2437.伺服直流電動機的PWM調(diào)速系統(tǒng)

1、xxxxx 大 學本科生畢業(yè)論文姓 名： xxxxx 學 號： xxxxx 學 院： 應用技術學院 專 業(yè)： 電氣工程及自動化 論文題目： 伺服直流電動機的pwm調(diào)速系統(tǒng) 指導教師： xxxxx 職 稱： 教授 2009年 6 月 xxxxxxxxxx大學畢業(yè)論文任務書學院 應用技術學院 專業(yè)年級 電氣05-1班學生姓名 xxxxx 任務下達日期：2009年 1 月 15 日畢業(yè)論文日期：2009 年 3 月8 日至 2009 年 6 月5 日畢業(yè)論文題目：伺服直流電動機的pwm調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：設計主要內(nèi)容有：1. 系統(tǒng)主回路設備理論計算及選型2. 系統(tǒng)控制電路的設計3. 控制

2、系統(tǒng)的計算機仿真4. 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)5. 系統(tǒng)的軟件流程圖 通過此畢業(yè)設計，使學生充分掌握數(shù)字控制技術的基礎理論和直流調(diào)速系統(tǒng)的設計技術，為今后工作打下堅實的基礎。院長簽字： 指導教師簽字：xxxxx大學畢業(yè)論文指導教師評閱書指導教師評語（基礎理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點；工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導教師簽字： 年 月 日xxxxx大學畢業(yè)論文評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎理論及基本技能的掌握；綜合運用所學知識解決實際問題的能力；工作量的大?。蝗〉玫闹饕晒?/p>

3、創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日xxxxx大學畢業(yè)設計答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學院領導小組綜合評定成績：學院領導小組負責人： 年 月 日摘 要直流電動機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，過載能力大，因此在傳動控制性能要求較高的場合仍被廣泛應用。脈寬調(diào)制(pwm)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可節(jié)省能量。plc作為新型的自動化控制裝置，用其實現(xiàn)直流

4、電動機的pwm調(diào)速，具有系統(tǒng)控制精度高，經(jīng)濟可靠，電機運行穩(wěn)定等特點。本文重點研究了用s7-200 plc實現(xiàn)直流電動機pwm調(diào)速的控制技術,詳細介紹了24伏100瓦直流電動機pwm調(diào)速的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)包括電源回路、功率驅(qū)動回路、轉(zhuǎn)速檢測及顯示回路。功率驅(qū)動采用單極性h橋式功率驅(qū)動，測速采用霍爾開關，轉(zhuǎn)速顯示采用四位共陰極數(shù)碼管來實現(xiàn)。該硬件系統(tǒng)與相應的s7-200 plc軟件配合，實現(xiàn)對24伏100瓦直流電動機的pwm控制。該控制系統(tǒng)功能包括電機的正、反轉(zhuǎn)，調(diào)速、測速及轉(zhuǎn)速顯示，所有系統(tǒng)功能都己運行通過，經(jīng)過實驗驗證，工作狀態(tài)良好。文中對直流電動機結(jié)構(gòu)、工作原理、基本方程、機械特性和調(diào)速方法

5、以及pwm調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成、s7-200 plc程序設計思路部分做了簡單介紹。關鍵詞：直流電動機；pwm調(diào)速；s7-200 plc；轉(zhuǎn)速檢測；掃描顯示abstract dc motor has a good characteristic of starting and regulating the speed. it has the high overloading capability. so it is widely applied in the occasion that require higher characteristic of starting and regulating. p

6、ulse width modulation (pwm) is an effective technology that be used in digital output to control analog circuits, especially in controlling the speed of motor, which can save energy. plc as a new type of automatic controlling devices, which be used in the dc motor, it makes the pwm regulating the sp

7、eed system more accurately, economically, reliability and steadily and so on. the article introduces the control system of dc motor that is based on pwm with s7-200 plc. a dc motor whose rated parameters are 24v, 100w and 2700rps of the hardware circuit system is detailed. the hardware of this pwm c

8、ontrolling system includes power supply, power drive, speed detection and display. power drive has been realized by h-bridge/hall switch. speed detection has been realized by hall switch. four led is used display speed. coordinated with the corresponding software this hardware can realize the contro

9、l function of a 24v, 100w and 2700rps dc motor with pwm technology of s7-200 plc. the function of this system includes the following sections: the rotation of dc motor, speed controlling and scan display. all functions of this controlling system have been completed and the system has good work condi

10、tion. in this article, it clarifies some related content, such as the structure of dc motor, working principle, the related basic equation, mechanical properties, and the velocity modulation characteristics and the composition of pwm speed controlling system.keywords: dc motor; pwm speed control; s7

11、-200 plc; speed detection; scan display目 錄1 緒論11.1 直流電動機概述11.2 西門子s7-200 plc概述21.2.1 s7-200的基本組成和接口模塊21.2.2 s7-200的功能及特點41.3 本設計所需要做的主要內(nèi)容52 直流電動機的原理及拖動52.1 直流電動機的結(jié)構(gòu)及工作原理52.1.1 直流電動機的結(jié)構(gòu)與分類52.1.2 直流電動機的工作原理72.2 直流電動機的基本方程82.3 直流電動機的電力拖動92.3.1 直流電動機的機械特性92.3.2 直流電動機調(diào)速的性能指標102.3.3 直流電動機的調(diào)壓調(diào)速112.4 直流電動機的

