基于PLC的直流电机调速系统设计

*******学院毕业设计基于PLC的直流电机调速系统设计学生：学号：专业：班级：指导老师：****学院自动化与电子信息学院****年摘要设计选用日本三菱公司FX2N-16MT基本单元和FX2N-4AD，FX2N-2DA模拟量输/输出扩展模块，并利用其功能指令设计的直流脉宽双闭环调速系统，实现了调速过程速度快、精度高,限制系统的参数便于调试和高工作牢靠性，通过给定的调速系统硬件配置和梯形图，经模拟调试输出信号验证了各项指标均满意调速系统的要求。关键词：PLC；调速系统；应用ABSTRACTThedoubleclosed-loopDCPWMspeedsystemofdirectmotorusestheFX2N-16MTbasicunitofJapaneseMitsubishicompanyandFX2N-4ADs,FX2N-2DAemulationinput/outputexpandingmold,makinguseofitsfunctioninstruction.Itrealizesfastadjustmendofthespeedcourse,highprecision,whichmakeiteasytodebugcontrolprocedureandworkreliable,whichisadevelopmentdirectionintheindustrialcontrol.Hardwaredispositionandladderchartaregiveninthistext.Itcanbeadjustedbyemulationandvariousindexsignsofoutputsignalallsatisfytherequirementsoftheadjustsystem.Keywords：PLC；AdjustingSpeedSystem；Application书目TOC\o"1-3"\h\u266831.1直流调速系统的发展史概述 1285591.2可编程限制器PLC 222531.2.1PLC的发展概述 253291.2.2PLC的特点 3310291.3选题背景及论文主要内容 4173241.3.1选题背景 427061.3.2论文的主要内容 423405第2章直流调速系统 6283872.1调速系统的性能指标 6323522.1.1稳态性能指标 778082.1.2动态指标 835262.2PWM直流调速系统 10242372.2.1直流电动机的PWM限制原理 1099182.2.2PWM直流调速系统的组成 1165102.2.3PWM调速系统的主要参数 17120742.3双闭环直流脉宽调速系统 19310372.3.1电流、转速反馈环节 19151342.3.2设计中的调整器计算 2139372.3.3双闭环脉宽调速系统的起动过程 255717第3章现代PLC限制技术 27168753.1PLC的组成和分类 27232343.2PLC的工作原理 27262773.3PLC电机限制系统设计的基本内容和步骤 2910803.3.1PLC的硬件设计的一般步骤 29231613.3.2PLC软件设计的一般步骤 30129853.3.3设计中用到的模块 318477第4章基于PLC的直流电机调速系统设计 3361374.1设计任务 33140814.2脉宽调制系统特有部分设计 33128044.3PLC硬件设计 35204394.4PLC软件设计 3717466结束语 3920011致谢 4018680参考文献（主要及公开发表的文献） 4125827附录 43第1章引言传统直流电动机双闭环调速系统采纳的是继电器限制，加PI调整器及校正装置，实现限制系统稳定运行。但由于继电器，集成运算放大器，电气元件的老化易出故障而损坏，而且结线困难，使其工作牢靠性较差。采纳PLC设计的直流电动机双闭环调速系统能有效地克服上述缺点，并且具有结构简洁，调试修改参数便利，工作牢靠，性能价格比较高的优点。同时，PLC限制的直流电动机双闭环调速系统实现了数字化限制[13][14]。1.1直流调速系统的发展史概述电机调速的发展与电力电子技术的发展是不行分别的，电机调速和电力电子技术相互结合，相互促进，实现了现代的电气传动限制：一弱点检测、推断并发出限制信息，用强电来执行限制的使命。从这个角度上看，可以说，现代电气限制技术是强电与弱点相结合的技术。早期的电机限制只是利用电器来限制电动机的启动、制动、正反转和分级调速。随着技术的进步，生产工艺对电机限制提出了越来越高的要求，诸如精确稳定的运行速度、无极调速、快速反向、精确定位等等。直流电机变压和弱磁调速可以比较好的满意这些要求，于是诞生了旋转变流机组供电的直流调速系（Ward-Leonard系统），简称G-M系统。对调速性能要求再高时，则引入电机型放大器、磁放大器、电子放大器等放大装置进行反馈限制。到上世纪五十年头，机组供电直流调速系统的限制技术发展到了巅峰的阶段，也正是它的缺点暴露的最充分的时候：它的设备多、体积大、费用高、效率低、安装须地基、运行有噪音、修理不便利等等日益称为生产上的负担。为了解决这些冲突，人们起先采纳水银整流器和闸流管等静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子传动限制系统。1957年，可控的半导体器件-晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能上还是在牢靠性上都具有明显的优势，60年头成了晶闸管的时代，这种静止式变流装置供电的直流调速系统称为晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）。70年头以来，国际上电力电子技术突飞猛进，推出了新一代的开和关都能限制的“全控式”电力电子器件，如门极可关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（GTR）、场效应晶闸管（P-MOSFET）等，自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采纳脉冲宽度调制的高频开关限制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统[1][3][5][10]。1.2可编程限制器PLC可编程序限制器的英文为ProgrammableController，在二十实际七十至八十年头始终简称为PC。由于到90年头，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序限制器定名为可编程序逻辑限制器（PLC，ProgrammableLogicController），为了便利，仍简称PLC为可编程序限制器[6][15]。1.2.1PLC的发展概述1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器限制装置的要求，其次年美国数字公司研制出了第一土改可编程序限制器，满意了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。在八十年头至九十年头中期，是PLC发展最快的时期，年增长率始终保持为30~40%。由于PLC人机联系处理模拟实力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程限制）并渐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特殊是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。我国市场上流行的有如下几家PLC产品：

