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1、课课 题题 基于基于 PCCPCC 直流电动机调速控制器直流电动机调速控制器 基于基于PCCPCC直流电动机调速控制器的设计直流电动机调速控制器的设计摘摘 要：要：直流调速系统，在各行各业得到了广泛的应用和发展。本文就对直流电机及其调速系统进行研究，以 PCC 控制器为主控的新型直流调速器的设计方案，直流电动机调速控制器的硬件构成和软件设计方法。并且利用 PID 控制算法来实现对直流电机的起停、正反转及转速控制。该系统性能可靠、成本较低,是一种实用较理想的无刷直流电动机调速器。关键词关键词：直流电动机，PCC，514C，PID 控制算法1 1 文献综述文献综述在现代化的工业生产过程中,几乎无处
2、不使用电力传动装置,生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。而直流调速系统，目前也已被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，直流调速系统的，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广泛的电气传动装置之一，直流调速常采用 PID 控制方式，因为它易懂，应用范围广，参数较易整定，可靠性好，从而取得了较好的控制效果。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速不超过直流电动机的设定转速。1 前面市场上和继电器所组成的直流电机控制系统，存在着寿命短、系统故障率高等一些不够完善的地方，尤其是电机的调速控制方面有待于进一步
3、提高。控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到影响，从而致使故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，所以我们需要用一种不同于可编程序控制器 PLC 的新一代可编程计算机控制器来替代。可编程计算机控制器，简称 PCC（programmable computer controller），是集计算机技术、通信技术、自动控制技术（简称 3C 技术）为一体的新型工业控制系统。作为一个全新的概念于 90 年代中期在工控界提出，它是一种不同于可编程逻辑控制器PLC（program logic controller）
4、及工业控制机 IPC（industry personal computer）的新一代可编程计算机控制器，它具有极高的可靠性、丰富的编程语言、实用的编程方法、强大的功能、优良的性能、良好的耐恶劣环境能力。它代表了当今工业控制技术的发展趋势。2、3也正是 PCC 在直流调速系统以及其他领域中，相对现有的其他控制器的卓越的性能和高可靠性，我们相信它会在各行各业都会得到广泛的应用。2 2 选题背景及其意义选题背景及其意义在现代化的工业生产过程中,生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。直流调速系统控制用数字控制器代替了模拟控制器。我们知道，常规的PLC大
5、多依赖于单任务的时钟扫描或监控程序，来处理程序本身的逻辑运算指令以及外部的I/O通道的状态采集与刷新，整个应用程序采用一个循环周期，但事实上在一个控制系统中，虽然往往有一些数据量是实时性要求很高的，循环顺序扫描的运行机制直接导致了系统的控制速度严重依赖于应用程序的大小，应用程序一旦复杂庞大，控制速度就必然降低。这无疑是与I/O通道高实时性控制的要求相违背的。而贝加莱PCC系统的设计方案则完美地解决了这一问题，与常规PLC相比较，PCC最大的特点就在于其引入了类大型计算机的分时多任务操作系统理念，并辅以多样化的应用软件设计手段，满足了真正实时控制的要求，而且这种控制周期是可以在CPU运算能力允许
6、的前提下，按照用户的实际要求而做相应设定。基于这样的运行平台，PCC的应用程序可分为多个独立的任务模块，这样给便应用软件的开发带来了极大的便利，因为工程师可以方便地根据控制项目中各子系统的不同功能要求。PCC在硬件上的特点，还体现在它为工业现场的各种信号和应用设计了许多专用的接口模块和功能模块。它们将各种形式的现场信号十分方便的接入以PCC为核心的数字控制系统中，我们可按需要对I/O通道进行数十点、数百点至数千点的扩展与联网。 4、5学校实验室中系统各被控对象之间要求经常地交换数据库和信息，控制器采用相互之间具备通信联网功能的 PCC 构成，系统的上位机可以采用 PCC，也可以采用工业控制计算
7、机，利用学校工业控制网络实验室有良好的硬件设施条件，以及 PCC 在直流调速系统以及其他领域中，相对现有的其他控制器的卓越的性能和高可靠性的背景下，选择了基于 PCC 直流电动机调速控制器的设计这个课题。而且，因为 PCC 在各领域中的广泛应用不是很普及，具有一定的工程意义。3 3 研究内容研究内容3.1 直流调速系统的工作原理直流调速系统主要是由带有组态软件的监控计算机、上位机PCC、直流调速器、直流电机以及光电编码器组成。通过RS-232实现计算机与PCC通讯，以及通过组态王6.0对直流调速的过程进行更直观更精确地观察和控制。PCC通过I/O端口与直流调速器连接实现对它通讯以及对直流电机的
8、控制。这个系统是双闭环直流调速系统，其中光电编码器和PCC组成速度环，直流调速器为电流环。整个系统如图1所示。图图1 1 直流调速系统原理图直流调速系统原理图3.2 组态软件王6.0本系统所使用的软件是组态王6.0。组态王6.0是一个具有丰富功能的HMI/SCADA软件。组态软件包括几个部分，I/O驱动，主要是与设备通信的，人机界面HMI部分，是给人看的模拟图形解密，以及数据处理的数据库Real-PDB部分，主要用于数据的存储，用起来很方便的。组态软件与设备连接，一般提供OPC,MODBUS,DDE等多种方式，也有专有协议，一般不用开发驱动，如果没有的特殊设备需要开发驱动，组态软件可以与第三方
