何新霞，邢瑞軍
(中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院．山東東營257061)
O 引言
日前．在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，普遍采用以單片機(jī)或DsP作為微處理器的控制系統(tǒng)。由于單片機(jī)或DsP控制電機(jī)占用端口資源多、所需周邊元器件電較多，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有較大影響。
可編程控制器作為一種工業(yè)控制裝置．以抗干擾能力強(qiáng)和町靠性高而著稱．隨著可編程控制器的迅速發(fā)展，其性價(jià)比也在不斷提高，本文利用PLc對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PwM調(diào)速控制，以提高直流調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。為實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的數(shù)字控制提供了一種新的有效方法。
1控制系統(tǒng)構(gòu)成
基于PLc的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成如圖l所示。光電編碼器與直流電機(jī)同軸連接，電機(jī)每轉(zhuǎn)1周，光電編碼器就產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)通過s7-200 PLc的高速計(jì)數(shù)功能．測量出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速給定信號(hào)與轉(zhuǎn)速測量信號(hào)相減，得偏差信號(hào)，通過PIC的PID功能指令，得到PID控制器輸出，PID控制器輸出作為PwM信號(hào)占空比的控制信號(hào)，利用PLc的PwM功能指令，可在PLc的相應(yīng)輸出端輸出占空比可凋的PwM信號(hào)。
PwM信號(hào)作用于驅(qū)動(dòng)電路．控制PwM變換器主電路相應(yīng)橋臂開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制加在直流電機(jī)電樞上的電壓，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的PwM調(diào)速．
2硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 主電路及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
PwM變換器主電路采用雙極式可逆I，wM變換器[1-2]，在雙極性工作制下．PwM變換器的4個(gè)大功率晶體管IGBT分成2組，晶體管vT1，vT4與晶體管VT2，VT3交替導(dǎo)通和截止。
2．2轉(zhuǎn)速檢測
光電編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸連接．電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子兀件組成的檢測裝置檢測輸出的脈沖信號(hào)。通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還提供相位互差90。的2路脈沖信號(hào)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序主要包括轉(zhuǎn)速檢測顯示程序、H控制算法程序及PwM信號(hào)產(chǎn)生程序。轉(zhuǎn)速檢測顯示程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的測量，并利用組態(tài)王軟件實(shí)時(shí)顯示出來．PI控制算法程序利用PLC的PID功能指令實(shí)現(xiàn)速度的PI控制，并將P1控制器的輸出值作為PwM控制信號(hào)的占空比。PwM信號(hào)產(chǎn)生程序利用PLc的PwM功能指令產(chǎn)生周期一定、占空比可調(diào)的PwM信號(hào)。
程序首先對(duì)高速計(jì)數(shù)器、PwM信號(hào)發(fā)生器和PID參數(shù)表進(jìn)行初始化。然后設(shè)置定時(shí)中斷，并啟動(dòng)定時(shí)器開始定時(shí)。接下來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，若正轉(zhuǎn)，則判斷正轉(zhuǎn)高速計(jì)數(shù)器是否發(fā)生中斷，否則判斷反轉(zhuǎn)高速計(jì)數(shù)器是否發(fā)生中斷。高速計(jì)數(shù)器一旦發(fā)生中斷，立即讀取定時(shí)器的當(dāng)前值．作為計(jì)算轉(zhuǎn)速的時(shí)間值。之后判斷是否發(fā)生定時(shí)中斷，若是則執(zhí)行定時(shí)中斷程序．定時(shí)中斷程序主要工作為定時(shí)器清零、高速計(jì)數(shù)器清零并重新啟動(dòng)、計(jì)算轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化、執(zhí)行PID指令、輸出值轉(zhuǎn)換及執(zhí)行PwM指令，繼而輸出PwM控制信號(hào)，否則繼續(xù)判斷是否發(fā)生中斷。
3.2轉(zhuǎn)速檢測
