基于PLC双闭环直流调速系统设计

日立前东芝东芝东芝东芝言日立日立直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点，被广泛的应用。直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。系统弱电部分检测系统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号，根据检测到的信号发出控制信号；强电部分根据控制信号调节电动机转速，拖动绞刀、钻机等机械负载进行作业，以满足不同作业现场的需要。日立可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置，是船舶实现自动化、智能化控制的核心控制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，采用模块式组合设计，具有控制功能强，可靠性高、使用灵活方便，易于扩展等优点，在船舶主机遥控系统、锅炉控制系统中央冷却控制系统等重要设备上得到了广泛应用。日立本文首先详细的介绍了大功率直流调速系统的基本原理，分析了调速系统的基本组成以及基本调速方法；然后系统的论述了现代PLC控制技术，介绍了PLC控制系统的基本设计方法；接着本文以经济性好、可靠性高的大功率晶闸管为调速系统可控整流电源，根据现代控制理论，采用转速一电流双闭环调速方法对大功率直流调速系统的主电路、转速控制电路以及信号检测电路进行设计，结合现代PLC控制技术对调速系统运行进行控制，对电动机、晶闸管等元件主要参数进行监视、保护；最后利用PROTEL电路图绘制软件对相关电路图进行绘制取得了满意的效果。日立日立日立日立日立日立日立日立日立1日立日立日立日立日立第一章东芝东芝东芝总体方案设计日立东芝日立11东芝调速方式的选择日立日立直流电动机电枢回路的电压平衡方程为日立东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝IARUE东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝日立电枢反电势为日立日立NCEE由此得到转速特性方程如下日立东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝日立NCEIARUN/由转速特征方程可以看出，调节直流电动机的调速方法有如下3种日立1东芝调节电枢电压调速东芝东芝日立改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。IA变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。日立2东芝改变电动机励磁调速日立东芝东芝东芝东芝改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速，从电机额定转速向上调速，属于恒功率调速方法。IF东芝变化时间遇到的时间常数同IA东芝变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，所需电源容量较小。日立3东芝改变电枢电阻调速日立在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但只能2进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，空载时几乎没什么调速作用还会在调速电阻上消耗大量电能。日立东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝日立TN123东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝图1东芝直流电动机机械特性日立对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，其机械特性如图1所示改变电阻时，N随电枢电压的降低而降低，但机械特性的斜率保持不变；改变电阻只能有级调速；弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压调速方案，在基速以上作小范围的升速。所以本次设计采用调压调速。日立对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。转速、电流双闭环直流调速系统的框图如图2所示。日立3日立图2东芝东芝转速、电流双闭环直流调速系统框图日立为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可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。二者之间实行嵌套连接，如图2所示。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。从图1可以看出PLC要从外部输入电流反馈和转速反馈信号，输出触发脉冲信号，其余工作均在PLC内部完成，数字给定也是用软件方法在PLC内部设定。日立日立日立第二章东芝东芝东芝硬件设计日立日立21东芝晶闸管电动机电路设计日立晶闸管电动机电路中，采用三相桥式全控整流电路。如图3所示。日立4日立VT1VT3VT5U2V2W2VT4VT6VT2M图3东芝东芝东芝三相桥式全控整流电路原理图日立东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝日立如图所示，来自体统母线的三相交流电经断路器通过整流变压器向晶闸管供电，为了减少高次谐波对电网的不良影响，变压器采用/Y接法，整流主电路采用三相全桥式整流电路。当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断东芝。日立日立211整流变压器的设计日立对于三相桥式整流电路，变压器副边相电压日立东芝东芝东芝东芝日立V108342/15U2副边有效电流东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝日立AI0426变压器额定视在功率东芝东芝东芝日立VAIUS3240183日立东芝212晶闸管的保护日立5晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况一种是在适当的地方安装保护器件，例如，RC阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。