【电气工程及其自动化】基于plc直流电机正反转及其调速系统设计

本科生毕业论文（设计）基于PLC直流电机正反转及其调速系统设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录第一章引言111可编程控制器PLC112双闭环调速系统1第二章直流调速系统221设计的调速性能的指标222PWM调速系统2221直流电机的PWM控制原理2222直流电机的PWM控制系统的组成3第三章基于PLC的调速系统731设计的任务7321选择硬件得到具体说明10322设计需用到的PLC扩展模块1033参数的选择与软件的设计12331参数的选择12332软件的选择与设计12333程序的设计13334直流双闭环调速系统MATLAB仿真16参考文献17附录18致谢基于PLC直流电机正反转及其调速系统设计摘要本设计是基于日本三菱公司FX2N16MT系列PLC的直流电机正反转及直流脉宽双闭环调速系统，该系统利用该系列的特殊功能输入/输出扩展模块与其功能指令，要求实现了直流电机的快速调速，稳定性强，抗干扰能力强的优点，通过各种硬件的合理选择与软件的正确设计，最后经过模拟信号的调试，该直流调速系统均符合要求。关键词PLC；直流电机；脉宽调速系统DCMOTORFORWARDINGANDREVERSING,ANDCONTROLSYSTEMOFSPEEDBASEDONPLCDESIGNINGABSTRACTTHISDESIGNISBASEDONTHEPLCOFJAPANMISTSUBISHIFX2N16MTSERIESDCMOTORANDREVERSINGANDDCPULSEWIDTHOFTHEDOUBLECLOSEDLOOPSPEEDREGULATIONSYSTEM,TNESYSTEMUSESTHESERIESOFTHESPECIALFUNCTIONOFTHEINPUT/OUTPUTEXTENSIONMODULEANDITSFUNCTIONINSTRUCTION,FORTHEFASTSPEEDOFDCMOTOR,STABILITYISSTRONG,HASTHEADVANTAGEOFSTRONGANTIJAMMINGCAPABILITY,THROUGHAVARIETYOFTHEREASONABLESELECTIONOFHARAWAREANDSOFTWAREDESIGN,FINALLYTHROUGHTHEDEBUGGINGOFTHEANALOGSIGNAL,THEDCSPEEDCONTROLSYSTEMMEETSTHEREQUIREMENTSKEYWORDSPLCDCMOTORPULSEWIDTHSPEEDREGULATIONSYSTEM1引言直流电机的双闭环调速系统有利于电机的快速、平稳、安全地调速，实现了无论在我们的日常生活，还是在生产中安全可靠地运行。过去的直流电机调速需要用到继电器，集成运算放大器，电气元件按照一定的规律用导线连接起来，实现运行，这种控制方式不但落后而且可塑性不高。而现代的PLC控制的双闭环调速系统很好的解决了这个问题，通过软件输入参数，通过电流与转速的反馈实现了工作可靠，方便，性能好的数字处理系统，大大改善了系统的性能。11可编程控制器PLC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。它目的是用来取代继电器，拥有的若干条的功能指令以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。解决了用传统继电器控制的布线多又杂，不易于维修，控制不方便的缺点，而且简单易学深受工程人员的喜欢。本设计将应用到PLC一些特殊功能指令和扩展模块来实现该系统的功能。12双闭环调速系统系统具有两个调节器，一环嵌套一环；速度环是外环，电流环是内环。