【工控技术】基于PLC的电机调速系统的技术研究
杨振宇
（中国地质工程集团公司，北京 100093）
摘要：直流电机调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点，被广泛应用于实际生产的各个领域。首先简要介绍了直流电机调速原理以及对调速的要求，然后设计了基于CPU224XPPLC的直流电机调速系统，并通过仿真软件编写了PLC梯形图，最后在S7200中进行了电机调速实验。实验结果表明所设计的直流电机PLC调速系统能比较好地实现给定的任务指标。
关键词：直流电机；调速控制；梯形图；S7-200
中图分类号：TM46文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.001
引用格式：杨振宇. 基于PLC的电机调速系统的技术研究［J］.微型机与应用，2017,36（6）：1-2，6.
0引言
直流电机在调速方面的应用比较广泛，并且它常用于调速要求相当高的生产机械上，比如挖掘机械等。目前直流调速控制比较多地采用继电器接触器控制系统，但由于该系统修改相当困难且维护极为不方便，因此已经很难满足用户的要求。另外较多的应用是以单片机或者DSP芯片等作为控制器，由于这些控制器占用的端口多，同时连接的外部元件也多，导致了系统的稳定性和可靠性受到影响［12］。而可编程控制器PLC有高可靠性和强悍的抗干扰能力，是今后直流调速的主流研究方向。正是基于以上原因，本文设计了基于PLC的直流电机调速控制系统，经过实验证明系统能够实现对电机的精确控制。
1直流电机的调速原理及调速要求
1.1直流电机调速原理介绍
直流电动机是一种将电能转化为机械能的动力设备, 带动负载进行生产活动。对于负载的不同, 通常要求电动机的转速在一定范围内可调节,要求调速范围广，而且调速平稳和方便， 直流电机转速n表达式为［34］:
n=ECEΦ=Ua－RaIaCEΦ(1)
其中n为转速(r/min); Ia为电枢电流(A); Ua为电枢电压(V); CE为由电机结构决定的电动势常数; Ra为电枢回路总电阻(Ω); Φ为励磁磁通(ωb)。
由电机调速公式可知,直流电动机的调速有三种方法: 第一, 改变电枢电压Ua；第二, 通过改变励磁电流If来改变励磁磁通Φ； 第三, 则改变电枢电阻Ra。 如果要求实现无级调速而且范围比较广, 改变电枢电压是最佳方法。因为改变电枢电阻只能实现有级调速，而改变励磁电流来改变励磁磁通调速,调速范围比较小。综合以上分析本文通过改变电枢电压进行调速。
1.2直流调速要求
对于任何一台需要进行直流调速的生产设备来说，其生产工艺都会对其调速性能有一定的要求。比如调速范围，是无级调节还是有级调节，在稳定运行时允许的转速波动范围，从正转到反转运行的间隔时间，突然加大或者骤然减轻负载时允许转速波动的范围，以及运行停止所需的定位精度等。总而言之，对调速系统来说转速控制主要有以下三个方面的要求：第一：调速。在特定的额定最值区间内，有级或者无级地调节转速。第二：稳速。以某种精度在所需的转速上稳定运行，在受到干扰的时候不允许有过大的转速波动以保证生产质量。第三： 加速或减速。频繁启动、制动的设备要求加速、减速尽量快，这样有利于提高生产效率，不宜经受剧烈速度变化的机械则需要启动、制动尽量平稳［56］。
2直流电机调速系统的实现
2.1直流电机硬件实现
直流调速采用PLC作为控制器，其硬件设计部分比较简单，硬件设计的核心是通过检测模块对所得的测量信号进行PID运算，而后将结果转换成模拟电压信号作为输出，从而控制PWM信号的占空比，进而控制直流电机的运行。在本文中，选取西门子S7200系列的CPU224xp，中央处理器、存储器、I/O端口、I/O扩展接口、通信设备、外围设备接口和电源等都是PLC主机的主要组成部分。模块化设计的西门子S7200属于紧凑型的，其控制系统的硬件组成部分有CPU模块、各种扩展模块以及各种附加硬件，其构成形式如图1所示。
2.2系统软件实现
PLC编程是实现电机控制的核心，可编程控制器（PLC）共有5种编程语言，最常用的就是梯形图。梯形图是一种图形编程语言，是一种面向控制过程的自然语。总体来说，梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉控制线路的电气人员来说相当容易被接受。因此，在PLC应用中它是最基本、使用最普遍的编程语言。但这种编程方式只能是图形编辑器直接编程。本设计的梯形图如图2所示，其中包括启动梯形图、停止梯形图、加速梯形图以及减速梯形图［78］。
3实验结果及分析
本设计对直流电机调速的控制要求如下：（1）通过调节电枢电压使电机转速达到1 000 r/min，并很快达到稳定；（2）将转速从1 000 r/min加速到1 500 r/min，并很快保持稳定。连接好硬件电路后，写入PLC程序，就可以实现电机的启动、运行、调速以及停机测试。图3和图4分别为直流电机转速为1 001 r/min以及1 502 r/min的平稳运行试验结果，其中从1 001 r/min加速到1 502 r/min的时间不到1 s，而且运行非常平稳，说明采用PLC调速，直流电机调速系统动静态特性较好。
4结束语
本文以直流电机为被控对象，采用PLC作为控制器，通过调节直流电机的电枢电压进行调速，主要进行了PLC的梯形图编程，在西门子S7200上进行了测试，实验结果表明，采用PLC的直流调速系统具有调速性能好、运算速度快的特点。此外可以通过外围设计实现报警功能，不管是PLC自身故障还是外围设备工作故障都能够显示。因此，采用PLC控制的直流调速系统是今后发展的趋势。
参考文献
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