一种简便的电机转速测量方法

2017-05-23田金云

宿州学院学报 2017年3期

关键词：子程序计数器编码器

田金云，杨旭

南阳理工学院电子与电气工程学院，南阳，473004

一种简便的电机转速测量方法

田金云，杨旭

南阳理工学院电子与电气工程学院，南阳，473004

设计了以S7-200 PLC、E40S6-100-3-2-24光电编码器、VFD007B43A变频器以及YS6322三相异步电机为主要器件的电机转速测量实验系统，给出了系统硬件连接方框图以及编码器与PLC的接线图。在STEP 7 MicroWin SP6软件平台下设计了转速测量实验程序，包括主程序、高速计数器设置子程序、中断设置子程序和中断子程序。最后利用该实验平台进行了电机转速测量实验，并对实验结果进行了验证，结果表明：该方法可靠有效，可准确地实现对电机转速的测量，误差在0.5%以内。

电机；旋转编码器；转速测量；高速计数

在现代工业控制领域，电机测速技术是电机调速控制系统中的重要问题之一[1-3]，因此简便可靠地对电机转速进行测量具有一定的实践意义。目前电机转速测量常用的方法有漏磁法、机械离心法、电磁法、日光灯法、光电传感器法以及利用测速发电机作为传感器来测量电机转速[4-5]。其中，漏磁法的缺点是传感器安装和电路测量较为复杂，优点是可用于电机轴端头不能露出的场合；机械离心法与日光灯法适合现场人工测量，但不适合与自动控制系统相连接；电磁法与光电传感器法都是将电机速度转换成脉冲信号输出；测速发电机法是将电机信号转换成模拟电压信号输出，与模拟信号相比，脉冲信号抗干扰能力强，适合工业现场需求。本文利用光电编码传感器与S7-200 PLC，设计出一种简便的电机转速测量方法，能满足工业电机转速测量需求。

1 测速方法

将光电编码器与电机同轴连接，电机旋转时带动编码器旋转。编码器旋转一圈，会发出确定的脉冲，只要测量出采样时间内编码器发出的脉冲数，即可测量出电机的转速。设采样时间为t秒，测得的脉冲数为m，旋转一圈编码器输出的脉冲数为z，电机的转速为n转/分钟，则电机转速计算公式为[6]：

2 硬件系统设计

系统的硬件部分主要包括PLC200CPU224DC/DC/DC，EM235模拟量输入、输出模块，VFD007B43A变频器，DELIXHH52P中间继电器，

图1 系统硬件结构框图

开关电源，E40S6-100-3-2-24光电编码器以及YS6322三相异步电机(图1)。

图1中，三相电机型号为YS6322，额定功率250W，额定转速2800r/min，采用星型接法，额定电压为220V，额定电流为1.17A。变频器型号为VFD007B43A，将U、V、W三相与交流电机相连，驱动电动机。光电编码器型号为E40S6-100-3-2-24，将编码器与电机通过弹性联轴器相连。该编码器有两根电源线，一根屏蔽线，三根输出线。电机每转一圈，编码器输出100个脉冲。开关电源的正负分别接PLC的L+与M端子。PLC上的L+与M端子分别与数字量输出侧的2L+与2M端子相连，其中L+端子还与数字量输入侧的1M端子相连，数字量输出侧0.5端子与2M端子分别与中间继电器线圈两端相连。继电器的一对常开触点分别与变频器的FWD和DCM端子相连，PLC的L+与M端子分别与EM235模块上的L+与M端子相连，EM235模块上的M0与V0分别与变频器的ACM与AVI端子相连。本设计采用编码器的NPN集电极开路输出方式，编码器电源线正端与PLC数字量输入侧的1M端子相连，电源线负端与PLC数字量输入侧的M端子相连，编码器输出线与PLC数字量输入侧的0.3端子相连。PLC数字量输入侧的1M端子与0.3端子之间接一个1k的上拉电阻。编码器NPN集电极输出方式与PLC的连接如图2所示。

整个系统的工作过程：PLC上电，Q0.5置1位置使中间继电器线圈通电，继电器常开触点闭合，启动变频器。通过EM235向变频器输出一个0～10V之间的某个电压，对应0～50Hz之间的某个频率，驱动电机转动。电机通过弹性联轴器带动编码器旋转，编码器每转一圈，发出100个脉冲，输到PLCI0.3端子。

图2 编码器NPN集电极输出方式与PLC连接图

3 程序设计

S7-200CPU224提供6个高速计数器(HSC0-HSC5)[7]。高速计数器的速度比PLC扫描的速度快得多，计数脉冲频率可达20kHz以上[8]。本设计中，采用HSC4高速计数器。整个程序分为四部分：主程序、高速计数器设置子程序、中断设置子程序和中断程序，其中中断采用时间中断方式，子程序由主程序调用。程序流程图分别如图3、图4、图5、图6所示。

4 系统调试

将系统硬件连接好后，在Step7 MicroWin SP6软件平台下编写程序，通过PPI电缆下载到PLC中，然后进行调试。在程序调试中启用开始程序状态监控，读取电机转速存储器VD108中的数据，即示波器测量I0.3处的单位时间内的脉冲数。结果表明：VD108中的转速数据与示波器计算出来的转速数据一致。改变变频器的给定频率，也即改变电机速度，系统同样能准确地测量出电机转速。

5 结语

以上设计了以西门子PLC 200与E40S6-100-3-2-24光电编码器为主要器件的三相电机转速测量系统，同时介绍了该系统的电机转速测量原理。设计时，给出了硬件实验平台和系统连接方框图，以及电机转速测量程序。最后利用该实验平台进行电机转速测量实验，并对实验结果进行了验证，结果表明：该方法工作可靠，可准确地实现对三相电机转速的测量，误差在0.5%以内。

[1]姚志恩,胡其谦.一种基于PLC的电机转速测量电路设计[J].机械与电子,2005(5):65-67

[2]王文成,李健.基于单片机的电机转速测量系统的设计[J].仪表技术与传感器,2011(8):70-72

[3]姚荣斌,孙红兵.基于STC89C51RC的转速测量系统设计[J].连云港师范高等专科学校学报,2007(4):84-87

[4]张殿龙,梁田.不可见轴三相异步电动机转差转速的微机测试[J].煤炭技术，2001,20(5):12-14

[5]方坤.转速测量的几种方法[J].煤炭技术,2002,21(2):38-39

[6]孙晓明，吴震，宋宝宁．PLC电机转速测量系统设计与实现[J].工业仪表与自动化装置,2015(1):25-26

[7]李晓海,南新元,谢丽蓉.基于高速脉冲计数器的电机转速测量系统设计[J].微电机，2012,45(2)：73-75

[8]韩亮.PLC在电机转速测量中的应用[J].常州工学院学报,2012,25(3):36-38

(责任编辑：汪材印)

2016-11-24

南阳理工学院校级核心课程改革专项“可编程序控制器教学改革与实践”(HXKC2016023)。

田金云(1973-)，湖南株洲人，博士，副教授，研究方向：检测与过程控制。