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1、毕业设计论文题 目 S7-200PLC控制的PWM直流电机 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 设计总说明随着PLC技术的发展，以及其性价比的提高，利用PLC控制直流电动机已经越来越普遍，采用先进的PWM控制技术则可构成直流电动机无级调速系统，同时起、停时直流系统无冲击，而且具有启动功耗小，运行稳定等特点。本文介绍了24伏29瓦直流电动机PWM调速硬件系统，编写了用S7-200 PLC实现24伏29瓦直流电动机PWM的控制程序，程序包括控制系统的指令的初始化、转速检测、调速三部分。与相应的硬件电路配合，实现了对24伏29瓦直流电动机的PWM控制。该控制系统功能包括电机的PWM调速、转速检测、电
2、机转速的调节。PWM调速是用S7-200 PLC内部自带的PWM高速脉冲输出功能指令，通过对其占空比的设置来改变脉冲宽度和周期，实现控制任务；速度检测和调速是通过硬件与S7-200 PLC的高速计数器配合和PWM的设置来实现的，所有程序都己编译通过，经过实验验证，工作状态良好。文中对直流电动机结构、工作原理、PWM调速系统的构成、S7-200 PLC的部分指令以及用S7-200 PLC实现PWM调速做了简单介绍。关键词：直流电动机；PWM调速；S7-200 PLC；转速检测；单闭环目 录1 设计内容及要求11.111.2 11.322 系统的总体设计32.1直流电动机的结构及工作原理32.1.
3、1直流电动机的结构32.1.2直流电机的工作原理42.2直流电动机的基本方程52.3直流电动机的机械特性62.4直流电动机的调速82.4.1他励直流电动机的串电阻调速92.4.2降低电枢供电电压调速102.4.3减弱磁通调速113 系统的硬件设计123.1直流电机的PWM调速概述123.2直流电动机PWM调速系统的构成123.3 S7-200PLC实现直流电动机的PWM调速173.3.1S7-200PLC的高速脉冲输出指令173.3.2控制原理的实现184 系统的软件设计194.1S7-200 PLC编程的基本概念194.2S7-200 PLC的编程指令204.2.1基本逻辑指令204.2.2
4、基本功能指令214.2.3中断指令和高速计数器指令224.3STEP 7-Micro/MIN V4.0编程软件简介254.3.1编程软件项目的组成254.3.2程序的编写与传送265 实验结果分析275.1控制系统设计概述275.2.1控制系统的电源设计275.2.2控制系统功率驱动电路的设计286 结论306.1调速控制系统软件概述306.2控制系统功率驱动软件336.2.1功率驱动软件编程思想336.2.2功率驱动软件的流程图346.2.3功率驱动软件程序编写356.3控制系统测速软件386.3.1系统测速软件编程思想386.3.2控制系统测速软件流程图406.3.3控制系统测速软件编程4
5、16.4控制系统扫描显示软件436.4.1扫描显示软件编程思想436.4.2扫描显示软件流程图436.4.3扫描显示软件程序编写457 487.1本次设计实验结果及分析487.2本控制系统特点491 设计内容及要求1.1 设计目的本设计是针对电机对象， 由上位机给定分程系数，用西门子 S7-200可编程控制器的原理编程，特别是光电编码器脉冲数的读取和PID算法程序的编制。其中，使用KINGVIEW 监控组态软件编写上位机监控程序，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，历史曲线，报表打印等功能。1.2 设计内容设计一个直流电机转速控制系统，其主要内容为：1.熟悉可编程控制器和实验设备。2.掌握西
6、门子S7-200-CPU224的性能，熟悉编程环境。3.掌握建立计算机控制技术系统的方法，按系统要求组成系统，进行调试以满足给定指标。4.绘制系统结构图，提供程序梯形图。利用西门子PLC设计电机转速的控制系统，编写程序，实现单闭环控制系统，实现如下工程：1、 实现启动过程准时间最优，静态调速无静差2、 在CAD上画出系统的硬件控制原理图3、 要求电机完成启动、停车、加减速控制4、 在计算机上用组态王模拟实验现场流程图，并进行参数设定。1.3 设计原理利用小型过程控制装置结合计算机控制技术，在组态软件下编程并通过调整和改进控制算法，从而实现单闭环控制系统设计要求。通过利用调节器的工程整定方法，最
7、后得到一组能稳定、准确、快速的达到控制要求的PID参数。通过本设计掌握分程控制系统的基本概念，了解分程控制系统的组成结构。掌握分程控制系统的特点、分程控制系统的设计思想。掌握分程控制参数整定方法，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用计算机进行PID参数的调整和自动控制的投运。2 系统的总体设计2.1试验系统简介2.1.1直流电动机概述直流电动机是指通过直流电流而产生机械运动的电动机。在工业生产中，常需要利用电动机的轴上转矩拖动生产机械，对产品进行加工。根据工艺要求，生产机械需要各种不同的速度，因而要求电动机能够在所需要的范围内进行进度调节。和交流电动机比较，直流电动机具有更好的调速性能，
