【導讀】基于PLC的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。****學院自動化與電子信息學院。設(shè)計選用日本三菱公司FX2N-16MT基本單元和FX2N-4AD，F(xiàn)X2N-2DA模擬量輸。/輸出擴展模塊，并利用其功能指令設(shè)計的直流脈寬雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)了調(diào)。速過程速度快、精度高,控制系統(tǒng)的參數(shù)便于調(diào)試和高工作可靠性，通過給定的。調(diào)速系統(tǒng)硬件配置和梯形圖，經(jīng)模擬調(diào)試輸出信號驗證了各項指標均滿足調(diào)速系

　　

【正文】 m*Ui必須維持一定得恒值，也就是說， Id應(yīng)略低于 Idm。 第Ⅲ階段（ t2以后）是轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)階段。當轉(zhuǎn)速上升到給定值 n*=n0時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 Uim*，所以電動機仍在加速，是轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)， Ui*和 Id很快下降。但是，只要 Id仍大于負載電流 Idl，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 Id=Idl時，轉(zhuǎn)矩 Te=TL，則 dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n才到達峰值（ t=t3時）。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在 t3～ t4時間內(nèi)， IdIdl，直到穩(wěn)定。 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程有飽和非 線性控制、轉(zhuǎn)速超調(diào)和準時間最優(yōu)控制三個特點。 31 第 3 章 現(xiàn)代 PLC 控制技術(shù) PLC 的組成和分類 從結(jié)構(gòu)上分， PLC分為固定式和組合式 (模塊式 )兩種。固定式 PLC包括 CPU 板、 I/0板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。 模塊式 PLC包括 CPU模塊、 I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、地板或機架，這些模塊 可以按照一定規(guī)則組合配置。 PLC系統(tǒng)的 4個主要的部分說明如下 [16][17]: (CPU)。它是系統(tǒng)的大腦，不斷的采集 輸入信號，執(zhí)行用戶程 序，刷新系統(tǒng)的輸出，包括三個子部分 : (1)微處理器。它是進行數(shù)學和邏輯操作的計算中心。 (2)存儲器。 CPU中數(shù)據(jù)和信息存儲和獲取的地方，保存著系統(tǒng)軟件和用戶程 序。 (3)電源供應(yīng)。將交流電 (AC)轉(zhuǎn)化為直流電 (DC)。在這個過程中，電源供 應(yīng)對直流電進行濾波和調(diào)節(jié)，以確保計算機正常運行。 /監(jiān)視器。編程器 /監(jiān)視器是用來同 PLC電路進行通信的設(shè)備。手持 終端、工業(yè)終端和 PC都可以作為編程器 /監(jiān)視器。在手持終端，通 過小鍵盤來進 行輸入，顯示設(shè)備通常是液晶顯示器 (LCD)。對于工業(yè)終端或 PC，需要更復雜 的打字型鍵盤和 CRT顯示器。 。輸入模塊有一些輸入端子，由傳感器通過這些端子來激活執(zhí)行繼電器、電磁線圈、各種靜態(tài)開關(guān)設(shè)備、電機和顯示屏。如果需要，可以增加能將 I/0模塊進行遠距離連接的電子系統(tǒng)。 PLC控制的實際系統(tǒng)可以距 CPU及其 I/0 模塊幾百米之遠。 PLC 的工作原理 用戶程序的執(zhí)行取決于 PLC是處于停止模式還是運行模式。當 PLC處于運行 模式時， CPU執(zhí)行程序 。當 PLC處于停 LL模式時， CPU不執(zhí)行程序。 當 PLC處于運行模式時， PLC周而復始的執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)循環(huán)執(zhí)行一 次稱為一個掃描周期。在一個掃描周期中， PLC將執(zhí)行部分或全部下列操作 [16][17]。 （ 1）讀輸入 :在件個掃描周期開始， CPU會讀取數(shù)字量輸入，并將這些值寫入過程映像輸入寄存器。 :除非使能模擬量濾波，否則 PLC在掃描周期中不會刷新模擬 量輸入值。使能了模擬量濾波功能后， PLC會在每一個周期刷新模擬量，執(zhí)行濾 波功能并且在內(nèi)部存儲濾波值。當程序中訪問 模擬量輸入時使用濾波值。 如果沒有使能模擬量輸入濾波，則當程序訪問模擬量輸入時， PLC都會直接 從擴展模塊讀取模擬值。 模擬量濾波可以得到穩(wěn)定的信號。在模擬量輸入信號隨時間變化緩慢時使用 模擬量輸入濾波，如果信號變化很快，不應(yīng)該選用模擬量濾波。 