2022年基于PLC的直流电机调速系统设计.docx

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1、精品学习资源*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*年欢迎下载精品学习资源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 , 掌握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；应用欢迎下载精品学习资源ABSTRACTThe double closed-loop DCPWM

2、speed system of direct motor uses the FX2N-16MT basic unit of Japanese Mitsubishi company and FX2N-4ADs, FX 2N-2DA emulation input/ output expanding mold , making use of its function instruction. It realizes fast adjust mend of the speed course , high precision, which make it easy to debug control p

3、rocedure and work reliable, which is a development direction in the industrial control. Hardware disposition and ladder chart are given in this text. It can be adjusted by emulation and various index signs ofoutput signal all satisfy the requirements of the adjust system.Keywords： PLC ； Adjusting Sp

4、eed System；Application欢迎下载精品学习资源目录1.1 直流调速系统的进展史概述51.2 可编程掌握器PLC61.2.1 PLC 的进展概述61.2.2 PLC 的特点71.3 选题背景及论文主要内容81.3.1 选题背景81.3.2 论文的主要内容8第 2章 直流调速系统 .102.1 调速系统的性能指标102.1.1 稳态性能指标 .112.1.2动态指标 .122.2 PWM 直流调速系统 .142.2.1 直流电动机的PWM 掌握原理 .142.2.2 PWM 直流调速系统的组成.142.2.3 PWM 调速系统的主要参数.202.3 双闭环直流脉宽调速系统.222

5、.3.1 电流、转速反馈环节 .232.3.2 设计中的调剂器运算 .242.3.3 双闭环脉宽调速系统的起动过程.28第 3章 现代 PLC掌握技术 .303.1 PLC 的组成和分类 .303.2 PLC 的工作原理 .313.3 PLC 电机掌握系统设计的基本内容和步骤.323.3.1 PLC 的硬件设计的一般步骤.333.3.2 PLC 软件设计的一般步骤.343.3.3 设计中用到的模块 .34第 4章 基于 PLC的直流电机调速系统设计 .374.1 设计任务 .374.2 脉宽调制系统特有部分设计.374.3 PLC 硬件设计 .384.4 PLC软件设计 .40终止语 .43致

6、谢.44参考文献（主要及公开发表的文献） .2附录.4欢迎下载精品学习资源第 1章 引 言1314传统直流电动机双闭环调速系统采纳的是继电器掌握，加PI 调剂器及校正装置，实现掌握系统稳固运行；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 掌握的直流电动机双闭环调速系统实现了数字化掌握；1.1 直流调速系统的进展史概述电机调速的进展与电力电子技术的进展是不行分别的，电机调速和电力电子技术相互结合，相

7、互促进，实现了现代的电气传动掌握：一弱点检测、判定并发 出掌握信息，用强电来执行掌握的使命；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；早期的电机掌握只是利用电器来掌握电动机的启动、制动、正反转和分级调速；随着技术的进步， 生产工艺对电机掌握提出了越来越高的要求，诸如精确稳固的运行速度、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，于是产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， 就引入电机型放大器、磁放大器、电子放大器等放大装置进行反馈掌握；到上世纪五十岁月，机 组供

8、电直流调速系统的掌握技术进展到了巅峰的阶段，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； 为明白决这些冲突， 人们开头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掌握系统； 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仍是在牢靠性上都具有明显的优势，60岁月成了晶闸管的时代，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岁月以来， 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掌

9、握的“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-MOSFE）T等，自从全控型电力电子器件问世以后，欢迎下载精品学习资源13510就显现了采纳脉冲宽度调制的高频开关掌握方式，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；1.2 可编程掌握器 PLC可编程序掌握器的英文为 Programmable Controller，在二十实际七十至八十岁月始终简称为 PC；由于到 90 岁月，个人运算机进展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范畴太大， 所以美国 AB 公司首次将可编程序掌握器定名为可编

10、程序规律掌握器（ PLC，Programmable Logic Controller），为了便利，PLC615仍简称为可编程序掌握器；1.2.1 PLC 的进展概述1968年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电器掌握装置的要求，其次年美国数字公司研制出了第一土改可编程序掌握器， 满意了 GM公司装配线的要求；随着集成电路技术和运算机技术的进展， 现在已有第五代 PLC产品了；在八十岁月至九十岁月中期， 是 PLC进展最快的时期， 年增长率始终保持为 3040%；由于 PLC人机联系处理模拟才能和网络方面功能的进步， 挤占了一部分 DCS的市场（过程掌握）并逐步垄断了污水处理等行业，但是由于工

