【電氣工程及其自動化】基于plc直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）基于PLC直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計二級學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動化完成日期2015年5月24日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報告D其他目錄第一章引言111可編程控制器PLC112雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1第二章直流調(diào)速系統(tǒng)221設(shè)計的調(diào)速性能的指標(biāo)222PWM調(diào)速系統(tǒng)2221直流電機(jī)的PWM控制原理2222直流電機(jī)的PWM控制系統(tǒng)的組成3第三章基于PLC的調(diào)速系統(tǒng)731設(shè)計的任務(wù)7321選擇硬件得到具體說明10322設(shè)計需用到的PLC擴(kuò)展模塊1033參數(shù)的選擇與軟件的設(shè)計12331參數(shù)的選擇12332軟件的選擇與設(shè)計12333程序的設(shè)計13334直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真16參考文獻(xiàn)17附錄18致謝基于PLC直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘要本設(shè)計是基于日本三菱公司FX2N16MT系列PLC的直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)及直流脈寬雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用該系列的特殊功能輸入/輸出擴(kuò)展模塊與其功能指令，要求實現(xiàn)了直流電機(jī)的快速調(diào)速，穩(wěn)定性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點，通過各種硬件的合理選擇與軟件的正確設(shè)計，最后經(jīng)過模擬信號的調(diào)試，該直流調(diào)速系統(tǒng)均符合要求。關(guān)鍵詞PLC；直流電機(jī)；脈寬調(diào)速系統(tǒng)DCMOTORFORWARDINGANDREVERSING,ANDCONTROLSYSTEMOFSPEEDBASEDONPLCDESIGNINGABSTRACTTHISDESIGNISBASEDONTHEPLCOFJAPANMISTSUBISHIFX2N16MTSERIESDCMOTORANDREVERSINGANDDCPULSEWIDTHOFTHEDOUBLECLOSEDLOOPSPEEDREGULATIONSYSTEM,TNESYSTEMUSESTHESERIESOFTHESPECIALFUNCTIONOFTHEINPUT/OUTPUTEXTENSIONMODULEANDITSFUNCTIONINSTRUCTION,FORTHEFASTSPEEDOFDCMOTOR,STABILITYISSTRONG,HASTHEADVANTAGEOFSTRONGANTIJAMMINGCAPABILITY,THROUGHAVARIETYOFTHEREASONABLESELECTIONOFHARAWAREANDSOFTWAREDESIGN,FINALLYTHROUGHTHEDEBUGGINGOFTHEANALOGSIGNAL,THEDCSPEEDCONTROLSYSTEMMEETSTHEREQUIREMENTSKEYWORDSPLCDCMOTORPULSEWIDTHSPEEDREGULATIONSYSTEM1引言直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有利于電機(jī)的快速、平穩(wěn)、安全地調(diào)速，實現(xiàn)了無論在我們的日常生活，還是在生產(chǎn)中安全可靠地運行。過去的直流電機(jī)調(diào)速需要用到繼電器，集成運算放大器，電氣元件按照一定的規(guī)律用導(dǎo)線連接起來，實現(xiàn)運行，這種控制方式不但落后而且可塑性不高。而現(xiàn)代的PLC控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個問題，通過軟件輸入?yún)?shù)，通過電流與轉(zhuǎn)速的反饋實現(xiàn)了工作可靠，方便，性能好的數(shù)字處理系統(tǒng)，大大改善了系統(tǒng)的性能。11可編程控制器PLC從結(jié)構(gòu)上分PLC分為固定式和組合式模塊式兩種。固定式PLC包括CPU板、I/0板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等。這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、地板或機(jī)架。