两个PI调节器均设置有限幅；一旦PI调节器限幅即饱和,其输出值为恒值，输入量的变化不再影响输出，而输出未达限幅时，调节器才起作用，使输入偏差电压在调节过程中接近0，而在稳态时为0这样就很好地达到了当给定一个电压时，当外界环境改变时，电机能不受外界的干扰，平稳运行，实现平稳调速。具体来说，它具有良好的静特性，具有较好的动态特性，启动时间短，超调量也小，系统抗干扰能力强，由于设计的反馈环节很好地消除了偏差。电流内环速度外环图1闭环调速系统简单原理本设计我们通过改变直流电机的电枢两端电压来实现该系统的正反转及调速，通过改变电枢电压的大小来改变转速，通过改变电枢两边电压的极性来改变其转动方向，如上图1所示其它环节未画出），这个简单的模拟图为系统的调速的稳定，可靠提供了保证，至于如何改变电压的大小与极性在下面的章节将进行具体介绍。2直流调速系统21设计的调速性能的指标本文设计的调试系统要求稳态无静差，动态过度过程时间TS不大于01S，电流超调量I不大于5，空载启动到额定转速时的转速超调量N不大于10。以上数据转化为运动控制系统的稳态和动态指标，同时实现调速，稳速，加减速控制的功能作为设计的标准。22PWM调速系统221直流电机的PWM控制原理直流电机的脉宽调制控制原理，主要是通过控制开关的通断的频率，来达到控制直流电机电枢电压的平均值来控制其转速值得大小，来控制电机转速的大小。如下图2所示，当我们给直流电机一个固定电压，用开关VT来控制电路的通断，当开关闭合时，电机的两端的电压等于US。当开关断开时，由于直流电机的感性电流通过电力二极管续流，此时电机电枢两端的电压为0。就是这样，我们通过改变开关的通断频率来改变占空比TON/T,来改变输出的平均电压转速调速器电流调节器直流电动机UD,来改变电机的转速。图2直流电机的脉宽调制控制原理222直流电机的PWM控制系统的组成如图3所示，电机的转速检测通过测速发电机测量，速度反馈信号与速度给定电压同时加在速度调节器输入端上，组成速度调节器，构成调速系统的速度的外环。电机的电枢电流由电流传感器检测器，其输出电压与速度调节器输出的电压同时加在电流调节器的输入端，构成调速系统的电流内环。下面将详细介绍其组成的核心部件。图3双闭环调速系统图集成脉宽调制变换器这是整个脉宽调速系统最关键的部件，它有一个锯齿波发生器和一个脉宽调制器组成。如下图4【4】所示锯齿波发生器它由两个运算放大器组成，A1输入正负对称的方波脉冲，A2输出锯齿波，A2输出端作为脉宽调制器（如图5【4】）的其中一个输入端UA作为调制信号，另外还设有一个电流调节器输出的控制电压UC,还有一个偏移电压UB,其中UC的大小与输出的电压脉宽成正比。如上述所示，这个电压脉宽变换的电路是典型地利用了直流斩波的原理，输出的脉宽信号再输到下一级的放大将实现对电力晶体管通断的控制。图4锯齿波发生器图5脉宽调节器桥式可逆PWM变换器如下图6所示，H型的PWM变换器的开关部件为VT1，VT4和VT2，VT3两组进行通断控制的。组内两器件VT1，VT4同时导通或关断，两组器件VT1，VT4和VT2，VT3则是交替的导通和关断的。其栅极驱动信号为UG1UG4,UG2UG3UG1。当给电机的两端加一个固定电压US,通过该主电路对电力晶体管的控制,控制其导通关断即可控制其转速图6H型的PWM变换器电子线路图如图7所示，电机正向运行时,当0TTON时，UG1和UG4为正，相反UG2和UG3为负，VT1与VT4导通，VT2，VT3截止,电机两端的电压UABUSTONTT时，UG1和UG4为负，UG2和UG3为正，直流电机存在感性电流，在VD2和VD3续流，电动机的电压UABUS。如图8所示，电机反转时，当0TTON时，UG1和UG4为正，相反UG2和UG3为负，VT1与VT4导通，VT2，VT3截止,此时电机有一个反向电流，到达钳位时使VT1与VT4截止，此时电机的电压UABUS；TONTT时，UG1和UG4为负，UG2和UG3为正，使VT1与VT4保持截止。电枢电流在VT2，VT3导通，此时电机的电压UABUS。