基于PLC的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 PAGE 51 *學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PLC的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)：專 業(yè)： 班 級(jí)：指導(dǎo)教師： *學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院*年摘 要 設(shè)計(jì)選用日本三菱公司FX2N-16MT基本單元和FX2N-4AD，F(xiàn)X2N-2DA 模擬量輸/輸出擴(kuò)展模塊，并利用其功能指令設(shè)計(jì)的直流脈寬雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速過(guò)程速度快、精度高,控制系統(tǒng)的參數(shù)便于調(diào)試和高工作可靠性，通過(guò)給定的調(diào)速系統(tǒng)硬件配置和梯形圖，經(jīng)模擬調(diào)試輸出信號(hào)驗(yàn)證了各項(xiàng)指標(biāo)均滿足調(diào)速系統(tǒng)的要求。關(guān)鍵詞：PLC；調(diào)速系統(tǒng)；應(yīng)用ABSTRACT The double closed-loop DC PWM speed system of

2、 direct motor uses the FX2N-16MT basic unit of Japanese Mitsubishi company and FX2N-4ADs, FX2N-2DA emulation input/ output expanding mold , making use of its function instruction. It realizes fast adjust mend of the speed course , high precision, which make it easy to debug control procedure and wor

3、k reliable, which is a development direction in the industrial control. Hardware disposition and ladder chart are given in this text. It can be adjusted by emulation and various index signs of output signal all satisfy the requirements of the adjust system.Key words：PLC；Adjusting Speed System；Applic

4、ation 目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc26683 1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史概述 PAGEREF _Toc26683 1 HYPERLINK l _Toc28559 1.2 可編程控制器PLC PAGEREF _Toc28559 2 HYPERLINK l _Toc2253 1.2.1 PLC的發(fā)展概述 PAGEREF _Toc2253 2 HYPERLINK l _Toc5329 1.2.2 PLC的特點(diǎn) PAGEREF _Toc5329 3 HYPERLINK l _Toc31029 1.3 選題背景及論文主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc31029

5、 4 HYPERLINK l _Toc17324 1.3.1 選題背景 PAGEREF _Toc17324 4 HYPERLINK l _Toc2706 1.3.2 論文的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc2706 4 HYPERLINK l _Toc23405 第 2 章 直流調(diào)速系統(tǒng) PAGEREF _Toc23405 6 HYPERLINK l _Toc28387 2.1 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) PAGEREF _Toc28387 6 HYPERLINK l _Toc32352 2.1.1 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) PAGEREF _Toc32352 7 HYPERLINK l _Toc7808 2.1

6、.2 動(dòng)態(tài)指標(biāo) PAGEREF _Toc7808 8 HYPERLINK l _Toc3526 2.2 PWM直流調(diào)速系統(tǒng) PAGEREF _Toc3526 10 HYPERLINK l _Toc24237 2.2.1 直流電動(dòng)機(jī)的PWM控制原理 PAGEREF _Toc24237 10 HYPERLINK l _Toc9918 2.2.2 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc9918 11 HYPERLINK l _Toc6510 2.2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的主要參數(shù) PAGEREF _Toc6510 17 HYPERLINK l _Toc12074 2.3 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速

7、系統(tǒng) PAGEREF _Toc12074 19 HYPERLINK l _Toc31037 2.3.1 電流、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié) PAGEREF _Toc31037 19 HYPERLINK l _Toc15134 2.3.2 設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)器計(jì)算 PAGEREF _Toc15134 21 HYPERLINK l _Toc3937 2.3.3 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程 PAGEREF _Toc3937 25 HYPERLINK l _Toc5717 第 3 章 現(xiàn)代PLC控制技術(shù) PAGEREF _Toc5717 27 HYPERLINK l _Toc16875 3.1 PLC的組成和分類 PAG

8、EREF _Toc16875 27 HYPERLINK l _Toc23234 3.2 PLC的工作原理 PAGEREF _Toc23234 27 HYPERLINK l _Toc26277 3.3 PLC電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和步驟 PAGEREF _Toc26277 29 HYPERLINK l _Toc1080 3.3.1 PLC的硬件設(shè)計(jì)的一般步驟 PAGEREF _Toc1080 29 HYPERLINK l _Toc23161 3.3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)的一般步驟 PAGEREF _Toc23161 30 HYPERLINK l _Toc12985 3.3.3 設(shè)計(jì)中用到的模塊

9、 PAGEREF _Toc12985 31 HYPERLINK l _Toc8477 第 4 章 基于PLC的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc8477 33 HYPERLINK l _Toc6137 4.1 設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF _Toc6137 33 HYPERLINK l _Toc14081 4.2 脈寬調(diào)制系統(tǒng)特有部分設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14081 33 HYPERLINK l _Toc12804 4.3 PLC硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc12804 35 HYPERLINK l _Toc20439 4.4 PLC 軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc20

10、439 37 HYPERLINK l _Toc17466 結(jié)束語(yǔ) PAGEREF _Toc17466 39 HYPERLINK l _Toc20011 致謝 PAGEREF _Toc20011 40 HYPERLINK l _Toc18680 參考文獻(xiàn)（主要及公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)） PAGEREF _Toc18680 41 HYPERLINK l _Toc25827 附錄 PAGEREF _Toc25827 43 第 1 章 引 言傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用的是繼電器控制，加PI 調(diào)節(jié)器及校正裝置，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。但由于繼電器，集成運(yùn)算放大器，電氣元件的老化易出故障而損壞，而且結(jié)線復(fù)雜，

