用plc直流电机控制设计分析.doc

农业工程学院课程设计说明书河南科技大学课 程 设 计 说 明 书课程名称 电气控制技术 题 目 用PLC控制直流电机 学 院 班 级 学生姓名 指导教师 日 期 农业工程学课程设计说明书姓名班级学号设计题目用PLC控制直流电机控制要求某电梯的曳引电机为220V、4kW直流电机，额定转速1500转，额定电流22A。现要求使用PLC实现该电机的PWM调速，调速范围为2090%。实现：（1） 电机的正反转控制。（2） 在3s内将电机转速从90%减速至20%。设计任务及要求1.根据控制要求，制定合理的设计方案。2.正确选用PLC，确定输入、输出设备。完成PLC的I/O点分配，并绘制接线图。3.设计PLC控制程序（1）绘制系统功能表图 （2）设计梯形图，并加以注释 （3）模拟调试4.绘制有关图纸： 电气控制原理图（主电路和控制电路）5.完成课程设计说明书，总量不少于15页A4纸。设计时间安排查阅资料（1天）设计并绘制电气控制原理图（2天）设计PLC控制程序（2天）模拟调试（2天）撰写课程设计说明书（2天）答辩（1天）主要参考文献1.黄永红.电气控制与PLC应用技术, 北京: 机械工业出版社, 2011.2.王建华.电气工程师手册, 北京: 机械工业出版社, 2006. 3.吴晓君.电气控制课程设计指导, 北京: 中国建材工业出版社, 2007.电气控制技术课程设计任务书 用PLC控制直流电机 摘 要 直流电动机具有良好的启动性能和调速特性，过载能力大，因此在启动、调速性能要求较高的场合仍被广泛应用。脉宽调制(PWM)是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其在对电机的转速控制方面，可节省能量。PLC作为新型的自动化控制装置，用其实现直流电动机的PWM调速，具有系统控制精度高，经济可靠，电机运行稳定等特点。 本文重点研究了用S7-200PLC实现直流电动机的控制技术,详细介绍了直流电动机PWM调速的硬件系统。该硬件系统与相应的S7-200PLC软件配合，实现对直流电动机的PWM控制。该控制系统功能包括电机的正、反转，调速、测速及转速显示，所有系统功能都己运行通过，经过实验验证，工作状态良好。 文中对直流电动机结构、工作原理、基本方程、机械特性和调速方法以及PWM调速系统的构成、S7-200PLC程序设计思路部分做了简单介绍。 关键词：S7-200，直流电机，PWM调速目录第一章 绪论 11.1直流电动机概述 21.2西门子sp-200plc概述 41.3直流电动机的启动和正反转 5 1.3.1直流电动机的启动 5 1.3.2直流电动机的正反转 6第二章 总体设计 72.1电动机的启动原理 72.2电动机真反转原理 82.3 PWM调速模块设计10 2.3.1 PWM电动机调速原理 11 2.3.2 PWM控制原理 122.4 sp-200plc实现PWM调速 13 2.5 输入/输出元件及控制功能 20 第三章 总结与体会 22 参考文献 2222 第一章 绪论 文章简要介绍了直流电动机的产生、发展，直流电动机的正反转，利用PWM调速及应用领域和西门子S7-200PLC的组成、工作原理，并简单描述了本设计所需要做的主要内容。1.1直流电动机概述 直流电动机是由直流电源供电，将直流电能转换为机械能，从而拖动生产机械完成生产任务。它具有良好的启动性能和调速特性，过载能力大，因此在启动、调速性能要求较高的场合，如大型矿井提升机、挖掘机、轧钢机、城市电车等，通常选用直流电动机拖动。在许多自动控制系统中，小容量直流电机也被广泛应用。 电机的发明和广泛应用是驱动第二次工业革命的车轮，在科学技术发展史上留下一个多世纪的发展轨迹。今天从只有0.1W的小型录音机电机到炼钢厂的数万千瓦的大型电动机，60%-70%的电力就是通过这些大大小小的电动机将电能转换为机械能，为人们的生产和生活服务，提高了生产效率，创造了现代文明。 电动机的发明，主要依赖于电磁理论的发展。从1820年早期电学及磁学的重大发现到电动机的诞生大约经历了半个世纪。这些重大发现包括如何制造电磁铁以及如何利用电磁现象使物体运动。1821年，法拉第制作了一台带电导体围绕磁铁旋转的实验模型。这就是近代电动机的“雏形”。1831年，美国科学家亨利利用一些简单的基本零件，包括一个电池、一个电磁铁和一个换向器构成连续运转的电动机。戴文波特（ThomasDavenport）于1837年第一个取得电动机专利，并发明了多种电动机。但是在电动机大规模应用方面，他的努力始终未取得任何突破。造成这一现象的原因是当时电力成本太高，无法与廉价的蒸汽动力相比。 直到19世纪60-70年代，在发电机中发明了自激原理，由此带来电力供应的商品化。由于这些理论的发展，工程师制造出更有效率的发电机和电动机。