施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；

罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品；

西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品；

GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品[6]。1.2.2PLC的特点1.编程方法简洁易学

梯形图是运用最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相像，梯形图语言形象可观，易学易懂，熟识继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟识梯形图语言，并用来编制用户程序[6][17]。

2.牢靠性高，抗干扰实力强

高牢靠性是电气限制设备的关键性能。PLC由于采纳现代大规模集成电路技术，采纳严格的生产工艺制造，内部电路实行了先进的抗干扰技术，具有很高的牢靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些运用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，运用PLC构成限制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已削减到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可刚好发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断爱护。这样，整个系统具有极高的牢靠性也就不惊奇了。

3.配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今日，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业限制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算实力，可用于各种数字限制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置限制、温度限制、CNC等各种工业限制中。加上PLC通信实力的增加及人机界面技术的发展，运用PLC组成各种限制系统变得特别简洁。

4.易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业限制计算机，是面对工矿企业的工控设备。它接口简洁，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑限制指令就可以便利地实现继电器电路的功能。为不熟识电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人运用计算机从事工业限制打开了便利之门。5.系统的设计、建立工作量小，维护便利，简洁改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大削减了限制设备外部的接线，使限制系统设计及建立的周期大为缩短，同时维护也变得简洁起来。更重要的是使同一设备经过变更程序变更生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。

6.体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很简洁装入机械内部，是实现机电一体化的志向限制设备。1.3选题背景及论文主要内容选题背景在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，须要采纳各种各样的生产机械，这些生产机械大多采纳电动机拖动。多数生产机械的任务是将电能转换为机械能，以机械运动的形式来完成各种工艺要求。随着工业技术的不断发展，各种生产机械依据其工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求，有的要求电动机能快速启动、制动和反转；有的要求多台电动机之间的转速按肯定得比例协调运动；有的要求电动机达到极慢的稳速运动；有的要求电动机启、制动平稳，并能精确地停止在给定的位置。上述这些不通的工业要求，都是靠电动机及其限制系统和机械传动装置实现的。可见各种拖动系统都是通过限制转速来实现的，因直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速的特点，故被广泛的应用在须要调速或快速正方向的电力拖动领域中[1]。鉴于以上缘由，本文对直流拖动限制系统进行探讨，并对系统进行改造和升级。从直流调速系统的动态性能来讲，具有肯定得意义。论文的主要内容本文是设计一个基于PLC的限制电路为电流、转速双闭环、主电路为双极性可逆H形直流脉宽调速的可逆直流调速系统。采纳专用集成驱动电路，本设计选用汤姆森公司的UAA4002型产品。对直流电机调速系统进行了探讨和设计，具体做了以下的工作：对双闭环限制的PWM直流调速系统进行了理论探讨。对现代PLC限制技术进行了探讨。采纳visio2003软件对相关电路进行设计、绘制。对调速系统的PLC限制部分进行设计。

第2章直流调速系统人为机械特性方程式为：式中，UN、φN——额定电枢电压、额定磁通量；Ke、Kt——与电机有关的常数；Rad、Ra——电枢外加电阻、电枢内电阻；n0、Δn载转速、转速降；T—周期。可得，当分别变更UN、ΦN和Rad时，可以得到不同的转速!，从而实现对速度的调整。由于Φ=F(If),当变更励磁电流If时，可以变更磁通量Φ的大小，从而达到变更磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流If和磁通量Φ只能在低于其额定值的范围内调整，故只能弱磁调速。而对于调整电枢外加电阻Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载实力减弱。特性，通过变更电枢电压调整直流电机速度的方法被广泛采纳。变更电枢电压可通过多种途径实现，如利用晶闸管供电速度限制系统、大功率晶体管速度限制系统、直流发电机供电速度限制系统及晶体管直流脉宽调速系统等[1][3]。2.1调速系统的性能指标一台须要转速限制的设备，其生产工艺对限制性能都有肯定的要求，例如本文设计的调试系统要求稳态无静差，动态过渡过程时间ts≤0.1s,电流超调量%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量%≤10%。全部这些要求，都可以转化成运动限制系统的稳态和动态指标，作为设计系统时的依据。各种生产机械对调速系统提出了不同的转速限制要求，归纳起来有以下三个方面[1][3]：

（1）调速。在肯定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调整转速。

（2）稳速。以肯定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变更、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。

（3）加、减速限制。对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受猛烈速度变更的生产机械，则要求起、制动尽量平稳。