11、使其工作可靠性較差。采用 PLC 設(shè)計(jì)的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能有效地克服上述缺點(diǎn)，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試修改參數(shù)方便，工作可靠，性能價(jià)格比較高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，PLC 控制的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制1314。1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史概述電機(jī)調(diào)速的發(fā)展與電力電子技術(shù)的發(fā)展是不可分離的，電機(jī)調(diào)速和電力電子技術(shù)相互結(jié)合，相互促進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代的電氣傳動(dòng)控制：一弱點(diǎn)檢測(cè)、判斷并發(fā)出控制信息，用強(qiáng)電來(lái)執(zhí)行控制的使命。從這個(gè)角度上看，可以說(shuō)，現(xiàn)代電氣控制技術(shù)是強(qiáng)電與弱點(diǎn)相結(jié)合的技術(shù)。早期的電機(jī)控制只是利用電器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和分級(jí)調(diào)速。隨著技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)工藝對(duì)電機(jī)控制提

12、出了越來(lái)越高的要求，諸如精確穩(wěn)定的運(yùn)行速度、無(wú)極調(diào)速、快速反向、準(zhǔn)確定位等等。直流電機(jī)變壓和弱磁調(diào)速可以比較好的滿足這些要求，于是誕生了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系（Ward-Leonard系統(tǒng)），簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)。對(duì)調(diào)速性能要求再高時(shí)，則引入電機(jī)型放大器、磁放大器、電子放大器等放大裝置進(jìn)行反饋控制。到上世紀(jì)五十年代，機(jī)組供電直流調(diào)速系統(tǒng)的控制技術(shù)發(fā)展到了巔峰的階段，也正是它的缺點(diǎn)暴露的最充分的時(shí)候：它的設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝須地基、運(yùn)行有噪音、維修不方便等等日益稱為生產(chǎn)上的負(fù)擔(dān)。為了解決這些矛盾，人們開(kāi)始采用水銀整流器和閘流管等靜止變流裝置來(lái)代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子傳動(dòng)控

13、制系統(tǒng)。1957年，可控的半導(dǎo)體器件-晶閘管問(wèn)世，由它組成的靜止式可控整流裝置無(wú)論在運(yùn)行性能上還是在可靠性上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，60年代成了晶閘管的時(shí)代，這種靜止式變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)稱為晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)）。70年代以來(lái)，國(guó)際上電力電子技術(shù)突飛猛進(jìn)，推出了新一代的開(kāi)和關(guān)都能控制的“全控式”電力電子器件，如門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率晶體管（GTR）、場(chǎng)效應(yīng)晶閘管（P-MOSFET）等，自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)13510。1.2

14、可編程控制器PLC 可編程序控制器的英文為Programmable Controller，在二十實(shí)際七十至八十年代一直簡(jiǎn)稱為PC。由于到90年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來(lái)，也簡(jiǎn)稱為PC；加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國(guó)AB公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器（PLC，Programmable Logic Controller），為了方便，仍簡(jiǎn)稱PLC為可編程序控制器615。1.2.1 PLC的發(fā)展概述 1968年美國(guó)GM（通用汽車(chē)）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國(guó)數(shù)字公司研制出了第一土改可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展

15、，現(xiàn)在已有第五代PLC產(chǎn)品了。在八十年代至九十年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為3040%。由于 PLC人機(jī)聯(lián)系處理模擬能力和網(wǎng)絡(luò)方面功能的進(jìn)步，擠占了一部分DCS的市場(chǎng)（過(guò)程控制）并逐漸壟斷了污水處理等行業(yè)，但是由于工業(yè)PC（IPC）的出現(xiàn)，特別是近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，IPC和FCS也擠占了一部分PLC市場(chǎng)，所以近年來(lái)PLC增長(zhǎng)速度總的說(shuō)是漸緩。目前全世界有200多廠家生產(chǎn) 300多品種PLC產(chǎn)品，主要應(yīng)用在汽車(chē)（23%）、糧食加工（16.4%）、化學(xué)/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)。我國(guó)市場(chǎng)上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品：施

16、耐德公司，包括早期天津儀表廠引進(jìn)莫迪康公司的產(chǎn)品，目前有Quantum、Premium、Momentum等產(chǎn)品；羅克韋爾公司（包括AB公司）PLC產(chǎn)品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產(chǎn)品；西門(mén)子公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品；GE公司的產(chǎn)品；日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產(chǎn)品6。1.2.2 PLC的特點(diǎn)1. 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué) 梯形圖是使用最多的PLC編程語(yǔ)言，其電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語(yǔ)言形象可觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時(shí)間就可以熟悉梯形圖語(yǔ)言，并用來(lái)編制用戶程序

17、617。2. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也

18、獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。3. 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。4. 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)

19、言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。5. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 6. 體積小，重量輕，能耗低 以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)

20、械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。1.3 選題背景及論文主要內(nèi)容1.3.1 選題背景在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過(guò)程的要求，需要采用各種各樣的生產(chǎn)機(jī)械，這些生產(chǎn)機(jī)械大多采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式來(lái)完成各種工藝要求。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)其工藝特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械和拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)也不斷提出各種不同的要求，有的要求電動(dòng)機(jī)能迅速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；有的要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速按一定得比例協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；有的要求電動(dòng)機(jī)達(dá)到極慢的穩(wěn)速運(yùn)動(dòng)；有的要求電動(dòng)機(jī)啟、制動(dòng)平穩(wěn)，并能準(zhǔn)確地停止在給定的位置。上述這些不通的工業(yè)要求，都是靠電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)