对发电机和电动机作用原理的可逆性认识，使得直流发电机和电动机在这一时期得到发展。19世纪70年代是电力时代的开始，当时已经有实用化的电动机和发电机。 在一定条件下，同一台电机可以工作在发电机状态，也可以工作在电动机状态，发电机和电动机是电机的不同运行工况。但是，在19世纪人们认识这一现象却是由于法国工程师佛唐在观察一名工人误接两部发电机而产生的灵感。这一时期，直流电动机获得飞速发展。 2 0世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，交流调速的方法不断进步和完善，其调速性能可与直流调速相媲美,目前，在很多应用场合交流电动机的调速已取代直流电动机调速。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流电动机的控制仍然很重要。直流电机由于具有起动转距大、体积小、重量轻、效率高、转距和转速容易控制，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等十分优良的特性，因而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。其缺点就是体积大、价格昂贵、维护复杂，频繁启动容易引起故障，以及直流电的传输距离有限。1.2西门子S7-200PLC概述 西门子公司的S7-200PLC是一种叠装式结构的小型PLC。它指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展、性能价格比高，深受用户欢迎，可以应用于各种小型自动化系统。S7-200的接口模块有数字量模块、模拟量模块、智能模块等。 S7-200有两种工作方式，即RUN(运行)模式与STOP(停止)模式。在CPU模块的面板上用“RUN”和“STOP”LED显示当前的操作模式。在RUN模式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在STOP模式，CPU不执行用户程序，可以用编程软件创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC。可以通过以下三种途径来改变工作模式：用模式开关改变工作模式；在程序中改变工作模式；用STEP7-Mico/Win32编程软件改变工作模式。 如果程序存在致命错误，在消除它之前不允许从停止模式进入运行模式。PLC操作系统储存非致命错误供用户检查，但不会从运行模式自动进入停止模式。PLC的工作方式为扫描工作方式。S7-200的主要特点有以下几点：（1）功能强大（2）先进的程序结构（3）灵活方便的寻址方法（4）功能强大、使用方便的编程软件（5）简化复杂编程任务的向导功能（6）强大的通信功能（7）品种丰富的配套人机界面（8）有竞争力的价格（9）完善的网上技术支持 1.3直流电动机的启动和正反转1.3.1直流电动机的启动 他励直流电动机启动时，应当先给电动机的励磁绕组通入额定励磁电流，以便在气隙中建立额定磁通，然后再接通电枢回路。在启动时，对直流电动机有两条最基本的要求：一是要有较大的启动转矩Tk (即转速为零时磁转矩)，使电动机在负载状态下能顺利启动。并且启动过程所需的时间能尽量缩短一些：二是要把启动电流Ik限制在允许的范围之内。 在不发生换向障碍、不产生电机过热、不受到过大冲击等条件下安全启动，并且对电网也不产生有害的影响。实际工作中掌握的原则是在保证足够启动转矩的前提下，尽量减小启动电流把他励法称为直接启动。采用直接启动方法时，在电枢刚接到电源的瞬间，因n=0，Ea=0，若忽略电枢回路电感，则电枢电流瞬间达到最大值Ia=U/Ra。由于Ra很小，I可能达直流电动机的电枢绕组直接接到额定电压的电源上，这种启动方到额定电流的1030倍。这么大的电枢电流将使换向器产生强烈的火花，甚至产生环火，烧坏换向器及电刷；而且这个瞬间大电流产生的转矩冲击也会造成拖动系统传动机构损坏。所以，只有容量为数百瓦的微型直流电动机，才允许采用直接启动方法(因力这类直流电动机有较大的电枢电阻转动惯量也较小启动时转速上升较快)。一般直流电动机的最大允许电流为（1.52）IN，所以不能采用直接启动方法，必须把启动电流限制在允许范围之内。为了限制启动电流，可以采用降低电源电压或在电枢回路中串电阻的方法。1.3.2直流电动机的正反转 直流电动机的电磁转矩是拖动转矩，所以电动机运行时的旋转方向与电磁转矩的方向一致。为了改变电动机的转向，就要改变电磁转矩的方向。从转矩公式Tem=CTIa可知，电磁转矩取决于磁通和电枢电流的相互作用。只要磁通和电枢电流的方向有一个发生改变，则电磁转矩和电枢转向也随之改变。