以上三个方面有时都须具备，有时只要求其中一项或两项，其中有些方面之间可能还是相互冲突的。为了定量地分析问题，一般规定几种性能指标，以便衡量一个调速系统的性能。稳态性能指标运动限制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力限制系统的稳态张力误差等等。下面我们具体分析调速系统的稳态指标[1][3][5]。

（1）调速范围D

生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即

其中nmax和nmin一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。在设计调速系统时，通常视nmax为电动机的额定转速nnom。

（2）静差率S

当系统在某一转速下运行时，负载由志向空载变到额定负载时所对应的转速着陆Δnnom与志向空载转速n0称为静差率S，即

明显，静差率表示调速系统在负载变更下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是孤立的，必需同时提高才有意义。动态指标运动限制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标，动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类[1][3]。

（1）跟随性能指标

在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变更状况用跟随性能指标来描述。对于不同变更方式的给定信号，其输出响应不一样。通常，跟随性能指标是在初始条件为零的状况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应（称为单位阶跃响应）为依据提出的，如图2-1所示。具体的跟随性指标有下述几项：图2-1随性能指标的单位阶跃响应曲线1.上升时间tr

单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值所需的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。2.超调量

动态过程中，输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即

超调量用来说明系统的相对稳定性，超调量越小，说明系统的相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。

