基于PLC的直流电动机双闭环调速系统设计

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。
1.2ห้องสมุดไป่ตู้
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。
双闭环调速系统采用PID算法可实现直流电动机软起动，而且时间可调。模块内有积分环节，可实现直流电机软起动。根据用户实际需要，可调起动时间，给用户预留了2个端口，调节2个电位器，可改变积分时间长短，从而改变电机起动时间。积分环节适用于起动过渡过程平稳的场合。如果用户要求在负载一定的条件下，电机以最短的时间起动，即以最大的等加速度起动，可把积分环节去掉，模块所留出的2个端口作为电流环和速度环的输出限幅，调节电流的输出限幅，改变电机的最大起动电流，获得理想的过度过程。
图2-1转速、电流双闭环直流调速系统框图
为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。PLC要从外部输入电流反馈和转速反馈信号，输出触发脉冲信号，其余工作均在PLC内部完成，数字给定也是用软件方法在PLC内部设定。
在本课题所进行的双闭环调速系统设计中，采用PLC作为系统的主控器件。之所以选择用PLC来实现系统的控制思想，是因为PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点。除上述优点外，PLC具有超强的稳定性和长时间连续工作的能力，因而，PLC是为工业生产过程控制化专业设计的控制装置，具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低。
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系统总体设计根据前述，采用PLC及其外部接口设备对电机进行检测和控制。
对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。转速、电流双闭环直流调速系统如图2-1所示。
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。
1.3
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。
2.2
双闭环调速系统采用矩形逼近离散化方法时，这种算法分析简单，转速调节器和限幅器的作用是分开的，由于转速调节器有积分饱和作用，c(k)值将会变得很大，转速将会出现较大的超调量，使速度调节时间变得很长。在此，限幅器并没有限制c(k)的值，而只是限制了u(k)的值。
采用双PI调节器，动静态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗负载和电网扰动，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型Ⅰ型。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。
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1.1
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。
本文首先详细的介绍了大功率直流调速系统的基本原理，分析了调速系统的基本组成以及基本调速方法；然后系统地论述了现代PLC控制技术，介绍了PLC控制系统的基本设计方法；接着本文以经济性好、可靠性高的大功率晶闸管为调速系统可控整流电源，根据现代控制理论，采用转速—电流双闭环调速方法对大功率直流调速系统的主电路、转速控制电路以及信号检测电路进行设计，结合现代PLC控制技术对调速系统运行进行控制。
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。
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。