基于PLC的直流电机调速系统设计.doc
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*******学院毕业设计
基于PLC的直流电机调速系统设计
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****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,控制系统的参数便于调试和高工作可靠性,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足调速系统的要求。
关键词:
PLC;调速系统;应用
ABSTRACT
Thedoubleclosed-loopDCPWMspeedsystemofdirectmotorusestheFX2N-16MTbasicunitofJapaneseMitsubishicompanyandFX2N-4ADs,FX2N-2DAemulationinput/outputexpandingmold,makinguseofitsfunctioninstruction.Itrealizesfastadjustmendofthespeedcourse,highprecision,whichmakeiteasytodebugcontrolprocedureandworkreliable,whichisadevelopmentdirectionintheindustrialcontrol.Hardwaredispositionandladderchartaregiveninthistext.Itcanbeadjustedbyemulationandvariousindexsignsofoutputsignalallsatisfytherequirementsoftheadjustsystem.
Keywords:
PLC;AdjustingSpeedSystem;Application
目录
1.1直流调速系统的发展史概述 1
1.2可编程控制器PLC 2
1.2.1PLC的发展概述 2
1.2.2PLC的特点 3
1.3选题背景及论文主要内容 4
1.3.1选题背景 4
1.3.2论文的主要内容 4
第2章直流调速系统 6
2.1调速系统的性能指标 6
2.1.1稳态性能指标 7
2.1.2动态指标 8
2.2PWM直流调速系统 10
2.2.1直流电动机的PWM控制原理 10
2.2.2PWM直流调速系统的组成 11
2.2.3PWM调速系统的主要参数 17
2.3双闭环直流脉宽调速系统 19
2.3.1电流、转速反馈环节 19
2.3.2设计中的调节器计算 21
2.3.3双闭环脉宽调速系统的起动过程 25
第3章现代PLC控制技术 27
3.1PLC的组成和分类 27
3.2PLC的工作原理 27
3.3PLC电机控制系统设计的基本内容和步骤 29
3.3.1PLC的硬件设计的一般步骤 29
3.3.2PLC软件设计的一般步骤 30
3.3.3设计中用到的模块 31
第4章基于PLC的直流电机调速系统设计 33
4.1设计任务 33
4.2脉宽调制系统特有部分设计 33
4.3PLC硬件设计 35
4.4PLC软件设计 37
结束语 39
致谢 40
参考文献(主要及公开发表的文献) 41
附录 43
第1章引言
传统直流电动机双闭环调速系统采用的是继电器控制,加PI调节器及校正装置,实现控制系统稳定运行。
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,而且结线复杂,使其工作可靠性较差。
采用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,并且具有结构简单,调试修改参数方便,工作可靠,性能价格比较高的优点。
同时,PLC控制的直流电动机双闭环调速系统实现了数字化控制[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可分离的,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控制:
一弱点检测、判断并发出控制信息,用强电来执行控制的使命。
从这个角度上看,可以说,现代电气控制技术是强电与弱点相结合的技术。
早期的电机控制只是利用电器来控制电动机的启动、制动、正反转和分级调速。
随着技术的进步,生产工艺对电机控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、准确定位等等。
直流电机变压和弱磁调速可以比较好的满足这些要求,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控制。
到上世纪五十年代,机组供电直流调速系统的控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、维修不方便等等日益称为生产上的负担。
为了解决这些矛盾,人们开始采用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控制系统。
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可靠性上都具有明显的优势,60年代成了晶闸管的时代,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年代以来,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控制的“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,就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式,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可编程控制器PLC
可编程序控制器的英文为ProgrammableController,在二十实际七十至八十年代一直简称为PC。
由于到90年代,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控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC,ProgrammableLogicController),为了方便,仍简称PLC为可编程序控制器[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控制装置的要求,第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器,满足了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。
在八十年代至九十年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30~40%。
由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步,挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业,但是由于工业PC(IPC)的出现,特别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.编程方法简单易学
梯形图是使用最多的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似,梯形图语言形象可观,易学易懂,熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序[6][17]。
2.可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
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。
一些使用冗余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,使用PLC构成控制系统,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减少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,出现故障时可及时发出警报信息。
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保护。
这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
3.配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,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控制场合。
除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现,使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
4.易学易用,深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易,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的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
5.系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
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。
由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。
