【正文】 脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。 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(guò)程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。特別是晶閘管與 直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、控制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 、 易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。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。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(dòng)機(jī)電樞供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。應(yīng)用 PLC 的 PID 功能指令來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制。蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于 PLC 的 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 摘 要 隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程控制器（ PLC）的功能更加完善，應(yīng)用更為廣泛，基于 PLC 的控制系統(tǒng)漸漸成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。 重點(diǎn)討論了用西門(mén)子 S7200 系列 PLC 中的 CPU222 及其 兩個(gè)擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。比如軋鋼分廠的可逆軋鋼機(jī)、機(jī)修分廠的龍門(mén)創(chuàng)床那樣需要經(jīng)常正 、 反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡可能地縮短直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的一個(gè)重要因素。 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(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)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(jī)床，大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、 礦井卷?yè)P(yáng)、城市電車(chē)等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。系統(tǒng)弱電部分檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)溫度、晶閘管溫度等信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)出控制信號(hào)。 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(dòng)機(jī)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)。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，采用模塊式組合設(shè)計(jì)，具有控制功能強(qiáng)，可靠性高、使用靈活方便，易于擴(kuò)展 而且 PLC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、編程容易、抗干擾能力強(qiáng)、適合在工業(yè)環(huán)境下工作，故而只要合理設(shè)計(jì)，降低成本，它將會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的歡迎 。除上述優(yōu)點(diǎn)外， PLC具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的能力，因而， PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制化專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的控制裝置，具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言和更可靠的硬件。 對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)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(shì)。 圖 21 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 為實(shí)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(gè)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。 PLC 要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，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。速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動(dòng)，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。模塊內(nèi)有積分環(huán)節(jié)，可 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)軟起動(dòng)。 調(diào)速方式的選擇 直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓平衡方程為 RIU a??E () 電樞反電勢(shì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jì)（論文） 6 速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。 If 變化時(shí)間遇 到的時(shí)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。所以本次設(shè)計(jì)采用調(diào)壓調(diào)速。算法設(shè)計(jì)的正確選擇為從事實(shí)際問(wèn)題的算法設(shè)計(jì)與分析工作提供了清晰的、 整體的思路和方法。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng) 驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。式 ()又可表示為： )()()( sEsKsKKsU idp ??? () 公式中， U(s)和 E(s)分別為 u(t)和 e(t)的拉氏變換， Kp、 dpd TKK ? 、ipi TKK ? 分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。 PID 參數(shù)的調(diào)整 在 PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)如果能夠有理論的方法確定 PID參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實(shí)際的應(yīng) 用中，更多的是通過(guò)湊試法來(lái)確定 PID 的參數(shù)。 在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。 如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。首先把微分時(shí)間 D 設(shè)置為 0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。對(duì)于連續(xù)的 PID 算法： ])()(1)([)(0???? t dip dttdeTdtteTteKtu () 然而系統(tǒng)編程計(jì)算的時(shí)候一般是采用離散型的增量式 PID 算法，因?yàn)橹噶顖?zhí)行需要時(shí)間，所以不管 PLC 和高速數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 都是采用離散的算法?；诖?，衍生出多種改進(jìn)的PID 算法，提高系統(tǒng)的性能。 同計(jì)數(shù)器指令相似， PID指令有一個(gè)使能位。 CPU進(jìn)入 RUN方式后首次使 PID塊有效，沒(méi)有檢測(cè)到使能位的正跳變，那么就沒(méi)有無(wú)擾動(dòng)切換的動(dòng)作。三相橋式電路的平均失控時(shí)間 sTs ? ； （ 2）電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT 。 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 電流調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ?ssKsW iiiA C R ?? 