具体方法有二：（1）保持电枢端电压的极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，而改变磁通的方向：（2）保持励磁绕组的电压极性不变，将电枢绕组反接，使电枢电流的方向改变。 显而易见，如果电枢绕组和励磁绕组同时反接，使磁通和电枢电流都改变方向，则电磁转矩和电枢旋转方向都达不到反向的目的。由于直流电动机励磁绕组的匝数较多，电感较大，反向励磁的建立过程缓慢，电动机反转的过程不能迅速进行。同时，当励磁绕组断开时，会产生很高的感应电势，可能使绝缘击穿，所以在实际应用中，多采用反接电枢绕组的方法来实现电动机正反转。第二章 总体设计 本论文研究的主要内容是S7-200PLC控制的PWM直流电机调速系统的设计，着重介绍硬件设计部分。此控制系统基于S7-200PLC设计直流电动机的控制器，实现了直流电动机的启动、正反转控制以及PWM无级调速功能。本设计所使用的电机为直流电动机，PLC为西门子S7-200PLC，并要求使用PWM实现调速控制。 要完成本设计，首先必须掌握直流电机的工作原理和调速方法，以及S7-200PLC的结构、工作原理、工作过程及其使用方式，还要学会使用STEP7-Micro/WinSP3V4.0软件进行编程。完成硬件系统的设计方案，包括DC+24V与DC+5V电源系统、主控制回路、保护回路。首先完成元器件的参数确定，做出系统原理图，然后具体实现硬件系统设计，进行实验、调试电路，最后优化电路，达到最佳效果。最后还对控制系统设计的其它可能性进行了设想和构思，以便进行拓展2.1 电动机起动 一般直流电动机的最大允许电流为（1.52）IN，所以不能采用直接启动方法，必须把启动电流限制在允许范围之内。为了限制启动电流，可以采用降低电源电压或在电枢回路中串电阻的方法。本设计采用电枢回路串电阻来降低直流电机启动时的电流，防止烧坏电器。 如图所示，启动时将电阻串入KM2与KM4回路，在定时器的记时下，利用KM3与KM5短接KM2，KM4来实现启动。 图2-1 电机启动原理图 启动时通过KM2或者KM4来实现串电阻启动，然后通过KM3或者KM5短接电阻，完成曾启动过程。2.2直流电动机正反转 采用反接电枢绕组的方法来实现电动机正反转，正反转控制PLC梯形图如图2-2所示 图2-2 PLC正反转梯形图 所以本设计也采用反接电枢绕组的方法来实现电动机的正反转，启动时先接通励磁绕组，在励磁电流正常的情况下接通电枢绕组，停止时先停止电枢绕组，延时5s再断开励磁绕组，反转启动时，应先停止后再反接启动。 如图2-2，按下正转按钮I0.1,Q0.3线圈得电自锁，KM2得电，接通电动机励磁绕组，欠电流过电流继电器FI通电动作接点闭合，I0.3接点闭合，Q0.2得电，KM1得电接通三相电源，经过整流器U1整流，电枢绕组获得直流电，电动机串电阻运行，3s后定时器T38接通，电动机正转启动完毕。反转按下I0.2同理。 由图2-2可知，只有KM3或KM4得电，励磁绕组有电流流过时欠电流过电流FI动作后，电枢绕组才能得电，一防止电动机失磁。 停止时，按下停止常闭按钮SB1，I0.0常闭接点接通，M0.0线圈得电自锁,M0.0常闭接点断开Q0.2，电枢绕组失电，由于惯性，电动机将继续转动，同时定时器T37延时5s断开Q0.2，M0.0线圈电动机停止转动励磁绕组断电。 在电动机工作时，如果励磁绕组断线，电动机失磁，则欠电流继电器FI失电，其常闭触点断开，I0.3输入端断开，Q0.2失电，接触器KM1断开电枢绕组。如果电动机过载，电枢绕组中的电流过大，则过电流继电器FI动作，FI常闭触点断开，I0.3输入端断开，断开电枢绕组。 在电动机正转时，按下反转按钮无效，只有再按下停止按钮，电动机制动5s停止后才能反转。2.3 PWM调速模块设计2.3.1 PWM模块电机调速原理 直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制(PWM)技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电极端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统被称为直流脉宽调速系统。脉宽调制(Pulse-WidthModulation，缩写为PWM)式直流调速系统，是一种在VC-M直流调速系统的基础上以脉宽调制式可调直流电源取代晶闸管相控整流电源后构成的直流电动机转速调节系统。 对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为图4所示脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2的宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进行推导。 