【正文】 基于PLC的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計目錄 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史概述 1 可編程控制器PLC 2 PLC的發(fā)展概述 2 PLC的特點 3 選題背景及論文主要內(nèi)容 4 選題背景 4 論文的主要內(nèi)容 4第 2 章 直流調(diào)速系統(tǒng) 6 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標 6 穩(wěn)態(tài)性能指標 7 動態(tài)指標 8 PWM直流調(diào)速系統(tǒng) 10 直流電動機的PWM控制原理 10 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 11 PWM調(diào)速系統(tǒng)的主要參數(shù) 17 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 19 電流、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié) 19 設(shè)計中的調(diào)節(jié)器計算 21 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的起動過程 25第 3 章 現(xiàn)代PLC控制技術(shù) 27 PLC的組成和分類 27 PLC的工作原理 27 PLC電機控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容和步驟 29 PLC的硬件設(shè)計的一般步驟 29 PLC軟件設(shè)計的一般步驟 30 設(shè)計中用到的模塊 31第 4 章 基于PLC的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 33 設(shè)計任務(wù) 33 脈寬調(diào)制系統(tǒng)特有部分設(shè)計 33 PLC硬件設(shè)計 35 PLC 軟件設(shè)計 37結(jié)束語 39致謝 40參考文獻（主要及公開發(fā)表的文獻） 41附錄 43 第 1 章 引 言傳統(tǒng)直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用的是繼電器控制，加PI 調(diào)節(jié)器及校正裝置，實現(xiàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行。但由于繼電器，集成運算放大器，電氣元件的老化易出故障而損壞，而且結(jié)線復(fù)雜，使其工作可靠性較差。采用 PLC 設(shè)計的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能有效地克服上述缺點，并且具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試修改參數(shù)方便，工作可靠，性能價格比較高的優(yōu)點。同時，PLC 控制的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化控制[13][14]。 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史概述電機調(diào)速的發(fā)展與電力電子技術(shù)的發(fā)展是不可分離的，電機調(diào)速和電力電子技術(shù)相互結(jié)合，相互促進，實現(xiàn)了現(xiàn)代的電氣傳動控制：一弱點檢測、判斷并發(fā)出控制信息，用強電來執(zhí)行控制的使命。從這個角度上看，可以說，現(xiàn)代電氣控制技術(shù)是強電與弱點相結(jié)合的技術(shù)。早期的電機控制只是利用電器來控制電動機的啟動、制動、正反轉(zhuǎn)和分級調(diào)速。隨著技術(shù)的進步，生產(chǎn)工藝對電機控制提出了越來越高的要求，諸如精確穩(wěn)定的運行速度、無極調(diào)速、快速反向、準確定位等等。直流電機變壓和弱磁調(diào)速可以比較好的滿足這些要求，于是誕生了旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系（WardLeonard系統(tǒng)），簡稱GM系統(tǒng)。對調(diào)速性能要求再高時，則引入電機型放大器、磁放大器、電子放大器等放大裝置進行反饋控制。到上世紀五十年代，機組供電直流調(diào)速系統(tǒng)的控制技術(shù)發(fā)展到了巔峰的階段，也正是它的缺點暴露的最充分的時候：它的設(shè)備多、體積大、費用高、效率低、安裝須地基、運行有噪音、維修不方便等等日益稱為生產(chǎn)上的負擔。為了解決這些矛盾，人們開始采用水銀整流器和閘流管等靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機組，形成所謂的離子傳動控制系統(tǒng)。1957年，可控的半導(dǎo)體器件晶閘管問世，由它組成的靜止式可控整流裝置無論在運行性能上還是在可靠性上都具有明顯的優(yōu)勢，60年代成了晶閘管的時代，這種靜止式變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)稱為晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱VM系統(tǒng)）。70年代以來，國際上電力電子技術(shù)突飛猛進，推出了新一代的開和關(guān)都能控制的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率晶體管（GTR）、場效應(yīng)晶閘管（PMOSFET）等，自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)[1][3][5][10]。 可編程控制器PLC 可編程序控制器的英文為Programmable Controller，在二十實際七十至八十年代一直簡稱為PC。由于到90年代，個人計算機發(fā)展起來，也簡稱為PC；加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國AB公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器（PLC，Programmable Logic Controller），為了方便，仍簡稱PLC為可編程序控制器[6][15]。 PLC的發(fā)展概述 1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一土改可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代PLC產(chǎn)品了。在八十年代至九十年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。由于 PLC人機聯(lián)系處理模擬能力和網(wǎng)絡(luò)方面功能的進步，擠占了一部分DCS的市場（過程控制）并逐漸壟斷了污水處理等行業(yè)，但是由于工業(yè)PC（IPC）的出現(xiàn)，特別是近年來現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，IPC和FCS也擠占了一部分PLC市場，所以近年來PLC增長速度總的說是漸緩。