基于PLC的直流电机转速控制系统设计

《自动化与仪器仪表》2013年第6期（总第170期）基于基于PLCPLC的直流电机转速控制系统设计的直流电机转速控制系统设计闫肃1,2，谌海云2，杜振华1，曾欢2（1中海油节能环保服务有限公司天津，300457）（2西南石油大学电气信息学院四川成都，610500）摘要：以西门子PLC输出的模拟电压控制PWM发生器的占空比，进而实现直流电机的PWM调速控制。在设计中，西门子S7-200系列CPU224XPCN（AC/DC/RLY）作为整个控制系统的核心部分，配备PWM产生模块、测速电路模块以及相应的调速按钮和系统指示灯,实现对电机转速的测量和调节。最后进行设计的实际测试，结果表明：用PLC来实现直流电机的转速控制效果符合控制要求。关键词：PLC；直流电机；PWM调速AbstractAbstract：：ThispaperusesanalogvoltageofPLC’soutputtocontrolPWMgeneratordutycycle,thusachievingPWMDCmo-torspeedcontrol.Inthedesign,useaSiemensS7-200seriesCPU224XPCN(AC/DC/RLY)asacorepartofthewholecontrolsystem,withPWMgenerationmodule,speedmeasuringcircuitmoduleandthecorrespondingspeedbuttonandthesystemindica-tortorealizethemeasurementandregulationofmotorspeed.Atlast,practicaltestthedesign,theresultsshowthat:PLCtoachievetheeffectofDCmotorspeedcontrolmeettherequirements.Keywords:Keywords:PLC;DCMotor;PWMspeedcontrol中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1001-9227（2013）06-0063-03收稿日期：2013-09-05作者简介：闫肃（1972-），男，高级工程师，甘肃静宁人，主要研究方向为控制理论与控制工程。0前言直流电机的应用场合很多，且多用于调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖据机械等。目前，大多的直流电机控制系统用单片机或DSP芯片作为控制器，但单片机或DSP做控制器，占用端口多，外部元件也多，影响系统稳定性和可靠性[1]。可编程控制器(PLC)作为近几十年发展来的一种新型工业控制器，它可靠性高、抗干扰能力强，它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广的特点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来。用PLC对直流电机进行PWM调速控制，可以提高直流调速系统的控制性能，实现直流电机的数字控制。1模型建立直流电动机有两个输入量，一个是加在电枢上的理想空载电压Ud0,另一个是负载电流Idl[2]。直流电动机的动态结构框图如图1所示。图1直流电动机的动态结构框图Ud0是控制输入，Idl是扰动输入，将扰动量Idl的综合点前移，再进行等效变换，如图2所示。图2直流电动机动态结构框图的变换在理想空载时，Idl=0，结构框图简化为图3。图3直流电动机的简化框图由图3可知，额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节，Tm、Tl是两个时间常数分别表示机电惯性和电磁惯性[2]。Tm为电力拖动系统机电时间常数，Tl=LRTl为电枢回路电磁时间常数，RLTl=公式中的电枢回路总电阻R=Ri+Rd,Ri是内阻，导通时很小，Rd是电机电枢内阻，L是电枢电感，Ce是电机电势系数。它们的值可以用关系式（1）和经验公式（2）、式（3）来决定Ce=30(Ue-IeRd)πne(V.s/rad)(1)Rd≈UeIe-Pe2I2e(Ω)(2)Ld≈3.82UepneIe(Ω)(3)根据上述的推导和计算，最终计算出直流电机的模型为63基于PLC的直流电机转速控制系统设计闫肃，等G(s)=50.0035s2+0.112s+1(4)2系统设计本文设计所要达到的控制要求为：通过PLC控制器控制直流电机转速，使其转速控制精度达到1%；并且当给定转速为1000r/min时，系统经过10s能够基本稳定在给定值，达到稳定转速1000r/min后，改变给定转速，使给定转速为1500r/min后，经过5s能够重新稳定于新给定的转速。随后，可以通过电路板上的加速、减速按钮调节电机转速。其闭环控制系统的大致情况如图4所示2图2转速闭环系统的控制框图2.1硬件设计硬件部分主要包括：控制器模块、驱动器模块、检测模块和I/O端口。PLC作为控制器部分，接受检测部分的检测信号然后进行PID运算，最后将运算结果转换成模拟电压信号输出，控制PWM信号的占空比。设计中，采用西门子S7-200系列的CPU224XP，PLC主机由中央处理器（CPU）、存储器、I/O接口、I/O扩展接口、通信设备、外围设备接口和电源部分组成。S7-200采用模块化设计，属紧凑型可编程序控制器，控制系统的硬件由CPU模块、各种扩展模块和附加硬件组成，其控制系统构成形式如图5所示。S7-200CPUEM扩展模块1EM扩展模块n...计算机TD文本显示器TP触摸屏通信网络设备其他设备工业控制软件图5S7-200PLC控制系统构成框图驱动模块实际上就是PWM发生器，本文选用MC33035芯片。MC33035是Motorola公司的第二代直流无刷电机控制器专用集成电路系列。MC33035包括一个转子位置译码器电路、一个带温度补偿的内部基准电压（可提供传感器电源）、频率可设定的锯齿波振荡器、误差放大器、脉宽调制(PWM)比较器、三个集电极开路的顶部驱动器、三个适用于驱动大功率MOSFET的大电流推挽底部驱动器。