日立1晶闸管的过流保护日立晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。日立对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。日立对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。日立东芝2晶闸管的过压保护日立晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。东芝日立过电压保护的第一种方法是并接RC阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。日立过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。日立晶闸管元件承受的正反向峰值电压通常按变压器副边线电压的2倍选取日立东芝东芝东芝东芝东芝日立VUPR5820321式中11,15为考虑到电网电压波动等因素添加的系数。日立在每相的SCR桥上接有阻容吸收电路和快熔，用来降低SCR电压变化率和电流变化率。阻容吸收电路中的电阻和电容按经验取R50，C047F日立日立日立22东芝晶体管驱动、触发电路的设计日立221驱动电路原理日立6电力电子器件的驱动电路时电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。日立简单地说，驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对全控型器件既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。日立驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光隔离和磁隔离。日立日立222触发电路原理日立三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。为此可以采用两种办法一种是使每个触发脉冲宽度大于60，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。日立随着工业自动化、集成化的不断发展，现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路，并得到了广泛的应用。本设计采用的是KC系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器KC04作为三相整流电路的触发电路。其外部封装如图4所示。日立日立KC0412345678910111213141516图4东芝东芝KC04触发器封装图日立可控硅移相触发器KC04电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KC04器件输出两路相差L80的移相脉冲，可以7方便地构成全控桥式触发器电路。该电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低、有脉冲列调制输出端等功能和特点。日立由KC04外部接线组成的三相桥式整流电路触发原理图如图5所示。日立KC0412345678910111213141516121224V15V30V2CZ82C2CZ82C3DK4VT13DK4VT21001000P1001000PR910KR1110KR8510R10510R730KR110KR215KR310KRCRPVT001C20047VYVPC1047R636KRP168K15V10R51K001R4115KR4215K正输出负输出东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝图5东芝东芝KC04外部接线组成的三相桥式整流电路触发原理图日立日立日立23东芝转速信号的检测日立转速信号的检测可以用直流测速发电机和光电编码器来测量日立1测速发电机由永久磁铁与感应线圈组成，用电枢获取速度信号。它具有灵敏度高、结构简单等特点，常用于高精度低速伺服系统，也可与永磁式直流电动机组成低速脉宽调速系统。直流测速发电机的输出信号是与输入轴的转速成正比的直流电压信号，信号幅度大，信号调理电路简单。由于输出电压信号有波纹，一般需要配置滤波电路。东芝东芝2东芝光电编码器（增量式）主要由旋转孔盘和光电器件组成。它具有体积小、使用方便、测量精度高等特点，常与直流电机配合使用构成脉宽调速系8统。增量式光电编码器输出的是与转角成比例的增量脉冲信号，可以通过脉冲计数获得角位置信号，也可以定时取样脉冲数的增量实现角速度测量。因此，可以同时测量转角和转速。日立通过电阻分压,接入AD转换器,再接入PLC,有的PLC自带AD转换器,就不用外接了,使用PLC时配用旋转编码器的效果更好,精度更高,成本也是最低的因此,在该系统中选择用光电编码器来测量东芝其测量原理图如图6所示。日立东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝日立图6东芝转速检测电路原理图日立日立24电流信号的检测日立电流信号一般采用电流互感器或霍尔传感器来测量日立1、电流互感器日立东芝东芝东芝电流互感器就是初次级绕组通过铁芯进行电磁耦合，初次级电流比与匝比相同。用于测量4020KHZ的正弦波电流。测量精度一般为比差01，比差非线性度01，相位差15分。特点，不需电源，价格便宜，精度高，缺点不能用于有直流分量场合（某些型号可以带一定直流分量，但直流分量不反映到输出），价格1030元。日立2、霍尔传感器日立初级绕组绕在径向开有缺口的环型（矩形等）铁芯上，霍尔元件置于缺口中。当初级绕组有电流流过时，霍尔元件检测出铁芯中的磁感应强度B的大小（VKBI，K霍尔元件灵敏度，B磁感应强度，I霍尔元件的控制电流。）该瞬时电压与初级绕组瞬时电流是线性关系。对该电压（MV级）进行放大输出，就是跟踪输出型直检式霍尔电流传感器，也可以转换成标准信号输出。9用于测量DC1KHZ的各种波形电流。由于输出电压与控制电流成正比，恒流源的稳定性很关键，磁路中的剩磁对输出有教大影响。测量精度一般为1，非线性度05，响应速度10S，跟踪速度DI/DT东芝50A/S。特点，需提供12V电源，结构简单，可以测量各种波形电流，缺点温漂大，精度低一些，价格50100元。