12、啟動和正反轉(zhuǎn)132.4.1 直流電動機的啟動132.4.2 直流電動機的正反轉(zhuǎn)133 直流電動機的pwm控制系統(tǒng)143.1 直流電動機pwm調(diào)速概述143.2 直流電動機pwm調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成153.2.1 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器153.2.2 pwm控制與變換器的數(shù)學模型163.3 pwm系統(tǒng)的主要問題分析173.3.1 pwm變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形173.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性193.4 s7-200plc實現(xiàn)直流電動機的pwm調(diào)速204 24伏100瓦直流電動機的pwm控制系統(tǒng)硬件224.1 控制系統(tǒng)設計概述224.2 控制系統(tǒng)的電源設計234.2.1 系統(tǒng)的主電

13、源回路設計234.2.2 系統(tǒng)的顯示電源設計264.2.3 系統(tǒng)的功率驅(qū)動回路設計274.3 控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量及顯示294.3.1 霍爾開關的測速原理294.3.2 霍爾開關的測速電路設計304.3.3 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速顯示設計304.4 控制系統(tǒng)的保護及硬件抗干擾設計324.4.1 控制系統(tǒng)的保護設計324.4.2 控制系統(tǒng)的硬件抗干擾考慮324.5控制系統(tǒng)的軟件設計335 控制系統(tǒng)硬件設計的其它方案考慮375.1 控制系統(tǒng)主電源回路的設計375.2 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量回路的設計37結(jié) 論39參考文獻40附錄1：硬件電路設計原理圖41翻譯部分42英文原文42中文譯文49致 謝59 xxxxx大學2

14、009屆本科生畢業(yè)設計 第57頁1 緒論本章簡要介紹了直流電動機的產(chǎn)生、發(fā)展及應用領域和西門子s7-200 plc的組成、工作原理，并簡單描述了本設計所需要做的主要內(nèi)容。1.1 直流電動機概述直流電動機是由直流電源供電，將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能，從而拖動生產(chǎn)機械完成生產(chǎn)任務。它具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，過載能力大，因此在啟動、調(diào)速性能要求較高的場合，如大型礦井提升機、挖掘機、軋鋼機、城市電車等，通常選用直流電動機拖動。在許多自動控制系統(tǒng)中，小容量直流電機也被廣泛應用。電機的發(fā)明和廣泛應用是驅(qū)動第二次工業(yè)革命的車輪，在科學技術發(fā)展史上留下一個多世紀的發(fā)展軌跡。今天從只有0.1w的小型錄音機電機

15、到煉鋼廠的數(shù)萬千瓦的大型電動機，60%-70%的電力就是通過這些大大小小的電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，為人們的生產(chǎn)和生活服務，提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了現(xiàn)代文明。電動機的發(fā)明，主要依賴于電磁理論的發(fā)展。從1820年早期電學及磁學的重大發(fā)現(xiàn)到電動機的誕生大約經(jīng)歷了半個世紀。這些重大發(fā)現(xiàn)包括如何制造電磁鐵以及如何利用電磁現(xiàn)象使物體運動。1821年，法拉第制作了一臺帶電導體圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)的實驗模型。這就是近代電動機的“雛形”。1831年，美國科學家亨利利用一些簡單的基本零件，包括一個電池、一個電磁鐵和一個換向器構(gòu)成連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機。戴文波特（thomas davenport）于1837年第一個取得電動機專利

16、，并發(fā)明了多種電動機。但是在電動機大規(guī)模應用方面，他的努力始終未取得任何突破。造成這一現(xiàn)象的原因是當時電力成本太高，無法與廉價的蒸汽動力相比。直到19世紀60-70年代，在發(fā)電機中發(fā)明了自激原理，由此帶來電力供應的商品化。由于這些理論的發(fā)展，工程師制造出更有效率的發(fā)電機和電動機。對發(fā)電機和電動機作用原理的可逆性認識，使得直流發(fā)電機和電動機在這一時期得到發(fā)展。19世紀70年代是電力時代的開始，當時已經(jīng)有實用化的電動機和發(fā)電機。在一定條件下，同一臺電機可以工作在發(fā)電機狀態(tài)，也可以工作在電動機狀態(tài)，發(fā)電機和電動機是電機的不同運行工況。但是，在19世紀人們認識這一現(xiàn)象卻是由于法國工程師佛唐在觀察一名工

17、人誤接兩部發(fā)電機而產(chǎn)生的靈感。這一時期，直流電動機獲得飛速發(fā)展。20世紀60年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流調(diào)速的方法不斷進步和完善，其調(diào)速性能可與直流調(diào)速相媲美, 目前，在很多應用場合交流電動機的調(diào)速已取代直流電動機調(diào)速。然而，直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以直流電動機的控制仍然很重要。直流電機由于具有起動轉(zhuǎn)距大、體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速容易控制，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等十分優(yōu)良的特性，因而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。其缺點就是體積大、價格昂貴、維護復雜，頻繁啟動容易引