目前全世界有200多廠家生產(chǎn) 300多品種PLC產(chǎn)品，主要應(yīng)用在汽車（23%）、糧食加工（%）、化學(xué)/制藥（%）、金屬/礦山（%）、紙漿/造紙（%）等行業(yè)。我國市場上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品：　　施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進莫迪康公司的產(chǎn)品，目前有Quantum、Premium、Momentum等產(chǎn)品；　　羅克韋爾公司（包括AB公司）PLC產(chǎn)品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產(chǎn)品；　　西門子公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7400/300/200系列產(chǎn)品；　　GE公司的產(chǎn)品；日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產(chǎn)品[6]。 PLC的特點1. 編程方法簡單易學(xué) 梯形圖是使用最多的PLC編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象可觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序[6][17]。2. 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。3. 配套齊全，功能完善，適用性強 PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。4. 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。5. 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造 PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 6. 體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。 選題背景及論文主要內(nèi)容 選題背景在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程的要求，需要采用各種各樣的生產(chǎn)機械，這些生產(chǎn)機械大多采用電動機拖動。多數(shù)生產(chǎn)機械的任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換為機械能，以機械運動的形式來完成各種工藝要求。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種生產(chǎn)機械根據(jù)其工藝特點，對生產(chǎn)機械和拖動的電動機也不斷提出各種不同的要求，有的要求電動機能迅速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；有的要求多臺電動機之間的轉(zhuǎn)速按一定得比例協(xié)調(diào)運動；有的要求電動機達到極慢的穩(wěn)速運動；有的要求電動機啟、制動平穩(wěn)，并能準確地停止在給定的位置。上述這些不通的工業(yè)要求，都是靠電動機及其控制系統(tǒng)和機械傳動裝置實現(xiàn)的。可見各種拖動系統(tǒng)都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因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)速的特點，故被廣泛的應(yīng)用在需要調(diào)速或快速正方向的電力拖動領(lǐng)域中[1]。鑒于以上原因，本文對直流拖動控制系統(tǒng)進行研究，并對系統(tǒng)進行改造和升級。從直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能來講，具有一定得意義。 論文的主要內(nèi)容本文是設(shè)計一個基于PLC的控制電路為電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)、主電路為雙極性可逆H形直流脈寬調(diào)速的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。采用專用集成驅(qū)動電路，本設(shè)計選用湯姆森公司的UAA4002型產(chǎn)品。對直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行了研究和設(shè)計，具體做了以下的工作：1. 對雙閉環(huán)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)進行了理論研究。2. 對現(xiàn)代PLC控制技術(shù)進行了研究。3. 采用visio 2003 軟件對相關(guān)電路進行設(shè)計、繪制。4. 對調(diào)速系統(tǒng)的PLC控制部分進行設(shè)計。第 2 章 直流調(diào)速系統(tǒng) 人為機械特性方程式為：式中，UN、φN——額定電樞電壓、額定磁通量；Ke、Kt——與電機有關(guān)的常數(shù)；Rad、Ra——電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；n0、Δn載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降；T—周期。 可得，當分別改變UN、ΦN和Rad時，可以得到不同的轉(zhuǎn)速!，從而實現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。由于Φ=F(If),當改變勵磁電流If時，可以改變磁通量Φ的大小，從而達到改變磁通調(diào)速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流If和磁通量Φ只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻Rad時，會使機械特性變軟，導(dǎo)致電機帶負載能力減弱。特性，通過改變電樞電壓調(diào)節(jié)直流電機速度的方法被廣泛采用。改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，如利用晶閘管供電速度控制系統(tǒng)、大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等[1][3]。 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標 一臺需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對控制性能都有一定的要求，例如本文設(shè)計的調(diào)試系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無靜差，動態(tài)過渡過程時間ts≤,電流超調(diào)量%≤5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量%≤10%。所有這些要求