基于PLC的永磁直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量

王元慧，吳 云

（遼寧石油化工大學(xué) 遼寧 撫順 113001）

轉(zhuǎn)速是反映的是直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，在直流電動(dòng)機(jī)的PLC控制系統(tǒng)中能否較為用較為簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量具有研究意義。測(cè)速發(fā)電機(jī)的精度較低，測(cè)量速度較小的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差較大，而旋轉(zhuǎn)編碼器雖然較為成熟，但其成本較高[2-3]。本文正是基于直流電動(dòng)機(jī)的PLC控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的測(cè)量問(wèn)題提出一種新的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法[4]。

1 直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)模型

直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)模型可知，U=E+IR，測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速是根據(jù)測(cè)量反饋回路中的電壓來(lái)反映轉(zhuǎn)速的[5-6]，根據(jù)式子E=Ceφn可知，直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或者停車的過(guò)程中的當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后其轉(zhuǎn)速為對(duì)于永磁直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)其磁場(chǎng)是固定的，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中變化比較小，故將Ceφ視為常數(shù)，由直流電動(dòng)機(jī)輸出的電壓和流過(guò)電動(dòng)機(jī)電流即可反映直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 PLC

作為三大工業(yè)控制支柱之一的現(xiàn)代可編程控制器PLC，具有操作簡(jiǎn)便，可靠性高，可在線修改控制程序等特點(diǎn)[7]。而西門子PLC在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，由于實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)比較少故采用較為簡(jiǎn)單的S7-224。PLC的模擬量模塊能夠采集回路中的模擬量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字量，通過(guò)直流電流和電壓傳感器可以讀出相應(yīng)的讀數(shù)，將實(shí)際的電壓和電流采集到PLC中，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算得到所求的參數(shù)[8]。

3 實(shí)際測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)選取的是永磁式直流電動(dòng)機(jī)，額定電壓為24 V，由于永磁直流電動(dòng)機(jī)的一些參數(shù)沒(méi)有給出，需要自己測(cè)量。而測(cè)量轉(zhuǎn)速的過(guò)程中需要先測(cè)定這些參數(shù)。

1）直流電動(dòng)機(jī)的電阻的測(cè)量

由歐姆定律測(cè)得該直流電動(dòng)機(jī)的電阻為60Ω。其測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

2）直流電動(dòng)機(jī)電感的測(cè)量

根據(jù)電感充放電原理（RL電路）：電感電路沒(méi)有充放電的問(wèn)題，但是自感線圈中可以儲(chǔ)存能量，由直流電動(dòng)機(jī)的電路圖可知，當(dāng)回路中的電流發(fā)生變化時(shí)，電感會(huì)充放電，由電感充放電的時(shí)間可以知道

儲(chǔ)存過(guò)程中：I=If*（1-e^（-t*（R/L）））

釋放過(guò)程中：I=I0*（1-e^（-t*（R/L）））

If是回路中最大電流，I0是最初電流，L是自感系數(shù)R是電阻阻值τ=L/R。

圖1 直流電動(dòng)機(jī)的電阻測(cè)量Fig.1 DCmotor resistance measurement

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知電感一般經(jīng)過(guò)3τ達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由電感達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間可以計(jì)算得電感為0.006 59 H，

圖2 直流電動(dòng)機(jī)電感參數(shù)測(cè)量Fig.2 DC inductance parameter measurement

3）直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量

采用直流電壓和直流電流傳感器采集直流電動(dòng)機(jī)的電壓和電流信號(hào)到PLC中，為了降低成本，選取的傳感器輸出均為PLC模擬量模塊可以測(cè)得的范圍內(nèi)的傳感器[9]。考慮到直流電動(dòng)機(jī)的電壓范圍和電流范圍，選取的直流電壓傳感器輸入電壓為50 V，輸出的電流為0～20 mA，選取的直流電流傳感器的輸入電流為2 A，輸出電流為0～20 mA。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，得到直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量公式

圖3 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速Fig.3 The speed of DCmotor

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)為了能夠更好的測(cè)試直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，分別對(duì)直流電動(dòng)機(jī)在未帶負(fù)載時(shí)的起動(dòng)過(guò)程和穩(wěn)定狀態(tài)是的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，并與直流電動(dòng)機(jī)給出的空載轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。通過(guò)電壓傳感器將直流電動(dòng)機(jī)的電壓信號(hào)采集到PLC中，由直流電流傳感器采集電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)，通過(guò)PLC進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，得到直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

硬件設(shè)計(jì)：本次實(shí)驗(yàn)主要直流電壓、電流檢測(cè)電路、控制電路和顯示電路組成。控制電路以西門子PLC S7－224為核心，通過(guò)紫金橋組態(tài)軟件來(lái)顯示相應(yīng)的讀數(shù)和變化曲線。檢測(cè)電路主要是由霍爾傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓和直流電流的檢測(cè)[10]，為了減少PLC的模擬量輸入模塊的數(shù)量，采用的均為與PLC輸入相匹配的電流型傳感器，

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為由旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得的直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖4 由旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得的速度Fig.4 The speed get by rotary encoder

通過(guò)比較分析可以得知，依據(jù)該種方法測(cè)得的直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定，比應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得的轉(zhuǎn)速更為精確，因此能更好的應(yīng)用在直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中。應(yīng)用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也存在一定的誤差，由于表盤的數(shù)字波動(dòng)不便于讀出精確的數(shù)值，但經(jīng)過(guò)分析可以看出運(yùn)用該種方法測(cè)量轉(zhuǎn)速較測(cè)速電機(jī)的更為直觀和精確。

6 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與實(shí)際給出的空載轉(zhuǎn)速之間存在一定的偏差，但是總體上接近直流電動(dòng)機(jī)出廠所給出的轉(zhuǎn)速的數(shù)值相一致，考慮到在直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中電阻和電感會(huì)受到溫度和周圍環(huán)境的因素的影響而導(dǎo)致直流電動(dòng)機(jī)的電感和電阻值會(huì)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，并且直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的，與實(shí)際的參數(shù)之際存在一定的偏差。本次實(shí)驗(yàn)雖然是基于小型直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的測(cè)量，相對(duì)于大型電動(dòng)機(jī)而言，只是相應(yīng)的參數(shù)發(fā)生變化，這種直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法適用于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒磁通的狀態(tài)下，在電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)中，這種測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法就不適用。

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