图7电机正转时的波形分析图图8电机反转时的波形分析图由以上分析可得，在桥式可逆PWM变换器的一个PWM周期里电机的电枢电压极性呈现正负变化的，但可见由于续流二极管的作用，电流的极性是不变的。其平均电压UD的计算公式为UD2A1US（1）式中ATON/T,其中A为前面脉宽调制原理提到的占空比，显然易见，只要我们改变其占空比就可以改变其转速，假设US为正时是正转，就是说A0时，电机反转，且速度最大。A05时，电机不转。A1时，电机正转，且速度最快。3基于PLC的调速系统31设计的任务本设计基于三菱PLC的控制电路，转速、电流双闭环，主电路为直流脉宽调速的桥式可逆调速系统。为了计算出PI环节的各个输入参数,选择一下电机参数。电枢电阻RA0088,IN220A,UN440V,NNOM1500R/MIN,允许过载倍数15。电枢回路总电阻R012，电枢的回路电磁时间常数TL12MS,机电时间常数TM100MS,电流反馈滤波时间常数TOI25MS,转速滤波时间常数TOI14MS,给定值和速度调节器，电流调节器的限幅值均为10V。设计要求稳态无静差，动态过度时间TS01S,电流超调量I5,空载启动到额定转速时的转速超调量N10。A有关参数的计算1电动机的机电常数CE（2）MIN2804150241RVNRIUNA2确定采样时间TS,即开关周期TPWM，晶体管滞后时间TSTPWM0017S（3）F12503电流反馈系数（4）AVIUDMI/032514转速反馈系数AA（5）MIN067151RVNUNIMB电流环参数的设计（1）电流环小时间常数（6）STSOII04217025（2）电流调节器选择，按典1系统设计，选用PI调节，即无微分作用，传递函数为（7）SKWISACR1确定其各个参数（8）STLI012要求5,应取KL05,因此IIT（9）10594205SITL所以电流调节器的比例系数为（10）1260450319PWMILIKRKPWM为脉宽调节器与PWM变换器的放大系数，取45由上述计算可知采样时间TS17MS,电流调节器的比列系数KI0126,积分时间常数12MS,微分无作用。IC确定转速调节器的参数确定时间常数，电流环等效时间常数为200084S,转速滤波时间常IT数TON0014S,最后S。042ONITN转速调节器按2型系统设计，选用PI调节器，即微分无作用，其传递函数为（11）SKWNSASR1选择ASR参数取H5,则转速调节器超前时间常数（12）SHTNN12045转速开环放大系数（13）162390425621SNTHKN则（14）3280410675228321NHARTCKMEN综上所诉，同样我们可以知道转速调节器的比列系数KN283,积分时间常数为0112S。32硬件的选择与设计321选择硬件得到具体说明本设计采用日本三菱PLC的FN系列的FX2N16MT的CPU，其中它有16电输入输出点数。设计中需要用到其一些特殊功能指令和一些简单的功能指令作为协助。例如具有向特殊扩展模块读出与写入的FROM指令与TO指令，PID指令等，这些指令的具体用法将在软件设计部分作详细的介绍。322设计需用到的PLC扩展模块1模拟量输入模块FX2N4AD。此模块具有4个通道，分别是CH1CH4，每个通道都可以进行AD转换，采集电压信号为10V至10V,分辨率为5MV电流输入为4至20M或20至20MA该模块内部具有32个16位的缓冲寄存器（BMF用于与主机交换数据，其占用扩展总线的8个点，耗电为5V，30MA其中我们设计的程序中要用到其中的几个缓冲寄存器，将作详细的介绍，读者对其它缓冲寄存器有兴趣可以翻阅相关的资料。BFM内部含义0，通道初始化，默认值为H0000；912，每个输入通道的当前值存放；29，错误状态；30，识别码，K2010。BFM说明0的数据可以通过TO指令改写，其它缓冲寄存器的数据可以使用PLC的FROM指令读写；在BFM0中写入16进制的4为数字HXXXX，进行A/D模块通道的初始化，最低位数字控制CH1,最高位控制CH4。