21、和機(jī)械傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)的?？梢?jiàn)各種拖動(dòng)系統(tǒng)都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速的特點(diǎn)，故被廣泛的應(yīng)用在需要調(diào)速或快速正方向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中1。鑒于以上原因，本文對(duì)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)。從直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能來(lái)講，具有一定得意義。1.3.2 論文的主要內(nèi)容本文是設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC的控制電路為電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)、主電路為雙極性可逆H形直流脈寬調(diào)速的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)選用湯姆森公司的UAA4002型產(chǎn)品。對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，具體做了以下的工作：對(duì)雙閉環(huán)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了理論

22、研究。對(duì)現(xiàn)代PLC控制技術(shù)進(jìn)行了研究。采用visio 2003 軟件對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪制。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的PLC控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。第 2 章 直流調(diào)速系統(tǒng) 人為機(jī)械特性方程式為：式中，UN、N額定電樞電壓、額定磁通量；Ke、Kt與電機(jī)有關(guān)的常數(shù)；Rad、Ra電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；n0、n載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降；T周期。 可得，當(dāng)分別改變UN、N和Rad時(shí)，可以得到不同的轉(zhuǎn)速!，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)節(jié)。由于=F(If),當(dāng)改變勵(lì)磁電流If時(shí)，可以改變磁通量的大小，從而達(dá)到改變磁通調(diào)速的目的。但由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If和磁通量只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)

23、速。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻Rad時(shí)，會(huì)使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。特性，通過(guò)改變電樞電壓調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度的方法被廣泛采用。改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，如利用晶閘管供電速度控制系統(tǒng)、大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等13。2.1 調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 一臺(tái)需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)控制性能都有一定的要求，例如本文設(shè)計(jì)的調(diào)試系統(tǒng)要求穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts0.1s,電流超調(diào)量%5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量%10%。所有這些要求，都可以轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)的依據(jù)。 各種生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提

24、出了不同的轉(zhuǎn)速控制要求，歸納起來(lái)有以下三個(gè)方面13： （1）調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔（有級(jí)）地或者平滑（無(wú)級(jí)）地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 （2）穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定地運(yùn)行，不因各種可能的外來(lái)干擾（如負(fù)載變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等）而產(chǎn)生過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。 （3）加、減速控制。對(duì)頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求盡快地加、減速，縮短起、制動(dòng)時(shí)間，以提高生產(chǎn)率；對(duì)不宜經(jīng)受劇烈速度變化的生產(chǎn)機(jī)械，則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。 以上三個(gè)方面有時(shí)都須具備，有時(shí)只要求其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)，其中有些方面之間可能還是相互矛盾的。為了定量地分析問(wèn)題，一般規(guī)定幾種性能指標(biāo)，以便衡量一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能。2.1

25、.1 穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)稱為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，又稱靜態(tài)指標(biāo)。例如，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)調(diào)速范圍和靜差率，位置隨動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差等等。下面我們具體分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)135。 （1）調(diào)速范圍D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即 其中nmax和nmin一般指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視nmax為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nnom。 （2）靜差率S 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速

26、降落nnom與理想空載轉(zhuǎn)速n0稱為靜差率S，即 顯然，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度就越高。由此可見(jiàn)，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是孤立的，必須同時(shí)提高才有意義。2.1.2 動(dòng)態(tài)指標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中的性能指標(biāo)稱為動(dòng)態(tài)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類13。 （1）跟隨性能指標(biāo) 在給定信號(hào)（或稱參考輸入信號(hào)）R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C（t）的變化情況用跟隨性能指標(biāo)來(lái)描述。對(duì)于不同變化方式的給定信號(hào)，其輸出響應(yīng)不一樣。通常，跟隨性能指標(biāo)是在初始條件為零的情況下，以系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入信號(hào)的輸出響應(yīng)

27、（稱為單位階躍響應(yīng)）為依據(jù)提出的，如圖2-1所示。具體的跟隨性指標(biāo)有下述幾項(xiàng)： 圖 2-1 隨性能指標(biāo)的單位階躍響應(yīng)曲線1.上升時(shí)間tr 單位階躍響應(yīng)曲線從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。2.超調(diào)量 動(dòng)態(tài)過(guò)程中，輸出量超過(guò)輸出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量，即 超調(diào)量用來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，說(shuō)明系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。3.調(diào)節(jié)時(shí)間ts 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的快慢。原則上它應(yīng)該是系統(tǒng)從給定信號(hào)階躍變化起，到輸出量完全穩(wěn)定下來(lái)為止的時(shí)間，對(duì)于線性控制系統(tǒng)，理論上要到才真正穩(wěn)

28、定。實(shí)際應(yīng)用中，一般將單位階躍響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值的誤差進(jìn)入并且不再超出允許誤差帶（通常取穩(wěn)態(tài)值的5%或2%）所需的最小時(shí)間定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。抗擾性能指標(biāo) 圖 2-2 突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程和抗擾性能指標(biāo)1動(dòng)態(tài)降落Cmax%系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)擾動(dòng)量，在過(guò)渡過(guò)程中所引起的輸出量最大降落值Cmax叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值C1的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值C2（C1- C2)是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。2恢復(fù)時(shí)間tv從階躍擾動(dòng)作用開(kāi)始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值C2之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量Cb的5%（或2%）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間tv

