楊振宇

　　（中國地質工程集團公司，北京 100093）

       摘要：直流電機調速系統具有調速性能優良、可靠性高的優點，被廣泛應用于實際生產的各個領域。首先簡要介紹了直流電機調速原理以及對調速的要求，然后設計了基于CPU224XPPLC的直流電機調速系統，并通過仿真軟件編寫了PLC梯形圖，最后在S7200中進行了電機調速實驗。實驗結果表明所設計的直流電機PLC調速系統能比較好地實現給定的任務指標。

　　關鍵詞：直流電機；調速控制；梯形圖；S7-200

　　中圖分類號：TM46文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.001

　　引用格式：楊振宇. 基于PLC的電機調速系統的技術研究［J］.微型機與應用，2017,36（6）：1-2，6.

0引言

　　直流電機在調速方面的應用比較廣泛，并且它常用于調速要求相當高的生產機械上，比如挖掘機械等。目前直流調速控制比較多地采用繼電器接觸器控制系統，但由于該系統修改相當困難且維護極為不方便，因此已經很難滿足用戶的要求。另外較多的應用是以單片機或者DSP芯片等作為控制器，由于這些控制器占用的端口多，同時連接的外部元件也多，導致了系統的穩定性和可靠性受到影響［12］。而可編程控制器PLC有高可靠性和強悍的抗干擾能力，是今后直流調速的主流研究方向。正是基于以上原因，本文設計了基于PLC的直流電機調速控制系統，經過實驗證明系統能夠實現對電機的精確控制。

1直流電機的調速原理及調速要求

　　1.1直流電機調速原理介紹

　　直流電動機是一種將電能轉化為機械能的動力設備, 帶動負載進行生產活動。對于負載的不同, 通常要求電動機的轉速在一定范圍內可調節,要求調速范圍廣，而且調速平穩和方便， 直流電機轉速n表達式為［34］:

　　n=ECEΦ=Ua－RaIaCEΦ(1)

　　其中n為轉速(r/min); Ia為電樞電流(A); Ua為電樞電壓(V); CE為由電機結構決定的電動勢常數; Ra為電樞回路總電阻(Ω); Φ為勵磁磁通(ωb)。

　　由電機調速公式可知,直流電動機的調速有三種方法: 第一, 改變電樞電壓Ua；第二, 通過改變勵磁電流If來改變勵磁磁通Φ； 第三, 則改變電樞電阻Ra。 如果要求實現無級調速而且范圍比較廣, 改變電樞電壓是最佳方法。因為改變電樞電阻只能實現有級調速，而改變勵磁電流來改變勵磁磁通調速,調速范圍比較小。綜合以上分析本文通過改變電樞電壓進行調速。

　　1.2直流調速要求

　　對于任何一臺需要進行直流調速的生產設備來說，其生產工藝都會對其調速性能有一定的要求。比如調速范圍，是無級調節還是有級調節，在穩定運行時允許的轉速波動范圍，從正轉到反轉運行的間隔時間，突然加大或者驟然減輕負載時允許轉速波動的范圍，以及運行停止所需的定位精度等?？偠灾瑢φ{速系統來說轉速控制主要有以下三個方面的要求：第一：調速。在特定的額定最值區間內，有級或者無級地調節轉速。第二：穩速。以某種精度在所需的轉速上穩定運行，在受到干擾的時候不允許有過大的轉速波動以保證生產質量。第三： 加速或減速。頻繁啟動、制動的設備要求加速、減速盡量快，這樣有利于提高生產效率，不宜經受劇烈速度變化的機械則需要啟動、制動盡量平穩［56］。

2直流電機調速系統的實現

　　2.1直流電機硬件實現

　　直流調速采用PLC作為控制器，其硬件設計部分比較簡單，硬件設計的核心是通過檢測模塊對所得的測量信號進行PID運算，而后將結果轉換成模擬電壓信號作為輸出，從而控制PWM信號的占空比，進而控制直流電機的運行。在本文中，選取西門子S7200系列的CPU224xp，中央處理器、存儲器、I/O端口、I/O擴展接口、通信設備、外圍設備接口和電源等都是PLC主機的主要組成部分。模塊化設計的西門子S7200屬于緊湊型的，其控制系統的硬件組成部分有CPU模塊、各種擴展模塊以及各種附加硬件，其構成形式如圖1所示。

　　2.2系統軟件實現

　　PLC編程是實現電機控制的核心，可編程控制器（PLC）共有5種編程語言，最常用的就是梯形圖。梯形圖是一種圖形編程語言，是一種面向控制過程的自然語。總體來說，梯形圖語言比較形象、直觀，對于熟悉控制線路的電氣人員來說相當容易被接受。因此，在PLC應用中它是最基本、使用最普遍的編程語言。但這種編程方式只能是圖形編輯器直接編程。本設計的梯形圖如圖2所示，其中包括啟動梯形圖、停止梯形圖、加速梯形圖以及減速梯形圖［78］?！　?/p>

3實驗結果及分析

　　本設計對直流電機調速的控制要求如下：（1）通過調節電樞電壓使電機轉速達到1 000 r/min，并很快達到穩定；（2）將轉速從1 000 r/min加速到1 500 r/min，并很快保持穩定。連接好硬件電路后，寫入PLC程序，就可以實現電機的啟動、運行、調速以及停機測試。圖3和圖4分別為直流電機轉速為1 001 r/min以及1 502 r/min的平穩運行試驗結果，其中從1 001 r/min加速到1 502 r/min的時間不到1 s，而且運行非常平穩，說明采用PLC調速，直流電機調速系統動靜態特性較好。

4結束語

　　本文以直流電機為被控對象，采用PLC作為控制器，通過調節直流電機的電樞電壓進行調速，主要進行了PLC的梯形圖編程，在西門子S7200上進行了測試，實驗結果表明，采用PLC的直流調速系統具有調速性能好、運算速度快的特點。此外可以通過外圍設計實現報警功能，不管是PLC自身故障還是外圍設備工作故障都能夠顯示。因此，采用PLC控制的直流調速系統是今后發展的趨勢。

參考文獻

　?。?］ 張金男.基于PLC控制技術的大功率直流電機調速系統的研究與設計［D］.大連：大連海事大學,2007.［2］ 李清安.PLC和變頻器在攪拌機上的應用［J］.機電工程技術,2012，41(7):150-152.

　　［3］ 榮軍, 李一鳴,萬軍華,等.直流電機雙閉環調速控制系統的技術研究［J］.湖南理工學院學報（自然科學版）,2016,29(2):47-52.

　?。?］ 王建平, 張延輝, 馮國強,等.基于氣動馬達驅動的一種混凝土攪拌機系統設計［J］.煤礦機械,2013,34(12):24-26.

　　［5］ 唐介. 電機與拖動［M］.北京：高等教育出版社，2007.

　　［6］ 閆肅. 基于PLC的直流電機轉速控制系統設計［J］.自動化與儀器儀表，2013（6）：6365.

　?。?］ 潘峰,劉紅兵. 西門子PLC控制技術實踐［M］.北京：中國電力出版社,2009.

　?。?］ 宋伯生.PLC編程理論·算法及技巧［M］.北京：機械工業出版社,2005.