用plc直流電機控制設計(共22頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上河南科技大學課 程 設 計 說 明 書課程名稱 電氣控制技術 題 目 用PLC控制直流電機 學 院 班 級 學生姓名 指導教師 日 期 專心-專注-專業(yè)姓名班級學號設計題目用PLC控制直流電機控制要求某電梯的曳引電機為220V、4kW直流電機，額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)，額定電流22A。現(xiàn)要求使用PLC實現(xiàn)該電機的PWM調(diào)速，調(diào)速范圍為2090%。實現(xiàn)：（1） 電機的正反轉(zhuǎn)控制。（2） 在3s內(nèi)將電機轉(zhuǎn)速從90%減速至20%。設計任務及要求1.根據(jù)控制要求，制定合理的設計方案。2.正確選用PLC，確定輸入、輸出設備。完成PLC的I/O點分配，并繪制接線圖。3.設計PLC控制程

2、序（1）繪制系統(tǒng)功能表圖 （2）設計梯形圖，并加以注釋 （3）模擬調(diào)試4.繪制有關圖紙： 電氣控制原理圖（主電路和控制電路）5.完成課程設計說明書，總量不少于15頁A4紙。設計時間安排查閱資料（1天）設計并繪制電氣控制原理圖（2天）設計PLC控制程序（2天）模擬調(diào)試（2天）撰寫課程設計說明書（2天）答辯（1天）主要參考文獻1.黃永紅.電氣控制與PLC應用技術, 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011.2.王建華.電氣工程師手冊, 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006. 3.吳曉君.電氣控制課程設計指導, 北京: 中國建材工業(yè)出版社, 2007.電氣控制技術課程設計任務書 用PLC控制直流電機 摘 要

3、 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，因此在啟動、調(diào)速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)直流電動機的控制技術,詳細介紹了直流電動機PWM調(diào)速的硬件系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)與相應的S7-200 PLC軟件配合，實現(xiàn)對直流電動機的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

4、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：S7-200，直流電機，PWM調(diào)速目錄第一章 緒論 1§1.1直流電動機概述 2§1.2西門子sp-200plc概述 4§1.3直流電動機的啟動和正反轉(zhuǎn) 5 §1.3.1直流電動機的啟動 5 §1.3.2直流電動機的正反轉(zhuǎn) 6第二章 總體設計 7§2.1電動機的啟動原理 7§2.2電動機真反轉(zhuǎn)原理 8§

5、;2.3 PWM調(diào)速模塊設計10 §2.3.1 PWM電動機調(diào)速原理 11 §2.3.2 PWM控制原理 12§2.4 sp-200plc實現(xiàn)PWM調(diào)速 13 §2.5 輸入/輸出元件及控制功能 20 第三章 總結(jié)與體會 22 參考文獻 22 第一章 緒論 文章簡要介紹了直流電動機的產(chǎn)生、發(fā)展，直流電動機的正反轉(zhuǎn)，利用PWM調(diào)速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

6、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

7、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，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，

8、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。  2 0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

9、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

10、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。  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：用模式開關

11、改變工作模式；在程序中改變工作模式；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?#160;（6）強大的通信功能 （7）品種豐富的配套人機界面 （8）有競

12、爭力的價格 （9）完善的網(wǎng)上技術支持 §1.3直流電動機的啟動和正反轉(zhuǎn)§1.3.1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)。 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啟動轉(zhuǎn)矩的前提下，盡量減

13、小啟動電流把他勵法稱為直接啟動。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，I可能達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

14、，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回路中串電阻的方法。§1.3.2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

15、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)。第二章 總體設計 本論文研究的主要內(nèi)容是S7-200 PLC控制的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計，著重介紹硬件設計部分。此控制系統(tǒng)基于S7-200 PLC設計直流電動機的控制器，

