【正文】 高時(shí)，則引入電機(jī)型放大器、磁放大器、電子放大器等放大裝置進(jìn)行反饋控制。從這個(gè)角度上看，可以說，現(xiàn)代電氣控制技術(shù)是強(qiáng)電與弱點(diǎn)相結(jié)合的技術(shù)。但由于繼電器，集成運(yùn)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(jì)的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能有效地克服上述缺點(diǎn)，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試修改參數(shù)方便，工作可靠，性能價(jià)格比較高的優(yōu)點(diǎn)。早期的電機(jī)控制只是利用電器來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和分級(jí)調(diào)速。到上世紀(jì)五十年代，機(jī)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(diǎn)暴露的最充分的時(shí)候：它的設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝須地基、運(yùn)行有噪音、維修不方便等等日益稱為生產(chǎn)上的負(fù)擔(dān)。 可編程控制器PLC 可編程序控制器的英文為Programmable Controller，在二十實(shí)際七十至八十年代一直簡(jiǎn)稱為PC。在八十年代至九十年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。 PLC的特點(diǎn)1. 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué) 梯形圖是使用最多的PLC編程語言，其電路符號(hào)和表達(dá)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(shí)間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序[6][17]。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。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。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)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(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式來完成各種工藝要求。鑒于以上原因，本文對(duì)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)。對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，具體做了以下的工作：1. 對(duì)雙閉環(huán)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究。第 2 章 直流調(diào)速系統(tǒng) 人為機(jī)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(jī)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。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻Rad時(shí)，會(huì)使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。所有這些要求，都可以轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)的依據(jù)。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定地運(yùn)行，不因各種可能的外來干擾（如負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等）而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。為了定量地分析問題，一般規(guī)定幾種性能指標(biāo)，以便衡量一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能。 （1）調(diào)速范圍D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即 其中nmax和nmin一般指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載的轉(zhuǎn)速。 動(dòng)態(tài)指標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在過渡過程中的性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類[1][3]。具體的跟隨性指標(biāo)有下述幾項(xiàng)： 圖 21 隨性能指標(biāo)的單位階躍響應(yīng)曲線 單位階躍響應(yīng)曲線從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。實(shí)際應(yīng)用中，一般將單位階躍響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值的誤差進(jìn)入并且不再超出允許誤差帶（通常取穩(wěn)態(tài)值的177。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值C∞2（C∞1 C∞2)是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)指標(biāo)則以跟隨性能為主。如果開關(guān)VT按照某固定頻率開閉而改變周期內(nèi)的接通時(shí)間時(shí)，控制脈沖寬度相應(yīng)改變，從而改變了電動(dòng)機(jī)兩端平均電壓，達(dá)到調(diào)速目的[1][2][12]。 圖 24 雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（1） 鋸齒波發(fā)生器，如圖25，它是由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成，它們形成自激震蕩，A1輸出正負(fù)對(duì)稱的方波脈沖，A2輸出鋸齒波。 圖26 脈寬調(diào)制器圖26為脈寬調(diào)制器的原理圖，它是一個(gè)電壓脈寬變換電路，由ACR輸出的控制電壓Uc進(jìn)行控制，其輸出電壓的脈沖寬度與Uc成正比。為了在Uc=0時(shí)電壓比較器的輸出端得到正、負(fù)半周期脈沖寬度相等的調(diào)制輸出電壓Upwm；另一個(gè)輸入信號(hào)端是加一負(fù)的偏移電壓Ub，其值為這時(shí)Upwm如圖27a所示。為了確保晶體管在開通時(shí)能迅速達(dá)到飽和導(dǎo)通，關(guān)斷時(shí)能迅速截止，正確設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)非常重要的。 圖 28 UAA4002模塊14腳：接正電源；2腳：接負(fù)電源；9腳：接零，提供參考的電位；5腳：輸入端；3腳：封鎖端，高電位時(shí)完全封鎖輸出信號(hào)，零電位時(shí)選擇電位輸入；16腳：經(jīng)一小電阻RB接被驅(qū)動(dòng)功率晶體管基極，輸出正向驅(qū)動(dòng)電流IB1；1腳：經(jīng)一小電感L接驅(qū)動(dòng)功率晶體管基極，輸出反向基極關(guān)斷電流IB2。 