這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。它目的是用來取代繼電器，擁有的若干條的功能指令以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。PLC的基本設(shè)計思想是把計算機(jī)功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的。根據(jù)實際應(yīng)用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi)。解決了用傳統(tǒng)繼電器控制的布線多又雜，不易于維修，控制不方便的缺點，而且簡單易學(xué)深受工程人員的喜歡。本設(shè)計將應(yīng)用到PLC一些特殊功能指令和擴(kuò)展模塊來實現(xiàn)該系統(tǒng)的功能。12雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)具有兩個調(diào)節(jié)器，一環(huán)嵌套一環(huán)；速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)。兩個PI調(diào)節(jié)器均設(shè)置有限幅；一旦PI調(diào)節(jié)器限幅即飽和,其輸出值為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，而輸出未達(dá)限幅時，調(diào)節(jié)器才起作用，使輸入偏差電壓在調(diào)節(jié)過程中接近0，而在穩(wěn)態(tài)時為0這樣就很好地達(dá)到了當(dāng)給定一個電壓時，當(dāng)外界環(huán)境改變時，電機(jī)能不受外界的干擾，平穩(wěn)運行，實現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。具體來說，它具有良好的靜特性，具有較好的動態(tài)特性，啟動時間短，超調(diào)量也小，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，由于設(shè)計的反饋環(huán)節(jié)很好地消除了偏差。電流內(nèi)環(huán)速度外環(huán)圖1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡單原理本設(shè)計我們通過改變直流電機(jī)的電樞兩端電壓來實現(xiàn)該系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，通過改變電樞電壓的大小來改變轉(zhuǎn)速，通過改變電樞兩邊電壓的極性來改變其轉(zhuǎn)動方向，如上圖1所示其它環(huán)節(jié)未畫出），這個簡單的模擬圖為系統(tǒng)的調(diào)速的穩(wěn)定，可靠提供了保證，至于如何改變電壓的大小與極性在下面的章節(jié)將進(jìn)行具體介紹。2直流調(diào)速系統(tǒng)21設(shè)計的調(diào)速性能的指標(biāo)本文設(shè)計的調(diào)試系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無靜差，動態(tài)過度過程時間TS不大于01S，電流超調(diào)量I不大于5，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量N不大于10。以上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為運動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo)，同時實現(xiàn)調(diào)速，穩(wěn)速，加減速控制的功能作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。22PWM調(diào)速系統(tǒng)221直流電機(jī)的PWM控制原理直流電機(jī)的脈寬調(diào)制控制原理，主要是通過控制開關(guān)的通斷的頻率，來達(dá)到控制直流電機(jī)電樞電壓的平均值來控制其轉(zhuǎn)速值得大小，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。如下圖2所示，當(dāng)我們給直流電機(jī)一個固定電壓，用開關(guān)VT來控制電路的通斷，當(dāng)開關(guān)閉合時，電機(jī)的兩端的電壓等于US。當(dāng)開關(guān)斷開時，由于直流電機(jī)的感性電流通過電力二極管續(xù)流，此時電機(jī)電樞兩端的電壓為0。