11、业PC（ IPC）的显现，特殊是近年来现场总线技术的进展， 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，包括早期天津外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、Micro Logix 、C

12、ontrolLogix 等产品；西门子公司的产品，目前有 SIMATIC S7-400/300/200 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 ；欢迎下载精品学习资源1.2.2 PLC 的特点1. 编程方法简洁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617 ；2. 牢靠性高，抗干扰才能强高牢靠性是电气掌握设备的关键性能； 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

13、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；一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间就更长；从PLC 的机外电路来说， 使用 PLC 构成掌握系统，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， 显现故障时可准时发出警报信息； 在应用软件中， 应用者仍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古怪了；3. 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 进展

14、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掌握场合；除了规律处理功能以外，现代PLC 大多具有完善的数据运算才能，可用于各种数字掌握领域；近年来PLC 的功能单元大量涌现， 使 PLC 渗透到了位置掌握、温度掌握、 CNC 等各种工业掌握中；加上 PLC 通信才能的增强及人机界面技术的进展， 使用 PLC 组成各种掌握系统变得特别简洁；4. 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业掌握运算机，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 的少量开关量规律掌握指

15、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、 不懂运算机原理和汇编语言的人使用运算机从事工业掌握打开了便利之门；欢迎下载精品学习资源5. 系统的设计、建造工作量小，爱护便利，简洁改造PLC用储备规律代替接线规律，大大削减了掌握设备外部的接线，使掌握系 统设计及建造的周期大为缩短， 同时爱护也变得简洁起来； 更重要的是使同一设备经过转变程序转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； 由于体积小很简洁装入机械内部， 是实现机电一体化的抱负掌握设备；1.

16、3 选题背景及论文主要内容1.3.1 选题背景1在现代工业中， 为了实现各种生产工艺过程的要求， 需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进展， 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和谐运动； 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， 都是靠电动机及其掌握系统和机械传动装置实现的；

17、可见各种拖动系统都是通过掌握转速来实现的， 因直流电动机具有良好的起、 制动性能， 宜于在大范畴内平滑调速的特点，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；鉴于以上缘由， 本文对直流拖动掌握系统进行争论， 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，具有肯定满意义；1.3.2 论文的主要内容本文是设计一个基于 PLC的掌握电路为电流、 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 UAA400型2 产品；对直流电机调速系统进行了争论和设计，具体欢迎下载精品学习资源做了以下的工作：1. 对双闭环掌握的 P

18、WM直流调速系统进行了理论争论；2. 对现代 PLC掌握技术进行了争论；3. 采纳 visio 2003软件对相关电路进行设计、绘制；4. 对调速系统的 PLC掌握部分进行设计；欢迎下载精品学习资源第 2 章 直流调速系统人为机械特性方程式为：欢迎下载精品学习资源nU NKeNRadRaT2n0nK e K fN欢迎下载精品学习资源式中， UN、N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、n载转速、转速降；T周期；可得，当分别转变 UN、N和Rad时，可以得到不同的转速 . ，从而实现对速度的调剂；由于=FI f , 当转变励磁电流

19、I f 时，可以转变磁通量 的大小， 从而达到转变磁通调速的目的； 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 I f 和磁通量 只能在低于其额定值的范畴内调剂，故只能弱磁调速；而对于调剂电枢外加电阻 Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载才能减弱；13特性，通过转变电枢电压调剂直流电机速度的方法被广泛采纳； 转变电枢电压可通过多种途径实现， 如利用晶闸管供电速度掌握系统、 大功率晶体管速度掌握系统、直流发电机供电速度掌握系统及晶体管直流脉宽调速系统等 ；2.1 调速系统的性能指标一台需要转速掌握的设备，其生产工艺对掌握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

20、差，动态过渡过程时间t s 0.1s, 电流超调量i % 5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n %10%；全部这些要求， 都可以转化成运动掌握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掌握要求，归纳起来有以下三个方面13 ：（1） 调速；在肯定的最高转速和最低转速范畴内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调剂转速；欢迎下载精品学习资源（2） 稳速；以肯定的精度在所需转速上稳固地运行，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、减速掌握；对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时