9、软件通信的。2组态王的主要功能：(1) 丰富的人机界面功能，可视化操作界面，真彩显示图形、丰富的图库 (2) 强大的通讯能力(3) 先进的报警和事件管理 (4) 强大的网络和冗余功能图图2 组态王操作界面组态王操作界面3.3 上位机PCCPCC是整个调速系统的核心部分，整个系统都要与它进行通信来交换数据，并由所得数据进行一系列的调整。在这个系统中，PCC同样也是速度环的一部分。它与光电编码器共同组成了速度环。主要原理是由光电编码器对直流电机转速进行检测，通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成数字量，并将信息传给上位机。在这个系统中，PCC 采用的是奥地利 B&R 公司的 2003 系列
10、PCC。它充分利用了微机、现场总线和软件等方面的先进成熟技术,采用了优秀的、具有前瞻性的设计思想,代表了工业控制自动化产品的发展方向。6PCC 相对其他控制器的优点：(1)全新的控制理念(2)支持多中编程语言(3)集成 PLC 的高可靠性和计算机的快速性(4)多任务的优点(5)智能型调速器(6)友好的人机界面3.4 直流调速器514C直流调速器是整个系统对直流电机实施控制的主要媒介及手段。也作为电流环存在于整个系统中。它通过和 PCC 的 I/O 端口相连进行一些简单的通信及接受控制信号。调速器输入电压一般为 l10V 一 660V 的交流电，输出为可控制的直流电，其最大电流为 720A，因而
11、可用于多种大电流的控制场合。在本系统中，采用的是欧陆 514C 直流调速器，它主要有集成电路控制板和晶闸管模块组成。输入电压 AC 220V，输出电压有两种即：电枢电压 DC:0220V；励磁电压DC:110220V。调速器面板上设有参数调整电位器 P1-P12 和 LED 指示灯，可根据灯的指法情况判断调速器的运行状态。电路中设有过流保护、电动机超温保护、失压保护、速度反馈电路。其连接图及简单工作原理如下：电路连接如图 3，当 5 端有输入信号时继电器 KM 吸合，220V 电源送入调速器 514C，这样在 A+、A-的端子上就有直流电压输出，励磁输出端也同样有电压输出。如果此时在 A+、A
12、-端子上接上直流电动机便可以运转，调节给定电阻可以改变电动机的转速。将测速发电机的输出线接到接线端子的1、11 上，速率反馈信号就送到 514C 直流调速器里，通过内部电路分析判断就可以得到一个稳定的转速。当 5 端信号撤除时 KM 释放，514C 失电，电动机停止运转。图图3 3 典型电气连接图典型电气连接图3.5 直流电机直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向
13、器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。3.6 PID 控制算法自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现 PID 控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使 PID 控制更加灵活。数字 PID 控制在生产过程中是一种最普通采用的控制方法，在机电、冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用，将偏差的比例
14、、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。7PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti 和 Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 PI
15、D 就可控制了。其次，PID 参数较易整定。也就是，PID 参数 Kp，Ti 和 Td 可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。第三，PID 控制器在实践中也不断的得到改进。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用 PID 的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID 参数自整定就是为了处理 PID 参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的 PID 控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。4 4 工
16、作特色及其难点，拟采取的解决措施工作特色及其难点，拟采取的解决措施4.1 工作特色及其难点使用 PCC 为主体来如何来构成一个直流调速系统在目前来说是很少有人，甚至说没有探讨和研究的论题，而且我们也没有系统的学习过 PCC 和 PID 控制算法，所以在设计过程中可以借鉴和参考的资料就非常的有限。基本所有的环节都需要自己去摸索和研究，实现直流电动机的稳态误差在一定的范围内，也是非常困难的。4.2 拟采取的解决措施查阅以及收集相关的资料，了解课题的背景，根据所学的知识联系起来，并加以结合，由于 PCC 和 PLC 有很多相似之处，所以还可以借鉴 PLC 在直流调速上的应用，可以利用这个来了解设备的软硬件，以及调试。PID 控制算法，我们可以保证误差在 5%以内的技术指标。5 5 论文工作量及预期进度论文工作量及预期进度2009 年 11 月-2009 年 12 月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。2010 年 01 月- 2010