29、，其中Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值。調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)指標(biāo)則以跟隨性能為主。2.2 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)2.2.1 直流電動(dòng)機(jī)的PWM控制原理制調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱PWM變換器。圖2-3是脈寬調(diào)制型調(diào)速系統(tǒng)原理圖和波形圖。開(kāi)關(guān)VT表示脈寬調(diào)制器，調(diào)速系統(tǒng)的外加電源Us，為固定的直流電壓，當(dāng)開(kāi)關(guān)VT閉合時(shí)，直流電流經(jīng)過(guò)VT給電動(dòng)機(jī)M供電；開(kāi)關(guān)VT斷開(kāi)時(shí)，直流電源供給M的電流被切斷，M的儲(chǔ)能經(jīng)二極管VD續(xù)流，電樞兩端電壓接近為零。如果開(kāi)關(guān)VT按照某固定頻率開(kāi)閉而改變周期內(nèi)的接通時(shí)間時(shí)，控制脈沖寬度相應(yīng)改變，從而改變了電動(dòng)機(jī)兩端平均電壓，達(dá)到調(diào)速目的

30、1212。 圖 2-3（a) 原理圖 （b) 波形圖2.2.2 PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的組成由GTR構(gòu)成的脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成如下圖2-41212，其中GM為三角波振蕩器，UPW 為脈寬調(diào)制器， GD為基極驅(qū)動(dòng)器, PWM為脈寬調(diào)制變換器，F(xiàn)A為瞬時(shí)動(dòng)作的限流保護(hù)環(huán)節(jié)。電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速n由測(cè)速發(fā)電機(jī)TG測(cè)量，速度反饋信號(hào)Un 與速度給定電壓Um* 同時(shí)加在速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端，構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的速度外環(huán)。電動(dòng)機(jī)的電樞電流Ia 由電流傳感器TA檢測(cè)，其輸出電壓Ui 與速度調(diào)節(jié)器輸出電壓Ui*同時(shí)加到電流調(diào)節(jié)器ACR 的輸入端，構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)。 圖 2-4 雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖鋸齒波發(fā)

31、生器，如圖2-5，它是由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成，它們形成自激震蕩，A1輸出正負(fù)對(duì)稱的方波脈沖，A2輸出鋸齒波。這種鋸齒波發(fā)生器線性度好，調(diào)整簡(jiǎn)便，在工程中應(yīng)用廣泛，其震蕩頻率為4 (2-1)式中，為電位器RP的分壓系數(shù)。圖2-5 鋸齒波發(fā)生器（二）脈寬調(diào)制器4這是最關(guān)鍵的部件，它是將輸入直流控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成為與之成比例的方波電壓信號(hào)，以便對(duì)電力晶體管進(jìn)行控制，從而得到希望的方波輸出電壓。實(shí)現(xiàn)上述電壓脈寬變換功能的環(huán)節(jié)稱為脈沖寬度調(diào)制器，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制器。 圖2-6 脈寬調(diào)制器圖2-6為脈寬調(diào)制器的原理圖，它是一個(gè)電壓-脈寬變換電路，由ACR輸出的控制電壓Uc進(jìn)行控制，其輸出電壓的脈沖寬度與Uc成正比。

32、運(yùn)算放大器A3工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，它能輸出正、負(fù)的飽和電壓。它的輸入端有三個(gè)信號(hào)，除Uc外，還有調(diào)制信號(hào)Ua（也就是圖2-5的Uo2）和偏移電壓Ub?？刂齐妷篣c的極性與幅值隨時(shí)可變，與Uo2相減，從而在運(yùn)算放大器A3的輸出端得到周期不變、脈沖寬度可變的調(diào)制輸出電壓Upwm。為了在Uc=0時(shí)電壓比較器的輸出端得到正、負(fù)半周期脈沖寬度相等的調(diào)制輸出電壓Upwm；另一個(gè)輸入信號(hào)端是加一負(fù)的偏移電壓Ub，其值為這時(shí)Upwm如圖2-7a所示。當(dāng)Uc0時(shí)，使輸入端合成電壓為正的寬度增大，即鋸齒波過(guò)零的時(shí)間提前，經(jīng)比較器倒相后，在輸出端得到正半波比負(fù)半波窄的調(diào)制輸出電壓（圖2-7b）。當(dāng)Uc0. 2V時(shí)，過(guò)流

33、保護(hù)動(dòng)作。若封鎖該功能，12腳直接接地；13腳:通過(guò)抗飽和二極管接被驅(qū)動(dòng)晶體管的集電極。起到抗飽和作用。（三）脈寬調(diào)制變換器134510 可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)有H型，T型等類型，本論文主要討論的是常用的H型變換器，它是由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型變頻器在控制方式上分雙極式、單極式和受限單級(jí)式三種。這里著重分析雙極式H型PWM變換器。 圖 2-9 H 型雙極性可逆PWM變換器 H型PWM變換器的開(kāi)關(guān)器件分為VT1， VT4和VT2， VT3兩組進(jìn)行通、斷控制。組內(nèi)兩器件VTl，VT4同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，兩組間的器件VTI， VT4和VT2，VT3則是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷，