就是這樣，我們通過改變開關(guān)的通斷頻率來改變占空比TON/T,來改變輸出的平均電壓轉(zhuǎn)速調(diào)速器電流調(diào)節(jié)器直流電動機(jī)UD,來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2直流電機(jī)的脈寬調(diào)制控制原理222直流電機(jī)的PWM控制系統(tǒng)的組成如圖3所示，電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測通過測速發(fā)電機(jī)測量，速度反饋信號與速度給定電壓同時加在速度調(diào)節(jié)器輸入端上，組成速度調(diào)節(jié)器，構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的速度的外環(huán)。電機(jī)的電樞電流由電流傳感器檢測器，其輸出電壓與速度調(diào)節(jié)器輸出的電壓同時加在電流調(diào)節(jié)器的輸入端，構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)。下面將詳細(xì)介紹其組成的核心部件。圖3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖集成脈寬調(diào)制變換器這是整個脈寬調(diào)速系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，它有一個鋸齒波發(fā)生器和一個脈寬調(diào)制器組成。如下圖4【4】所示鋸齒波發(fā)生器它由兩個運算放大器組成，A1輸入正負(fù)對稱的方波脈沖，A2輸出鋸齒波，A2輸出端作為脈寬調(diào)制器（如圖5【4】）的其中一個輸入端UA作為調(diào)制信號，另外還設(shè)有一個電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓UC,還有一個偏移電壓UB,其中UC的大小與輸出的電壓脈寬成正比。如上述所示，這個電壓脈寬變換的電路是典型地利用了直流斬波的原理，輸出的脈寬信號再輸?shù)较乱患壍姆糯髮崿F(xiàn)對電力晶體管通斷的控制。圖4鋸齒波發(fā)生器圖5脈寬調(diào)節(jié)器橋式可逆PWM變換器如下圖6所示，H型的PWM變換器的開關(guān)部件為VT1，VT4和VT2，VT3兩組進(jìn)行通斷控制的。組內(nèi)兩器件VT1，VT4同時導(dǎo)通或關(guān)斷，兩組器件VT1，VT4和VT2，VT3則是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷的。其柵極驅(qū)動信號為UG1UG4,UG2UG3UG1。當(dāng)給電機(jī)的兩端加一個固定電壓US,通過該主電路對電力晶體管的控制,控制其導(dǎo)通關(guān)斷即可控制其轉(zhuǎn)速圖6H型的PWM變換器電子線路圖如圖7所示，電機(jī)正向運行時,當(dāng)0TTON時，UG1和UG4為正，相反UG2和UG3為負(fù)，VT1與VT4導(dǎo)通，VT2，VT3截止,電機(jī)兩端的電壓UABUSTONTT時，UG1和UG4為負(fù)，UG2和UG3為正，直流電機(jī)存在感性電流，在VD2和VD3續(xù)流，電動機(jī)的電壓UABUS。如圖8所示，電機(jī)反轉(zhuǎn)時，當(dāng)0TTON時，UG1和UG4為正，相反UG2和UG3為負(fù)，VT1與VT4導(dǎo)通，VT2，VT3截止,此時電機(jī)有一個反向電流，到達(dá)鉗位時使VT1與VT4截止，此時電機(jī)的電壓UABUS；TONTT時，UG1和UG4為負(fù)，UG2和UG3為正，使VT1與VT4保持截止。電樞電流在VT2，VT3導(dǎo)通，此時電機(jī)的電壓UABUS。圖7電機(jī)正轉(zhuǎn)時的波形分析圖圖8電機(jī)反轉(zhuǎn)時的波形分析圖由以上分析可得，在橋式可逆PWM變換器的一個PWM周期里電機(jī)的電樞電壓極性呈現(xiàn)正負(fù)變化的，但可見由于續(xù)流二極管的作用，電流的極性是不變的。其平均電壓UD的計算公式為UD2A1US（1）式中ATON/T,其中A為前面脈寬調(diào)制原理提到的占空比，顯然易見，只要我們改變其占空比就可以改變其轉(zhuǎn)速，假設(shè)US為正時是正轉(zhuǎn)，就是說A0時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，且速度最大。A05時，電機(jī)不轉(zhuǎn)。A1時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，且速度最快。3基于PLC的調(diào)速系統(tǒng)31設(shè)計的任務(wù)本設(shè)計基于三菱PLC的控制電路，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)，主電路為直流脈寬調(diào)速的橋式可逆調(diào)速系統(tǒng)。為了計算出PI環(huán)節(jié)的各個輸入?yún)?shù),選擇一下電機(jī)參數(shù)。電樞電阻RA0088,IN220A,UN440V,NNOM1500R/MIN,允許過載倍數(shù)15。電樞回路總電阻R012，電樞的回路電磁時間常數(shù)TL12MS,機(jī)電時間常數(shù)TM100MS,電流反饋濾波時間常數(shù)TOI25MS,轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)TOI14MS,給定值和速度調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的限幅值均為10V。