MC33035的典型电机控制功能包括PWM开环速度控制、正反向控制、运行使能控制和能耗制动控制。MC33035芯片的管脚图如图6所示。图6MC33035芯片管脚图检测模块选用旋转编码器进行测速，为了获得转速方向，需增加一对发光与接收装置，使两组脉冲序列A和B相位相差90°。本设计中使用的编码器是334线的，电机每转一转产生334个周期脉冲。系统的I/O端口为：7个按钮输入SB0-SB6、两相方波输入A和B。另外还有6个数字输出端子，分别为PWM输出端P、方向DIR端F、状态指示标志L1-L4和一个模拟电压输出端AQW0。I/O端子分配表如表1。表1系统的I/O端子分配表输入信号名称启动按钮停止按钮模式选择按钮手动按钮自动按钮手动加速按钮手动减速按钮HSC的A相HSC的B相元件号SB0SB1SB2SB3SB4SB5SB6AB地址号I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I1.3I0.6I0.7输出信号名称PWM输出DIR（方向）启动标志停止标志手动运行标志自动运行标志模拟输出元件号PFL1L2L3L4AQW0地址号Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5AQW0按下启动按钮SB0，系统启动，电机以启动转速1000r/min启动，启动指示灯L1亮。需要改变其转速时，可以进行模式选择，有选择手动和自动两种方式。在手动方式下，可以手动加速或者减速，加减速功能分别由手动加、减速按钮SB5、SB6来完成（每按一次按钮加/减速300r/min）。P端口是PWM输出端，其功能是将PLC生成的PWM波输出，送往驱动电路的PWM输入端，用以控制直流电机两端的电压。系统的PLC控制接线图如图7所示。开关电源PEFU220V220V+24V_SB1SB0SB2SB3SB4SB5AB1M0.00.10.20.30.40.50.6ML+PIQ1L0.00.10.20.30.40.50.60.7NL1SB60.72M1.3FL1L2L3L4L5MMIVMB+A+AQW0模拟I/OCPU224XPPLC图7PLC控制接线图图7中，模拟I/O的AQW0端接PWM发生器，其余端子都是数字量的输入输出。64《自动化与仪器仪表》2013年第6期（总第170期）2.2软件设计系统软件部分的设计思路是应用PLC中的定时中断，实现一定时间间隔的中断，在中断子程序中采样转速实际值然后将其传给PID子程序，进行PID运算后，输出值控制PWM波的占空比，进而控制电机转速。正转时的主流程图如图8所示。开始HSC、PWM、PID初始化设置定时中断启动定时、HSC模式选择自动手动定时中断？读HSC当前值定时、HSC清零并重启转速计算反馈、给定转速标准化PID运算输出转换PWM生成YN图8主流程图程序由多个子程序构成，它们分别为PID初始化程序SBR0，HSC初始化程序SBR1，PWM初始化程序SBR2，模式选择子程序SBR3，手动子程序SBR4，自动子程序SBR5、定时中断程序SBR6和中断程序INT-0。PID参数的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。本设计中使用常用的临界比例度法。在Simulink环境下进行仿真和调试，对参数作适当的调整后，使KC=0.6，TI=0.9。仿真结果如图9所示。图9Simulink仿真结果3系统测试系统硬件电路连接如图10所示。图10硬件电路连接图调试时，若PID的参数用Simulink仿真结果（KC=0.6，TI=0.9），电机调速效果不好，甚至不停振动。因此在调试中，重新调整PID参数，最终发现当KC=1.31，TI=0.0096时，系统的快速性、稳定性很好。其调试效果图如图11所示，上面一条曲线是实际转速的变化，下面是给定转速的变化，可见其吻合度较高。图11转速趋势图（KC=1.31，TI=0.0096）将KC=1.31，TI=0.0096作为最终设定参数，并对电机转速进行进一步的测试，记录下系统的调节时间和达到稳态后一分钟内的转速的变化，记录结果如表2所示。表2电机转速控制记录表给定转速n0(r/min)的变化0-10001000-15001500-18001800-15001500-12001200-0Ts(s)334224实际转速n(r/min)10011492180014961204099915001805150112070100315021802149812090100514991800149712000100115071799150211960999149418031506119901000150618041499119801004150318031498120501006150318011502120001000149717991597120204结论本设计以直流电动机为被控对象，电机转速为被控要素，为了达到系统简单、可靠的目的，设计出基于PLC的直流电机转速控制系统。根据测试结果，当给定转速为1000r/min时，该系统经过3s能够基本稳定在给定，达到稳定后，将给定转速调为1500r/min，系统经过3s再次稳定于新的给定转速，快速性比预期结果要好。系统进入稳态后，实际转速在给定转速附近小幅波动，但误差都在允许范围之内，系统满足精度要求。参考文献[1]何新霞，邢瑞军.基于PLC的直流电机PWM调速系统设计[J].机械与电子,2011（6）.[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2003.[3]韩新红，华云松，尚亮.基于PWM的直流电机闭环调速系统的设计[J].信息通信,2010(1).[4]侯崇升.现代调速控制系统[M].北京：机械工业出版社，2006,9.[5]刘曼，李岚.SIMATICS7-200CPU22X系列PLC脉宽可调高速脉冲输出(PWM)的使用[J].江西科学,2007(02).[6]杨春旭，林若波，彭燕标.基于PWM控制的直流电机调速系统的设计[J].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2011(03).[7]张红涛，闫林，徐晓辉，温阳.基于单片机PID算法的无刷直流电机控制系统