3.调整时间ts

调整时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个动态响应过程的快慢。原则上它应当是系统从给定信号阶跃变更起，到输出量完全稳定下来为止的时间，对于线性限制系统，理论上要到才真正稳定。实际应用中，一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带（通常取稳态值的±5%或±2%）所需的最小时间定义为调整时间。抗扰性能指标图2-2突加扰动的动态过程和抗扰性能指标1．动态着陆△Cmax%系统稳定运行时，突加一个约定的标准的负扰动量，在过渡过程中所引起的输出量最大着陆值△Cmax叫做动态着陆，用输出量原稳态值C∞1的百分数来表示。输出量在动态着陆后渐渐复原，达到新的稳态值C∞2（C∞1-C∞2)是系统在该扰动作用下的稳态着陆。2．复原时间tv从阶跃扰动作用起先，到输出量基本上复原稳态，距新稳态值C∞2之差进入某基准量Cb的±5%（或±2%）范围之内所需的时间，定义为复原时间tv，其中Cb称为抗扰指标中输出量的基准值。调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统指标则以跟随性能为主。2.2PWM直流调速系统直流电动机的PWM限制原理制调速系统的主电路采纳脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。图2-3是脉宽调制型调速系统原理图和波形图。开关VT表示脉宽调制器，调速系统的外加电源Us，为固定的直流电压，当开关VT闭合时，直流电流经过VT给电动机M供电；开关VT断开时，直流电源供应M的电流被切断，M的储能经二极管VD续流，电枢两端电压接近为零。假如开关VT依据某固定频率开闭而变更周期内的接通时间时，限制脉冲宽度相应变更，从而变更了电动机两端平均电压，达到调速目的[1][2][12]。图2-3（a)原理图（b)波形图2.2.2PWM直流调速系统的组成由GTR构成的脉宽调速系统的组成如下图2-4[1][2][12]，其中GM为三角波振荡器，UPW为脉宽调制器，GD为基极驱动器,PWM为脉宽调制变换器，FA为瞬时动作的限流爱护环节。电动机M的转速n由测速发电机TG测量，速度反馈信号Un与速度给定电压Um*同时加在速度调整器ASR的输入端，构成调速系统的速度外环。电动机的电枢电流Ia由电流传感器TA检测，其输出电压Ui与速度调整器输出电压Ui*同时加到电流调整器ACR的输入端，构成调速系统的电流内环。图2-4双闭环限制的脉宽调速系统原理框图锯齿波发生器，如图2-5，它是由两个运算放大器组成，它们形成自激震荡，A1输出正负对称的方波脉冲，A2输出锯齿波。这种锯齿波发生器线性度好，调整简便，在工程中应用广泛，其震荡频率为[4](2-1)式中，为电位器RP的分压系数。图2-5锯齿波发生器（二）脉宽调制器[4]这是最关键的部件，它是将输入直流限制信号转换成为与之成比例的方波电压信号，以便对电力晶体管进行限制，从而得到希望的方波输出电压。实现上述电压—脉宽变换功能的环节称为脉冲宽度调制器，简称脉宽调制器。图2-6脉宽调制器图2-6为脉宽调制器的原理图，它是一个电压-脉宽变换电路，由ACR输出的限制电压Uc进行限制，其输出电压的脉冲宽度与Uc成正比。运算放大器A3工作在开环状态，它能输出正、负的饱和电压。它的输入端有三个信号，除Uc外，还有调制信号Ua（也就是图2-5的Uo2）和偏移电压Ub。限制电压Uc的极性与幅值随时可变，与Uo2相减，从而在运算放大器A3的输出端得到周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压Upwm。为了在Uc=0时电压比较器的输出端得到正、负半周期脉冲宽度相等的调制输出电压Upwm；另一个输入信号端是加一负的偏移电压Ub，其值为这时Upwm如图2-7a所示。当Uc>0时，使输入端合成电压为正的宽度增大，即锯齿波过零的时间提前，经比较器倒相后，在输出端得到正半波比负半波窄的调制输出电压（图2-7b）。当Uc<0时，输入端合成电压被降低，正的宽度减小，锯齿波过零时间后移，经倒相，得到正半波比负半波宽的输出信号（图2-7c）。图2-7锯齿波脉宽调制波形图（二）基极驱动电路[4][2][11]脉宽调制器输出的脉冲信号经过信号安排和逻辑延时后，送给基极驱动电路作功率放大，以驱动主电路的电力晶体管，每个晶体管应有独立的基极驱动电路。为了确保晶体管在开通时能快速达到饱和导通，关断时能快速截止，正确设计基极驱动电路时特别重要的。基极驱动电路有多种，下面介绍一种集成电路，它可以使电力晶体管具有多种自爱护功能，且保证电力晶体管运行于参数最优的条件下。大规模集成电路UAA4002是为一塑封16引线双列直插式集成电路，是由法国汤姆森半导体公司研制和生产。其端子排列与原理图如图2-8所示。图2-8UAA4002模块14脚：接正电源；2脚：接负电源；9脚：接零，供应参考的电位；5脚：输入端；3脚：封锁端，高电位时完全封锁输出信号，零电位时选择电位输入；16脚：经一小电阻RB接被驱动功率晶体管基极，输出正向驱动电流IB1；1脚：经一小电感L接驱动功率晶体管基极，输出反向基极关断电流IB2;15脚（V+）：是UAA4002输出级电源输入端，经一外接电阻接到正电源VCC；7脚：最小导通时间整定值。它经一电阻RT接零，从而整定tonmin，在1~12µs间调整。为了使开关协助网络中的电容充分放电，逻辑处理器的输出脉冲有一最小的宽度，这个最小导通时间必需至少是RCD网络时间常数的四倍。tonmin爱护是最高优先爱护，在tonmin内无任何其它爱护能中止导通tonmin爱护功能不能舍弃不用。8脚:最大导通时间整定端。它经一电容CT接地。tonmax保是一重要爱护。11脚:退饱和爱护阐值整定端。它经一电阻RSD接零，从而整定退饱和爱护阂值；12脚:功率晶体管集电极电流限制端。电流信号输入为负，肯定值>0.2V时，过流爱护动作。若封锁该功能，12脚干脆接地；13脚:通过抗饱和二极管接被驱动晶体管的集电极。起到抗饱和作用。（三）脉宽调制变换器[1][3][4][5][10]可逆PWM变换器主电路的结构有H型，T型等类型，本论文主要探讨的是常用的H型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。H型变频器在限制方式上分双极式、单极式和受限单级式三种。这里着重分析双极式H型PWM变换器。