18、起故障，以及直流電的傳輸距離有限。1.2 西門子s7-200 plc概述西門子公司的s7-200 plc是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型plc。它指令豐富、功能強大、可靠性高、適應性好、結(jié)構(gòu)緊湊、便于擴展、性能價格比高，深受用戶歡迎，可以應用于各種小型自動化系統(tǒng)。s7-200的接口模塊有數(shù)字量模塊、模擬量模塊、智能模塊等。1.2.1 s7-200的基本組成和接口模塊cpu模塊由中央處理單元(cpu)、電源以及數(shù)字量輸入輸出單元組成。這些都被緊湊地安裝在一個獨立的裝置中。在cpu模塊的頂部端子蓋內(nèi)有電源及輸出端子；在底部端子蓋內(nèi)有輸入端子及傳感器電源；在中部右側(cè)前蓋內(nèi)有cpu工作模式開關(runstop)

19、、模擬量調(diào)節(jié)電位器和擴展i/o連接接口;在模塊的左側(cè)分別有狀態(tài)led指示燈、存儲卡及通信口。圖1-1為s7-200 plc的cpu模塊。s7-200的cpu224模塊可帶7塊擴展模塊，且7個擴展模塊中最多只能帶2個智能擴展模塊。cpu224模塊提供的主機i/o點有24個數(shù)字量輸入點和16個數(shù)字量輸出點。cpu224xp模塊集成了兩路模擬量輸入和一路模擬量輸出，有兩個rs-485通信口。cpu224模塊集成了6個有12種工作模式的高速計數(shù)器和兩點高速脈沖發(fā)生器/脈沖寬度調(diào)制器。cpu224xp的高速計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為200khz，高速脈沖輸出的最高頻率為100khz。s7-200主機的內(nèi)部電

20、源單元提供dc+5v電源和dc+24v電源,它可以作為cpu模塊和擴展模塊用于檢測直流信號輸入點狀態(tài)的dc+24v電源。如果用戶使用傳感器的話，也可作為傳感器的電源。如果使用cpu模塊內(nèi)部的dc+24v電源的話，應注意該dc+24v電源的負載能力。使cpu模塊及各擴展模塊所消耗電流的總和不超過該內(nèi)部dc+24v電源所提供的最大電流(400ma)。通信電纜是plc用來與個人計算機(pc)實現(xiàn)通信的?？梢杂胮c/ppi電線；使用通信處理器(cp)時，可用多點接口(mpi)電纜；使用mpi卡時，可用mpi卡專用通信電纜。通過不同的通信模塊，s7-200可以連接到以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線profibus-dp

21、、as-i，可以使用tcp/ip和s7協(xié)議。通過modem模塊em241，可以用模擬電話線實現(xiàn)與遠程設備的通信。s7-200的接口模塊有數(shù)字量模塊、模擬量模塊、智能模塊等。（1）數(shù)字量模塊：包括數(shù)字量輸入模塊（em221）、數(shù)字量輸出模塊（em222）和數(shù)字量輸入輸出模塊（em223）三種；（2）模擬量模塊：包括模擬量輸入模塊（em231）、模擬量輸出模塊（em232）和模擬量輸入輸出模塊（em235）三種；（3）智能模塊：常用的智能模塊有pid調(diào)節(jié)模塊、高速計數(shù)器模塊、溫度傳感器模塊、通信模塊等。智能模塊為plc的功能擴展和性能提高提供了極為有利的條件。高速計數(shù)器模塊專門對現(xiàn)場的高速脈沖信號

22、計數(shù)。由于plc主機的計數(shù)操作要受掃描速度的影響，當計數(shù)頻率很高，計數(shù)脈沖信號寬度小于掃描周期時，會發(fā)生計數(shù)脈沖的丟失。這時，只有使用高速計數(shù)器模塊進行計數(shù)。因為它是脫離plc主機的掃描周期而獨立進行計數(shù)操作的，所以它能準確地對高速脈沖信號進行計數(shù)操作。1.2.2 s7-200的功能及特點s7-200有兩種工作方式，即run(運行)模式與stop(停止)模式。在cpu模塊的面板上用“run”和“stop”led顯示當前的操作模式。在run模式，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能；在stop模式，cpu不執(zhí)行用戶程序，可以用編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，設置plc的硬件功能，并將用戶程序

23、和硬件設置信息下載到plc?？梢酝ㄟ^以下三種途徑來改變工作模式：（1）用模式開關改變工作模式；（2）在程序中改變工作模式；（3）用step7-mico/win32編程軟件改變工作模式。如果程序存在致命錯誤，在消除它之前不允許從停止模式進入運行模式。plc操作系統(tǒng)儲存非致命錯誤供用戶檢查，但不會從運行模式自動進入停止模式。plc的工作方式為掃描工作方式。s7-200的主要特點有以下幾點：（1）功能強大（2）先進的程序結(jié)構(gòu)（3）靈活方便的尋址方法（4）功能強大、使用方便的編程軟件（5）簡化復雜編程任務的向?qū)Чδ埽?）強大的通信功能（7）品種豐富的配套人機界面（8）有競爭力的價格（9）完善的網(wǎng)上技術