設(shè)計要求穩(wěn)態(tài)無靜差，動態(tài)過度時間TS01S,電流超調(diào)量I5,空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量N10。A有關(guān)參數(shù)的計算1電動機(jī)的機(jī)電常數(shù)CE（2）MIN2804150241RVNRIUNA2確定采樣時間TS,即開關(guān)周期TPWM，晶體管滯后時間TSTPWM0017S（3）F12503電流反饋系數(shù)（4）AVIUDMI/032514轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)AA（5）MIN067151RVNUNIMB電流環(huán)參數(shù)的設(shè)計（1）電流環(huán)小時間常數(shù)（6）STSOII04217025（2）電流調(diào)節(jié)器選擇，按典1系統(tǒng)設(shè)計，選用PI調(diào)節(jié)，即無微分作用，傳遞函數(shù)為（7）SKWISACR1確定其各個參數(shù)（8）STLI012要求5,應(yīng)取KL05,因此IIT（9）10594205SITL所以電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為（10）1260450319PWMILIKRKPWM為脈寬調(diào)節(jié)器與PWM變換器的放大系數(shù)，取45由上述計算可知采樣時間TS17MS,電流調(diào)節(jié)器的比列系數(shù)KI0126,積分時間常數(shù)12MS,微分無作用。IC確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)確定時間常數(shù)，電流環(huán)等效時間常數(shù)為200084S,轉(zhuǎn)速濾波時間常IT數(shù)TON0014S,最后S。042ONITN轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按2型系統(tǒng)設(shè)計，選用PI調(diào)節(jié)器，即微分無作用，其傳遞函數(shù)為（11）SKWNSASR1選擇ASR參數(shù)取H5,則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)（12）SHTNN12045轉(zhuǎn)速開環(huán)放大系數(shù)（13）162390425621SNTHKN則（14）3280410675228321NHARTCKMEN綜上所訴，同樣我們可以知道轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比列系數(shù)KN283,積分時間常數(shù)為0112S。32硬件的選擇與設(shè)計321選擇硬件得到具體說明本設(shè)計采用日本三菱PLC的FN系列的FX2N16MT的CPU，其中它有16電輸入輸出點數(shù)。設(shè)計中需要用到其一些特殊功能指令和一些簡單的功能指令作為協(xié)助。例如具有向特殊擴(kuò)展模塊讀出與寫入的FROM指令與TO指令，PID指令等，這些指令的具體用法將在軟件設(shè)計部分作詳細(xì)的介紹。322設(shè)計需用到的PLC擴(kuò)展模塊1模擬量輸入模塊FX2N4AD。此模塊具有4個通道，分別是CH1CH4，每個通道都可以進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，采集電壓信號為10V至10V,分辨率為5MV電流輸入為4至20M或20至20MA該模塊內(nèi)部具有32個16位的緩沖寄存器（BMF用于與主機(jī)交換數(shù)據(jù)，其占用擴(kuò)展總線的8個點，耗電為5V，30MA其中我們設(shè)計的程序中要用到其中的幾個緩沖寄存器，將作詳細(xì)的介紹，讀者對其它緩沖寄存器有興趣可以翻閱相關(guān)的資料。BFM內(nèi)部含義0，通道初始化，默認(rèn)值為H0000；912，每個輸入通道的當(dāng)前值存放；29，錯誤狀態(tài)；30，識別碼，K2010。BFM說明0的數(shù)據(jù)可以通過TO指令改寫，其它緩沖寄存器的數(shù)據(jù)可以使用PLC的FROM指令讀寫；在BFM0中寫入16進(jìn)制的4為數(shù)字HXXXX，進(jìn)行A/D模塊通道的初始化，最低位數(shù)字控制CH1,最高位控制CH4。當(dāng)X0時設(shè)定輸入范圍為10到10V，當(dāng)X1時，設(shè)定的輸入范圍為4MA到20MA,當(dāng)X2時，設(shè)定輸入范圍為20到20MA,X3時，關(guān)斷通道。例如BFM0H3000表示關(guān)閉通道CH4，而CH1，CH2，CH3的設(shè)定值的輸入范圍是10到10V。2模擬量輸出模塊FX2N2DA模擬量輸出模塊FX2N2DA將12位的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或電流輸出。