為了使開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)中的電容充分放電，邏輯處理器的輸出脈沖有一最小的寬度，這個(gè)最小導(dǎo)通時(shí)間必須至少是RCD網(wǎng)絡(luò)時(shí)間常數(shù)的四倍。tonmax保是一重要保護(hù)。若封鎖該功能，12腳直接接地；13腳:通過抗飽和二極管接被驅(qū)動(dòng)晶體管的集電極。這里著重分析雙極式H型PWM變換器。電樞電流ia沿回路1(經(jīng)VTl和VT4)流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓UAB=+US。 第2階段，在ton≤ t T期間，ub2 、 ub3為正，VT2和VT3導(dǎo)通，ubl 、ub4為負(fù)，使VTl和VT4保持截止。但電樞兩端的瞬時(shí)電壓和流過電樞的瞬時(shí)電流都不為零，而是交變的。電動(dòng)機(jī)停止時(shí)的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū)。 PWM調(diào)速系統(tǒng)的主要參數(shù) 采用電力晶體管的PWM調(diào)速系統(tǒng)不同于其它直流調(diào)速系統(tǒng)的特殊問題主要有：；；；，開關(guān)損耗及最佳開關(guān)頻率；。 圖 212 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ，并對(duì)各種負(fù)載下的開關(guān)損耗進(jìn)行計(jì)算，從而得出總損耗最小的最佳開關(guān)頻率。（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右。 電流、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)根據(jù)自動(dòng)控制原理，轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。而且有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況，由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。所以引入電流負(fù)反饋就能保持電流基本不變，使它不超過允許值。綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下[1]：1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)試系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。2) 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。于是開關(guān)周期。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為 3．選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 要求%≤5%時(shí)，應(yīng)取因此 于是 [1] (1) 要求＜,現(xiàn)＞(2) 要求,現(xiàn)＜(3) 要求,現(xiàn)=＞.可見均滿足要求。（3）。5．計(jì)算ASR電阻和電容取，則 取430 取 取6．校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量[1][2][9] ％當(dāng)時(shí)，％，而，因此 ％％％＜10％可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。第I階段是電流上升階段。突加給定電壓Un*后，經(jīng)過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id都跟著上升，但是在Id沒有達(dá)到負(fù)載電流Idl以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。為了克服這個(gè)擾動(dòng)，Ud0和Uc也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保證Id恒定。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，Ui*和Id很快下降。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程有飽和非線性控制、轉(zhuǎn)速超調(diào)和準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制三個(gè)特點(diǎn)。 PLC系統(tǒng)的4個(gè)主要的部分說明如下[16][17]: (CPU)。CPU中數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)和獲取的地方，保存著系統(tǒng)軟件和用戶程序。 。對(duì)于工業(yè)終端或PC，需要更復(fù)雜的打字型鍵盤和CRT顯示器。PLC控制的實(shí)際系統(tǒng)可以距CPU及其I/0模塊幾百米之遠(yuǎn)。 當(dāng)PLC處于運(yùn)行模式時(shí)，PLC周而復(fù)始的執(zhí)行一系列任務(wù)。 :除非使能模擬量濾波，否則PLC在掃描周期中不會(huì)刷新模擬量輸入值。 模擬量濾波可以得到穩(wěn)定的信號(hào)。（2）執(zhí)行邏輯控制程序 在掃描周期的執(zhí)行程序階段，CPU從頭至尾執(zhí)行應(yīng)用程序，在程序或中斷服務(wù)中，直接I/O指令允許用戶對(duì)I/O點(diǎn)直接進(jìn)行存取。（4）執(zhí)行CPU自診斷 在掃描周期的處理階段，PLC檢測(cè)CPU的操作和擴(kuò)展模塊的狀態(tài)是否正常。 圖 31 PLC的設(shè)計(jì)流程圖 PLC的硬件設(shè)計(jì)的一般步驟 [2][17][6] 選擇PLC機(jī)型應(yīng)從性能結(jié)構(gòu)、I/O點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)容量以及特殊功能等方面來綜合衡量。I/O點(diǎn)數(shù)是衡量PLC規(guī)模大小的重要指標(biāo)。 用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理、程序結(jié)構(gòu)等。模擬量輸入/輸出模塊、溫度模塊等專用功能模塊已經(jīng)非常普及，這些模塊具有A/D和D/A變換功能，可以適合現(xiàn)場(chǎng)控制的需要。 編制應(yīng)用程序就是根據(jù)設(shè)計(jì)的程序流程圖逐條地編寫控制程序，這是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作的核心部分。 設(shè)計(jì)中用到的模塊（1） 模擬量輸入模塊FX2N4AD[6][15]FX2N4AD是FX2N系列PLC的模擬量輸入模塊，有CH1~CH4四個(gè)通道，每個(gè)通道都可進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，分辯率為12位，采集信號(hào)電壓為10V~+10V，分辯率5mV。1. BFM內(nèi)部含義0 通道初始化，缺省值為H0000；1~4 存放通道1~4的采樣值，用于求平均值；5~8 存放四個(gè)通道的平均輸入采樣值；9~12 每個(gè)輸入通道當(dāng)前值存放；13~14 保留；15 用于選擇AD轉(zhuǎn)換速度：0為正常速度，15ms；如為1，則選擇高速，6ms；16~19 保留；20 復(fù)位到缺省值預(yù)