8、不但调速范围广，且易于平滑调节；起、制动转矩大，易于快速起、停车；易于控制， 因而直接流电动机被广泛应用于深调速和高精度，特别是快速可逆电力拖动系统中。例如，用来作为轧钢机、金属切削机床等生产机械的拖动电动机。电子技术的发展和现代控制理论的应用，使直流电机拖动系统更能适应高精度、高指标的生产机械的要求。此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行元件使用。半导体技术的发展，促使直流电机也有所发展，同时也扩大了直流电机的应用范围。但是，和交流电动机比较，直流电动机有结构较复杂、制造成本较高、维修较为困难等缺点，出而直流电功机的应用也受到一定的限制。目前，虽
9、然由晶闸管整流元件组成的静止固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍以其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定地位。2.1.2直流电动机的结构直流电机在结构上是由固定部分(定子)和旋转部分(转子)组成的。定子主要用来产生磁通和作电机的机械支撑；转子通常称为电枢，用来产生感应电势和电磁转矩1。下面分别介绍定、转子的主要部件。(一)定子1、主磁极 主磁极的作用是产生主磁通建立气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定的波形沿空间分布。它由磁极铁心和励磁绕组两部分组成，如图2-1所示。磁极铁心一般由11.5mm的低碳钢板冲片叠装而成。图2-1直流电机结构示意图1主磁极；
10、2励磁绕组；3机座；4端盖；5轴承；6电刷；7电枢铁心； 8电枢绕组；9换向器；10轴；11风扇；12极靴；13换向极； 14换向绕组；15电枢齿；16电枢槽；17底座励磁绕组用圆截面或矩形截面的绝缘导体绕制、浸漆烘干而成。磁极铁心套上励磁绕组后用螺钉固定在机座上。主磁极数总数是偶数，各磁极上励磁绕组通常都串联连接，连接时要保证相邻磁极的极性按N、S依次排列。2、换向极 换向极的作用是改善换向，消除或减小电刷与换向器之间的火花。换向极的结构与主磁极相似，由铁心和励磁绕组组成，如图2-1所示。铁心由薄钢板或整块钢制成。换向磁极安装在两个主磁极之间的几何中性线上，并用螺钉固定在机座上。换向磁极的数
11、目一般与主磁极相等；个别小电机，换向极数目也可以少于主磁极的数目。3、机座 机座既作为电机的机械支撑，又是磁极间磁通的通路，称为定子磁轭。机座由铸钢铸成或由厚钢板焊接而成。4、电刷装置 电刷装置由电刷、刷握、握杆、握杆座及铜丝辫等零部件组成。电刷装置的作用是把转动的电抠电路与不转的外电路接通，它是固定不动的。电刷的数目一般等于主磁极数目，各电刷在换向器表面的分布应是等距的。(二)转子1、电抠铁心 电枢铁心是主磁路的一部分。当电枢在磁场中旋转时，铁心个的磁通方向不断变化，因而会产生涡流及磁滞损耗。为了减少磁损耗，铁心通常用0.5mm硅钢片叠成。2、电枢绕组 电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电
12、机实现机电能量转换的关银部件。当电枢在磁场中旋转时，电枢绕组中产生感应电动势；当电枢绕组中流过电流时，它在磁场中受力产生电磁转矩。电枢绕组由一个一个的线圈元件组成，嵌放在电枢铁心的槽中。3、换向器 换向器是直流电机员重要的部件之一。对于电动机是将输入的直流电流转换为电枢绕组元件中的交变电流，产生恒定方向的电磁转矩。根据电机的容量和转速的不同，换向器有多种结构形式。2.1.3直流电动机的机械特性电动机的机械特性是指U=UN=常值，If=IfN =常值，电枢回路电阻(Ra+Rc)=常值条件下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f（Tem）。它是选用电动机和评价电动机性能时的主要依据之一。本论
13、文重点介绍他励直流电动机的机械特性。他励直流电动机的机械特性方程为： （2-1）当电动机外加电压为额定值UN，气隙磁通也为额定值N，且电枢回路不外串电阻Rc,即Rc=0时，电动机的机械特性称为固有机械特性（也称自然机械特性），如图2-2中直线1所示。它是一条略微向下倾斜的直线。当改变电动机的外加电压U、主磁通或电枢外串电阻Rc三个参数中的一个时，就可得到人工机械特性。图2-6中直线2为电枢电阻人工机械特性、直线3为改变电动机外加电压人工机械特性、直线4为减小磁通的人工机械特性。（一）固有机械特性的绘制忽略电枢反应的去磁通效应时，他励直流电动机的固有机械特性是一直线，只要知道机械特性上的两个点，就可以绘出固有机械特性。取理想空载点和额定运行点计算比较方便。在理想空载点：在额定运行点： 计算出额定电磁转矩： （2-2）在电动机的名牌上可以查到UN、IN及nN三个数据，只要知道电枢回路电阻Ra，就能算出n0及TN。电动机名牌上是不标出Ra的。为了求出Ra的值，对效率电机可以采用伏安法实测，如果没有实际电机，则可以根据名牌数据估算Ra的值。估算的依据是，普通直流电动机在额定状态下运行时，其电枢铜耗约占总铜耗的1/22/3。电动机的总损耗为：