1.3选题背景及论文主要内容
1.3.1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,需要采用各种各样的生产机械,这些生产机械大多采用电动机拖动。
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,各种生产机械根据其工艺特点,对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求,有的要求电动机能迅速启动、制动和反转;有的要求多台电动机之间的转速按一定得比例协调运动;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,并能准确地停止在给定的位置。
上述这些不通的工业要求,都是靠电动机及其控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控制转速来实现的,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,故被广泛的应用在需要调速或快速正方向的电力拖动领域中[1]。
鉴于以上原因,本文对直流拖动控制系统进行研究,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,具有一定得意义。
1.3.2论文的主要内容
本文是设计一个基于PLC的控制电路为电流、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。
采用专用集成驱动电路,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研究和设计,具体做了以下的工作:
1.对双闭环控制的PWM直流调速系统进行了理论研究。
2.对现代PLC控制技术进行了研究。
3.采用visio2003软件对相关电路进行设计、绘制。
4.对调速系统的PLC控制部分进行设计。
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,当分别改变UN、ΦN和Rad时,可以得到不同的转速!
,从而实现对速度的调节。
由于Φ=F(If),当改变励磁电流If时,可以改变磁通量Φ的大小,从而达到改变磁通调速的目的。
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节,故只能弱磁调速。
而对于调节电枢外加电阻Rad时,会使机械特性变软,导致电机带负载能力减弱。
特性,通过改变电枢电压调节直流电机速度的方法被广泛采用。
改变电枢电压可通过多种途径实现,如利用晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控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
一台需要转速控制的设备,其生产工艺对控制性能都有一定的要求,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%。
所有这些要求,都可以转化成运动控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控制要求,归纳起来有以下三个方面[1][3]:
(1)调速。
在一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)地调节转速。
(2)稳速。
以一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(如负载变化、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、减速控制。
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;对不宜经受剧烈速度变化的生产机械,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矛盾的。
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。
2.1.1稳态性能指标
运动控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,张力控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,负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落Δnnom与理想空载转速n0称为静差率S,即
显然,静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度,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,必须同时提高才有意义。
2.1.2动态指标
运动控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)的变化情况用跟随性能指标来描述。
对于不同变化方式的给定信号,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情况下,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.调节时间ts
调节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。
原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起,到输出量完全稳定下来为止的时间,对于线性控制系统,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节时间。
(2)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.动态降落△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降落值△Cmax叫做动态降落,用输出量原稳态值C∞1的百分数来表示。
输出量在动态降落后逐渐恢复,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降落。
2.恢复时间tv
从阶跃扰动作用开始,到输出量基本上恢复稳态,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,定义为恢复时间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
2.2.1直流电动机的PWM控制原理
制调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器,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,直流电源供给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。
如果开关VT按照某固定频率开闭而改变周期内的接通时间时,控制脉冲宽度相应改变,从而改变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为瞬时动作的限流保护环节。
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*同时加在速度调节器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与速度调节器输出电压Ui*同时加到电流调节器ACR的输入端,构成调速系统的电流内环。
图2-4双闭环控制的脉宽调速系统原理框图
(一)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,它是将输入直流控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控制,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输出的控制电压Uc进行控制,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。
控制电压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分配和逻辑延时后,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迅速达到饱和导通,关断时能迅速截止,正确设计基极驱动电路时非常重要的。
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保护功能,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,提供参考的电位;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间调节。
为了使开关辅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须至少是RCD网络时间常数的四倍。
tonmin保护是最高优先保护,在tonmin内无任何其它保护能中止导通tonmin保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保是一重要保护。
11脚:
退饱和保护阐值整定端。
它经一电阻RSD接零,从而整定退饱和保护阂值;12脚:
功率晶体管集电极电流限制端。
电流信号输入为负,绝对值>0.2V时,过流保护动作。
若封锁该功能,12脚直接接地;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,本论文主要讨论
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