16、實現(xiàn)了直流電動機的啟動、正反轉(zhuǎn)控制以及PWM 無級調(diào)速功能。本設計所使用的電機為直流電動機，PLC為西門子S7-200 PLC，并要求使用PWM實現(xiàn)調(diào)速控制。  要完成本設計，首先必須掌握直流電機的工作原理和調(diào)速方法，以及S7-200 PLC的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程及其使用方式，還要學會使用STEP7-Micro/Win SP3 V4.0軟件進行編程。完成硬件系統(tǒng)的設計方案，包括DC+24V與DC+5V電源系統(tǒng)、主控制回路、保護回路。首先完成元器件的參數(shù)確定，做出系統(tǒng)原理圖，然后具體實現(xiàn)硬件系統(tǒng)設計，進行實驗、調(diào)試電路，最后優(yōu)化電路

17、，達到最佳效果。最后還對控制系統(tǒng)設計的其它可能性進行了設想和構(gòu)思，以便進行拓展§2.1 電動機起動 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回路中串電阻的方法。本設計采用電樞回路串電阻來降低直流電機啟動時的電流，防止燒壞電器。 如圖所示，啟動時將電阻串入KM2與KM4回路，在定時器的記時下，利用KM3與KM5短接KM2，KM4來實現(xiàn)啟動。 圖2-1 電機啟動原理圖 啟動時通過KM2或者KM4來實現(xiàn)串電阻啟動，然后通過KM3或者KM5短接電阻，完成曾啟動過程。§2

18、.2直流電動機正反轉(zhuǎn) 采用反接電樞繞組的方法來實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)控制PLC梯形圖如圖2-2所示 圖2-2 PLC正反轉(zhuǎn)梯形圖 所以本設計也采用反接電樞繞組的方法來實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)，啟動時先接通勵磁繞組，在勵磁電流正常的情況下接通電樞繞組，停止時先停止電樞繞組，延時5s再斷開勵磁繞組，反轉(zhuǎn)啟動時，應先停止后再反接啟動。 如圖2-2，按下正轉(zhuǎn)按鈕I0.1,Q0.3線圈得電自鎖，KM2得電，接通電動機勵磁繞組，欠電流過電流繼電器FI通電動作接點閉合，I0.3接點閉合，Q0.2得電，KM1得電接通三相電源，經(jīng)過整流器U1整流，電樞繞組獲得直流電，電動機串電阻運行，3s后定時器T38接通，電動機

19、正轉(zhuǎn)啟動完畢。反轉(zhuǎn)按下I0.2同理。 由圖2-2可知，只有KM3或KM4得電，勵磁繞組有電流流過時欠電流過電流FI動作后，電樞繞組才能得電，一防止電動機失磁。 停止時，按下停止常閉按鈕SB1，I0.0常閉接點接通，M0.0線圈得電自鎖,M0.0常閉接點斷開Q0.2，電樞繞組失電，由于慣性，電動機將繼續(xù)轉(zhuǎn)動，同時定時器T37延時5s斷開Q0.2，M0.0線圈電動機停止轉(zhuǎn)動勵磁繞組斷電。 在電動機工作時，如果勵磁繞組斷線，電動機失磁，則欠電流繼電器FI失電，其常閉觸點斷開，I0.3輸入端斷開，Q0.2失電，接觸器KM1斷開電樞繞組。如果電動機過載，電樞繞組中的電流過大，則過電流繼電器FI動作，F(xiàn)I

20、常閉觸點斷開，I0.3輸入端斷開，斷開電樞繞組。 在電動機正轉(zhuǎn)時，按下反轉(zhuǎn)按鈕無效，只有再按下停止按鈕，電動機制動5s停止后才能反轉(zhuǎn)。§2.3 PWM調(diào)速模塊設計§2.3.1 PWM模塊電機調(diào)速原理 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)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

21、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)。 對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓為圖4所示脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2的寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對這一變化進行推導。 t 1t 2 T 圖2-3 加在電樞兩端的電壓 設電機接全電壓U時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為D=t1/T,則電樞平均電壓為 U平=U·D且可以推得電機轉(zhuǎn)速n為：n =Ea/CeU·D/ Ce=KD。 在假設電樞內(nèi)阻很小的情況下式中K= U/ Ce

