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)

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)

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S7-200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。

直流电机；调速控制；梯形图；S7-200

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[1-2]。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[3-4]:

(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[5-6]。

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S7-200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S7-200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。

图1 PLC控制系统构成框图

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[7-8]。

图2 PLC梯形图

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S7-200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。

图3 电机运行在1001r/min的实验结果

图4 电机加速至1502r/min的实验结果

[1] 张金男.基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计[D].大连：大连海事大学,2007.

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[4] 王建平, 张延辉, 冯国强,等.基于气动马达驱动的一种混凝土搅拌机系统设计[J].煤矿机械,2013,34(12):24-26.

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[8] 宋伯生.PLC编程理论·算法及技巧[M].北京：机械工业出版社,2005.

The technology research of motor speed regulation system based on PLC

Yang Zhenyu

(China Geo-Engineering Corporation, Beijing 100093, China)

DC motor adjusting speed control system has excellent speed performance and high reliability, and it is widely applied for actual production in various fields. First of all, the principle of DC motor speed regulation and the requirement of speed regulation are introduced. Then, the speed control system of DC motor based on CPU224XPPLC is designed, and the PLC ladder diagram is programmed by simulation software. Finally, the motor speed regulation experiment is carried out in S7-200. The experimental results show that the design of the DC motor speed control system based on PLC can better achieve a given task.

D C motor; speed regulation control; ladder diagram; S7-200

TM46

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.06.001

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.

2016-11-25)

杨振宇(1975-)，男，高级工程师，主要研究方向：自动控制。