图2-9H型双极性可逆PWM变换器H型PWM变换器的开关器件分为VT1，VT4和VT2，VT3两组进行通、断限制。组内两器件VTl，VT4同时导通或关断，两组间的器件VTI，VT4和VT2，VT3则是交替的导通和关断，其栅极驱动信号规律为ub1=ub4，ub2=ub3=-ub1。工作状态与波形如下：(a)正向运行，如图2-10所示第1阶段，当电机工作在轻载状况下，在0≤t<ton期间，ubl，ub4为正，VT1和VT4导通；ub2、ub3为负，VT2和VT3截止。电枢电流ia沿回路1(经VTl和VT4)流通，电动机两端电压UAB=+US。第2阶段，在ton≤t<T期间，ubl、ub4为负，VTI和VT4截止；ub2、ub3为正，在电枢电感La的作用下，电枢电流沿回路2(经VD2和VD3)流通，电动机两端电压UAB=-US。(b)反向运行，如图2-11所示第1阶段，在0≤t<ton期间，ub2、ub3为负，VT2和VT3截止，VD1，VD4续流，并钳位使VT1和VT4截止。电枢电流-id沿回路4(经VD4和VD1)流通，电动机两端电压UAB=+US。第2阶段，在ton≤t<T期间，ub2、ub3为正，VT2和VT3导通，ubl、ub4为负，使VTl和VT4保持截止。电枢电流-id沿回路3(经VT2和VT3)流通，电动机两端电压UAB=+US图2-10正向电动运行时电压、电流波形图2-11反向电动运行时电压、电流波形双极式限制方式是指在一个PWM周期里，电机电枢的电压极性呈正负变更。因此其平均电压Ud计算公式为：式中a一ton/T为PWM波形的占空比；由上式可知，电枢绕组所受的平均电压取决于占空比α的大小，当α=0时，Ud=Us，电动机反行，且速度最大；当α=1时，Ud=Us，电动机正行，且速度最大;当a=1/2时，Ud=0，电动机不动。但电枢两端的瞬时电压和流过电枢的瞬时电流都不为零，而是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增加了电动机的损耗，当然是不利的。但是这个交变电流使电动机产生高频微振，可以消退电动机正、反向切换时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用，有利于快速切换。双极式可逆PWM变换器的优点是:电流肯定连续，可以使电动机实现四象限动行;电动机停止时的微振交变电流可以消退静摩擦死区;低速时由于每个电力电子器件的驱动脉冲仍较宽而有利于保证器件的牢靠导通;低速平稳性好，可达到很宽的调速范围。双极式可逆PWM变换器存在如下缺点:在工作过程中，四个电力电子器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且简洁发生上、下两只电力电子器件直通的事故，为了防止直通，在上下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。2.2.3PWM调速系统的主要参数采纳电力晶体管的PWM调速系统不同于其它直流调速系统的特殊问题主要有：1.电流与转速的脉动量计算；2.UPW和PWM变换器的传递函数；3.电力晶体管的平安区与缓冲电路；4.电力晶体管的开关过程，开关损耗及最佳开关频率；5.泵升电压限制等。针对上面的问题就涉及到以下的参数[2]。对不行逆和单极式可逆PWM调速系统在电流连续状况下的电流脉动与转速脉动进行分析，得到(2-2)（2-3）当ρ=0.5时，脉动量达最大(2-4)(2-5)对双极式可逆PWM调速系统在电流连续状况下的电流脉动与转速脉动进行分析，得到(2-6)(2-7)(2-8)脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成是一个滞后环节，其传递函数在满意时，可近似为(2-9)求出脉宽调制变换器的传递函数后，便可画出双闭环脉宽调速系统的动态结构图[8]。如图2-12所示。图2-12双闭环脉宽调速系统的动态结构图3.分析PWM变换器中电力晶体管的开关过程，并对各种负载下的开关损耗进行计算，从而得出总损耗最小的最佳开关频率。对单级式变换器有(2-9)对双极式有(2-10)两式中2.3双闭环直流脉宽调速系统一般地,静态性能较好的调速系统都采纳转速、电流双闭环限制方案,脉宽调速系统也不例外。脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统，PWM在很多方面有较大优越性[1][3]：（1）主电路途路简洁，需用的功率器件少。（2）开关频率高，电流简洁连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。（4）若与快速响应的电动机协作，则系统频带宽，动态响应快，动态抗绕实力强。（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高。（6）直流电源采纳不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。电流、转速反馈环节依据自动限制原理，转速反馈限制的闭环系统是按被调量的偏差进行限制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生订正偏差的作用。转速着陆整是由负载引起的转速偏差，因此，闭环调速系统应当削减转速着陆[1][3][7]。直流电动机全电压启动时，假如没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机不利，对过载实力低的电力电子器件来说也不利。采纳转速负反馈的闭环调速系统突然加上负载电压时，由于惯性，转速不行能马上建立起来，反馈电压仍为零。而且有些生产机械的电动机可能会出现堵转状况，由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，电流将远远超过允许值。假如只依靠过流继电器或熔断器爱护，一过载就跳闸，也会给工作带来不便。所以系统中必需有自动限制电枢电流的环节。依据反馈限制原理，要维持哪个物理量基本保持不变，就应当引入哪个物理量的负反馈。所以引入电流负反馈就能保持电流基本不变，使它不超过允许值。但是这种作用只应在上述的启动和堵转时存在，在正常运行是取消，让电流自由地随着负载增减，这种当电流大到肯定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，应当在系统中设置两个调整器，分别调整转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套（或串级）联接，把转速调整器的输出作为电流调整器的输入，再用电流调整器的输出去限制脉宽调速器。