34、其柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)規(guī)律為ub1 =ub4，ub2=ub3=-ub1。工作狀態(tài)與波形如下： (a) 正向運(yùn)行，如圖2-10所示 第1階段，當(dāng)電機(jī)工作在輕載情況下，在0tton期間，ubl ，ub4為正，VT1和VT4導(dǎo)通；ub2 、 ub3為負(fù)，VT2和VT3截止。電樞電流ia沿回路1(經(jīng)VTl和VT4)流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓UAB=+US。 第2階段，在ton t T期間，ubl 、ub4為負(fù)，VTI和VT4截止；ub2 、ub3為正，在電樞電感La的作用下，電樞電流沿回路2(經(jīng)VD2和VD3 )流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓UAB= -US 。 (b) 反向運(yùn)行，如圖2-11所示 第1階段，在0tton期間

35、，ub2 、ub3為負(fù)，VT2和VT3截止，VD1， VD4續(xù)流，并鉗位使VT1和VT4截止。電樞電流-id沿回路4(經(jīng)VD4和VD1)流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓UAB = +US。 第2階段，在ton t T期間，ub2 、 ub3為正，VT2和VT3導(dǎo)通，ubl 、ub4為負(fù)，使VTl和VT4保持截止。電樞電流-id沿回路3(經(jīng)VT2和VT3)流通，電動(dòng)機(jī)兩端電壓UAB = +US 圖 2-10 正向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電壓、電流波形 圖 2-11 反向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電壓、電流波形 雙極式控制方式是指在一個(gè)PWM周期里，電機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。因此其平均電壓Ud計(jì)算公式為：式中a一ton/T為PWM波形

36、的占空比；由上式可知，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比的大小，當(dāng)=0時(shí)，Ud=Us，電動(dòng)機(jī)反行，且速度最大；當(dāng)=1時(shí)，Ud=Us，電動(dòng)機(jī)正行，且速度最大;當(dāng)a=1/2時(shí)，Ud = 0，電動(dòng)機(jī)不動(dòng)。但電樞兩端的瞬時(shí)電壓和流過(guò)電樞的瞬時(shí)電流都不為零，而是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增加了電動(dòng)機(jī)的損耗，當(dāng)然是不利的。但是這個(gè)交變電流使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻微振，可以消除電動(dòng)機(jī)正、反向切換時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，有利于快速切換。 雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)是:電流一定連續(xù)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限動(dòng)行;電動(dòng)機(jī)停止時(shí)的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū);低速時(shí)由于每個(gè)

37、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬而有利于保證器件的可靠導(dǎo)通;低速平穩(wěn)性好，可達(dá)到很寬的調(diào)速范圍。雙極式可逆PWM變換器存在如下缺點(diǎn):在工作過(guò)程中，四個(gè)電力電子器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩只電力電子器件直通的事故，為了防止直通，在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 2.2.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的主要參數(shù) 采用電力晶體管的PWM調(diào)速系統(tǒng)不同于其它直流調(diào)速系統(tǒng)的特殊問(wèn)題主要有：1.電流與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)量計(jì)算；2.UPW和PWM變換器的傳遞函數(shù)；3.電力晶體管的安全區(qū)與緩沖電路；4.電力晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗及最佳開(kāi)關(guān)頻率；5.泵升電壓限制等。針對(duì)上面的問(wèn)題就涉及到以下的參

38、數(shù)2。對(duì)不可逆和單極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)在電流連續(xù)情況下的電流脈動(dòng)與轉(zhuǎn)速脈動(dòng)進(jìn)行分析，得到 (2-2) （2-3）當(dāng)=0.5時(shí)，脈動(dòng)量達(dá)最大 (2-4) (2-5) 對(duì)雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)在電流連續(xù)情況下的電流脈動(dòng)與轉(zhuǎn)速脈動(dòng)進(jìn)行分析，得到 (2-6) (2-7) (2-8)脈寬調(diào)制器和PWM變換器合起來(lái)可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)在滿足時(shí)，可近似為 (2-9)求出脈寬調(diào)制變換器的傳遞函數(shù)后，便可畫(huà)出雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖8。如圖2-12所示。 圖 2-12 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 3.分析PWM變換器中電力晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程，并對(duì)各種負(fù)載下的開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行計(jì)算，從而得出總

39、損耗最小的最佳開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)單級(jí)式變換器有 (2-9)對(duì)雙極式有 (2-10)兩式中2.3 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)一般地, 靜態(tài)性能較好的調(diào)速系統(tǒng)都采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案, 脈寬調(diào)速系統(tǒng)也不例外。脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，PWM在很多方面有較大優(yōu)越性13：（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右。（4）若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗繞能力強(qiáng)。（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小

40、，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。2.3.1 電流、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)根據(jù)自動(dòng)控制原理，轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落整是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該減少轉(zhuǎn)速降落137。直流電動(dòng)機(jī)全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，如果沒(méi)有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)不利，對(duì)過(guò)載能力低的電力電子器件來(lái)說(shuō)也不利。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上負(fù)載電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來(lái)，反饋電壓仍為零。而且有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況

41、，由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無(wú)限流環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過(guò)載就跳閘，也會(huì)給工作帶來(lái)不便。所以系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪個(gè)物理量基本保持不變，就應(yīng)該引入哪個(gè)物理量的負(fù)反饋。所以引入電流負(fù)反饋就能保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。但是這種作用只應(yīng)在上述的啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行是取消，讓電流自由地隨著負(fù)載增減，這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱截流反饋。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，應(yīng)該在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者之

