PLC在电机转速测量中的应用

2012-05-29韩亮

常州工学院学报 2012年3期

韩亮

(山西机电职业技术学院电子电气工程系，山西长治 046011)

0 引言

在异步电机调速系统中，经常采用转速闭环、磁通开环并带有速度传感器的矢量控制方式。电机转速是判定电机运行状态的关键参数，尤其在电机闭环控制系统中，转速的准确性直接影响到整个控制系统的稳态误差及动态响应。［1］电机转速的测量方法有模拟测速法和数字测速法。数字测速法是一种精度较高的电机转速测量方法，它根据数字测速原理，采用数字式控制器计算电机转速。测量电机转速的速度传感器使用光电编码器，随着电机旋转，光电编码器产生高速脉冲，然后通过计算脉冲的频率或周期来求得电机转速。

文献［2］提出使用PLC的高速计数器功能，捕捉光电编码器产生的高速脉冲，由PLC计算电机转速的方法。具体方法如下:使用2个定时器(精度为1 ms)截取250 ms的时间间隔，把计时开始时高速计数器捕捉到的脉冲数放入VD0中，把计时结束时高速计数器捕捉到的脉冲数放入VD4中，VD4减去VD0的值即为250 ms内的脉冲数，［2］然后再根据M 法测速公式，由PLC计算出电机的转速。用定时器延时10 ms，循环执行以上程序。

本文提出一种改进的测速方法，同样使用高速计数器(HSC)，根据PLC提供的定时中断功能，设置较短的定时中断间隔时间，每次触发定时中断子程序时，读取1次高速计数器当中的脉冲数，然后再根据M法测速公式，由PLC计算出电机的转速。该测量方法无需使用定时器功能，只需读取1次高速计数器当中的数据便可以计算出电机转速，程序结构简洁明了，效率高。通过设置较短的定时中断时间间隔，提高了电机转速测量的实时性。

1 数字测速原理

光电编码器代替了测速发电机的模拟测速，是一种数字测速装置。数字测速方法主要有M法测速、T法测速和M/T法测速。［3］

1)M法测速是指在一定的时间间隔TC内，用编码器所产生的脉冲数来确定电机转速的方法。

2)T法测速是指用编码器所产生的相邻2个脉冲之间的时间来确定被测电机转速的方法，在T法测速中，必须使用标准频率fC作为测量编码器周期的时钟。［4］

3)把M法和T法结合起来计算电机的转速，既检测TC时间内编码器输出的脉冲个数，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数，称作M/T法测速。

由于在一定的时间间隔TC内，编码器所产生的脉冲数比较容易获得，所以本文采用常用的M法测速。若编码器每转产生N个脉冲，在时间间隔TC内得到了M1个脉冲，则编码器所产生的脉冲频率为:

那么电机转速(rad/min)的计算公式［4］为:

将式(1)代入式(2)得:

M法测速适合于转速较快的场合。当电机转速较快时，编码器输出的脉冲频率较高，测量精度也较高;而当电机转速较慢时，编码器输出的脉冲频率较低，测量精度也降低。

2 PLC高速计数器的使用

采用M法测量电机转速，需要得到一定时间间隔内编码器产生的脉冲数。而编码器输出脉冲的频率很高，PLC的CPU扫描频率来不及捕捉编码器高速输出的脉冲个数，因此，使用PLC提供的高速计数器(HSC)功能来完成编码器输出脉冲的计数。

HSC的计数速度比PLC扫描速度快得多，计数脉冲频率可达20 kHz以上。［5］HSC累计 CPU扫描速率不能控制的高速事件，可以配置最多12种不同的操作模式。高速计数器的最高计数频率有赖于CPU的型号。西门子公司的S7－200系列小型PLC，可以满足多种小规模控制场合的要求。S7－200系列CPU226功能最强大，可扩展的模块数量最多，考虑到控制系统的扩展性，选用CPU226作为控制器。

S7－200系列 CPU226具有 HSC0、HSC1、HSC2、HSC3、HSC4和 HSC56个高速计数器。HSC0和HSC4是多用途计数器，可配置成8种不同操作模式中的任何1种;HSC1和HSC2是多用途计数器，可以配置成12种不同操作模式中的任何1种;HSC3和HSC5是简单计数器，只有1种操作模式。本文给出的测速方法选择使用高速计数器HSC0，并且处于0工作模式。

3 电机转速测量系统的硬件设计

选择1台交流电机作为被测电机。电机型号Y225M －4，额定功率45 kW，额定电压380 V，额定电流84.2 A，额定转速1420 rad/min。使用富士公司生产的变频器，将变频器的U、V、W三相与交流电机相连，驱动交流电机。变频器的型号为FRN5000G11S。编码器选用AUTONICS公司生产的编码器，型号为E40S6－360－3－1－24。将编码器与电机同轴相连，电机每转1转，此编码器产生360个脉冲，为尽量减小测量误差，选择电机在额定运行状态下测量电机转速。S7－226PLC的输入电压为24 V，选择 I 0.0作为HSC0的输入端口。电机转速测量系统的硬件设计图如图1所示。

4 电机转速测量系统的软件设计

M法测速，需要确定在一定时间间隔TC内编码器所产生的脉冲数M1，然后再根据式(3)计算电机的转速。

图1 电机转速测量系统的硬件设计图

首先，使用首次扫瞄时为1的特殊存储器字节的状态位SM 0.1调用子程序SBR_0和SBR_1。SBR_0用于定义1个定时中断，中断事件号为10，并将此中断事件与中断程序INT_0相连。特殊存储器字节SMB34用于定义定时中断0的时间间隔，从1～255 ms，以1 ms为增量。考虑到编码器的分辨率以及电机的额定转速，故采用20 ms为定时中断0的时间间隔，这样不仅保证了测量精度，而且也保证了转速测量的实时性。SBR_1用于初始化1个高速计数器HSC0。特殊存储器SMB37和SMD38用于监视和控制HSC0的操作。通过配置SMB37控制字节来选择HSC0的操作方式:将 HSC0的有效位置1;可以更新HSC0的当前值;不更新HSC0的计数方向，采用增计数方式;无复位电平信号。通过SMD38来设置HSC0的当前值，将当前值初始化为0。根据以上所述，配置特殊存储器 SMB37=16#C8，SMD38=0。

当定时中断事件发生时，进入中断程序INT_0计算电机转速。在中断程序中读取HSC0的值，它便是20 ms内编码器发出的脉冲数。将HSC0中的数值转换为实型后除以0.02 s(定时中断0的时间间隔)，得到的数据就是编码器产生的脉冲频率，将此数据存入VD8中。再根据M法测速公式，由PLC计算出电机转速存入VD20。VD20中存储的数据，便是此时电机的转速值。最后，再将HSC0的当前值清零，即SMD38=0，然后重新启动HSC0。每触发1次定时中断(20 ms)，就计算1次电机转速。测量电机转速的程序流程图如图2、图3所示。图2为主程序流程图，图3为中断程序流程图。