统不同于其它直流调速系统的特殊问题主要 有 1 电流与转速的脉动量计算 2 UPW 和 PWM 变换器的传递函数 3 电力晶 体管的安全区与缓冲电路 4 电力晶体管的开关过程 开关损耗及最佳开关频 率 5 泵升电压限制等 针对上面的问题就涉及到以下的参数 2 1 对不可逆和单极式可逆PWM调速系统在电流连续情况下的电流脉动与转速 脉动进行分析 得到 2 2 s l d I T T i 1 2 3 os lmT T T 8 1 2 当 0 5时 脉动量达最大 2 4 s l d I T T i 4 max 2 5 lm os TT T 32 2 max 对双极式可逆PWM调速系统在电流连续情况下的电流脉动与转速脉动进行分 析 得到 2 6 s l d I T T i 2 1 2 2 7 lm os TT T 16 2 max 2 8 s l d I T T i 2 max 2 脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成是一个滞后环节 其传递函数在 满足时 可近似为 T c 3 1 2 9 1 Ts K sW PWM PWM 求出脉宽调制变换器的传递函数后 便可画出双闭环脉宽调速系统的动态结构 图 8 如图2 12所示 Un s Ui s ASR ACR Uct s Ud s E s Id s IL s n s 1 1 sTon 1 1 sToi 1 sT K pwm pwm 1 1 sT R l sT R me C 1 1 sToi 1 sTon 图 2 12 双闭环脉宽调速系统的动态结构图 3 分析PWM变换器中电力晶体管的开关过程 并对各种负载下的开关损耗进 行计算 从而得出总损耗最小的最佳开关频率 对单级式变换器有 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载 2 9 3 2 26 0 frl s op ttT f 对双极式有 2 10 3 2 332 0 frl s op ttT f 两式中 nom s s I I 2 3 双闭环直流脉宽调速系统 一般地 静态性能较好的调速系统都采用转速 电流双闭环控制方案 脉 宽调速系统也不例外 脉宽调制变换器 直流电动机调速系统 简称直流脉宽调 速系统 或直流 PWM 调速系统 PWM 在很多方面有较大优越性 1 3 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 动态抗绕 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 电网功率因素比相控整流器高 2 3 1 电流 转速反馈环节 根据自动控制原理 转速反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制 的系统 只要被调量出现偏差 它就会自动产生纠正偏差的作用 转速降落整 是由负载引起的转速偏差 因此 闭环调速系统应该减少转速降落 1 3 7 直流电动机全电压启动时 如果没有限流措施 会产生很大的冲击电流 这不仅对电动机不利 对过载能力低的电力电子器件来说也不利 采用转速负 反馈的闭环调速系统突然加上负载电压时 由于惯性 转速不可能立即建立起 来 反馈电压仍为零 而且有些生产机械的电动机可能会出现堵转情况 由于 闭环系统的静特性很硬 若无限流环节 电流将远远超过允许值 如果只依靠 过流继电器或熔断器保护 一过载就跳闸 也会给工作带来不便 所以系统中 必须有自动限制电枢电流的环节 根据反馈控制原理 要维持哪个物理量基本保持不变 就应该引入哪个物 理量的负反馈 所以引入电流负反馈就能保持电流基本不变 使它不超过允许 值 但是这种作用只应在上述的启动和堵转时存在 在正常运行是取消 让电 流自由地随着负载增减 这种当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈 叫 做电流截止负反馈 简称截流反馈 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 应该在系统中设置两个调节 器 分别调节转速和电流 即分别引入转速负反馈和电流负反馈 二者之间实 行嵌套 或串级 联接 把转速调节器的输出作为电流调节器的输入 再用电 流调节器的输出去控制脉宽调速器 从闭环结构上看 电流环在里面 称作内 环 转速环在外面 称作外环 1 综上所述 转速调节器和电流调节器在直流调速系统中的作用可分别归纳 如下 1 1 转速调节器的作用 1 转速调节器是调试系统的主导调节器 它使转速 n 很快地跟随给定电压 Un 变化 稳态时可减小转速误差 如果采用 PI 调节器 则可实现无静差 2 对负载变化起抗扰作用 3 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流 2 电流调节器的作用 1 作为内环的调节器 在转速外环的调节过程中 它的作用是使电流紧紧 跟随其给定电压 Ui 即外环调节器的输出量 变化 2 对电网电压的波动起及时抗扰的作用 3 在转速动态过程中 保证获得电动机允许的最大电流 从而加快动态过 