不要對在模擬量字中傳遞數(shù)字信息或報警指示的模塊使用模擬量濾波。對于 RTD, TC和 ASI主站模塊，不能使用模擬量濾波。 （ 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 I/O點直接進行存取。 如果在程序中使用了中斷，與中斷事件相關(guān)的中斷服務(wù)作為程序的一部分被 儲存。中斷程序并不作為正常掃描周期的一部分來執(zhí)行，而是當中斷事件發(fā)生時 才執(zhí)行。 （ 3）處理通訊請求 在掃描周期的處理階段， CPU處理從通訊端口或者智能 I/O模塊接收到的任 何信息。 （ 4）執(zhí)行 CPU自診斷 在掃描周期的處理階段， PLC檢測 CPU的操作和擴展模塊的狀態(tài)是否正常。 （ 5）寫輸出 在每個掃描周期的結(jié)尾， CPU把存儲在輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)寫到數(shù)字輸 出點。模擬量 輸出直接刷新，與掃描周期無關(guān)。 33 PLC 電機控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容和步驟 PLC電機控制系統(tǒng)設(shè)計的一般流程如圖 31所示。 程 序 流 程 圖P L C 的 型 號 選 擇P L C 模 塊 選 擇I / O 分 配 ， 設(shè) 置 和 安 裝系 統(tǒng) 聯(lián) 機 調(diào) 試系 統(tǒng) 投 入 運 行軟 件 設(shè) 置編 輯 應(yīng) 用 程 序程 序 的 修 改 和 調(diào) 試確 定 控 制 對 象 及 控 制 范 圍軟件設(shè)計硬件設(shè)計 圖 31 PLC的設(shè)計流程圖 PLC 的硬件設(shè)計的一般步驟 PLC機型 [2][17][6] 選擇 PLC機型應(yīng)從性能結(jié)構(gòu)、 I/O點數(shù)、存儲容量以及特殊功能等方面來綜合 衡量。一般來說，機型選擇的基本原則 應(yīng)是在功能滿足要求的情況下，保證可靠、 維護使用方面以及最佳的性能價格比。 要估算 PLC電機控制系統(tǒng)所需要的 I/O點數(shù)。采用晶閘管整流裝置對直流電 機供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，可編程的輸入除了考慮主令控制信號外，還需要考慮合 閘信號、傳動裝置綜合故障信號、抱閘信號、風機故障信號等。 I/O點數(shù)是衡量PLC 規(guī)模大小的重要指標。因此首先要根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)模，確保有足夠的 I/O點數(shù)， 并考慮有 10%15%的 I/O點數(shù)作為余量，以備后用。 除了 I/O點數(shù)之外，還要考慮 I/O模塊的工作電壓以及外部接線方式。對于輸入模塊主要考慮兩點，一是根據(jù)現(xiàn)場輸入信號與 PLC輸入模塊距離的遠近來選擇工作電壓；二是高密度的輸入模塊，能允許同時接通的點數(shù)，一般不得超過總輸入點數(shù)的 60%.輸出模塊有繼電器、晶體管和晶閘管三種工作方式，其中繼電器輸出模塊最便宜，在輸出變化不快、開關(guān)要求不頻繁的場合，應(yīng)優(yōu)先選用。 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點數(shù)、控制要求、運算處理、程序結(jié)構(gòu)等。因此，在程序設(shè)計之前，只能對用戶的存儲 容量進行大致估算。 除了開關(guān)信號外，工業(yè)控制中還要對溫度、壓力、流量等過程變量以及運動 控制變量進行檢測和控制。在這些專用場合，輸入和輸出容量己經(jīng)不是關(guān)鍵參數(shù)， 更重要的是考慮它們的控制功能。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)場控制的需要。 PLC 軟件設(shè)計的一般步驟 軟件設(shè)計就是編寫滿足生產(chǎn)要求的梯形圖或助記符程序，設(shè)計應(yīng)按以下原則 和步驟進行 [2]。 程圖 明確生產(chǎn)工業(yè)要求，分析各輸入、輸出與各種操作之間的邏輯關(guān)系確定需要 檢測的量和控制方法的基礎(chǔ)上，可根據(jù)系統(tǒng)中各設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序，畫 出系統(tǒng)控制的流程圖，用于清楚的表明動作的順序和條件。流程圖是編程的主要 依據(jù)，要盡可能詳細。 編制應(yīng)用程序就是根據(jù)設(shè)計的程序流程圖逐條地編寫控制程序，這是整個程 序設(shè)計工作的核心部分。梯形圖仍是目前最普遍使用的編程語言。目前編程軟件 大多可在梯形圖和助記符之前相互切換，這樣對設(shè)計者來說比較方便。在編寫過 程中，可以借鑒現(xiàn)成 的標準程序，但必須弄懂這些程序段，否則將會給后續(xù)工作 帶來困難和損失。 35 設(shè)計中用到的模塊 （一） 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~CH4四個通道，每個通道都可進行 AD轉(zhuǎn)換，分辯率為 12位，采集信號電壓為 10V~+10V，分辯率 5mV。