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环，转速环在外面，称作外环[1]。综上所述，转速调整器和电流调整器在直流调速系统中的作用可分别归纳如下[1]：转速调整器的作用转速调整器是调试系统的主导调整器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变更，稳态时可减小转速误差，假如采纳PI调整器，则可实现无静差。2）对负载变更起抗扰作用。3）其输出限幅值确定电动机允许的最大电流。2.电流调整器的作用1）作为内环的调整器，在转速外环的调整过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*(即外环调整器的输出量)变更。2)对电网电压的波动起刚好抗扰的作用。3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动爱护作用。一旦故障消逝，系统马上自动复原正常。这个作用对系统的牢靠运行来说是特别重要的。设计中的调整器计算（一）电流调整器的设计[2][9]1.确定时间常数（1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数Tpwm与传递函数的计算。晶体管放大区的时间常数为电流上升时间的计算公式为式中晶体管导通时的过饱和驱动系数，一般取，本例中取2，则电流下降时间的计算公式为式中——晶体管截止时的负向过驱动系数，一般取。本实例中取2，则最佳开关频率为开关频率选为，此开关频率已能满意电流连续的要求。于是开关周期。脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为（2）电流滤波时间常数取。（3）电流环小时间常数。2．选择电流调整器结构依据设计要求，%≤5%，而且，因此可按典1型系统设计。电流调整器选用PI型，其传递函数为3．选择电流调整器参数要求%≤5%时，应取因此于是4.校验近似条件[1]要求＜,现＞要求,现＜要求,现=＞.可见均满意要求。5．计算ACR的电阻和电容取，则取取取依据上述参数,电流环可以达到的动态反指标为％=4.3％＜5％,故满意设计要求。（二）转速调整器设计[2][9]1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数为。（2）取转速滤波时间常数。（3）。2．ASR结构设计依据稳态无静差及其他动态指标要求，按典2型系统设计转速环，ASR选用PI调整器，其传递函数为3．选择ASR参数取，则则4．校验近似条件要求，现＞。要求，现＞。可见均能满意要求。5．计算ASR电阻和电容取，则取430取取6．校验转速超调量[1][2][9]％当时，％，而，因此％81.2％％＜10％可见转速超调量满意要求。7．校验过渡过程时间空载起动到额定转速的过渡过程时间可见能满意设计要求。双闭环脉宽调速系统的起动过程图2-13双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形双闭环直流调速系统突加给定电压Un*由静止状态启动时，转速和电流的动态启动过程如图2-13所示。由于在起动过程中，转速调整器ASR经验了不饱和、饱和、退饱和三种状况，整个动态过程就分成图中标明的I、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。第I阶段是电流上升阶段。第Ⅱ阶段是恒流升速阶段。第Ⅲ阶段是转速调整阶段[1][3][4]。第I阶段（0～t1）是电流上升阶段。突加给定电压Un*后，经过两个调整器的跟随作用，Uc、Ud0、Id都跟着上升，但是在Id没有达到负载电流Idl以前，电动机还不能转动。当Id≥Idl后，电动机起先起动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调整器ASR的输入偏差电压ΔUn=Un*-Un的数值仍较大，其输出电压保持限幅值Uim*，强迫电枢电流Id快速上升。直到Id≈Idm，Ui≈Uim*，电流调整器很快就压制了Id的增长，标记着这一阶段结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第Ⅱ阶段（t1～t2）是恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这一阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定Uim*下的电流调整系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长，对电流调整系统来说，E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动，Ud0和Uc也必需基本上按线性增长，才能保证Id恒定。当ACR采纳PI调整器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压ΔUi=Uim*-Ui必需维持肯定得恒值，也就是说，Id应略低于Idm。第Ⅲ阶段（t2以后）是转速调整阶段。当转速上升到给定值n*=n0时，转速调整器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim*，所以电动机仍在加速，是转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它起先退出饱和状态，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流Idl，转速就接着上升。直到Id=Idl时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。此后，电动机起先在负载的阻力下减速，与此相应，在t3～t4时间内，Id<Idl，直到稳定。综上所述，双闭环直流调速系统的启动过程有饱和非线性限制、转速超调和准时间最优限制三个特点。第3章现代PLC限制技术3.1PLC的组成和分类从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/0板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不行拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、地板或机架，这些模块可以依据肯定规则组合配置。