24、支持1.3 本設計所需要做的主要內(nèi)容設計主要內(nèi)容有：1. 系統(tǒng)主回路設備理論計算及選型2. 系統(tǒng)控制電路的設計3. 控制系統(tǒng)的計算機仿真4. 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)5. 系統(tǒng)的軟件流程圖 通過此畢業(yè)設計，使學生充分掌握數(shù)字控制技術的基礎理論和直流調(diào)速系統(tǒng)的設計技術，為今后工作打下堅實的基礎。2 直流電動機的原理及拖動本章的主要內(nèi)容為直流電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本方程及機械特性，并分別介紹了流電動機的調(diào)速方法、啟動、正反轉(zhuǎn)及制動，詳細介紹了調(diào)電壓調(diào)速方法。2.1 直流電動機的結(jié)構(gòu)及工作原理2.1.1 直流電動機的結(jié)構(gòu)與分類直流電動機在結(jié)構(gòu)上是由固定部分（定子）和旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）組成的。定子主要用來產(chǎn)生

25、磁通和作電機的機械支撐，其主要部件有主磁極、換向極、機座和電刷裝置；轉(zhuǎn)子通常稱為電樞，用來產(chǎn)生感應電勢和電磁轉(zhuǎn)矩其主要部件有電樞鐵心、電樞繞組和換向器。圖2-1給出了直流電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。各主要部件的作用如下：（1）主磁極：作用是產(chǎn)生主磁通建立氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定的波形沿空間分布。（2）換向極：作用是改善換向，消除或減小電刷與換向器之間的火花。（3）機座：機座既作為電機的機械支撐，又是磁極間磁通的通路，稱為定子磁軛。（4）電樞鐵心：電樞鐵心是主磁路的一部分。當電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時，鐵心中的磁通方向不斷變化，因而會產(chǎn)生渦流及磁滯損耗。為了減少磁損耗，鐵心通常用0.5mm厚硅

26、鋼片疊成。（5）電樞繞組：電樞繞組是直流電機的主要電路，是直流電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關鍵部件。當電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中產(chǎn)生感應電動勢；當電樞繞組中流過電流時，它在磁場中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。（6）換向器：將輸入的直流電流轉(zhuǎn)換成為電樞繞組元件中的交變電流，產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。直流電動機按結(jié)構(gòu)形式可分為開啟式、防護式、封閉式和隔爆式幾種；按容量大小可分為小型、中型和大型直流電動機；按勵磁方式可分為他勵、并勵、串勵、積復勵和差復勵直流電動機。2.1.2 直流電動機的工作原理直流電機的工作原理是建立在電磁感應定律和電磁力定律基礎上的。從本質(zhì)上看，直流電機實際上就是一臺裝有換向器的交流電機，借助

27、換向器的作用，把交流電變換為直流電，或把直流電變換成交流電。如圖2-2所示，電動機運行時，由直流電源把直流電能經(jīng)電刷a、b引人電機，在圖2-2(a)所示的瞬間，導體a的電流方向為垂直紙面向外，導體b的電流方向為垂直紙面向里，載流導體在磁場中受到電磁力作用，方向由左手定則確定，a、b導體所受的電磁力對軸形成一個順時針方向的轉(zhuǎn)矩(電磁轉(zhuǎn)矩)。當電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時，電樞沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。在圖2-2(b)所示的瞬間，線圈轉(zhuǎn)過180°，由于換向器的作用，電刷a只與處于n極下的導體相接觸，電刷b只與處于s極下的導體相接觸，導體a的電流方向為垂直紙面向里，導體b的電流方向為垂直紙面向外，可見引入

28、線圈中的電流是交變的。在導體位置對換的同時導體中電流的方向也同時改變，而所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向不會改變，始終為順時針方向，從而保證電動機沿一個方向轉(zhuǎn)動。綜上所述，直流電動機的能量轉(zhuǎn)換過程為：外加直流電源輸人直流電能電樞線圈的交變電能轉(zhuǎn)子的機械能。實際直流電機的電樞繞組是根據(jù)實際應用情況，由多個線圈構(gòu)成，線圈平均分布于電樞鐵心表面的不同位置的槽中，并按照一定的規(guī)律連接。磁極也是根據(jù)需要，n、s極交替放置多對。2.2 直流電動機的基本方程直流電動機具有良好的啟動性能和調(diào)速性能，因此在啟動、調(diào)速性能要求高的場合常常選用直流電動機拖動。直流電動機在穩(wěn)態(tài)運行時，從電路、力學和能量守恒等三個方面考慮，可以建

