《电子技术应用》

基于PLC的电机调速系统的技术研究

2017年微型机与应用第6期 作者:杨振宇
2017/4/8 18:19:00

  杨振宇

  (中国地质工程集团公司,北京 100093)

       摘要直流电机调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点,被广泛应用于实际生产的各个领域。首先简要介绍了直流电机调速原理以及对调速的要求,然后设计了基于CPU224XPPLC的直流电机调速系统,并通过仿真软件编写了PLC梯形图,最后在S7200中进行了电机调速实验。实验结果表明所设计的直流电机PLC调速系统能比较好地实现给定的任务指标。

  关键词:直流电机;调速控制;梯形图;S7-200

  中图分类号:TM46文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.001

  引用格式:杨振宇. 基于PLC的电机调速系统的技术研究[J].微型机与应用,2017,36(6):1-2,6.

0引言

  直流电机在调速方面的应用比较广泛,并且它常用于调速要求相当高的生产机械上,比如挖掘机械等。目前直流调速控制比较多地采用继电器接触器控制系统,但由于该系统修改相当困难且维护极为不方便,因此已经很难满足用户的要求。另外较多的应用是以单片机或者DSP芯片等作为控制器,由于这些控制器占用的端口多,同时连接的外部元件也多,导致了系统的稳定性和可靠性受到影响[12]。而可编程控制器PLC有高可靠性和强悍的抗干扰能力,是今后直流调速的主流研究方向。正是基于以上原因,本文设计了基于PLC的直流电机调速控制系统,经过实验证明系统能够实现对电机的精确控制。

1直流电机的调速原理及调速要求

  1.1直流电机调速原理介绍

  直流电动机是一种将电能转化为机械能的动力设备, 带动负载进行生产活动。对于负载的不同, 通常要求电动机的转速在一定范围内可调节,要求调速范围广,而且调速平稳和方便, 直流电机转速n表达式为[34]:

  n=ECEΦ=Ua-RaIaCEΦ(1)

  其中n为转速(r/min); Ia为电枢电流(A); Ua为电枢电压(V); CE为由电机结构决定的电动势常数; Ra为电枢回路总电阻(Ω); Φ为励磁磁通(ωb)。

  由电机调速公式可知,直流电动机的调速有三种方法: 第一, 改变电枢电压Ua;第二, 通过改变励磁电流If来改变励磁磁通Φ; 第三, 则改变电枢电阻Ra。 如果要求实现无级调速而且范围比较广, 改变电枢电压是最佳方法。因为改变电枢电阻只能实现有级调速,而改变励磁电流来改变励磁磁通调速,调速范围比较小。综合以上分析本文通过改变电枢电压进行调速。

  1.2直流调速要求

  对于任何一台需要进行直流调速的生产设备来说,其生产工艺都会对其调速性能有一定的要求。比如调速范围,是无级调节还是有级调节,在稳定运行时允许的转速波动范围,从正转到反转运行的间隔时间,突然加大或者骤然减轻负载时允许转速波动的范围,以及运行停止所需的定位精度等。总而言之,对调速系统来说转速控制主要有以下三个方面的要求:第一:调速。在特定的额定最值区间内,有级或者无级地调节转速。第二:稳速。以某种精度在所需的转速上稳定运行,在受到干扰的时候不允许有过大的转速波动以保证生产质量。第三: 加速或减速。频繁启动、制动的设备要求加速、减速尽量快,这样有利于提高生产效率,不宜经受剧烈速度变化的机械则需要启动、制动尽量平稳[56]。

2直流电机调速系统的实现

  2.1直流电机硬件实现

  直流调速采用PLC作为控制器,其硬件设计部分比较简单,硬件设计的核心是通过检测模块对所得的测量信号进行PID运算,而后将结果转换成模拟电压信号作为输出,从而控制PWM信号的占空比,进而控制直流电机的运行。在本文中,选取西门子S7200系列的CPU224xp,中央处理器、存储器、I/O端口、I/O扩展接口、通信设备、外围设备接口和电源等都是PLC主机的主要组成部分。模块化设计的西门子S7200属于紧凑型的,其控制系统的硬件组成部分有CPU模块、各种扩展模块以及各种附加硬件,其构成形式如图1所示。

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  2.2系统软件实现

  PLC编程是实现电机控制的核心,可编程控制器(PLC)共有5种编程语言,最常用的就是梯形图。梯形图是一种图形编程语言,是一种面向控制过程的自然语。总体来说,梯形图语言比较形象、直观,对于熟悉控制线路的电气人员来说相当容易被接受。因此,在PLC应用中它是最基本、使用最普遍的编程语言。但这种编程方式只能是图形编辑器直接编程。本设计的梯形图如图2所示,其中包括启动梯形图、停止梯形图、加速梯形图以及减速梯形图[78]。  

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3实验结果及分析

  本设计对直流电机调速的控制要求如下:(1)通过调节电枢电压使电机转速达到1 000 r/min,并很快达到稳定;(2)将转速从1 000 r/min加速到1 500 r/min,并很快保持稳定。连接好硬件电路后,写入PLC程序,就可以实现电机的启动、运行、调速以及停机测试。图3和图4分别为直流电机转速为1 001 r/min以及1 502 r/min的平稳运行试验结果,其中从1 001 r/min加速到1 502 r/min的时间不到1 s,而且运行非常平稳,说明采用PLC调速,直流电机调速系统动静态特性较好。

4结束语

  本文以直流电机为被控对象,采用PLC作为控制器,通过调节直流电机的电枢电压进行调速,主要进行了PLC的梯形图编程,在西门子S7200上进行了测试,实验结果表明,采用PLC的直流调速系统具有调速性能好、运算速度快的特点。此外可以通过外围设计实现报警功能,不管是PLC自身故障还是外围设备工作故障都能够显示。因此,采用PLC控制的直流调速系统是今后发展的趋势。

  

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参考文献

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