日立综上，双闭环调速系统中电流检测的应该选用的方法是用电流互感器作为电流反馈信号的检测器，其电路如图7日立东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝日立图7东芝电流信号检测电路日立在三相桥式整流电路中，交流侧的电流与直流整流电路之间的关系如下日立日立D0186II因此测量交流电流的大小同样可以反应直流整流电流的大小。三相分别用三个电流互感器，再经过桥式整流及滤波后输出直流电压东芝。主回路为三相UI全控桥，电流反馈信号整流也为三相桥式电路，因此电流反馈信号波形与主回路波形具有相同的重复频率，无须很大的滤波环节来滤平反馈信号。日立25东芝稳压电源日立10稳压电源输出稳定的15V直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供电，它由整流、滤波、稳压三个部分组成。日立整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的集中整流电路有单向半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用效率高。日立滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在电路输出端与负载见串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。日立日立图8东芝东芝15V电源电路日立第三章东芝东芝软件设计日立31东芝东芝PLC外围接口图日立日立11日立图9东芝PLC外围接口图日立日立32东芝主程序流程图本系统主程序采用顺序查询结构，程序流程及示意梯形图如图10所示，初始化模块主要是在执行功能程序前，对有关数据寄存器、定时器、计数器送数或清零，电流环及转速环采样时间判断是利用PLC中的1MS定时器完成的。电流环的输出UK送至数字触发器获得移相控制角，去触发晶闸管。运行过程中系统自行进行故障诊断，并在需要时进行转速显示。12初始化电流环采样时间到转速环采样时间到数字PI控制数字I控制数字PI控制数字触发器故障自诊断转速显示反馈电流小于NNYYYN日立图10东芝主程序流程图日立33速度给定环节日立速度给定信号是调速系统的主令控制信号，模拟系统中常用电位器调节给出；在PLC构成的DDC系统中，则可利用FX2的功能指令倾斜指令来完成。例如要实现图11所示的软起动数字给定，可利用图12的梯形图。当M8000接通后，D3中的数据即从D1逐渐地变到最终值D2，所需时间为13“N”个扫描周期。日立日立日立图11东芝软启动数字给定日立日立东芝东芝东芝东芝日立图12东芝东芝软启动数字给定梯形图日立34转速检测环节日立在转速电流双闭环调速系统中，根据工程实际情况一般转速环的采样周期取10MS，为此可使用10MS定时计数方法来测量速度。在FX2系列PLC中，设有“速度检测”功能指令，它可测出10MS内的脉冲数，并将其送给PLC内的数据寄存器用于速度控制。检测速度的功能指令梯形图见图13。日立日立图13东芝东芝东芝转速检测功能指令梯形图日立14调速系统中转速检测码盘装在电机主轴上，以速度NR/MIN转动，接近开关将转速转换成脉冲信号送至FX2的高速计数输入端X0号端子。上述梯形图中S1指定了计数脉冲输入端为X0端子；S2指定了计数时间以MS为单位，由于转速环采样周期选为10MS，故S2为K10；D指定了计数结果存放处，此处D5存放10MS内的计数值，数据寄存器D5的值可接在PLC内参与运算。日立转速N与D5的关系为日立R/MIN日立31056NT式中东芝东芝N编码盘每转一周所对应的脉冲数东芝东芝东芝东芝东芝TS2指定的计数时间日立日立35东芝电流检测环节日立电流互感器TA将整流变压器二次侧的交流电流变换成05V的交流电压，经二极管整流及阻容滤波变成直流电压，模拟系统直接将该电压作为电流反馈电压；单片机构成的DDC系统将该电压经A/D转换输入单片机系统，PLC系统当然也可用模拟量I/O模块进行A/D转换。日立工程上电流环采样周期为13MS，此处选采样周期为2MS，由于电流反馈电压已转换成脉冲频率信号，可采用类似于转速检测的方法实现电流反馈检测，将电流脉冲送入PLC的X1高速计数端，计数时间选为K2、D8存放正比于电流反馈电压的脉冲密度，梯形图如图14所示。日立东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝日立图14东芝电流检测环节梯形图日立日立日立日立36东芝PID控制算法日立15PLC在双闭环DDC直流调速系统中的应用东芝东芝本设计采用的是数字PID控制。PID调节器由比例调节器（P），积分调节器（I）和微分调节器（D）构成，它通过对偏差值的比例、积分和微分运算后，用计算所得的控制量来控制被控对象，如图14为PID控制系统框图，图15为PID控制算法的流程图日立东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝东芝比例P积分I微分D生产过程RSY日立图15东芝东芝PID系统框图日立日立16初始化从A/D取数据Y（K）求E（K）R（K）Y（K）计算控制增量U（K）Q0E（K）Q1E（K）Q2E（K）将控制量输出给D/A为下一时刻做准备采样时间到D/A被控对象A/DYUNY17日立初始化从A/D取数据KY求RKE计算控制增量210KQKQU将控制量输出给D/A为下一时刻做准备采样时间到D/A被控对象A/DYUNY图16东芝东芝东芝PID控制算法流程图日立日立37东芝电流环及转速环说明1电流环东芝东芝在电流环子程序中，首先判断速度给定UN与速度反馈UN是否为0，若成立，说明电动机处于停转状态，需将电流调节器输出“锁0”，保证不会误起动；若不为0，则正常工作。在进行电流环控制算法的运算前，再对采样所得的电UK流反馈UI进行判别，若UI小于某个设定值，则认为电流已经断续，则进行I运算。反之，进行PI运算，实现电流的自适应控制。经控制算法后得到的控制量再经晶闸管控制角的最小角或角限制后，就得到了UK值。其流程图如图17所示。日立日立18日立日立UN为0反馈电流是否小于进行PI运算数字触发器电动机转速进行I运算YNUNN电流调节器输出锁0Y图17东芝电流环子程序流程图日立日立日立2转速环东芝东芝东芝在转速环中，由于转速采样周期为10MS，电流采样周期为2MS，电流环子程序执行5次，转速环执行1次。日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立第四章东芝东芝东芝东芝总东芝结日立1