29、立電壓、轉(zhuǎn)矩和功率三種平衡方程式。下面以他勵直流發(fā)電機來討論這些方程。一、電壓平衡方程式由電機可逆原理知，電樞電勢ea的方向與電樞電流人相反，具有反抗電源電壓的性質(zhì)，稱之為反電勢。根據(jù)電路的基爾霍夫電壓定律，可以寫出電樞回路的電壓平衡方程式： （2-1）式中ia為電樞電流；ra為電摳回路總電阻(包括電樞回路中各串聯(lián)繞組的電阻和電刷與換向器電阻)。由直流電動機的電勢平衡方程式可知：對于直流電動機來說，u>ea。二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩tem為拖動轉(zhuǎn)矩，當它與軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩t2和空載轉(zhuǎn)矩t0相平衡時，電動機轉(zhuǎn)速恒定，處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。此時的轉(zhuǎn)矩方程式為： （2-2）式中te

30、m=ctia是電磁轉(zhuǎn)矩。三、功率平衡方程式（1）功率平衡方程式根據(jù)功率流程圖可以很容易列出直流電動機的功率平衡方程式 （2-3）式中為電動機的總損耗。（2）功率傳遞與損耗之間的關系當他勵直流電動機接上電源時，電樞繞組中流過電流ia，電網(wǎng)向電動機輸入的電功率為p1，輸入的電功率一部分被電樞繞組消耗（電樞銅耗pcu），其余部分便是電樞所吸收的電功率，此功率通過電磁感應轉(zhuǎn)換成電機的機械功率(電磁功率) pem，轉(zhuǎn)子獲得機械功率。一部分被由電機轉(zhuǎn)動引起的機械損耗(pm)、鐵耗(pfe)和附加損耗(ps)消耗，其余便是通過電機的軸向負載輸出的機械功率p2。以上關系可以用功率流程圖2-3表示。直流電動機的

31、效率為電動機輸出功率p2與電樞端輸入的電功率p1之比。即 （2-4）2.3 直流電動機的電力拖動2.3.1 直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性是指當電源電壓u、氣隙磁通及電樞回路總電阻（ra+rc）均為常數(shù)時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關系，即n=f(tem)。他勵直流電動機的機械特性方程式為： （2-5）當電動機外加電壓為額定值un，氣隙磁通也為額定值n，且電樞回路不外串電阻rc，即rc=0時，電動機的機械特性稱為固有機械特性（也稱自然機械特性），如圖2-4中直線1所示。它是一條略微向下傾斜的直線。當改變電動機外加電壓u、主磁通或外串電阻rc三個參數(shù)中的一個時，就可得到人工機

32、械特性。圖2-4中直線2為電樞串電阻人工機械特性、直線3為改變電動機外加電壓人工機械特性、直線4為減小磁通的人工機械特性。2.3.2 直流電動機調(diào)速的性能指標電動機的調(diào)速方法有多種，各種調(diào)速方法性能的好壞，常用調(diào)速的性能指標來衡量。主要的調(diào)速性能指標有以下幾種，現(xiàn)分別說明。 （1）調(diào)速范圍調(diào)速范圍是指電動機在額定負載時所能達到的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，用d表示，即 （2-6）最高轉(zhuǎn)速受電動機換向條件及機械強度的限制；最低轉(zhuǎn)速則受生產(chǎn)機械對轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性要求的限制。（2）靜差率靜差率是表示電動機在某一機械特性上運行時，由理想空載到額定負載所出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比，用百分

33、數(shù)表示為 （2-7） 顯然、在相同的n0情況下，電動機的機械特性越硬靜差率就越小，相對穩(wěn)定性就越好。靜差率和機械特性的硬度有關系，但又有不同之處。例如，兩條互相平行的機械特性其硬度相同，但靜差率不同。同樣硬度的特性，轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，越難滿足生產(chǎn)機械對靜差率的要求。（3）調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)速的級數(shù)越多，則認為調(diào)速的平滑性越好。調(diào)速的平滑程度用平滑系數(shù)來衡量，是指兩個相鄰調(diào)速級(如第級與級)的轉(zhuǎn)速之比，即 （2-8） 值越接近于1，調(diào)速的平滑性越好。時稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，級數(shù)接近無窮多，此時調(diào)速的平滑性最好。不同的生產(chǎn)機械對調(diào)速的平滑性要求不同，例如，龍門刨床要求基本

34、上近似無級調(diào)速（即)。（4）調(diào)速的經(jīng)濟性調(diào)速的經(jīng)濟性是指對調(diào)速設備的投資、電能消耗和調(diào)速效率等經(jīng)濟效果的綜合比較。2.3.3 直流電動機的調(diào)壓調(diào)速調(diào)速的方法有機械調(diào)速、電氣調(diào)速、機械電氣配合調(diào)速。究竟用何種方案要全面考慮，有時要進行各種方案的技術經(jīng)濟比較，才能決定。本節(jié)只討論在生產(chǎn)實踐中應用最多的電氣調(diào)速。所謂電氣調(diào)速就是通過人為改變電動機參數(shù)來改變電動機的轉(zhuǎn)速。從直流電動機的機械特性可知，電動機的轉(zhuǎn)速由電動機的機械特性和負載機械特性的交點，即工作點決定。在調(diào)速過程中，如果電動機的轉(zhuǎn)速可以連續(xù)地加以調(diào)節(jié)，稱為無級調(diào)速。根據(jù)機械特性方程式： ，可知，人為改變電樞電壓u、電樞回路電阻rc和主磁通都