当X0时设定输入范围为10到10V，当X1时，设定的输入范围为4MA到20MA,当X2时，设定输入范围为20到20MA,X3时，关断通道。例如BFM0H3000表示关闭通道CH4，而CH1，CH2，CH3的设定值的输入范围是10到10V。2模拟量输出模块FX2N2DA模拟量输出模块FX2N2DA将12位的数字信号转换为模拟量电压或电流输出。它有两个模拟输出通道CH1，CH2。分别有三种量程DC010V、05和420MA,D/A转换时间4MS/通道。此模块有32个缓冲存储器，下面我们就用到的几个重要的存储器作介绍。表1模块FX2N2DABFM的简单介绍BFM编号B15到B8B7到B3B2B1B00到15保留16高8位保留，低8位为输出数据的当前值17保留D/A第八位数据保持通道1D/A转换开始通道2D/A转换开始主机CPU与输入/输出模块，从FX2N16MT基本单元的右边的扩展总线上，从最靠近基本单元开始编号0,1，如下图9所示01FX2N16MTFX2N4ADFX2N2DA图9PLC模块连接编号3电路图的设计。参考文中的附录，主电路部分给固定的US500V的电压，电源通过变压器获取，通过分压器分440V电压，再经整流桥整流，电源两侧接一个电容滤波和稳压，并接有继电器控制电机的正反转（由PLC编订的程序设定，控制电路输出的脉宽信号输到基极放大器进行信号放大，来驱动电力电子晶体管，来控制其导通与关断，电力二极管作电机的续流的作用，作用是使电机分别在正转和反转时候，电流方向不变。详细参考第二章的桥式可逆变换器。主电路并设有由测速发电机测速并反馈到模块的输入端，设有电流传感器并反馈到模块的输入端；控制电路控制电路主要由PLC部分组成，模块输出端输出一个模拟信号给脉宽调节器的UC端，再送到基极电路进行信号放大。33参数的选择与软件的设计331参数的选择双闭环的系统结构图传递函数如下图10【3】所示，通过这个我们可以求出电流调节器，转速调节器的参数，以PLC的PID指令的计算功能代入其参数，代替电流调节器，转速调节器，这也是PLC给我们带来的便利。图10双闭环的系统结构图传递函数图332软件的选择与设计下面我们就一些程序中需要用到的一些特殊指令进行介绍，一遍读者易于理解，若要对其它指令进行深一步的理解读者可以参考相关的文献。1FROM指令用于把模拟量输入/输出模块的缓冲存储器的信息读入到数据寄存器中，例如，下表2所示，程序中使用到FROM指令，其中K0代表模块的编号，从离PLC基本单元最近的左边以0数起，前面章节中有介绍，K30代表缓冲区号，例如K30就是代表30缓冲区，D4代表要送到的数据寄存器，K1代表从D4数起的一个寄存器。表2FROM指令FROMK0K30D4K12TO指令，它实现的是将数据写入缓冲存储器的功能，如下表3所示，第一个K0代表模块的编号，第二个K0代表要写入的缓冲存取器，这里就代表缓冲存储器0，H3000代表写入的数值，K1代表输入一个数值。表3FROM指令TOK0K0H3000K13PID指令，它的功能是代替电流调节器，转速调节器，实现对输入的各个参数进行计算，程序自带为它内部设定的公式为PID表达式KPKDTDDT。例如下表4所示，它有源操作数和目的操作数组成，数据传输过程中DTTI1只能用数据寄存器。如下图所示D100表示的参数要输入的寄存器，它包含25个数据寄存器，例如这里就是带便D100D124,并有按一定的规律输入参数值，例如采样时间输入到S3,调节器的正反作用输入到S31，比列系数输入KP输入到S33，积分时间常数TI输入到S34，微分时间TD输入到S36，最后运算结果送到S4。表4PID指令的说明指令S1S2S3S4PIDD0D1D100D150设定值当前值参数输出值333程序的设计1首先设定各个按钮或线圈等对应的输入输出的规定，如下表5所示。表5输入输出分配SB1总电源按钮X1SB2电机正转X2SB3电机反转X3SB4电机停转X4SJ电流切断保护X5I1给定一