【正文】 ...............................................................................27 速度初始化子程序 ..............................................................................................28 轉(zhuǎn)速檢測子程序 ..................................................................................................30 電流檢測子程序 ..................................................................................................30 PID 控制子程序 ..................................................................................................31 電流環(huán)及轉(zhuǎn)速換子程序 .......................................................................................32 結(jié) 論 ............................................................................................................................34 致 謝 ............................................................................................................................36 參 考 文 獻 ...................................................................................................................37 附錄 A 譯文 .................................................................................................................38 基于 PLC 直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) ......................................................................38 附錄 B 外文 原文 ...........................................................................................................52 附錄 C 程序清單 ...........................................................................................................70 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1章 緒論 直流電動機簡介 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。比如軋鋼分廠的可逆軋鋼機、機修分廠的龍門創(chuàng)床那樣需要經(jīng)常正 、 反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡可能地縮短直流電動機的起動，制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的一個重要因素。最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用 恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行，設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速。 50 年代末出現(xiàn)的晶閘管，它具有體積小 、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。因而，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)迅速發(fā)展，晶閘管變流技術(shù)也日益成熟，直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。 直流電動機和交流電動機相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高 、 維修困難，需備有直 流電源才能使用。但因直流電動機具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的調(diào)速特性，較高的過載能力和較大的起動、制動轉(zhuǎn)矩，因此被廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高的場合。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動場合，直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機床，大型起重設(shè)備、軋鋼機、 礦井卷揚、城市電車等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動機拖動。特別是晶閘管與 直流電動機拖動系統(tǒng)具有自動化程度高、控制性能好、起動轉(zhuǎn)矩大 、 易于實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高 等 優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用。直流調(diào)速系統(tǒng)是弱電控 制與強電控制相結(jié)合的系統(tǒng)。系統(tǒng)弱電部分檢測系統(tǒng)工作時的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機溫度、晶閘管溫度等信號，根據(jù)檢測到的信號發(fā)出控制信號。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領(lǐng)域的自蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。 由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速 ,， 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的 環(huán)作為外環(huán) , 以保證電動機的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓 , 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán) , 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。 雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng) ， 在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng) ， 發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 ， 獲得了良好的靜、動態(tài)品質(zhì)。 PLC在電機調(diào)速中的應(yīng)用 可編程控制器 PLC是通用的自動化控制裝置，是船舶實現(xiàn)自動化、智能化控制的核心控制元件。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，采用模塊式組合設(shè)計，具有控制功能強，可靠性高、使用靈活方便，易于擴展 而且 PLC系統(tǒng)開發(fā)簡單、編程容易、抗干擾能力強、適合在工業(yè)環(huán)境下工作，故而只要合理設(shè)計，降低成本，它將會受到現(xiàn)場技術(shù)人員的歡迎 。，在 船舶主機遙控系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)中央冷卻控制系統(tǒng) 等重要設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用 。 在本課題所進行的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中，采用 PLC作為系統(tǒng)的主控器件。之所以選擇用 PLC來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制思想，是因為 PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點。除上述優(yōu)點外， PLC具有超強的穩(wěn)定性和長時間連續(xù)工作的能力，因而， PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制化專業(yè)設(shè)計的控制裝置，具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低。 本文首先詳細的介紹了大功率直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，分析了調(diào)速系統(tǒng)的基本蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 組成以及基本調(diào)速方法 ；然后系統(tǒng)地論述了現(xiàn)代 PLC控制技術(shù)，介紹了 PLC控制系統(tǒng)的基本設(shè)計方法；接著本文以經(jīng)濟性好、可靠性高的大功率晶閘管為調(diào)速系統(tǒng)可控整流電源，根據(jù)現(xiàn)代控制理論，采用轉(zhuǎn)速 —電流雙閉環(huán)調(diào)速方法對大功率直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路、轉(zhuǎn)速控制電路以及信號檢測電路進行設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)代 PLC控制技術(shù)對調(diào)速系統(tǒng)運行進行控制。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 2章 系統(tǒng)總體設(shè)計及算法模型確定 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計根據(jù)前述，采用 PLC 及其外部接口設(shè)備對電機進行檢測和控制。 對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的 調(diào)速系統(tǒng)，利用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢。它能充分利用電機的過載能力，在過渡過程中保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖 21 所示。 圖 21 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速 和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實行嵌套連接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外＋ 電流自 適應(yīng)環(huán)節(jié) 數(shù)字給定 ＋ Uk* － U1* Un 數(shù)字 PI 數(shù)字 PI 數(shù)字 觸發(fā)器 電流反饋 Un* 數(shù)字 I 速度反饋 － U1 電動機 A/D D/A PLC 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 PLC 要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋信號，輸出觸發(fā)脈沖信號，其余工作均在 PLC 內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在 PLC 內(nèi)部設(shè)定。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用控制方法介紹 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用矩形逼近離散化方 法 時 ， 這種算法 分析簡單 ，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和限幅器的作用是分開的，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有積分飽和作用， c(k)值將會變得很大，轉(zhuǎn)速將會出現(xiàn)較大的超調(diào)量，使速度調(diào)節(jié)時間變得很長。在此，限幅器并沒有限制 c(k)的值，而只是限制了 u(k)的值。 采用雙 PI調(diào)節(jié)器，動靜態(tài)性能好，抗擾性能佳。速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動，可獲得良好的動靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型 Ⅰ 型。為使系統(tǒng)在階躍擾動時無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計成典型 Ⅱ 型系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用 PID算法可實現(xiàn)直流電動機軟起動，而且時間可調(diào)。模塊內(nèi)有積分環(huán)節(jié)，可 實現(xiàn)直流電機軟起動。根據(jù)用戶實際需要，可調(diào)起動時間，給用戶預(yù)留了 2個端口，調(diào)節(jié) 2個電位器，可改變積分時間長短，從而改變電機起動時間。積分環(huán)節(jié)適用于起動過渡過程平穩(wěn)的場合。如果用戶要求在負(fù)載一定的條件下，電機以最短的時間起動，即以最大的等加速度起動，可把積分環(huán)節(jié)去掉，模塊所留出的 2個端口作為電流環(huán)和速度環(huán)的輸出限幅，調(diào)節(jié)電流的輸出限幅，改變電機的最大起動電流，獲得理想的過度過程。 調(diào)速方式的選擇 直流電動機電樞回路的電壓平衡方程為 RIU a??E () 電樞反電勢為 nCE ?? e () 由此得到轉(zhuǎn)速特性方程如下 nCRIUn ??? ea /)( () 由轉(zhuǎn)速特征方程可以看出，調(diào)節(jié)直流電動機的調(diào)速方法有如下 3 種： （ 1） 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下變蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 Ia 變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 （ 2） 改變電動機勵磁調(diào)速 改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速，從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速方法。 If 變化時間遇 到的時間常數(shù)同 Ia 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，所需電源容量較小。 （ 3） 改變電樞電阻調(diào)速 在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但只能進行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟，空載時幾乎沒什么調(diào)速作用還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。 圖 22 直流電動機機械特性 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，其機械特性如圖 22 所示改變電阻時，轉(zhuǎn)速 n 隨電樞電壓的降低而降低，但機械特性的斜