基于PLC 的直流電機(jī)柔性調(diào)速綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐桂敏，楊正祥

（1. 湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2. 武漢交通職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430065）

應(yīng)用型本科院校電氣電力課程群都會(huì)開設(shè)“電機(jī)學(xué)”“現(xiàn)代電氣控制設(shè)備”和“PLC”等課程，直流電機(jī)的原理和應(yīng)用是重要教學(xué)內(nèi)容。直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、調(diào)速性能及節(jié)能耐用的特點(diǎn)，是工程常用動(dòng)力設(shè)備[1-2]。直流電機(jī)的機(jī)械特性硬，適合用作控制電機(jī)，調(diào)速功能是它的重要應(yīng)用領(lǐng)域。直流電機(jī)調(diào)速涉及較多理論知識(shí)、硬件模塊和設(shè)計(jì)思路，是現(xiàn)代電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ)，也是學(xué)生理解PLC 控制電路必須掌握的知識(shí)點(diǎn)[3-7]。本文針對(duì)應(yīng)用型本科院校學(xué)生學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于PLC 的直流電機(jī)柔性調(diào)速控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)掌握基本電氣模塊的應(yīng)用方法和PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程[8-10]。

1 系統(tǒng)組成

直流電機(jī)在啟動(dòng)與調(diào)速時(shí)常有很高的穩(wěn)定性和線性調(diào)節(jié)要求，常用可控硅作為整流與調(diào)速元件。可控硅具備弱電控制強(qiáng)電的電力調(diào)控功能，當(dāng)控制端輸入適當(dāng)信號(hào)電壓，可控硅模塊就能線性輸出控制電壓進(jìn)行電機(jī)調(diào)速[11]。直流電壓變送器是將電網(wǎng)中的直流電壓隔離并變送成線性的直流模擬信號(hào)的裝置[12]。 直流電機(jī)柔性調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1 所示，主要包括4 個(gè)模塊（PLC 控制模塊、模擬量模塊、可控硅調(diào)速模塊和直流電壓變送器模塊）和直流電機(jī)。本系統(tǒng)的PLC 控制模塊采用西門子S7-200，模擬量模塊采用EM235，可控硅調(diào)速模塊的型號(hào)為MJYD-ZL-30，直流電壓變送器的型號(hào)為 ZR26-1V/Q4。圖 1 中的220 V 交流電源經(jīng)過(guò)可控硅轉(zhuǎn)換后給直流電機(jī)提供能源，圖中所示其他電壓均為直流，其中模擬量模塊EM235 的工作電壓是24 V，可控硅調(diào)速模塊的工作電壓是12 V，變換器的工作電壓是24 V。圖中模擬量模塊、可控硅調(diào)速模塊和直流電壓變送器模塊的輸出電壓為區(qū)間值，是因?yàn)槠涫躊LC 的電位器控制而可變。

圖1 中，通過(guò)擰動(dòng)電位器產(chǎn)生初始調(diào)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC 程序處理后得到調(diào)速數(shù)字信號(hào)，再利用模擬量模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能變成模擬量傳輸給可控硅調(diào)速模塊。當(dāng)可控硅模塊控制端輸入適當(dāng)模擬量電壓信號(hào)時(shí)，可控硅模塊會(huì)自動(dòng)調(diào)整導(dǎo)通角來(lái)改變直流電機(jī)輸入端交流電壓的波形，從而改變輸出端電壓的有效值，達(dá)到調(diào)速的目的。變送器再將含有電機(jī)轉(zhuǎn)速信息的模擬量電壓轉(zhuǎn)成變送電壓傳到模擬量模塊，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換功能把模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，傳送給PLC 處理，形成閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2 編程

PLC 控制模塊有2 個(gè)電位器，其中電位器1 的值自動(dòng)存儲(chǔ)在特殊存儲(chǔ)器 SMB28 中，電位器 2 的值自動(dòng)存儲(chǔ)在特殊存儲(chǔ)器SMB29 中，本系統(tǒng)選用電位器1。當(dāng)電位器旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，特殊存儲(chǔ)器 SMB28 中就得到一個(gè)小于255 的整數(shù)，把該整數(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算指令（×125.49）和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換指令后送入 EM235 的模擬量輸出寄存器 AQW0 中，EM235 的輸出實(shí)際由AQW0 輸出。SMB28 是8 位存儲(chǔ)單元（字節(jié)），取值為0～255 的整數(shù)，AQW0 是16 位存儲(chǔ)單元（字），取值為0～32 000 的整數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)把SMB28 的存儲(chǔ)范圍映射到 AQW0 的存儲(chǔ)范圍。由于 32 000/255=125.49，故程序中要對(duì) SMB28 的值×125.49。參考程序如圖2 所示，其中最核心的部分是MUL_R 雙字實(shí)數(shù)乘法指令。因?yàn)槌朔ㄖ噶钍请p字實(shí)數(shù)運(yùn)算，所以程序中還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。EM235將 AQW0 中的整數(shù)經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換后輸出一個(gè)小于10 V 的電壓，作用于可控硅的控制端，使直流電機(jī)獲得一個(gè)轉(zhuǎn)速。調(diào)整電位器的旋鈕，電機(jī)就會(huì)按不同的輸入電壓，得到不同的轉(zhuǎn)速[13]。