程 4 当电动机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起快速的自动保护 作用 一旦故障消失 系统立即自动恢复正常 这个作用对系统的可靠运行来 说是十分重要的 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载 2 3 2 设计中的调节器计算 一 电流调节器的设计 2 9 1 确定时间常数 1 脉宽调制器和 PWM 变换器的滞后时间常数 Tpwm与传递函数的计算 A A 5 7 8 60 R U I s s 03 2 7 3 5 7 nom s s I I 晶体管放大区的时间常数为 ss f Tce 159 0 1014 3 2 1 2 1 6 电流上升时间的计算公式为 r t 95 01 ln 1 k k Tt cer 式中晶体管导通时的过饱和驱动系数 一般取 本例中 1 k2 5 1 1 k 取 2 则 1 k ss k k Tt cer 103 0 95 0 2 2 ln159 0 95 0 ln 1 1 电流下降时间的计算公式为 f t 2 2 05 0 1 ln k k Tt cef 式中 晶体管截止时的负向过驱动系数 一般取 本实例 2 k2 1 2 k 中取 2 则 2 kss k k Tt cef 061 0 205 0 21 ln159 0 05 0 1 ln 2 2 最佳开关频率为 HzHz ttT a f frl s op 2627 10 061 0 103 0 1025 03 2 332 0 332 0 3 66 3 2 开关频率选为 此开关频率已能满足电流连续的要求 于是开关fkHz6 2 周期 ms f TPWM4 0 1 脉宽调制器和 PWM 变换器的放大系数为 8 4 10 48 i d PWM U U K 于是可得脉宽调制器和 PWM 变换器的传递函数为 10004 0 8 4 1 ssT K W PWM PWM sPWM 2 电流滤波时间常数取 oi Tms5 0 3 电流环小时间常数 msTTT oiPWM i 9 0 2 选择电流调节器结构 根据设计要求 5 而且 因此可按典 1 型 i 106 5 9 0 5 i l T T 系统设计 电流调节器选用 PI 型 其传递函数为 s s KW i i isACR 1 3 选择电流调节器参数 sTl i 005 0 要求 5 时 应取因此 i 5 0 i IT K 11 56 555 0009 0 5 05 0 ss T K i I 于是 48 3 8 433 1 8005 0 56 555 PWM i Ii K R KK 4 校验近似条件 1 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载 1 56 555 sKI ci 1 要求 现 ci PWM T3 1 11 3 833 0004 0 3 1 3 1 ss TPWM ci 2 要求 现 ci lmT T 1 3 11 9 94 005 0 2 0 1 3 1 3 ss TT lm ci 3 要求 现 ci oiPWMT T 1 3 1 oiPWMT T 1 3 1 11 4 745 0005 0 0004 0 1 3 1 ss ci 可见均满足要求 5 计算 ACR 的电阻和电容 取 则 kRo40 取 kkRKR oii 2 1394048 3 kRi130 取FF R C i i i 04 0 10 10130 005 0 6 3 F 047 0 取FF R T C o oi oi 05 0 10 1040 0005 0 44 6 3 F 047 0 按照上述参数 电流环可以达到的动态反指标为 4 3 5 故满足设 i 计要求 二 转速调节器设计 2 9 1 确定时间常数 1 电流环等效时间常数为 sT i 0018 0 2 2 取转速滤波时间常数 sTon005 0 3 sTTT on in 0068 0 2 2 ASR 结构设计 根据稳态无静差及其他动态指标要求 按典 2 型系统设计转速环 ASR 选用 PI 调节器 其传递函数为 s s KW n n nsASR 1 3 选择 ASR 参数 取 则5 h sshT n n 034 0 0068 0 5 22 22 2 2595 0068 0 252 6 2 1 ss Th h K n N 则 56 10 0068 0 805 0 10 2 018 0 33 1 6 2 1 n me n haRT TCh K 4 校验近似条件 11 23 88034 0 2595 ssK nNcn 1 要求 现 i cn T5 1 11 2 222 0009 0 5 1 5 1 ss T i cn 2 要求 现 oni cn TT 2 1 3 1 11 1 111 005 0 0009 0 2 1 3 1 2 1 3 1 ss TT on i cn 可见均能满足要求 5 计算 ASR 电阻和电容 取 则 kRo40 取 430 kkRKR onn 4 4224056 10 k 取F R C n n n 6 3 10 10430 034 0 F 1 0 取FF R T C