基于PLC的直流电机调速系统设计毕业设计

基于PLC的直流电机调速系统设计毕业设计目录1.1 直流调速系统的发展史概述 (2)1.2 可编程控制器PLC (3)1.2.1 PLC的发展概述 (3)1.2.2 PLC的特点 (4)1.3 选题背景及论文主要内容 (5)1.3.1 选题背景 (5)1.3.2 论文的主要内容 (6)第 2 章直流调速系统 (7)2.1 调速系统的性能指标 (7)2.1.1 稳态性能指标 (8)2.1.2 动态指标 (9)2.2 PWM直流调速系统 (11)2.2.1 直流电动机的PWM控制原理 (11)2.2.2 PWM直流调速系统的组成 (12)2.2.3 PWM调速系统的主要参数 (18)2.3 双闭环直流脉宽调速系统 (20)2.3.1 电流、转速反馈环节 (20)2.3.2 设计中的调节器计算 (22)2.3.3 双闭环脉宽调速系统的起动过程 (26)第 3 章现代PLC控制技术 (28)3.1 PLC的组成和分类 (28)3.2 PLC的工作原理 (28)3.3 PLC电机控制系统设计的基本内容和步骤 (30)3.3.1 PLC的硬件设计的一般步骤 (30)3.3.2 PLC软件设计的一般步骤 (31)3.3.3 设计中用到的模块 (32)第 4 章基于PLC的直流电机调速系统设计 (34)4.1 设计任务 (34)4.2 脉宽调制系统特有部分设计 (34)4.3 PLC硬件设计 (35)4.4 PLC 软件设计 (37)结束语 (40)致谢 (41)参考文献（主要及公开发表的文献） (2)附录 (4)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Programmable Controller，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，Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器[6][15]。

1.2.1 PLC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、Micro Logix、Control Logix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]。

1.2.2 PLC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visio 2003 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：n n T K K R R K U n Nf e a ad N e N ∆-=Φ+-Φ=02式中，U N 、φN ——额定电枢电压、额定磁通量；K e 、K t ——与电机有关的常数；R ad 、R a ——电枢外加电阻、电枢内电阻；n 0、Δn 载转速、转速降；T —周期。

可得，当分别改变U N 、ΦN 和R ad 时，可以得到不同的转速!，从而实现对速度的调节。

由于Φ=F(I f ),当改变励磁电流I f 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I f 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。