它有兩個模擬輸出通道CH1，CH2。分別有三種量程DC010V、05和420MA,D/A轉(zhuǎn)換時間4MS/通道。此模塊有32個緩沖存儲器，下面我們就用到的幾個重要的存儲器作介紹。表1模塊FX2N2DABFM的簡單介紹BFM編號B15到B8B7到B3B2B1B00到15保留16高8位保留，低8位為輸出數(shù)據(jù)的當(dāng)前值17保留D/A第八位數(shù)據(jù)保持通道1D/A轉(zhuǎn)換開始通道2D/A轉(zhuǎn)換開始主機(jī)CPU與輸入/輸出模塊，從FX2N16MT基本單元的右邊的擴(kuò)展總線上，從最靠近基本單元開始編號0,1，如下圖9所示01FX2N16MTFX2N4ADFX2N2DA圖9PLC模塊連接編號3電路圖的設(shè)計。參考文中的附錄，主電路部分給固定的US500V的電壓，電源通過變壓器獲取，通過分壓器分440V電壓，再經(jīng)整流橋整流，電源兩側(cè)接一個電容濾波和穩(wěn)壓，并接有繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（由PLC編訂的程序設(shè)定，控制電路輸出的脈寬信號輸?shù)交鶚O放大器進(jìn)行信號放大，來驅(qū)動電力電子晶體管，來控制其導(dǎo)通與關(guān)斷，電力二極管作電機(jī)的續(xù)流的作用，作用是使電機(jī)分別在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時候，電流方向不變。詳細(xì)參考第二章的橋式可逆變換器。主電路并設(shè)有由測速發(fā)電機(jī)測速并反饋到模塊的輸入端，設(shè)有電流傳感器并反饋到模塊的輸入端；控制電路控制電路主要由PLC部分組成，模塊輸出端輸出一個模擬信號給脈寬調(diào)節(jié)器的UC端，再送到基極電路進(jìn)行信號放大。33參數(shù)的選擇與軟件的設(shè)計331參數(shù)的選擇雙閉環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳遞函數(shù)如下圖10【3】所示，通過這個我們可以求出電流調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以PLC的PID指令的計算功能代入其參數(shù)，代替電流調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，這也是PLC給我們帶來的便利。圖10雙閉環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳遞函數(shù)圖332軟件的選擇與設(shè)計下面我們就一些程序中需要用到的一些特殊指令進(jìn)行介紹，一遍讀者易于理解，若要對其它指令進(jìn)行深一步的理解讀者可以參考相關(guān)的文獻(xiàn)。1FROM指令用于把模擬量輸入/輸出模塊的緩沖存儲器的信息讀入到數(shù)據(jù)寄存器中，例如，下表2所示，程序中使用到FROM指令，其中K0代表模塊的編號，從離PLC基本單元最近的左邊以0數(shù)起，前面章節(jié)中有介紹，K30代表緩沖區(qū)號，例如K30就是代表30緩沖區(qū)，D4代表要送到的數(shù)據(jù)寄存器，K1代表從D4數(shù)起的一個寄存器。表2FROM指令FROMK0K30D4K12TO指令，它實現(xiàn)的是將數(shù)據(jù)寫入緩沖存儲器的功能，如下表3所示，第一個K0代表模塊的編號，第二個K0代表要寫入的緩沖存取器，這里就代表緩沖存儲器0，H3000代表寫入的數(shù)值，K1代表輸入一個數(shù)值。表3FROM指令TOK0K0H3000K13PID指令，它的功能是代替電流調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)對輸入的各個參數(shù)進(jìn)行計算，程序自帶為它內(nèi)部設(shè)定的公式為PID表達(dá)式KPKDTDDT。例如下表4所示，它有源操作數(shù)和目的操作數(shù)組成，數(shù)據(jù)傳輸過程中DTTI1只能用數(shù)據(jù)寄存器。如下圖所示D100表示的參數(shù)要輸入的寄存器，它包含25個數(shù)據(jù)寄存器，例如這里就是帶便D100D124,并有按一定的規(guī)律輸入?yún)?shù)值，例如采樣時間輸入到S3,調(diào)節(jié)器的正反作用輸入到S31，比列系數(shù)輸入KP輸入到S33，積分時間常數(shù)TI輸入到S34，微分時間TD輸入到S36，最后運算結(jié)果送到S4。表4PID指令的說明指令S1S2S3S4PIDD0D1D100D150設(shè)定值當(dāng)前值參數(shù)輸出值333程序的設(shè)計1首先設(shè)定各個按鈕或線圈等對應(yīng)的輸入輸出的規(guī)定，如下表5所示。表5輸入輸出分配SB1總電源按鈕X1SB2電機(jī)正轉(zhuǎn)X2SB3電機(jī)反轉(zhuǎn)X3SB4電機(jī)停轉(zhuǎn)X4SJ電流切斷保護(hù)X5I1給定一