1?? () 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR 超前時(shí)間常數(shù)： sTli ??? ； 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：因?yàn)橐?%5?i? ，故應(yīng)取 ??iITK ，因此 ?? ??? sTK iI () 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?????? siIi KRKK ??。 （ 2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足lmci TT13?? 。 轉(zhuǎn)速環(huán)（ ASR）的設(shè)計(jì) 確定時(shí)間常數(shù) （ 1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 sT i ?? ； （ 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) onT 。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ?ssKW nnnA SR ?? 1s ??。 （ 1）校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足n T??51? 。 （ 3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。從概略圖可知，本系統(tǒng)基本由四部分組成，分別是PLC CPU 主機(jī)部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、電流檢測(cè)部分和速度檢測(cè)部分，下面分別加以說(shuō)明。 CPU222 應(yīng)用 220V 交流電源， EM235 電源由 CPU222 提供。 直流電動(dòng)機(jī)為 15kw， 220V， 1500r/min。晶閘管觸發(fā)板具有同步信號(hào)檢測(cè)功能，三相電壓經(jīng)變壓器輸入晶閘管觸發(fā)板。電路中的電抗器是為了濾除晶閘管橋式電路的高次諧波干擾，改善電機(jī)運(yùn)行性能。 EM235 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器分辨率為 12 位，輸入電流范圍為 0~20mA，電壓范圍為 0~10V。用于測(cè)量 4020kHZ的正弦波電流。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 霍爾傳感器 初級(jí)繞組繞在徑向開(kāi)有缺口的環(huán) 型（矩形等）鐵芯上，霍爾元件置于缺口中。用于測(cè)量 DC1kHz 的各種波形電流。特點(diǎn) ： 需提供 177。 在三相橋式整流電路中，交流側(cè)的電流與直流整流電路之間的關(guān)系如下： ? () 因此測(cè)量交流電流的大小同樣可以反應(yīng)直流整流電流的大小。轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)影響非常大。 轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)可以用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電編碼器來(lái)測(cè)量。由于輸出電壓信號(hào)有波紋，一般需要配置 濾波電路。因此，可以同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。但連續(xù)采集的特點(diǎn)是循環(huán)使用緩沖區(qū)，因此如果采集數(shù)據(jù)較多時(shí)，連續(xù)采集循環(huán)具有較大的優(yōu)勢(shì)。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)經(jīng)常會(huì)疊加有高頻的噪聲信號(hào)，這時(shí)就需要進(jìn)行低通濾波。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 32 系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采 集圖 在以上采集電路結(jié)構(gòu)中， 32 路信號(hào)由 8 個(gè)采集模板的采集電路同時(shí)進(jìn)行采集。 I/O 接口通常是指主機(jī)與外部設(shè)備之間設(shè)置的硬件電路及其相應(yīng)的軟件控制。各種外圍設(shè)備不能與計(jì)算機(jī)主機(jī)直接聯(lián)系，必須通過(guò) I/O 系統(tǒng)聯(lián)接。接口部件的功能就是進(jìn)行外設(shè)與 CPU 之間的信息轉(zhuǎn)換，使其形式上能互相適應(yīng)，速度上能互相匹配。 通道的工作過(guò)程 通道的工作過(guò)程可分為啟動(dòng)通道、數(shù)據(jù)傳輸、通道程序結(jié)束三個(gè)部分 。 CPU 響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)入管理程序入口。 （ 3） 通 程序結(jié)束 當(dāng)通道處理機(jī)執(zhí)行完通道程序的最后一條通道指令 “ 斷開(kāi)通道指令 ” 時(shí)，通道的數(shù)據(jù)傳輸工作就全部結(jié)束了。然后 CPU 返回到用戶程序繼續(xù)執(zhí)行。 計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)（ I/O 系統(tǒng)）的功能是完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部世界的聯(lián)系 ，它與計(jì)算機(jī)主機(jī)的速度、處理能力、實(shí)用性、兼容性等各項(xiàng)性能都有十分密切的關(guān)系如圖 33。 采集時(shí)序控制電路產(chǎn)生采集過(guò)程中所需的各種控制時(shí)序信號(hào)，采集所需的基本時(shí)序由定時(shí)器 INTEL8253 產(chǎn)生。此時(shí) G 為 1，采樣時(shí)序信號(hào)未產(chǎn)生。非正交方式采集時(shí)， ADC 由正常采樣時(shí)序 NSH 啟動(dòng)并同步，采樣控制時(shí)序 SHC1S 和 SHC2 完全一樣。同時(shí)對(duì) 32 路信號(hào)采集，則采樣時(shí)間較短，在實(shí)際工作中，如需增加采樣時(shí)間，則可采用接續(xù)采集的方式，也就是由幾個(gè)通道來(lái)采集一路信號(hào)。這就是保證了在延遲和非延遲兩路信號(hào)采樣保持完成以后，才開(kāi)始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 EM235 有 1路模擬量輸出，其輸出可以是電壓也可以是電流。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間承受反向電壓并且門(mén)極不管加不加觸發(fā)信號(hào)晶閘管關(guān)斷 。 對(duì)于第一類(lèi)過(guò)流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過(guò)流，以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)，可以 采用第一種保護(hù)措施，最常見(jiàn)的就是接入快速熔短器的方式。 過(guò)電壓保護(hù)的第一種方法是并接 R—C 阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。阻容吸收電路中的電阻和電容按經(jīng)驗(yàn)取 R=50Ω， C=。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。 觸發(fā)電路原理 三相整流電路中必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)給觸發(fā)脈沖。本設(shè)計(jì)采用的是 KC 系列的三相全控橋式整流電路的集成觸發(fā)器 KC04 作為三相整流電路的觸發(fā)電路。該電路具有輸出負(fù)載能力大、移相性能好、正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低、有脈沖列調(diào)制輸出端等功能和特點(diǎn)。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔茫虼硕O管是組成整流電路的關(guān) 鍵元件。 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 第 4章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方案 西門(mén)子公司的 PLC 產(chǎn)品有 SIMATIC S M7 和 C7 等幾大系列，其中的 S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC 產(chǎn) 品。 CPU 模塊和擴(kuò)展模塊用扁平電纜連接。用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制的需要，用 PLC 的程序語(yǔ)言編制的應(yīng)用程序，用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制要求。 本文設(shè)計(jì)采用了模塊化的方式，將主程序根據(jù)功能分成了各個(gè)子程序，使條理更清 晰，也便于程序的書(shū)寫(xiě)與調(diào)試。經(jīng)分析，系統(tǒng)程序由主程序、電流環(huán)子程序及轉(zhuǎn)速環(huán)子程序等組成