t 1t 2 T 图2-3 加在电枢两端的电压 设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T,则电枢平均电压为 U平=UD且可以推得电机转速n为：n =Ea/CeUD/ Ce=KD。 在假设电枢内阻很小的情况下式中K= U/ Ce，是常数。上述式中，Ce为电动势常数，是磁通量。 图2-4为施加不同占空比是实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。 图2-4 占空比与电机转速的关系 由上图看出转速与占空比D并不是完全的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近似为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速，这就是直流电机PWM调速原理。2.3.2 PWM控制的原理 PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形。 如下图2-5所示，设定值计数器设置PWM信号的占空比。当UD=1，输入CLK2，使设定值计数值的输出值增加，PWM的占空比增加，电机转速加快；当UD=0，输入CLK2使设定值计算器的输出值减小，PWM的占空比减小，电机转速变慢。在CLK0的作用下，锯齿波计数器输出周期性线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时，数字比较器输出低电平；当计数值大于设定值时，数字比较器输出高电平，由此产生周期性的PWM波形。图2-5 PWM控制电路原理图2.4 S7-200PLC实现直流电动机的PWM调速 本次设计所使用的PLC的CPU型号为224xp，通过调节对应的电位器就可以改变PWM波的脉宽，来实现直流电动机的PWM调速。S7-200实现直流电动机的PWM调速的硬件接线图如下图3-6所示。本系统采用S7-200PLC的CPU224xp模块，CPU224xp产生两路（正转和反转）PWM波经接口模块送至功率驱动电路，PWM信号经放大输出到电动机两端，实现直流电动机的控制。 图2-6 PLC接线图 脉冲输出（PLS）指令被用于控制在高速输出（Q0.0和Q0.1）中提供的脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）功能。PTO提供方波（50%占空比）输出，配备周期和脉冲数用户控制功能。PWM提供连续性变量占空比输出，配备周期和脉宽用户控制功能。PLS指令会从特殊存储器SM中读取数据，使程序按照其存储值控制PTO/PWM发生器。SMB67控制PTO0或者PWM0，SMB77控制PTO1或者PWM。下表对用于控制PTO/PWM操作的存储器给出了描述。您可以使用PTO/PWM控制字节参考表作为一个快速参考，用其中的数值作为PTO/PWM控制寄存器的值来实现需要的操作。 您可以通过修改SM存储区（包括控制字节），然后执行PLS指令来改变PTO或PWM波形的特性。您可以在任意时刻禁止PTO或者PWM波形，方法为：首先将控制字节中的使能位（SM67.7或者SM77.7）清0，然后执行PLS指令。 图2-7 子程序设计流程图图2-8 控制字节中各个控制位功能图图2-9 高速脉冲发生器使用的特殊寄存器 图2-10主程序梯形图 图2-11子程序梯形图 图2-12 中断程序TIN-1梯形图图2-13 中断程序TIN-0梯形图控制原理： 要求3秒将调速范围从90%下降到20%，则调节占空比，调节范围为90%20%，设置控制字节为SMB77为16#DA,表示对Q0.1为PWM方式，允许脉冲输出，不允许周期更新，允许脉宽更新，时间基准单位为ms级，同步更新且允许PWM输出。设置SMB78为周期为300ms，设置SMB80为起始脉宽值为270ms。 初始化PWM，调出子程序SBR_0，通过Q0.4与Q0.6SBR_0，SBR_0控制初始化输入控制字，周期，初始脉宽和比较值，启动PWM。当常开触点M0.1导通，执行中断程序INT_0，当m0.1为1时，脉宽递减，每周期减少21ms，当检测到脉宽为60时，复位m0.1，当常闭触点m0.1导通，执行中断子程序INT_1。当m0.1为0时，脉宽保持不变。2.5输入/输出元件及控制PLC元件元件符号功能I0.0SB1停止电动机I0.1SB2电动机正转I0.2SB3电动机反转I0.3FI1 FI2过电流欠电流保护Q0.0PWM正转输出信号Q0.1PWM反转输出信号Q0.2KM1电动机电枢启动Q0.3KM2电动机励磁绕组正接串电阻启动Q0.4KM3正转短接电阻Q0