22、，是常數(shù)。上述式中，Ce為電動勢常數(shù)，是磁通量。 圖2-4為施加不同占空比是實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關系圖。 圖2-4 占空比與電機轉(zhuǎn)速的關系 由上圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全的線性關系（圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近似為線性關系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機PWM調(diào)速原理。§2.3.2 PWM控制的原理 PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制來等效地獲得所需要的波形。 如下圖2-5所示，設定值計數(shù)器設置PWM信號的占空比。當UD=1，輸入CLK2，使設定值計數(shù)值

23、的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機轉(zhuǎn)速加快；當UD=0，輸入CLK2使設定值計算器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機轉(zhuǎn)速變慢。在CLK0的作用下，鋸齒波計數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當計數(shù)值小于設定值時，數(shù)字比較器輸出低電平；當計數(shù)值大于設定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，由此產(chǎn)生周期性的PWM波形。圖2-5 PWM控制電路原理圖§2.4  S7-200PLC實現(xiàn)直流電動機的PWM調(diào)速 本次設計所使用的PLC的CPU型號為224xp，通過調(diào)節(jié)對應的電位器就可以改變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

24、-6所示。 本系統(tǒng)采用S7-200PLC的CPU224xp模塊，CPU224xp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。 圖2-6 PLC接線圖 脈沖輸出（PLS）指令被用于控制在高速輸出（Q0.0和Q0.1）中提供的"脈沖串輸出"（PTO）和"脈寬調(diào)制"（PWM）功能。PTO提供方波（50%占空比）輸出，配備周期和脈沖數(shù)用戶控制功能。PWM提供連續(xù)性變量占空比輸出，配備周期和脈寬用戶控制功能。PLS指令會從特殊存儲器SM中讀取數(shù)據(jù)，使程序按照其存儲值控制PTO/PWM發(fā)

25、生器。SMB67控制PTO0或者PWM0，SMB77控制PTO1或者PWM。下表對用于控制PTO/PWM操作的存儲器給出了描述。您可以使用PTO/PWM控制字節(jié)參考表作為一個快速參考，用其中的數(shù)值作為PTO/PWM控制寄存器的值來實現(xiàn)需要的操作。 您可以通過修改SM存儲區(qū)（包括控制字節(jié)），然后執(zhí)行PLS指令來改變PTO或PWM波形的特性。您可以在任意時刻禁止PTO或者PWM波形，方法為：首先將控制字節(jié)中的使能位（SM67.7或者SM77.7）清0，然后執(zhí)行PLS指令。 圖2-7 子程序設計流程圖圖2-8 控制字節(jié)中各個控制位功能圖圖2-9 高速脈沖發(fā)生器使用的特殊寄存器 圖2-10主程序梯形圖

26、 圖2-11子程序梯形圖 圖2-12 中斷程序TIN-1梯形圖圖2-13 中斷程序TIN-0梯形圖控制原理： 要求3秒將調(diào)速范圍從90%下降到20%，則調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)范圍為90%20%，設置控制字節(jié)為SMB77為16#DA,表示對Q0.1為PWM方式，允許脈沖輸出，不允許周期更新，允許脈寬更新，時間基準單位為ms級，同步更新且允許PWM輸出。設置SMB78為周期為300ms，設置SMB80為起始脈寬值為270ms。 初始化PWM，調(diào)出子程序SBR_0，通過Q0.4與Q0.6SBR_0，SBR_0控制初始化輸入控制字，周期，初始脈寬和比較值，啟動PWM。當常開觸點M0.1導通，執(zhí)行中斷程序INT_0，當m0.1為1時，脈寬遞減，每周期減少21ms，當檢測到脈寬為60時，復位m0.1，當常閉觸點m0.1導通，執(zhí)行中斷子程序INT_1。當m0.1為0時，脈寬保持不變。§2.5輸入/輸出元件及控制PLC元件元件符號功能I0.0SB1停止電動機I0.1SB2電動機正轉(zhuǎn)I0.2SB3電動機反轉(zhuǎn)I0.3FI1 FI2過電流欠電流保護Q0.0PWM正轉(zhuǎn)輸出信號Q0.1PWM反轉(zhuǎn)輸出信號Q0.2KM1電動機電樞啟動