程序轉(zhuǎn)速的檢測主要是通過光電編碼器和PLc的高速計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)的。光電編碼器和電機(jī)同軸連接，電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈，光電編碼器A，B兩路就產(chǎn)生一定數(shù)量的相位互差90。的正交脈沖。為此選擇高速計(jì)數(shù)器為A，B兩路正交計(jì)數(shù)工作方式。為使高速計(jì)數(shù)器正確工作，首先應(yīng)向高速計(jì)數(shù)器的控制字節(jié)寫人控制字，利用高速計(jì)數(shù)器的定義指令為所用的高速計(jì)數(shù)器選定工作模式，寫入高速計(jì)數(shù)器的設(shè)定值，把當(dāng)前值清零，采用當(dāng)前值等于設(shè)定值的中斷事件，建立中斷連接，然后啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器[4]。同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生中斷，并同時(shí)把定時(shí)器的當(dāng)前值讀出來，作為產(chǎn)生所設(shè)定脈沖數(shù)的時(shí)問，從而可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。
為提高測量精度，減少測量誤差，可使用多個(gè)高速計(jì)數(shù)器，每個(gè)高速計(jì)數(shù)器檢測不同時(shí)間范圍的脈沖數(shù)。鑒于s7-200 PLc cPu224有4個(gè)高速計(jì)數(shù)器具有A，B兩路正交計(jì)數(shù)方式，程序采用了4個(gè)高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)量，然后取其平均值。
3．3 PI控制程序
程序采用PID功能指令實(shí)現(xiàn)PI運(yùn)算。在每個(gè)采樣周期內(nèi)執(zhí)行1次PID指令，在執(zhí)行PID指令前。首先應(yīng)構(gòu)建PID控制回路表，將控制回路表巾有關(guān)參數(shù)按照地址偏移量寫入相應(yīng)的變量寄存器。
采用調(diào)用子程序的方法，在子程序中，列PII)參數(shù)進(jìn)行初始化處理。
3．4 PwM控制程序
s7-200PLc產(chǎn)生的PwM信號(hào)是指從Q0.0或QO．1輸出端輸出周期固定，脈沖寬度町調(diào)的脈沖信號(hào)[1]。信號(hào)周期范圍為50～65 535 μs或2～65535 ms。周期設(shè)定值一般為偶數(shù)．否則會(huì)引起輸出波形的占空比失真。脈沖寬度范圍為0～65 535Ms或O～65 535 ms．占空比為O％～100％。當(dāng)脈沖寬度大于或等于周期時(shí)．輸出將連續(xù)接通，當(dāng)脈沖寬度為O時(shí)，輸出將一直被關(guān)斷。
在使用PwM功能之前，首先應(yīng)確定PwM信號(hào)的輸出端；初始化PwM輸出形式的各個(gè)參數(shù)，如設(shè)置控制字節(jié)、寫入PwM信號(hào)的周期值及脈寬值、然后執(zhí)行PLs指令，采用子程序方式。
編制初始化子程序時(shí)，設(shè)置控制字節(jié)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，因控制字節(jié)所有位的默認(rèn)值均為o，若不根據(jù)系統(tǒng)要求正確設(shè)置各個(gè)位，即使程序完全正確，也會(huì)導(dǎo)致在Q0 0或Q0．1端沒有脈沖輸出[6]。
由于P1控制器的輸出值作為PwM控制信號(hào)的占空比，因此PwM信號(hào)的脈寬值隨著PI控制器的輸出而隨時(shí)改變，這就需要重新設(shè)置控制字節(jié)、脈沖寬度等值，并重新執(zhí)行PLS指令。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)以上分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于PLC的直流電機(jī)PwM調(diào)速系統(tǒng)，并利用組態(tài)王軟件構(gòu)建了系統(tǒng)監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測量及波形顯示。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定40O r／mln時(shí)，經(jīng)過1 O s左右的時(shí)間．轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在400 r／min，速度響應(yīng)時(shí)間小，且實(shí)現(xiàn)了無靜差轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。電機(jī)已穩(wěn)定運(yùn)行于400 r／min時(shí)，突然改變轉(zhuǎn)速給定值為600 r／min，經(jīng)過約5 s的調(diào)節(jié)時(shí)問，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在600 r／min，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)。
5 結(jié)束語
應(yīng)用S7-200 PLC，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的閉環(huán)脈寬調(diào)速控制。完成控制與測量軟件的開發(fā)及系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)制作。基于PLc的直流電機(jī)PwM速度控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單靈活、調(diào)速性能好、響應(yīng)速度快和工作可靠性高的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的數(shù)字化控制，非常適用于工業(yè)控制，是電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。 |
