楊振宇

　　（中國(guó)地質(zhì)工程集團(tuán)公司，北京 100093）

       摘要：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。首先簡(jiǎn)要介紹了直流電機(jī)調(diào)速原理以及對(duì)調(diào)速的要求，然后設(shè)計(jì)了基于CPU224XPPLC的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并通過(guò)仿真軟件編寫(xiě)了PLC梯形圖，最后在S7200中進(jìn)行了電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的直流電機(jī)PLC調(diào)速系統(tǒng)能比較好地實(shí)現(xiàn)給定的任務(wù)指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；調(diào)速控制；梯形圖；S7-200

　　中圖分類號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.001

　　引用格式：楊振宇. 基于PLC的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（6）：1-2，6.

0引言

　　直流電機(jī)在調(diào)速方面的應(yīng)用比較廣泛，并且它常用于調(diào)速要求相當(dāng)高的生產(chǎn)機(jī)械上，比如挖掘機(jī)械等。目前直流調(diào)速控制比較多地采用繼電器接觸器控制系統(tǒng)，但由于該系統(tǒng)修改相當(dāng)困難且維護(hù)極為不方便，因此已經(jīng)很難滿足用戶的要求。另外較多的應(yīng)用是以單片機(jī)或者DSP芯片等作為控制器，由于這些控制器占用的端口多，同時(shí)連接的外部元件也多，導(dǎo)致了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性受到影響［12］。而可編程控制器PLC有高可靠性和強(qiáng)悍的抗干擾能力，是今后直流調(diào)速的主流研究方向。正是基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了基于PLC的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。

1直流電機(jī)的調(diào)速原理及調(diào)速要求

　　1.1直流電機(jī)調(diào)速原理介紹

　　直流電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力設(shè)備, 帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。對(duì)于負(fù)載的不同, 通常要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié),要求調(diào)速范圍廣，而且調(diào)速平穩(wěn)和方便， 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n表達(dá)式為［34］:

　　n=ECEΦ=Ua－RaIaCEΦ(1)

　　其中n為轉(zhuǎn)速(r/min); Ia為電樞電流(A); Ua為電樞電壓(V); CE為由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù); Ra為電樞回路總電阻(Ω); Φ為勵(lì)磁磁通(ωb)。

　　由電機(jī)調(diào)速公式可知,直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速有三種方法: 第一, 改變電樞電壓Ua；第二, 通過(guò)改變勵(lì)磁電流If來(lái)改變勵(lì)磁磁通Φ； 第三, 則改變電樞電阻Ra。 如果要求實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速而且范圍比較廣, 改變電樞電壓是最佳方法。因?yàn)楦淖冸姌须娮柚荒軐?shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而改變勵(lì)磁電流來(lái)改變勵(lì)磁磁通調(diào)速,調(diào)速范圍比較小。綜合以上分析本文通過(guò)改變電樞電壓進(jìn)行調(diào)速。

　　1.2直流調(diào)速要求

　　對(duì)于任何一臺(tái)需要進(jìn)行直流調(diào)速的生產(chǎn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，其生產(chǎn)工藝都會(huì)對(duì)其調(diào)速性能有一定的要求。比如調(diào)速范圍，是無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)還是有級(jí)調(diào)節(jié)，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍，從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的間隔時(shí)間，突然加大或者驟然減輕負(fù)載時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的范圍，以及運(yùn)行停止所需的定位精度等?？偠灾?，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)速控制主要有以下三個(gè)方面的要求：第一：調(diào)速。在特定的額定最值區(qū)間內(nèi)，有級(jí)或者無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。第二：穩(wěn)速。以某種精度在所需的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在受到干擾的時(shí)候不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)以保證生產(chǎn)質(zhì)量。第三： 加速或減速。頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的設(shè)備要求加速、減速盡量快，這樣有利于提高生產(chǎn)效率，不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則需要啟動(dòng)、制動(dòng)盡量平穩(wěn)［56］。

2直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　2.1直流電機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)

　　直流調(diào)速采用PLC作為控制器，其硬件設(shè)計(jì)部分比較簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)的核心是通過(guò)檢測(cè)模塊對(duì)所得的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，而后將結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)作為輸出，從而控制PWM信號(hào)的占空比，進(jìn)而控制直流電機(jī)的運(yùn)行。在本文中，選取西門(mén)子S7200系列的CPU224xp，中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O端口、I/O擴(kuò)展接口、通信設(shè)備、外圍設(shè)備接口和電源等都是PLC主機(jī)的主要組成部分。模塊化設(shè)計(jì)的西門(mén)子S7200屬于緊湊型的，其控制系統(tǒng)的硬件組成部分有CPU模塊、各種擴(kuò)展模塊以及各種附加硬件，其構(gòu)成形式如圖1所示。

　　2.2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　PLC編程是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的核心，可編程控制器（PLC）共有5種編程語(yǔ)言，最常用的就是梯形圖。梯形圖是一種圖形編程語(yǔ)言，是一種面向控制過(guò)程的自然語(yǔ)。總體來(lái)說(shuō)，梯形圖語(yǔ)言比較形象、直觀，對(duì)于熟悉控制線路的電氣人員來(lái)說(shuō)相當(dāng)容易被接受。因此，在PLC應(yīng)用中它是最基本、使用最普遍的編程語(yǔ)言。但這種編程方式只能是圖形編輯器直接編程。本設(shè)計(jì)的梯形圖如圖2所示，其中包括啟動(dòng)梯形圖、停止梯形圖、加速梯形圖以及減速梯形圖［78］?！　?/p>

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　本設(shè)計(jì)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的控制要求如下：（1）通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min，并很快達(dá)到穩(wěn)定；（2）將轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min加速到1 500 r/min，并很快保持穩(wěn)定。連接好硬件電路后，寫(xiě)入PLC程序，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速以及停機(jī)測(cè)試。圖3和圖4分別為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 001 r/min以及1 502 r/min的平穩(wěn)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果，其中從1 001 r/min加速到1 502 r/min的時(shí)間不到1 s，而且運(yùn)行非常平穩(wěn)，說(shuō)明采用PLC調(diào)速，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性較好。

4結(jié)束語(yǔ)

　　本文以直流電機(jī)為被控對(duì)象，采用PLC作為控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電樞電壓進(jìn)行調(diào)速，主要進(jìn)行了PLC的梯形圖編程，在西門(mén)子S7200上進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PLC的直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)。此外可以通過(guò)外圍設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，不管是PLC自身故障還是外圍設(shè)備工作故障都能夠顯示。因此，采用PLC控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是今后發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 張金男.基于PLC控制技術(shù)的大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.大連：大連海事大學(xué),2007.［2］ 李清安.PLC和變頻器在攪拌機(jī)上的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù),2012，41(7):150-152.

　?。?］ 榮軍, 李一鳴,萬(wàn)軍華,等.直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)研究［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2016,29(2):47-52.

　?。?］ 王建平, 張延輝, 馮國(guó)強(qiáng),等.基于氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的一種混凝土攪拌機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械,2013,34(12):24-26.

　　［5］ 唐介. 電機(jī)與拖動(dòng)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

　?。?］ 閆肅. 基于PLC的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2013（6）：6365.

　?。?］ 潘峰,劉紅兵. 西門(mén)子PLC控制技術(shù)實(shí)踐［M］.北京：中國(guó)電力出版社,2009.

　?。?］ 宋伯生.PLC編程理論·算法及技巧［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.