42、間實(shí)行嵌套（或串級(jí)）聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制脈寬調(diào)速器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱作外環(huán)1。綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下1：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)試系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。2.電流調(diào)節(jié)器的作用1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓Ui*(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量)變化。2)

43、對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。 2.3.2 設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)器計(jì)算（一）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)291. 確定時(shí)間常數(shù)（1）脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時(shí)間常數(shù)Tpwm與傳遞函數(shù)的計(jì)算。 晶體管放大區(qū)的時(shí)間常數(shù)為 電流上升時(shí)間的計(jì)算公式為 式中晶體管導(dǎo)通時(shí)的過(guò)飽和驅(qū)動(dòng)系數(shù)，一般取，本例中取2，則 電流下降時(shí)間的計(jì)算公式為 式中 晶體管截止時(shí)的負(fù)向過(guò)驅(qū)動(dòng)系數(shù)，一般取。本實(shí)例中取2，則

44、最佳開(kāi)關(guān)頻率為開(kāi)關(guān)頻率選為，此開(kāi)關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開(kāi)關(guān)周期。脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為 于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為 （2）電流濾波時(shí)間常數(shù)取。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)。2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，%5%，而且，因此可按典1型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為 3選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 要求%5%時(shí)，應(yīng)取因此 于是 4.校驗(yàn)近似條件1 要求,現(xiàn)要求,現(xiàn)要求,現(xiàn)=.可見(jiàn)均滿足要求。5計(jì)算ACR的電阻和電容取，則 取 取 取按照上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)反指標(biāo)為=4.35,故滿足設(shè)計(jì)要求。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)29 1. 確定時(shí)間常數(shù)（1）電流

45、環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為。（2）取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。（3）。2ASR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差及其他動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，按典2型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 3選擇ASR參數(shù)取，則 則 4校驗(yàn)近似條件 要求，現(xiàn)。要求，現(xiàn)。 可見(jiàn)均能滿足要求。5計(jì)算ASR電阻和電容取，則 取430 取 取6校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量129 當(dāng)時(shí)，而，因此 81.210可見(jiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足要求。7校驗(yàn)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間 可見(jiàn)能滿足設(shè)計(jì)要求。2.3.3 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程 圖 2-13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un*由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電

46、流的動(dòng)態(tài)啟動(dòng)過(guò)程如圖2-13所示。由于在起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的I、三個(gè)階段。第I階段是電流上升階段。第階段是恒流升速階段。第階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段134。第I階段（0t1）是電流上升階段。突加給定電壓Un*后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，Uc、Ud0、Id都跟著上升，但是在Id沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流Idl以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)IdIdl后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓Un=Un*-Un的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值Uim*，強(qiáng)迫電樞電流Id迅速上升。直到IdIdm，Ui

47、Uim*，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。第階段（t1t2）是恒流升速階段，是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。在這一階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定Uim*下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量。為了克服這個(gè)擾動(dòng)，Ud0和Uc也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保證Id恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓Ui=Uim*-Ui必須維持

48、一定得恒值，也就是說(shuō)，Id應(yīng)略低于Idm。第階段（t2以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值n*=n0時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，是轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id仍大于負(fù)載電流Idl，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到Id=Idl時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t=t3時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在t3t4時(shí)間內(nèi)，IdIdl，直到穩(wěn)定。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程有飽和非線性控制、轉(zhuǎn)速超調(diào)和準(zhǔn)時(shí)間最

49、優(yōu)控制三個(gè)特點(diǎn)。第 3 章 現(xiàn)代PLC控制技術(shù)3.1 PLC的組成和分類 從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式(模塊式)兩種。固定式PLC包括CPU板、I/0板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、地板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 PLC系統(tǒng)的4個(gè)主要的部分說(shuō)明如下1617: 1.中央處理器(CPU)。它是系統(tǒng)的大腦，不斷的采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出，包括三個(gè)子部分: (1)微處理器。它是進(jìn)行數(shù)學(xué)和邏輯操作的計(jì)算中心。 (2)存儲(chǔ)器。CPU中數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)和獲取的地方，保存著系統(tǒng)軟件和

50、用戶程序。 (3)電源供應(yīng)。將交流電(AC)轉(zhuǎn)化為直流電(DC)。在這個(gè)過(guò)程中，電源供應(yīng)對(duì)直流電進(jìn)行濾波和調(diào)節(jié)，以確保計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行。 2.編程器/監(jiān)視器。編程器/監(jiān)視器是用來(lái)同PLC電路進(jìn)行通信的設(shè)備。手持終端、工業(yè)終端和PC都可以作為編程器/監(jiān)視器。在手持終端，通過(guò)小鍵盤(pán)來(lái)進(jìn)行輸入，顯示設(shè)備通常是液晶顯示器(LCD)。對(duì)于工業(yè)終端或PC，需要更復(fù)雜的打字型鍵盤(pán)和CRT顯示器。 3.I/0模塊。輸入模塊有一些輸入端子，由傳感器通過(guò)這些端子來(lái)激活執(zhí)行繼電器、電磁線圈、各種靜態(tài)開(kāi)關(guān)設(shè)備、電機(jī)和顯示屏。如果需要，可以增加能將I/0模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離連接的電子系統(tǒng)。PLC控制的實(shí)際系統(tǒng)可以距CPU及其I

