【正文】 ..........................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(xiàn) ...................................................................................................................37 附錄 A 譯文 .................................................................................................................38 基于 PLC 直流電動(dòng)機(jī)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(jì)（論文） 1 第 1章 緒論 直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介 直流電動(dòng)機(jī)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。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速。但因直流電動(dòng)機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的調(diào)速特性，較高的過(guò)載能力和較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此被廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合。直流調(diào)速系統(tǒng)是弱電控 制與強(qiáng)電控制相結(jié)合的系統(tǒng)。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)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(xiàn)性運(yùn)算電路等，在一定程度上滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求。 PLC在電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用 可編程控制器 PLC是通用的自動(dòng)化控制裝置，是船舶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制的核心控制元件。之所以選擇用 PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制思想，是因?yàn)?PLC有較高的易操作性，它具有編程簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易等特點(diǎn)。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及算法模型確定 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)前述，采用 PLC 及其外部接口設(shè)備對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和控制。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖 21 所示。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 采用雙 PI調(diào)節(jié)器，動(dòng)靜態(tài)性能好，抗擾性能佳。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用 PID算法可實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)，而且時(shí)間可調(diào)。如果用戶(hù)要求在負(fù)載一定的條件下，電機(jī)以最短的時(shí)間起動(dòng)，即以最大的等加速度起動(dòng)，可把積分環(huán)節(jié)去掉，模塊所留出的 2個(gè)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(jī)的最大起動(dòng)電流，獲得理想的過(guò)度過(guò)程。 （ 2） 改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)速 改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速，從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速方法。 圖 22 直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好，其機(jī)械特性如圖 22 所示改變電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速 n 隨電樞電壓的降低而降低，但機(jī)械特性的斜率保持不變；改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；弱 磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓調(diào)速方案，在基速以上作小范圍的升速。 算法設(shè)計(jì)技術(shù)有很多，例如：貪心法、分之策略、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)流、近似算法、隨機(jī)算法等。 PID 控制器問(wèn)世至今已有近 60 年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量，圖 23 中給出了一個(gè) PID 控制的結(jié)構(gòu)圖： 圖 23 PID 控制的結(jié)構(gòu)圖 控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中可用公式 ()表示如下： 反饋信號(hào) 被控制量 被控對(duì)象 Kds 傳感器 ＋ 給定量 （輸入） 誤差 Ki/s Kp ＋ － ＋ ＋ 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 ???? ])(1)()([)( dtteTdt tdeTteKtu idp () 公式中， e(t)表示誤差，也是控制器的輸入， u(t)是控制器的輸出， Kp、 Tp 與 Ti 分別為比例系數(shù)、 積分時(shí)間常數(shù)及微分時(shí)間常數(shù)。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨著時(shí) 間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。所以對(duì)有較大慣性和（或）滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 增大微分時(shí)間 D 有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對(duì)響應(yīng)曲線(xiàn)已經(jīng)滿(mǎn)意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。 如果在上述調(diào)整過(guò)程中對(duì) 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿(mǎn)意的結(jié)果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。 PID 算法一旦適應(yīng)了工藝，就可以在工藝混亂的情況下依然保持設(shè)定值。在高性能的調(diào)速系統(tǒng)中，有時(shí)僅僅靠調(diào)整 PID 參數(shù)難以同時(shí)滿(mǎn)足各項(xiàng)靜動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)。當(dāng) PID運(yùn)算不被執(zhí)行時(shí)，我們稱(chēng)之為 ―手動(dòng) ‖方式。 PID指令對(duì)回路表中的值進(jìn)行下列動(dòng)作，以保證當(dāng)使能位正跳變出現(xiàn)時(shí)，從手動(dòng)方式無(wú)擾動(dòng)切換到自動(dòng)方式： 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 置給定值 （ SPn)過(guò)程變量 （ PVn） 置過(guò)量變量前值 （ PVn1） 過(guò)程變量現(xiàn)值 （ PVn） 置積分項(xiàng)前值 （ MX） 輸出值 （ Mn） PID使能位的默認(rèn)值是 1，在 CPU啟動(dòng)或從 STOP方式轉(zhuǎn)到 RUN方式時(shí)建立。 電流環(huán)節(jié)（ ACR）的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù) （ 1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sT 。 確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量 %5?i? ，保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 因?yàn)閏is sT ????? ? 13 1，所以滿(mǎn)足近似條件。 現(xiàn)在ciois sTT ????? ? 