35、可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。所以，調(diào)速的方法有電樞回路串電阻調(diào)速、降低電樞電壓調(diào)速和減弱磁調(diào)速三種。保持他勵直流電動機的磁通為額定值，電樞回路不串電阻，若將電源電壓降低為u1、u2等不同數(shù)值時，則可得到與固有機械特性互相平行的人為機械特性，如圖2-5所示。從機械特性上可看到，降低電源電壓后電動機的轉(zhuǎn)速將降低。降低電源電壓調(diào)速的物理過程是：設電動機穩(wěn)定運行在電源電壓為u1的機械特性上的a點，當電源電壓突然降低為u2時，瞬間n及ea不能突變，ia及tem減小，在圖2-5中，運行點即在相同的轉(zhuǎn)速下由a點過渡到人為機械特性上的b點。在b點，由于tem<tl,電動機減速。隨著neaiatem,直到tem

36、=tl，電動機以較低的轉(zhuǎn)速在c點穩(wěn)定運行。降低電源電壓調(diào)速的特點:第一，調(diào)速范圍廣。當降低電源電壓時機械特性的硬度不變。電機在低速下運行時，轉(zhuǎn)速隨負載變化的幅度較小。與電樞回路串電阻的調(diào)速方法比較，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要好得多。第二，調(diào)速的平滑性好，是無級調(diào)速。因為電源電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，所以這種調(diào)速方法可實現(xiàn)無級調(diào)速。第三，調(diào)速的經(jīng)濟性好。因為降壓調(diào)速是通過減小輸人功率來降低轉(zhuǎn)速的，低速時，損耗小，所以降低電源電壓調(diào)速的經(jīng)濟性好。第四，調(diào)壓電源設備較復雜。降低電源電壓調(diào)速是一種性能較好的調(diào)速方法，目前被廣泛用于對調(diào)速性能要求較高的電力拖動系統(tǒng)中，如軋鋼機、龍門刨床等。2.4 直流電動機的啟動和正反轉(zhuǎn)2.

37、4.1 直流電動機的啟動他勵直流電動機啟動時，應當先給電動機的勵磁繞組通入額定勵磁電流，以便在氣隙中建立額定磁通，然后再接通電樞回路。在啟動時，對直流電動機有兩條最基本的要求：一是要有較大的啟動轉(zhuǎn)矩tk (即轉(zhuǎn)速為零時的電磁轉(zhuǎn)矩)，使電動機在負載狀態(tài)下能順利啟動。并且啟動過程所需的時間能盡量縮短一些：二是要把啟動電流ik限制在允許的范圍之內(nèi)，使電動機能在不發(fā)生換向障礙、不產(chǎn)生電機過熱、不受到過大沖擊等條件下安全啟動，并且對電網(wǎng)也不產(chǎn)生有害的影響。實際工作中掌握的原則是在保證足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩的前提下，盡量減小啟動電流。把他勵直流電動機的電樞繞組直接接到額定電壓的電源上，這種啟動方法稱為直接啟動。

38、采用直接啟動方法時，在電樞剛接到電源的瞬間，因n=0，ea=0，若忽略電樞回路電感，則電樞電流瞬間達到最大值ia=u/ra。由于ra很小，ia可能達到額定電流的1030倍。這么大的電樞電流將使換向器產(chǎn)生強烈的火花，甚至產(chǎn)生環(huán)火，燒壞換向器及電刷；而且這個瞬間大電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩沖擊也會造成拖動系統(tǒng)傳動機構(gòu)損壞。所以，只有容量為數(shù)百瓦的微型直流電動機，才允許采用直接啟動方法(因力這類直流電動機有較大的電樞電阻轉(zhuǎn)動慣量也較小，啟動時轉(zhuǎn)速上升較快)。一般直流電動機的最大允許電流為 （1.52）in，所以不能采用直接啟動方法，必須把啟動電流限制在允許范圍之內(nèi)。為了限制啟動電流，可以采用降低電源電壓或在電樞

39、回路中串電阻的方法。2.4.2 直流電動機的正反轉(zhuǎn)直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是拖動轉(zhuǎn)矩，所以電動機運行時的旋轉(zhuǎn)方向與電磁轉(zhuǎn)矩的方向一致。為了改變電動機的轉(zhuǎn)向，就要改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。從轉(zhuǎn)矩公式tem = ctia可知，電磁轉(zhuǎn)矩取決于磁通和電樞電流的相互作用。只要磁通和電樞電流的方向有一個發(fā)生改變，則電磁轉(zhuǎn)矩和電樞轉(zhuǎn)向也隨之改變。具體方法有二：（1）保持電樞端電壓的極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，而改變磁通的方向： （2）保持勵磁繞組的電壓極性不變，將電樞繞組反接，使電樞電流的方向改變。顯而易見，如果電樞繞組和勵磁繞組同時反接，使磁通和電樞電流都改變方向，則電磁轉(zhuǎn)矩和電樞旋轉(zhuǎn)方向都達不到反向