51、/0模塊幾百米之遠(yuǎn)。3.2 PLC的工作原理 用戶程序的執(zhí)行取決于PLC是處于停止模式還是運(yùn)行模式。當(dāng)PLC處于運(yùn)行模式時(shí)，CPU執(zhí)行程序;當(dāng)PLC處于停LL模式時(shí)，CPU不執(zhí)行程序。 當(dāng)PLC處于運(yùn)行模式時(shí)，PLC周而復(fù)始的執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)循環(huán)執(zhí)行一次稱為一個(gè)掃描周期。在一個(gè)掃描周期中，PLC將執(zhí)行部分或全部下列操作1617。（1）讀輸入 1.數(shù)字量輸入:在件個(gè)掃描周期開(kāi)始，CPU會(huì)讀取數(shù)字量輸入，并將這些值寫(xiě)入過(guò)程映像輸入寄存器。 2.模擬量輸入:除非使能模擬量濾波，否則PLC在掃描周期中不會(huì)刷新模擬量輸入值。使能了模擬量濾波功能后，PLC會(huì)在每一個(gè)周期刷新模擬量，執(zhí)行濾波功能并且在內(nèi)

52、部存儲(chǔ)濾波值。當(dāng)程序中訪問(wèn)模擬量輸入時(shí)使用濾波值。 如果沒(méi)有使能模擬量輸入濾波，則當(dāng)程序訪問(wèn)模擬量輸入時(shí)，PLC都會(huì)直接從擴(kuò)展模塊讀取模擬值。 模擬量濾波可以得到穩(wěn)定的信號(hào)。在模擬量輸入信號(hào)隨時(shí)間變化緩慢時(shí)使用模擬量輸入濾波，如果信號(hào)變化很快，不應(yīng)該選用模擬量濾波。 不要對(duì)在模擬量字中傳遞數(shù)字信息或報(bào)警指示的模塊使用模擬量濾波。對(duì)于RTD, TC和ASI主站模塊，不能使用模擬量濾波。（2）執(zhí)行邏輯控制程序 在掃描周期的執(zhí)行程序階段，CPU從頭至尾執(zhí)行應(yīng)用程序，在程序或中斷服務(wù)中，直接I/O指令允許用戶對(duì)I/O點(diǎn)直接進(jìn)行存取。 如果在程序中使用了中斷，與中斷事件相關(guān)的中斷服務(wù)作為程序的一部分被儲(chǔ)

53、存。中斷程序并不作為正常掃描周期的一部分來(lái)執(zhí)行，而是當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)才執(zhí)行。（3）處理通訊請(qǐng)求 在掃描周期的處理階段，CPU處理從通訊端口或者智能I/O模塊接收到的任何信息。（4）執(zhí)行CPU自診斷 在掃描周期的處理階段，PLC檢測(cè)CPU的操作和擴(kuò)展模塊的狀態(tài)是否正常。（5）寫(xiě)輸出 在每個(gè)掃描周期的結(jié)尾，CPU把存儲(chǔ)在輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到數(shù)字輸出點(diǎn)。模擬量輸出直接刷新，與掃描周期無(wú)關(guān)。3.3 PLC電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和步驟PLC電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程如圖3-1所示。 圖 3-1 PLC的設(shè)計(jì)流程圖3.3.1 PLC的硬件設(shè)計(jì)的一般步驟 1.選擇適合的PLC機(jī)型2176 選擇PL

54、C機(jī)型應(yīng)從性能結(jié)構(gòu)、I/O點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)容量以及特殊功能等方面來(lái)綜合衡量。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)型選擇的基本原則應(yīng)是在功能滿足要求的情況下，保證可靠、維護(hù)使用方面以及最佳的性能價(jià)格比。 2.輸入輸出的選擇 要估算PLC電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的I/O點(diǎn)數(shù)。采用晶閘管整流裝置對(duì)直流電機(jī)供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，可編程的輸入除了考慮主令控制信號(hào)外，還需要考慮合閘信號(hào)、傳動(dòng)裝置綜合故障信號(hào)、抱閘信號(hào)、風(fēng)機(jī)故障信號(hào)等。I/O點(diǎn)數(shù)是衡量PLC規(guī)模大小的重要指標(biāo)。因此首先要根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)模，確保有足夠的I/O點(diǎn)數(shù)，并考慮有10%-15%的I/O點(diǎn)數(shù)作為余量，以備后用。 3.輸入輸出模塊的選擇 除了I/O點(diǎn)數(shù)之外，還要考慮I/O模

55、塊的工作電壓以及外部接線方式。對(duì)于輸入模塊主要考慮兩點(diǎn)，一是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)與PLC輸入模塊距離的遠(yuǎn)近來(lái)選擇工作電壓；二是高密度的輸入模塊，能允許同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)，一般不得超過(guò)總輸入點(diǎn)數(shù)的60%.輸出模塊有繼電器、晶體管和晶閘管三種工作方式，其中繼電器輸出模塊最便宜，在輸出變化不快、開(kāi)關(guān)要求不頻繁的場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)先選用。 4.估算用戶存儲(chǔ)容量 用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理、程序結(jié)構(gòu)等。因此，在程序設(shè)計(jì)之前，只能對(duì)用戶的存儲(chǔ)容量進(jìn)行大致估算。 5.專用功能模塊的配置 除了開(kāi)關(guān)信號(hào)外，工業(yè)控制中還要對(duì)溫度、壓力、流量等過(guò)程變量以及運(yùn)動(dòng)控制變量進(jìn)行檢測(cè)和控制。在