131131，滿(mǎn)足近似條件。 確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng) 由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動(dòng) 態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型 Ⅱ 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。 () 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 11 ?????? sKK nNN ??? 。 現(xiàn)在ion sTT ?????? ?? 36 1312 131，滿(mǎn)足近似條件。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 3章 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu) 圖 31 為控制系統(tǒng) 總體結(jié)構(gòu)圖 ，表示了系統(tǒng)的基本組成電路和各部分之間的主要關(guān)系，箭頭表示信息的流向。進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，每個(gè)擴(kuò)展模塊的組態(tài)地址編號(hào)取決于各模塊的類(lèi)型 和該模塊在擴(kuò)展鏈中所處的位置。 D/A 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，輸出 0~10V 模擬電壓給晶閘管觸發(fā)板的電壓輸入端。為了使主電路的三相全控橋的各相觸發(fā)脈沖與晶閘管陽(yáng)極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，控制系統(tǒng)要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的同步電路。晶閘管觸發(fā)板控制 6 只晶閘管觸發(fā)脈沖的移相，改變每周期內(nèi)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出直流電壓的平均值，進(jìn)而調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。經(jīng)二極管整流電路整流后變?yōu)橹绷鳎徒o EM235。 電流互感器 電流互感器就是初次級(jí)繞組通過(guò)鐵芯進(jìn)行電磁耦合，初次級(jí)電流比與匝比相同。特點(diǎn) ： 不需電源，價(jià)格便宜，精度高 ； 缺點(diǎn)：不能用于有直流分量場(chǎng)合（某些型號(hào)可以帶一定直流分量，但直流分量不反映到輸出），價(jià)格 1030元 。對(duì)該電壓（ mV 級(jí)）進(jìn)行放大輸出，就是跟蹤輸出型直檢式霍爾電流傳感器，也可以轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。1%，非線(xiàn)性度 %，響應(yīng)速度 10μS，跟蹤速度 di/dt 50A/μS。 綜上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電流檢測(cè)的應(yīng)該選用的方法是用電流互感器作為電流反饋信號(hào)的檢測(cè)器。 速度檢測(cè)部分 速度檢測(cè)部分是為了實(shí)現(xiàn)速度環(huán)的閉環(huán)控制，由光柵傳感器和信號(hào)處理電路等組成，信號(hào)處理包括整形電路和放大電路等。整形電路使脈沖信號(hào)升沿符合輸入采樣要求，放大電路使脈沖信號(hào)電平符合 PLC 高速計(jì)數(shù)輸入電平的要求，高電平不低于 15V。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)是與輸入軸的轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓信號(hào)，信號(hào)幅度大，信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)單。增量式光電編碼器輸出的是與轉(zhuǎn)角成比例的增量脈沖信號(hào)，可以通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)獲得角位置信號(hào)，也可以定時(shí)取樣脈沖數(shù)的增量實(shí)現(xiàn)角速度測(cè)量。 數(shù)據(jù)采 集模塊 模擬信號(hào)的采集方式主要有單點(diǎn)采集、有限數(shù)量采集以及連續(xù)采集等，其中有限數(shù)量采集以及連續(xù)采集既可用于恒定信號(hào)的采集也可用于變化信號(hào)的采集。其中讀取數(shù)據(jù)部分放在一個(gè) 循環(huán)中 ， 設(shè)置和終止 任務(wù)放在循環(huán)的外面，這樣就避免了在同一個(gè)任務(wù)中重復(fù)設(shè)置占用內(nèi)存 ； 在前面板上設(shè)置合適的采樣通道、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)以及輸入 范圍 的最大值最小值 。采集電路結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 PLC 輸入 /輸出 端口 I/O 系統(tǒng)的功能與組成 接口是兩個(gè)系統(tǒng)或兩個(gè)部件之間的相交接部分，可以是兩種硬件設(shè)備之間的連接電路，也可以是兩個(gè)軟件之間共同的邏輯邊界。 （ 2） I/O 系統(tǒng)的組成 由 I/O 系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能， I/O 系統(tǒng)也包括了硬件及其相應(yīng)的軟件。 CPU 中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)是并行傳輸?shù)?，并且有?biāo)準(zhǔn)的電位要求，而外 圍設(shè)備因其種類(lèi)的不同，其數(shù)據(jù)的傳輸方式有串行的，有并行的，還有串并行的。而接口部件的質(zhì)量好壞，也將直接影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。當(dāng)用戶(hù)程序執(zhí)行到要求進(jìn)行輸入輸出操作的訪(fǎng)管指令時(shí)，產(chǎn)生自愿訪(fǎng)管中斷請(qǐng)求。 通道被啟動(dòng)后， CPU 就可以退出操作系統(tǒng)的管理程序，返回到用戶(hù)程序中繼續(xù)蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 執(zhí)行原來(lái)的程序，而通道開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。如果是正常結(jié)束，管理程序進(jìn)行必要的登記等工作；如果是故障、錯(cuò)誤等異常情況，則進(jìn)行例外情況處理。（執(zhí)行結(jié)果 輸出） PLC 的輸入 /輸出模塊的特點(diǎn) ： ① 有良好的抗干擾的能力 ； ② 能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)信號(hào)的匹配要求。 4 路信號(hào) V0~V3在采集控制信號(hào) SHC1和 SHC2的控制下進(jìn)行同時(shí)采樣，并在采樣保持后由 A/D 轉(zhuǎn)換器分時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)保存在存儲(chǔ)器中。 設(shè)備開(kāi)始工作時(shí)，工作程序在初始化階段對(duì)定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置， 3 個(gè)基本時(shí)序就已經(jīng)產(chǎn)生，它們?yōu)橹芷谛缘拿}沖信號(hào)；采集基本時(shí)序周期等于采樣周期，按正交采樣的需要， OSH 比 NSH 遲后 1/4 個(gè)采樣周期。 ADC 信號(hào)與采集時(shí)序進(jìn)行同步，經(jīng)整形后產(chǎn)生 A/D 轉(zhuǎn)換的自動(dòng)脈沖 A/D START。在采集工作結(jié)束時(shí)，工作程序控制定時(shí)器產(chǎn)生 SH END，使 G 為 0，采集過(guò)程結(jié)束。 A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖由 SHC2 同步。其電壓、電流的量程是開(kāi)關(guān) SW SW2 到 SW6 設(shè)定。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間 成 正向電壓并且門(mén)極加觸發(fā)信號(hào)晶閘管導(dǎo)通，并且去掉門(mén)極的觸發(fā)信號(hào)晶閘管依然維持導(dǎo)通。 晶 閘管的過(guò)流保護(hù) 晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過(guò)電流的原因可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由于整流電路內(nèi)部原因；另一類(lèi)則是整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過(guò)電流，另外，如整流變壓器中心點(diǎn)接蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