40、的目的。 由于直流電動機勵磁繞組的匝數(shù)較多，電感較大，反向勵磁的建立過程緩慢，電動機反轉(zhuǎn)的過程不能迅速進行。同時，當勵磁繞組斷開時，會產(chǎn)生很高的感應電勢，可能使絕緣擊穿，所以在實際應用中，多采用反接電樞繞組的方法來實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)。 3 直流電動機的pwm控制系統(tǒng)本章主要介紹直流電動機的脈寬調(diào)制（pwm）式調(diào)速方法，具體討論直流電動機pwm調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)成，及s7-200plc實現(xiàn)直流電動機的pwm調(diào)速的控制原理和控制電路的實現(xiàn)。3.1 直流電動機pwm調(diào)速概述直流調(diào)速系統(tǒng)中應用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)節(jié)電樞電壓。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制(pwm)

41、技術，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電極端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)被稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制(pulse-width modulation，縮寫為pwm)式直流調(diào)速系統(tǒng)，是一種在vc-m直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎上以脈寬調(diào)制式可調(diào)直流電源取代晶閘管相控整流電源后構(gòu)成的直流電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。脈寬調(diào)制的基本原理是利用大功率晶體管的開關作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率為14khz的方波電壓，加到直流電動機的電樞上，通過對方波脈寬的控制，改變電樞的平均電壓，從而達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速

42、和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主,而調(diào)壓調(diào)速又以pwm調(diào)速為主。pwm（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)速方法。pwm可以應用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在pwm驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，pwm又被稱為“開關驅(qū)動裝置”。3.2 直流電動機pwm調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主

43、要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止式可控整流器。用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。3.2.1 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖如圖3-1(a)所示，在原理圖中，vt表示電力電子開關器件，vd表示續(xù)流二極管。當vt導通時，直流電源電壓us加到電動機上；當vt關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)vd續(xù)流，兩端電壓接

44、近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖3-1(b)，好像是電源電壓us在ton時間內(nèi)被接上，又在 t-ton時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為： （3-1）式中t - 晶閘管的開關周期；ton - 開通時間；r - 占空比， r = ton /t = ton f，其中f為開關頻率。為了節(jié)能并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關器件，如快速晶閘管、gto、igbt等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關的電路，脈寬調(diào)制變換器。與晶閘管-電動機系統(tǒng)相比，pwm系統(tǒng)具有以下優(yōu)越性：（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電

45、流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強；（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：1）t不變，變ton-脈沖寬度調(diào)制（pwm）；2）ton不變，變t-脈沖頻率調(diào)制（pfm）；3）ton和t都可調(diào)，改變占空比-混合型。上述三種可控直流電源，v-m系統(tǒng)在上世紀6070年代得到廣泛應用，

46、目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流pwm調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術，發(fā)展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代v-m系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。3.2.2 pwm控制與變換器的數(shù)學模型pwm控制和變換器的框圖如圖3-2示，其驅(qū)動電壓都由pwm控制器發(fā)出，pwm控制與變換器的動態(tài)數(shù)學模型和晶閘管觸發(fā)整流裝置基本一致。因此pwm控制與變換器（簡稱pwm裝置）也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成： （3-2）式中ks-pwm裝置的放大系數(shù)；ts-pwm裝置的延遲時間，ts t0 。當開關頻率為10khz時t = 0.1ms，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似

47、看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此： （3-3）與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。但須注意，式（3-3）是近似的傳遞函數(shù)，實際上pwm變換器不是一個線性環(huán)節(jié)，而是具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)。繼電控制系統(tǒng)在一定條件下會產(chǎn)生自激振蕩，這是采用線性控制理論的傳遞函數(shù)不能分析出來的。如果實際中遇到這種問題，可以改變調(diào)節(jié)器或控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。3.3 pwm系統(tǒng)的主要問題分析3.3.1 pwm變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形pwm變換器的作用是：用pwm調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。pwm變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與

48、可逆兩大類，由于不可逆pwm變換電路只能工作在第一、二象限，與本論文所討論的問題無關，所以下面只闡述可逆pwm變換器電路的工作原理。可逆pwm變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱h型）電路，如圖3-3所示。這時，電動機m兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只詳細分析最常用的單極式控制的可逆pwm變換器。單極式控制可逆pwm變換器的驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形如圖3-4所示。在單極式變換器中，左邊兩個管子vt1、vt2的驅(qū)動脈沖ub1=-ub2，右邊兩管vt3、vt4的驅(qū)動脈沖ub3=-ub4。它們的波形圖如圖3-4所示

49、。ub1=-ub4四個驅(qū)動脈沖信號是由脈寬調(diào)制器電路生成，從圖上可以看出，在一個開關周期t內(nèi)，vt1和vt4并不時時導通，在0tt1期間，ub1和ub4同為高電平，vt1和vt4同時導通，電動機電樞端電壓uabus，電流方向為正向；在t1tt2期間，ub1和ub3同為高電平，但此時vt3不能直接導通，由于在電樞電感釋放儲能的作用下，此時電樞電流通過vt1和vd3 續(xù)流，使得vt3承受反壓而不能導通，電動機電摳端電壓uab0；在t2tt3間，ub1和ub4同為高電平，vt1依舊導通，vt4又導通，電動機電樞端電壓uabus；在t3tt4期間， ub2和ub4同為高電平，但此時vt2不能直接導通，