PLC系统的4个主要的部分说明如下[16][17]:1.中心处理器(CPU)。它是系统的大脑，不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，包括三个子部分:(1)微处理器。它是进行数学和逻辑操作的计算中心。(2)存储器。CPU中数据和信息存储和获得的地方，保存着系统软件和用户程序。(3)电源供应。将沟通电(AC)转化为直流电(DC)。在这个过程中，电源供应对直流电进行滤波和调整，以确保计算机正常运行。2.编程器/监视器。编程器/监视器是用来同PLC电路进行通信的设备。手持终端、工业终端和PC都可以作为编程器/监视器。在手持终端，通过小键盘来进行输入，显示设备通常是液晶显示器(LCD)。对于工业终端或PC，须要更困难的打字型键盘和CRT显示器。3.I/0模块。输入模块有一些输入端子，由传感器通过这些端子来激活执行继电器、电磁线圈、各种静态开关设备、电机和显示屏。假如须要，可以增加能将I/0模块进行远距离连接的电子系统。PLC限制的实际系统可以距CPU及其I/0模块几百米之远。3.2PLC的工作原理用户程序的执行取决于PLC是处于停止模式还是运行模式。当PLC处于运行模式时，CPU执行程序;当PLC处于停LL模式时，CPU不执行程序。当PLC处于运行模式时，PLC周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。在一个扫描周期中，PLC将执行部分或全部下列操作[16][17]。（1）读输入1.数字量输入:在件个扫描周期起先，CPU会读取数字量输入，并将这些值写入过程映像输入寄存器。2.模拟量输入:除非使能模拟量滤波，否则PLC在扫描周期中不会刷新模拟量输入值。使能了模拟量滤波功能后，PLC会在每一个周期刷新模拟量，执行滤波功能并且在内部存储滤波值。当程序中访问模拟量输入时运用滤波值。假如没有使能模拟量输入滤波，则当程序访问模拟量输入时，PLC都会干脆从扩展模块读取模拟值。模拟量滤波可以得到稳定的信号。在模拟量输入信号随时间变更缓慢时运用模拟量输入滤波，假如信号变更很快，不应当选用模拟量滤波。不要对在模拟量字中传递数字信息或报警指示的模块运用模拟量滤波。对于RTD,TC和ASI主站模块，不能运用模拟量滤波。（2）执行逻辑限制程序在扫描周期的执行程序阶段，CPU从头至尾执行应用程序，在程序或中断服务中，干脆I/O指令允许用户对I/O点干脆进行存取。假如在程序中运用了中断，与中断事务相关的中断服务作为程序的一部分被储存。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当中断事务发生时才执行。（3）处理通讯恳求在扫描周期的处理阶段，CPU处理从通讯端口或者智能I/O模块接收到的任何信息。（4）执行CPU自诊断在扫描周期的处理阶段，PLC检测CPU的操作和扩展模块的状态是否正常。（5）写输出在每个扫描周期的结尾，CPU把存储在输出映像寄存器中的数据写到数字输出点。模拟量输出干脆刷新，与扫描周期无关。3.3PLC电机限制系统设计的基本内容和步骤PLC电机限制系统设计的一般流程如图3-1所示。图3-1PLC的设计流程图3.3.1PLC的硬件设计的一般步骤1.选择适合的PLC机型[2][17][6]选择PLC机型应从性能结构、I/O点数、存储容量以及特殊功能等方面来综合衡量。一般来说，机型选择的基本原则应是在功能满意要求的状况下，保证牢靠、维护运用方面以及最佳的性能价格比。2.输入输出的选择要估算PLC电机限制系统所须要的I/O点数。采纳晶闸管整流装置对直流电机供电的直流调速系统，可编程的输入除了考虑主令限制信号外，还须要考虑合闸信号、传动装置综合故障信号、抱闸信号、风机故障信号等。I/O点数是衡量PLC规模大小的重要指标。因此首先要依据系统的限制规模，确保有足够的I/O点数，并考虑有10%-15%的I/O点数作为余量，以备后用。3.输入输出模块的选择除了I/O点数之外，还要考虑I/O模块的工作电压以及外部接线方式。对于输入模块主要考虑两点，一是依据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择工作电压；二是高密度的输入模块，能允许同时接通的点数，一般不得超过总输入点数的60%.输出模块有继电器、晶体管和晶闸管三种工作方式，其中继电器输出模块最便宜，在输出变更不快、开关要求不常见的场合，应优先选用。4.估算用户存储容量用户应用程序占用多少内存与很多因素有关，如I/O点数、限制要求、运算处理、程序结构等。因此，在程序设计之前，只能对用户的存储容量进行大致估算。5.专用功能模块的配置除了开关信号外，工业限制中还要对温度、压力、流量等过程变量以及运动限制变量进行检测和限制。在这些专用场合，输入和输出容量己经不是关键参数，更重要的是考虑它们的限制功能。模拟量输入/输出模块、温度模块等专用功能模块已经特别普及，这些模块具有A/D和D/A变换功能，可以适合现场限制的须要。3.3.2PLC软件设计的一般步骤软件设计就是编写满意生产要求的梯形图或助记符程序，设计应按以下原则和步骤进行[2]。1.设计限制系统流程图明确生产工业要求，分析各输入、输出与各种操作之间的逻辑关系确定须要检测的量和限制方法的基础上，可依据系统中各设备的操作内容和操作依次，画出系统限制的流程图，用于清晰的表明动作的依次和条件。流程图是编程的主要依据，要尽可能具体。2.编制应用程序编制应用程序就是依据设计的程序流程图逐条地编写限制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。梯形图仍是目前最普遍运用的编程语言。目前编程软件大多可在梯形图和助记符之前相互切换，这样对设计者来说比较便利。在编写过程中，可以借鉴现成的标准程序，但必需弄懂这些程序段，否则将会给后续工作带来困难和损失。设计中用到的模块模拟量输入模块FX2N-4AD[6][15]FX2N-4AD是FX2N系列PLC的模拟量输入模块，有CH1~CH4四个通道，每个通道都可进行AD转换，分辩率为12位，采集信号电压为-10V~+10V，分辩率5mV。电流输入为4~20mA或-20~20mA，分辩率20uA。FX2N-4AD内部有32个16位的缓冲寄存器(BMF用于与主机交换数据。FX2N-4AD占用FX2N扩展总线的8个点，耗电为5V，30mA。