56、這些專用場(chǎng)合，輸入和輸出容量己經(jīng)不是關(guān)鍵參數(shù)，更重要的是考慮它們的控制功能。模擬量輸入/輸出模塊、溫度模塊等專用功能模塊已經(jīng)非常普及，這些模塊具有A/D和D/A變換功能，可以適合現(xiàn)場(chǎng)控制的需要。3.3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)的一般步驟 軟件設(shè)計(jì)就是編寫(xiě)滿足生產(chǎn)要求的梯形圖或助記符程序，設(shè)計(jì)應(yīng)按以下原則和步驟進(jìn)行2。 1.設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)流程圖 明確生產(chǎn)工業(yè)要求，分析各輸入、輸出與各種操作之間的邏輯關(guān)系確定需要檢測(cè)的量和控制方法的基礎(chǔ)上，可根據(jù)系統(tǒng)中各設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序，畫(huà)出系統(tǒng)控制的流程圖，用于清楚的表明動(dòng)作的順序和條件。流程圖是編程的主要依據(jù)，要盡可能詳細(xì)。 2.編制應(yīng)用程序 編制應(yīng)用程序就是

57、根據(jù)設(shè)計(jì)的程序流程圖逐條地編寫(xiě)控制程序，這是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作的核心部分。梯形圖仍是目前最普遍使用的編程語(yǔ)言。目前編程軟件大多可在梯形圖和助記符之前相互切換，這樣對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)比較方便。在編寫(xiě)過(guò)程中，可以借鑒現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)程序，但必須弄懂這些程序段，否則將會(huì)給后續(xù)工作帶來(lái)困難和損失。3.3.3 設(shè)計(jì)中用到的模塊模擬量輸入模塊FX2N-4AD615FX2N-4AD是FX2N系列PLC的模擬量輸入模塊，有CH1CH4四個(gè)通道，每個(gè)通道都可進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，分辯率為12位，采集信號(hào)電壓為-10V+10V，分辯率5mV。電流輸入為420mA或-2020mA，分辯率20uA。 FX2N-4AD內(nèi)部有32個(gè)16位的緩

58、沖寄存器(BMF用于與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。 FX2N-4AD占用FX2N擴(kuò)展總線的8個(gè)點(diǎn)， 耗電為5V，30mA。1. BFM內(nèi)部含義0#通道初始化，缺省值為H0000；#1#4存放通道#1#4的采樣值，用于求平均值；#5#8存放四個(gè)通道的平均輸入采樣值；#9#12每個(gè)輸入通道當(dāng)前值存放；#13#14保留；#15用于選擇AD轉(zhuǎn)換速度：0為正常速度，15ms；如為1，則選擇高速，6ms；#16#19保留；#20復(fù)位到缺省值預(yù)設(shè)，缺省值為0；#21禁止調(diào)整偏移量、增益值，缺省值為0；#22偏移、增益調(diào)整：G4O4G3O3G2O2G1O1；#23偏移值，缺省值為0；#24增益值，缺省值為5000；#25#

59、28保留；#29錯(cuò)誤狀態(tài)；#30識(shí)別碼：K2010；#31不能使用；BFM說(shuō)明 1）0#，#1#4，#20#24中的數(shù)據(jù)可通過(guò)TO指令改寫(xiě)，其它的BFM內(nèi)的數(shù)據(jù)可以使用PLC的FROM指令讀寫(xiě)。 2）在BFM#0中寫(xiě)入十六進(jìn)制4位數(shù)字H進(jìn)行A/D模塊通道初始化，最低位數(shù)字控制CH1，最高位控制CH4。 3）=0時(shí)設(shè)定輸入范圍為-1010V，=1時(shí)，設(shè)定輸入范圍為4m A20mA,=2時(shí)，設(shè)定輸入范圍為-2020mA，=3時(shí)關(guān)斷通道。例如BFM#0=H3310則說(shuō)明CH1設(shè)定輸入范圍為-10V+10V，CH2設(shè)定輸入范圍為420mA，CH3、CH4兩通道關(guān)閉。 4）BFM#30為緩沖器確認(rèn)碼，可

60、用FROM指令讀出特殊功能塊的認(rèn)別號(hào)。FX2N-4AD單元的標(biāo)識(shí)碼為K2010。模擬量輸出模塊FX2N-2DA615FX2N-2DA模塊將12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或電流輸出。它有2個(gè)模擬量輸出通道，3種量程：DC 010V、05V和420mA,D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間為4ms/通道。FX2N-2DA模塊共有32個(gè)緩沖存儲(chǔ)器，但是只使用了下面兩個(gè)：BFM # 16的低8位用于寫(xiě)入輸出數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，高8位保留。BFM # 17的b0位從“1”變?yōu)椤?”時(shí)，通道2的D/A轉(zhuǎn)換開(kāi)始；b1位從“1”變?yōu)椤?”時(shí)，通道1的D/A轉(zhuǎn)換開(kāi)始；b2位從“1”變?yōu)椤?”時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換的低8位數(shù)據(jù)被鎖存，其余各位沒(méi)有意