21、间，以提高生产率；对不宜经受猛烈速度变化的生产机械，就要求起、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仍是相互冲突的； 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；2.1.1 稳态性能指标运动掌握系统稳固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畴和静差率， 位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力掌握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；135（1） 调速范畴 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 之比称为调速范畴，用字母

22、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， 负载由抱负空载变到额定负载时所对应的转速降落nnom与抱负空载转速 n0称为静差率 S，即明显，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳固程度， 它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳固程度就越高；欢迎下载精品学习资源由此可见， 调速范畴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；2.1.2 动态指标13运动掌握系统在过渡过程中的性能

23、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）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 ）的变化情形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形下，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 t r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

24、与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即欢迎下载精品学习资源超调量用来说明系统的相对稳固性， 超调量越小， 说明系统的相对稳固性越好，即动态响应比较平稳；3. 调剂时间 t s调剂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；原就上它应当是系统从给定信号阶跃变化起，到输出量完全稳固下来为止的时间， 对于线性掌握系统，理论上要到才真正稳固；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答应误差带（通常取稳态值的5%或 2%）所需的最小时间定义为调剂时间；（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%系统稳固运行时

25、， 突加一个商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C1的百分数来表示；输出量在动态降落后逐步复原，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降落；2. 复原时间 t v从阶跃扰动作用开头，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%）范畴之内所需的时间，定义为复原时间 t v ，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，而随动系统指标就以跟随性能为主；欢迎下载精品学习资源2.2 PWM直流调速系统2.2.1 直流电动机的 PWM 掌握原理掌

26、握电路u+U stonVT+U dMVDU d_tT1212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转变周期内的接通时间时，掌握脉冲宽度相应转变，从而转变了电动机两端平均电压，达到调速目的；图 2-3 （ a原理图（ b波形图2.2.2 PWM 直流调速系统的组成由GTR

27、构成的脉宽调速系统的组成如下图 2-41212 ，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* 同时加在速度调剂器 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 与速度调剂欢迎下载精品学习资源*器输出电压 Ui 同时加到电流调剂器 ACR 的输入端，构成调速系统的电流内环；GM欢迎下载精品学习资源U n*+_UnASRUi*+_ U iACRUcUPWDLDUsGD

28、PWMUdTA M-欢迎下载精品学习资源FATG-图 2-4双闭环掌握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， A 2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欢迎下载精品学习资源fR2 R4R5X2-1欢迎下载精品学习资源4R4CR1 R42R5 式中， X 为电位器 RP的分压系数；R2R5C欢迎下载精品学习资源R1-A1+Rbal3R3VZ1 VZ2R4-A2+RPXRbal4Uo2欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源（二）脉宽调制器 4图2-5 锯齿波发

29、生器欢迎下载精品学习资源这是最关键的部件， 它是将输入直流掌握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掌握， 从而得到期望的方波输出电压； 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；Usa R0欢迎下载精品学习资源Ub R0Uc R0-UPWMA3+欢迎下载精品学习资源Rb欢迎下载精品学习资源图 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 输出的掌握电压 Uc 进行掌握，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

30、，仍有调制信号 Ua（也就是图 2-5 的 Uo2）和偏移电压 Ub；掌握电压 Uc 的极性与幅值随时可变，与 Uo2 相减，从而在运算放大器 A 3 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1U bU sa max2这时 Upwm 如图 2-7a 所示；当 Uc0 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 Uc0c u c0. 2V

31、时，过流爱护动作；如封锁该功能， 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134510可逆PWM变换器主电路的结构有 H型，T型等类型， 本论文主要争论的是常用的 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型变频器在掌握方式上分双极式、 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；UsVT1VD1VD2VT2u b113u b2iaAMBu b3u b4VT3VD324VD4VT4图 2-9 H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

32、VT2 ， VT3 两组进行通、断掌握；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 就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，当电机工作在轻载情形下， 在 0tt on 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=+U S；第 2 阶段，在 ton t T 期间， ubl 、ub4 为负， VTI 和 VT4 截止； ub2 、ub3欢迎下载精品学习资源为正，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 0tton 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 -i d 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， u