1.BFM内部含义0# 通道初始化，缺省值为H0000；#1~#4 存放通道#1~#4的采样值，用于求平均值；#5~#8 存放四个通道的平均输入采样值；#9~#12 每个输入通道当前值存放；#13~#14 保留；#15 用于选择AD转换速度：0为正常速度，15ms；如为1，则选择高速，6ms；#16~#19 保留；#20 复位到缺省值预设，缺省值为0；#21 禁止调整偏移量、增益值，缺省值为0；#22 偏移、增益调整：G4O4G3O3G2O2G1O1；#23 偏移值，缺省值为0；#24 增益值，缺省值为5000；#25~#28 保留；#29 错误状态；#30 识别码：K2010；#31 不能运用；BFM说明1）0#，#1~#4，#20~#24中的数据可通过TO指令改写，其它的BFM内的数据可以运用PLC的FROM指令读写。2）在BFM#0中写入十六进制4位数字H××××进行A/D模块通道初始化，最低位数字限制CH1，最高位限制CH4。3）×=0时设定输入范围为-10~10V，×=1时，设定输入范围为4mA~20mA,×=2时，设定输入范围为-20~20mA，×=3时关断通道。例如BFM#0=H3310则说明CH1设定输入范围为-10V~+10V，CH2设定输入范围为4~20mA，CH3、CH4两通道关闭。4）BFM#30为缓冲器确认码，可用FROM指令读出特殊功能块的认别名。FX2N-4AD单元的标识码为K2010。模拟量输出模块FX2N-2DA[6][15]FX2N-2DA模块将12位数字信号转换为模拟量电压或电流输出。它有2个模拟量输出通道，3种量程：DC0~10V、0~5V和4~20mA,D/A转换时间为4ms/通道。FX2N-2DA模块共有32个缓冲存储器，但是只运用了下面两个：BFM#16的低8位用于写入输出数据的当前值，高8位保留。BFM#17的b0位从“1”变为“0”时，通道2的D/A转换起先；b1位从“1”变为“0”时，通道1的D/A转换起先；b2位从“1第4章基于PLC的直流电机调速系统设计4.1设计任务设计一基于PLC的限制电路为电流、转速双闭环、主电路为直流脉宽调速的可逆直流调速系统。系统参数：直流电动机Ra=6.5Ω，=3.7A，=48V，=200r/min，电枢回路总电阻R=8Ω，电枢回路电磁时间常数Tl=5ms,机电时间常数Tm=200ms,电源电压Us=60V,给定值和ASR,ACR的输出限幅值均为10V，电流反馈系数β=1.33V/A，转速反馈系数α=0.05V·min/r,电动势转速比Ce=0.18V·min/r,设计要求稳态无静差，动态过渡过程时间ts≤0.1s,电流超调量%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量%≤10%。4.2脉宽调制系统特有部分设计脉宽调制器选择脉宽调制器用于生产限制PWM变换器的功率器件通断的PWM信号。脉宽调制器的种类在前面其次章的中已经阐述过，这里选用一个电压-脉宽变换电路。PWM变换器选择PWM变换器有可逆和不行逆两类。可逆变换器又有双极式，单极式和受限单极式等多种。考虑电动机可逆运行，故选用全控式电力晶体管GTR构成H型双极性限制PWM变换器。其中，电源电压选用不行控电力二极管整流供应，采纳大电容C滤波。功率开关管应承受2的电压，故选用晶体管的B，集电极最大电流的D202电力晶体管。它的共放射极电路截止频率。并接在功率开关管两端二极管用于在电力晶体管关断时为电枢回路供应释放电感储能的续流，参数计算同功率管，选用10CTF30型电力二极管，。采纳单相沟通220V供电，变压器二次电压为67V，桥式整流二极管最大反向电压大于电源幅值的2倍，最大整流电流按2倍额定电流考虑选25JPF40电力二极管，。整流桥输出端所并接的电容作用滤除整流后的电压纹波，并在负载变更时保持电压平稳。另外，当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，贮存在电动机和负载转动部分的动能将这里选4000，电压按大于2倍电压选择。3.驱动电路选择驱动电路的作用是将限制电路输出的PWM信号放大至足以保证GTR牢靠导通或关断的程度。同时具有实现主电路与限制电路相隔离，故障后自动爱护及延时等功能。GTR的驱动电路可由分立元件制作或采纳专用集成电路，这里选用汤姆森公司生产的UAA4002型产品，该产品为大规模集成基极驱动电路，可对GTR实现较志向的基极电流优化驱动和自身爱护。其正向驱动电流为0.5A，反向驱动实力为-3A，具有对GTR实现过电流爱护，最小导通时间限制，最大导通时间限制，正反向驱动电源电压监视以及自身过热爱护[2][11]。4.负反馈单元1）．转速检测装置选择选测速发电机永磁式ZYS231/110型，额定数据为。2．电流检测单元本系统要求电流检测不但要反映电枢电流的大小而且还要反映电流极性，所以选用霍尔电流传感器。4.3PLC硬件设计本设计选用日本三菱公司的FX2N系列的FX2N-16MT的CPU，其中的16是输入输出点的总点数；M是单元类型中的基本单元；T为输出形式中的晶体管输出。这种系列的PLC的环境温度、抗冲击、抗噪声等均满意要求。PLC构成双闭环直流调速系统包括：1个基本单元，即FX2N-16MT，1个模拟量输入模块FX2N-4AD（4个12位模拟量输入通道）和1个模拟量输出模块FX2N-2DA（2个12位模拟量输出通道）[6][13][14]。PLC基本单元与FX2N-4AD和FX2N-2DA之间的数据通讯是由FROM(FNC78)/TO(FNC79)指令执行的。FROM（读特殊功能模块指令）是基本单元从FX2N-4AD/2DA读数据的，TO是写特殊功能模块指令[6]。PLC构成双闭环直流调速系统（未考虑逻辑限制包括）：1个基本单元FX2N-16MT，1个模拟量输入模块FX2N-4AD和1个模拟量输出模块FX2N-2DA,模拟量I/O模块接在FX2N-16MT基本单元右边的扩展总线上，从最靠近基本单元起先依次编号为0，1，如图4-1。图4-1PLC模块连接和编号双闭环直流调速系统送给PLC的信号有：（1）给定电压；（2）速度反馈值。直流测速发电机将调速系统转换成电压值，经过模拟量输入单元送给PLC。（3）电流反馈值。通过电流互感器检测到与电枢电流成正比的整流变压器副边沟通电流，再经整流后得到电流反馈电压值，通过模拟量输入单元送给PLC。双闭环直流调速系统中的转速调整器和电流调整器，模拟量转换等均由PLC的特殊功能指令实现。PLC输出的模拟信号，送给脉冲调制器，对电力晶体管进