電流輸入為 4~20mA或 20~20mA，分辯率 20uA。 FX2N4AD內(nèi)部有 32個 16位的緩沖寄存器 (BMF用于與主機交換數(shù)據(jù)。 FX2N4AD占用 FX2N擴展總線的 8個點， 耗電為 5V， 30mA。 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 存放四個通道的平均輸入采樣值； 9~12 每個輸入通道當前值存放； 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 復位到缺省值預設(shè)，缺省值為 0； 21 禁止調(diào)整偏移量、增益值，缺省值為 0； 22 偏移、增益調(diào)整： G4O4G3O3G2O2G1O1； 23 偏移值，缺 省值為 0； 24 增益值，缺省值為 5000； 25~28 保留； 29 錯誤狀態(tài)； 30 識別碼： K2020； 31 不能使用； 1） 0， 1~4， 20~24中的數(shù)據(jù)可通過 TO指令改寫，其它的 BFM內(nèi)的數(shù)據(jù)可以使用 PLC的 FROM指令讀寫。 2）在 BFM0中寫入十六進制 4位數(shù)字 H進行 A/D模塊通道初始化，最低位數(shù)字控制 CH1，最高位控制 CH4。 3） =0時設(shè)定輸入范圍為 10~10V， =1時，設(shè)定輸入范圍為 4m A~20mA,=2時，設(shè) 定輸入范圍為 20~20mA， =3時關(guān)斷通道。例如 BFM0=H3310則說明 CH1設(shè)定輸入范圍為 10V~+10V， CH2設(shè)定輸入范圍為 4~20mA， CH CH4兩通道關(guān)閉。 4） BFM30為緩沖器確認碼，可用 FROM指令讀出特殊功能塊的認別號。 FX2N4AD單元的標識碼為 K2020。 （二） 模擬量輸出模塊 FX2N2DA[6][15] FX2N2DA模塊將 12位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或電流輸出。它有 2個模擬量輸出通道， 3種量程： DC 0~10V、 0~5V和 4~20mA,D/A轉(zhuǎn)換時間為 4ms/通道。 FX2N2DA模塊共有 32個緩沖存儲器，但是只使用了下面兩個： BFM 16的低 8位用于寫入輸出數(shù)據(jù)的當前值，高 8位保留。 BFM 17的 b0位從“ 1”變?yōu)椤?0”時，通道 2的 D/A轉(zhuǎn)換開始； b1位從“ 1”變?yōu)椤?0”時，通道 1的 D/A轉(zhuǎn)換開始； b2位從“ 1”變?yōu)椤?0”時， D/A轉(zhuǎn)換的低 8位數(shù)據(jù)被鎖存，其余各位沒有意義。 37 第 4 章 基于 PLC 的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一基于 PLC 的控制電路為電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)、主電路為直流脈寬調(diào)速 的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)： 直流電動機 Ra=， nomI =， nomU =48V， nomn =200 r/min，電樞回路總電阻 R=8Ω，電樞回路電磁時間常數(shù) Tl=5ms,機電時間常數(shù) Tm=200ms,電源電壓Us=60V,給定值和 ASR,ACR 的輸出限幅值均為 10V，電流反饋系數(shù)β =，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α = min/r,電動勢轉(zhuǎn)速比 Ce= min/r,設(shè)計要求穩(wěn)態(tài)無靜差，動態(tài)過渡過程時間 ts≤ ,電流超調(diào)量 i? %≤ 5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n? %≤ 10%。 脈寬調(diào)制系統(tǒng)特有部分設(shè)計 脈寬調(diào)制器用于生產(chǎn)控制 PWM 變換器的功率器件通斷的 PWM 信號。脈寬調(diào)制器的種類在前面第二章的 中已經(jīng)闡述過，這里選用一個電壓 脈寬變換電路。 變換器選擇 PWM 變換器有可逆和不可逆兩類?？赡孀儞Q器又有雙極式，單極式和受限單極式等多種。 考慮電動機可逆運行，故選用全控式電力晶體管 GTR 構(gòu)成 H 型雙極性控制 PWM 變換器。其中，電源電壓 sU 選用不可控電力二極管整流提供，采用大電容 C 濾波。 功率開關(guān)管應(yīng)承受 2 sU 的電壓，故選用晶體管的 B VVceo 120? ，集電極最大電流 AICM 10? 的 D202 電力晶體管。它的共發(fā)射極電路截止頻率 zMHf 1?? 。并接在功率開關(guān)管兩端二極管用于在 電力晶體管關(guān)斷時為電樞回路提供釋放電感儲 能 的 續(xù) 流 ， 參數(shù) 計 算 同 功率 管 ， 選 用 10CTF30 型 電力 二 極 管 ，VUAI RMF 3 0 0,10 ?? 。 采用單相交流 220V 供電，