o on on 5 010 1040 005 0 44 6 3 F 47 0 6 校验转速超调量 1 2 9 n m n N N b T T n n z C C 2 max 精品文档 29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载 当时 而 因此5 h 2 81 max b C C min 4 164min 18 0 87 3 rr C RI n e N N 81 2 10 n 2 9 2 0 0068 0 200 4 164 7 3 5 7 2 可见转速超调量满足要求 7 校验过渡过程时间 空载起动到额定转速的过渡过程时间 sss IR nTC tttt N Nme vs 15 0 12 0 7 303 2 8 2002 018 0 22 可见能满足设计要求 2 3 3 双闭环脉宽调速系统的起动过程 图 2 13 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 双闭环直流调速系统突加给定电压Un 由静止状态启动时 转速和电流的动 态启动过程如图2 13所示 由于在起动过程中 转速调节器ASR经历了不饱和 饱和 退饱和三种情况 整个动态过程就分成图中标明的I 三个阶段 第I阶段是电流上升阶段 第 阶段是恒流升速阶段 第 阶段是转速调节阶段 1 3 4 第I阶段 0 t1 是电流上升阶段 突加给定电压Un 后 经过两个调节器 的跟随作用 Uc Ud0 Id都跟着上升 但是在Id没有达到负载电流Idl以前 电 动机还不能转动 当Id Idl后 电动机开始起动 由于机电惯性的作用 转速 不会很快增长 因而转速调节器ASR的输入偏差电压 Un Un Un的数值仍较大 其输出电压保持限幅值Uim 强迫电枢电流Id迅速上升 直到 Id Idm Ui Uim 电流调节器很快就压制了Id的增长 标志着这一阶段结束 在这一阶段中 ASR很快进入并保持饱和状态 而ACR一般不饱和 第 阶段 t1 t2 是恒流升速阶段 是起动过程中的主要阶段 在这一 阶段中 ASR始终是饱和的 转速环相当于开环 系统成为在恒值电流给定Uim 下的电流调节系统 基本上保持电流Id恒定 因而系统的加速度恒定 转速呈 线性增长 与此同时 电动机的反电动势E也按线性增长 对电流调节系统来说 E是一个线性渐增的扰动量 为了克服这个扰动 Ud0和Uc也必须基本上按线性增 长 才能保证Id恒定 当ACR采用PI调节器时 要使其输出量按线性增长 其输 入偏差电压 Ui Uim Ui必须维持一定得恒值 也就是说 Id应略低于Idm 第 阶段 t2以后 是转速调节阶段 当转速上升到给定值n n0时 转速 调节器ASR的输入偏差减小到零 但其输出却由于积分作用还维持在限幅值 Uim 所以电动机仍在加速 是转速超调 转速超调后 ASR输入偏差电压变负 使它开始退出饱和状态 Ui 和Id很快下降 但是 只要Id仍大于负载电流Idl 转速就继续上升 直到Id Idl时 转矩Te TL 则dn dt 0 转速n才到达峰值 t t3时 此后 电动机开始在负载的阻力下减速 与此相应 在t3 t4时间 内 Id Idl 直到稳定 综上所述 双闭环直流调速系统的启动过程有饱和非线性控制 转速超调 和准时间最优控制三个特点 精品文档 31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载 第 3 章 现代 PLC 控制技术 3 1 PLC 的组成和分类 从结构上分 PLC分为固定式和组合式 模块式 两种 固定式PLC包括CPU 板 I 0板 显示面板 内存块 电源等 这些元素组合成一个不可拆卸的整体 模块式PLC包括CPU模块 I O模块 内存 电源模块 地板或机架 这些模块 可以按照一定规则组合配置 PLC系统的4个主要的部分说明如下 16 17 1 中央处理器 CPU 它是系统的大脑 不断的采集输入信号 执行用户程 序 刷新系统的输出 包括三个子部分 1 微处理器 它是进行数学和逻辑操作的计算中心 2 存储器 CPU中数据和信息存储和获取的地方 保存着系统软件和用户 程 序 3 电源供应 将交流电 AC 转化为直流电 DC 在这个过程中 电源供 应对直流电进行滤波和调节 以确保计算机正常运行 2 编程器 监视器 编程器 监视器是用来同PLC电路进行通信的设备 手持 终端 工业终端和PC都可以作为编程器 监视器 在手持终端 通过小键盘来进 行输入 显示设备通常是液晶显示器 LCD 对于工业终端或PC 需要更复杂 的打字型键盘和CRT显示器 3 I 0模块 输入模块有一些输入端子 由传感器通过这些端子来激活执行 继电器 电磁线圈 各种静态开关设备 电机和显示屏 如果需要 可以增加 能将I 0模块进行远距离连接的电子系统 PLC控制的实际系统可以距CPU及其 I 0 模块几百米之远 3 2 PLC 的工作原理 用户程序的执行取决于PLC是处于停止模式还是运行模式 当PLC处于运行 模式时 CPU执行程序 当PLC处于停LL模式时 CPU不执行程序 当PLC处于运行模式时 PLC周而复始的执行一系列任务 任务循环执行一 次称为一个扫描周期