圖2 梯形圖程序

3 線路連接

直流電機(jī)柔性調(diào)速控制系統(tǒng)的連接如圖3 所示。接線分為以下4 部分[14]：

（1）模擬量模塊的接線。EM235 通過(guò)16 線扁平電纜與PLC 模塊排線孔相連；EM235 的端口M 和L+接入24 V 電源；將EM235 的模擬量輸出端子MO 和VO 引到可控硅調(diào)速模塊的控制電壓輸入端：模+、模-。

（2）可控硅調(diào)速模塊的接線。將 12 V 穩(wěn)壓電源連接到可控硅的工作電源端；將220 V 交流電源接入可控硅交流電源輸入端；可控硅輸出端接直流電機(jī)的電樞。

（3）直流電機(jī)的接線。如果采用并勵(lì)方式，磁場(chǎng)線圈并在電樞兩頭。如果采用他勵(lì)方式，磁場(chǎng)線圈供電要使用單獨(dú)的小電流整流器供電，整流器輸入端連接在電源220 V 可控硅模塊交流輸入端兩頭。本例負(fù)載較小，故采用他勵(lì)方式。一般電樞線圈的引出線粗，磁場(chǎng)線圈的引出線細(xì)，可以分辨出來(lái)?；蛘咭部梢栽跀嚯娗闆r下測(cè)試?yán)@組的電阻，一般磁場(chǎng)線圈的電阻大于幾百歐姆，而電樞線圈的電阻只有幾歐姆或零點(diǎn)幾歐姆。

（4）直流電壓變送器的接線。電機(jī)電樞的輸出接入直流電壓變送器的輸入端1、2 引腳。變送器端子6、7 外接工作電源24 V。變送器4、5 引腳是輸出端，連接到EM235 的模塊輸入端子A+、A-。

圖3 系統(tǒng)連接圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)啟動(dòng)后，主電路中220 V 交流電源接入可控硅調(diào)速模塊，直流電機(jī)在輸入電壓推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。將可控硅控制電壓在0～10 V 進(jìn)行調(diào)整，加載在直流電機(jī)上的電壓可以在0～300 V 變化，從而使轉(zhuǎn)速得以改變，而電機(jī)電流不會(huì)出現(xiàn)太大波動(dòng)[15]。從電樞兩端引出電機(jī)電壓送達(dá)給直流電壓變送器。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)電樞電壓和轉(zhuǎn)速成正比，直流電壓變送器將輸出信號(hào)以較低的線性電壓送出。變送器輸出電壓為0～5 V，可通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量輸出端電壓來(lái)估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速，或者反饋給PLC 進(jìn)而調(diào)整穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

對(duì)于程序中各變量地址里的值可以通過(guò)狀態(tài)表監(jiān)控來(lái)監(jiān)控。在PLC 運(yùn)行狀態(tài)下單擊編程軟件中“狀態(tài)表監(jiān)控”按鈕，在地址欄中輸入AQW0 和AIW0，然后將格式都設(shè)置為無(wú)符號(hào)，就可得到各地址里當(dāng)前值的變化情況。AIW0=AQW0，證明整個(gè)系統(tǒng)有效工作，結(jié)果正確。

5 衍生實(shí)驗(yàn)

仿照本例亦可設(shè)計(jì)如下2 個(gè)相近的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生對(duì)比學(xué)習(xí)后，更能加深理解。

（1）不再是通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器控制加減速，而是通過(guò)2 個(gè)按鈕控制加減速。具體方法是：修改程序，在PLC S7-200 的端口 I0.1 和 I0.2 接控制按鈕 A1 和 A2，步進(jìn)送入加減速信息至 AQW0。用EM235 的D/A 轉(zhuǎn)換模塊的模擬量輸出端子MO 和 VO 送出0～10 V 電壓，來(lái)給可控硅模塊發(fā)出加減速指令，使直流電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速。電機(jī)負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)的時(shí)候，轉(zhuǎn)速有可能變動(dòng)，這時(shí)直流電機(jī)端電壓也會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)直流電壓變送器將變化量送入PLC。PLC 經(jīng)過(guò)適當(dāng)解算、修改加減轉(zhuǎn)速命令以穩(wěn)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)。

（2）不再使用PLC，因此也不需要程序，而是采用硬控制，如圖4 所示，由配電板上的電位器（不是PLC 上的電位器）接線到可控硅模塊輸入端。具體方法是：可控硅模塊的2 個(gè)電源輸入端子連接12 V 穩(wěn)壓電源和地，剩下的3 個(gè)控制輸入端子連接外置電位器，注意活動(dòng)端的連接不要錯(cuò)。在控制電源通電以后，活動(dòng)端的電壓可以由電位器調(diào)節(jié)。電壓為零時(shí)，可控硅模塊不導(dǎo)通，直流電機(jī)不轉(zhuǎn)。電壓為10 V 時(shí)，可控硅模塊全導(dǎo)通，直流電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 直流電機(jī)硬控制圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較直流電機(jī)的幾種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式，發(fā)現(xiàn)用PLC 模擬量模塊的方式較好，控制過(guò)程更平穩(wěn)，系統(tǒng)性能更優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉了直流電機(jī)柔性調(diào)速的方法，掌握了相關(guān)設(shè)備的操作及編程方法，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，增強(qiáng)了實(shí)踐課的教學(xué)效果。