50、電樞電流通過vt4和vd2續(xù)流，電動機電樞端電壓uab0。電壓、電流波形如圖3-4所示。從上面的波形圖可以看出，電動機電樞端電壓的平均值為正，所以在電動運行時電動機正轉(zhuǎn)；如果要使電動機反轉(zhuǎn)，電動機電樞端電壓的平均值則為負，就需要改變4個功率開關器件的驅(qū)動脈沖來實現(xiàn)。3.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性由于采用脈寬調(diào)制，嚴格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關系。其機械特性方程式為： （3-4）或用轉(zhuǎn)矩表示為： （3-5）式中： - 電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；- 理想空載

51、轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)g成正比。對于電動機在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時，id=0，理想空載轉(zhuǎn)速回翹到n0s=us/ce。目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于igbt已經(jīng)得到普遍的應用，其開關頻率一般在10khz左右，這時，最大電流脈動量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計。3.4 s7-200plc實現(xiàn)直流電動機的pwm調(diào)速本設計所使用的plc的cpu型號為224，它有兩個模擬電位器,用特殊存儲器smb28和smb29來標志，分別對應于模擬電位器0和模擬電位器1動觸電的位置（只讀），通過調(diào)節(jié)對應的電

52、位器就可以改變pwm波的脈寬，來實現(xiàn)直流電動機的pwm調(diào)速。s7-200實現(xiàn)直流電動機的pwm調(diào)速的硬件接線圖如下圖3-6所示。本系統(tǒng)采用s7-200plc的cpu224模塊，cpu224產(chǎn)生兩路（正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)）pwm波經(jīng)接口模塊送至功率驅(qū)動電路，pwm信號經(jīng)放大輸出到電動機兩端，實現(xiàn)直流電動機的控制；轉(zhuǎn)速檢測回路用霍爾開關來檢測電動機的轉(zhuǎn)速，實時掃描脈沖，將產(chǎn)生的脈沖經(jīng)接口模塊送至cpu224內(nèi)部的高速脈沖計數(shù)器；通過cpu224運算處理，其輸出經(jīng)接口電路模塊輸出到74ls48譯碼/驅(qū)動電路，到數(shù)碼管顯示電路實時顯示電動機轉(zhuǎn)速。外部電路有功率驅(qū)動電路、dc24v電源電路和轉(zhuǎn)速檢測及顯示回路組成

53、，功率驅(qū)動和轉(zhuǎn)速顯示回路均采用各自的電源供電，霍爾開關直接使用plc的內(nèi)部電源，避免產(chǎn)生干擾，plc的輸出經(jīng)光耦合器進行光電隔離到控制系統(tǒng)。4 24伏100瓦直流電動機的pwm控制系統(tǒng)硬件本章主要介紹了24v100w直流電動機的pwm控制系統(tǒng)的硬件設計，包括控制系統(tǒng)的電源回路、驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)速檢測及顯示回路、電路保護及硬件的抗干擾考慮。4.1 控制系統(tǒng)設計概述s7-200實現(xiàn)pwm控制直流電動機，使用s7-200的cpu224模塊和em223接口模塊，外部電路dc+24v電源dc+5v電源均自行設計，功率驅(qū)動電路采用4只功率達林頓管組成的h橋式驅(qū)動電路，測速元件采用霍爾開關，轉(zhuǎn)速顯示電路使用一個

54、四位數(shù)碼管實時動態(tài)掃描顯示，數(shù)碼管由74ls48來譯碼驅(qū)動，其控制系統(tǒng)方框圖如圖4-1所示。在控制系統(tǒng)中，通過軟件使cpu224產(chǎn)生兩路pwm波經(jīng)接口模塊送至功率驅(qū)動電路，功率驅(qū)動電路有四個功率達林頓管組成的“h”橋電路，其電源由外部電源dc+24v提供，pwm信號經(jīng)放大輸出到電動機兩端；轉(zhuǎn)速檢測回路用霍爾開關來檢測電動機的轉(zhuǎn)速，實時掃描脈沖，將產(chǎn)生的脈沖經(jīng)接口模塊送至cpu224內(nèi)部的高速脈沖計數(shù)器，通過cpu224運算處理，經(jīng)接口模塊輸出到74ls48譯碼/驅(qū)動電路，到數(shù)碼顯示電路進行實時顯示電動機轉(zhuǎn)速。4.2 控制系統(tǒng)的電源設計控制系統(tǒng)的電源分為dc+24v電源和dc+5v電源兩種，其中dc+24v電源供給功率驅(qū)動電路和霍爾開關電路，dc+5v電源為轉(zhuǎn)速顯示回路提供電源。直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路所組成，如圖4-2所示。（1）電源變壓器：用變壓器將市電的電壓變換成所需要的交變電壓，再將變換后的交變電壓整流、濾波和穩(wěn)壓，最后獲得所需要的直流電壓。（2）整流電路：整流電路是利用具有單向?qū)щ娦缘恼髟?如整流二極管、晶閘管)，