基于PLC的直流电机双环调速系统

实习报告摘要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，可编程控制器（PLC）的功能更加完善，应用更为广泛，基于PLC的控制系统渐渐成为工业控制系统的主流。本文介绍了基于PLC的直流电机双环调速系统，根据直流调速理论及自动控制系统的理论，介绍了PLC控制的双闭环调速系统的组成、工作原理和动态性能。本系统实现了对直流电机双闭环调速系统进行全数字化的改造，使电流环和速度环控制器都由PLC系统来实现。重点讨论了用西门子S7-200系列PLC中的CPU222及其两个扩展模块来实现直流电机双闭环调速系统。应用PLC的PID功能指令来实现直流电机速度的闭环控制。系统易于扩展，便于扩展各种I/O模块和功能模块。关键词:可编程控制器；直流电动机；双闭环；控制实习报告目录第1章绪论......................................................................11.1直流电动机简介............................................................11.2双闭环调速系统............................................................11.3PLC在电机调速中的应用....................................................2第2章系统总体设计及算法模型确定.................................................42.1系统总体设计..............................................................42.2双闭环调速系统常用控制方法介绍............................................52.3控制方法的确定............................................................62.3.1PID控制的结构......................................................72.3.2PID参数的调整......................................................92.3.3PID模块............................................................92.4系统参数计算.............................................................112.4.1主电路参数计算.....................................................112.4.2电流环节（ACR）的设计..............................................112.4.3转速环（ASR）的设计................................................132.4.4按转速环(ASR)退饱和重新计算超调量..................................14第3章硬件设计................................................................163.1系统总体结构.............................................................163.1.1CPU主机部分.......................................................163.1.2电机驱动部分.......................................................163.2检测部分................................................................173.2.1电流检测部分.......................................................173.2.2速度检测部分.......................................................183.3数据采集模块.............................................................193.3.1PLC输入/输出端口..................................................203.3.2用于PLC的输入/输出模块............................................223.3.3采集时序控制电路...................................................233.3.4正交采用...........................................................233.3.5模块量混合模块EM235...............................................243.4晶体管驱动、触发电路的设计...............................................243.4.1驱动电路原理.......................................................24实习报告3.4.2触发电路原理.......................................................243.5稳压电源................................................................25第4章软件设计.................................................................264.1系统程序设计方案.........................................................264.2主程序设计..............................................................264.3速度初始化子程序.........................................................274.4转速检测子程序...........................................................294.5电流检测子程序...........................................................294.6PID控制子程序...........................................................304.7电流环及转速换子程序.....................................................31参考文献.....................................................................33附录A程序清单.................................................................34附录B系统原理图................................................................38附录C元器件清单................................................................38总结..........................................................................40实习报告第1页第1章绪论1.1直流电动机简介直流电动机调速系统在当前的工业生产中应用相当广泛。比如轧钢分厂的可逆轧钢机、机修分厂的龙门创床那样需要经常正、反转运行的调速系统，尽可能地缩短直流电动机的起动，制动过程的时间是提高生产率的一个重要因素。最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速。50年代末出现的晶闸管，它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。因而，晶闸管直流调速系统迅速发展，晶闸管变流技术也日益成熟，直流调速系统更加完善。直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高、维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。特别是晶闸管与直流电动机拖动系统具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大、易于实现无级调速等优点而被广泛应用。直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高等优点，被广泛的应用。直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。系统弱电部分检测系统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号，根据检测到的信号发出控制信号。1.2双闭环调速系统直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自实习报告第2页动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。由于调速系统的主要被控量是转速,，故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。1.3PLC在电机调速中的应用可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置，是船舶实现自动化、智能化控制的核心控制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，采用模块式组合设计，具有控制功能强，可靠性高、使用灵活方便，易于扩展而且PLC系统开发简单、编程容易、抗干扰能力强、适合在工业环境下工作，故而只要合理设计，降低成本，它将会受到现场技术人员的欢迎。，在船舶主机遥控系统、锅炉控制系统中央冷却控制系统等重要设备上得到了广泛应用。在本课题所进行的双闭环调速系统设计中，采用P