基于PLC的直流電機調(diào)速控制器設(shè)計

郝結(jié)來 謝軍

摘? ? 要：基于PLC的直流電機調(diào)速控制器以三菱FX2N為核心，通過定時器T246和T247實現(xiàn)了PWM波的輸出功能，使PWM輸出不受輸出繼電器的限制。系統(tǒng)設(shè)置了啟動開關(guān)自鎖按鍵，三檔位速度控制旋鈕。通過軟件繼電器M0實現(xiàn)了軟件程序啟動自鎖，防止啟動開關(guān)異常時程序無法啟動的問題。設(shè)置系統(tǒng)啟動指示燈和電機啟動指示燈，便于用戶知曉系統(tǒng)工作是否正常。通過對6 V小型直流電機的實驗，論證了該控制器能夠達到較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：PLC;PWM;定時器;電機調(diào)速

中圖分類號：TM925.11;TP273? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號2095-7394（2018）06-0047-05

直流電機在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，對直流電機的速度調(diào)控只需要控制電機的工作電壓即可[1]，這也是其應(yīng)用廣泛的一個重要原因。利用PWM脈寬調(diào)制方法，可方便地控制負載端的平均電壓，在脈沖的低電壓趨近于0時，負載的平均電壓與PWM的占空比成正比[2-4]。三菱FX2N型PLC是一款小型高性能的超小程序裝置，具有配置固定靈活，編程簡單，高性能與高運算速度等特點，具有豐富的軟件定時器與軟件繼電器，可滿足多樣化廣泛需求。

1? ? PWM輸出與PLC配置

1.1定時器PWM輸出配置

定時器PWM波輸出配置PWM波是周期變化的方波信號，其占空比可調(diào)，通過調(diào)節(jié)占空比可實現(xiàn)不同平均電壓的輸出[5-7]。PWM波形函數(shù)可表示為：

在PLC中可使用高速定時器完成PWM波的輸出功能，三菱FX2N型PLC內(nèi)部集成有PWM輸出功能[ PWM S1 S2 D]，其中S1用于指定脈沖的寬度，S2用于指令脈沖的周期，單位都為 ms，取值范圍為0～32767，S1應(yīng)小于等于S2。D用于指令脈沖輸出端口，F(xiàn)X2N晶體管輸出型PLC僅能使用Y0和Y1作為PWM輸出口。在保證PWM輸出性能的情況下，選擇使用高速定時器可克服上述缺陷。FX2N的定時器包括T0～T199：100 ms普通定時器，設(shè)定范圍為0.1～3276.7 s;T200～T245，10 ms普通定時器，設(shè)定范圍為0.01～327.67 s;T246～T249，1 ms累計定時器，設(shè)定范圍為0.001～32.767 s;T250～T255，100 ms普通定時器，設(shè)定范圍為0.1～3276.7 s。

實驗使用累計定時器T246和T247，其中T246作為PWM波的周期定時器，T247作為PWM高電平持續(xù)定時器，根據(jù)式（2）可得PWM的頻率與輸出電壓平均值為[9，11，12]：

1.2? ?PLC引腳配置

用X表示輸入繼電器用，Y表示輸出繼電器，輸入繼電器是用于接收和存儲外部輸入信號，線圈只能通過外部信號來驅(qū)動，而不能通過內(nèi)部程序來驅(qū)動。輸出繼電器線圈只能通過程序驅(qū)動，可用于驅(qū)動外部負載。用M表示輔助繼電器，其線圈只能通過程序驅(qū)動用于內(nèi)部編程，不能直接驅(qū)動外部負載。用K表示十進制常數(shù)，用于設(shè)定定時器的定時時間，實驗配置PLC功能如表1所示。

系統(tǒng)啟動開關(guān)硬件配置為自鎖性機械開關(guān)，在開關(guān)按下時便實現(xiàn)自鎖功能，使系統(tǒng)正式啟動，該開關(guān)可實現(xiàn)啟動與停止兩用功能。Y000用于指示系統(tǒng)是否已經(jīng)啟動，可根據(jù)系統(tǒng)啟動指示燈判斷系統(tǒng)是否發(fā)生了異常。T246為PWM脈沖周期定時器，實驗設(shè)置T246的K值為500，即PWM脈沖的周期為500毫秒，T247為PWM高電平持續(xù)定時器，實驗配置X001電機調(diào)速1檔的K值為150，X002電機調(diào)速2檔K值為300，X003電機調(diào)速檔K值為500，即PWM高電平持續(xù)時間分別為150毫秒，300毫秒和500毫秒，根據(jù)式（2）可知三個檔位的PWM占空比分別為0.3，0.6和1。

2? ?軟件設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中電源1為PLC供電，電源2為負載供電，這樣做的目的是為了將控制器電源與負載電源相對地隔離開來，這樣電源2可根據(jù)負載的特性進行適配，使系統(tǒng)對電源的依賴性降低。PWM接收器是實現(xiàn)PLC的PWM輸出到負載PWM輸出的裝置，可通過固態(tài)繼電器完成這種輸出，固態(tài)機電器將電源2與負載連接，當(dāng)PWM輸出為高電平時，則接通負載，當(dāng)為低電平時，則斷開負載。

2.2? ?軟件程序流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括系統(tǒng)初始化，判斷系統(tǒng)開啟/停止開關(guān)狀態(tài)，判斷檔位狀態(tài)，定時器初始化設(shè)置以及判斷PWM高電平持續(xù)定時器是否溢出等，系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

當(dāng)系統(tǒng)開始后，首先進行系統(tǒng)初始化，其中包括PLC的基本運行程序，讓PLC進入運行狀態(tài)。系統(tǒng)開啟/停止按鈕X000按下后開啟輔助繼電器M0使程序自鎖，程序正式開始運行。運行后要判斷此時的檔位狀態(tài)，當(dāng)檔位X001為啟動狀態(tài)時，則啟動定時器T247并賦值K為150，同理當(dāng)檔位X002和X003為啟動狀態(tài)時，分別賦值K為300和500。系統(tǒng)每次只能選擇一個檔位，不同檔位之間不能產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致檔位選擇不確定，所以在程序設(shè)計時，X001開啟時要斷開X002和X003。當(dāng)PWM運行一個周期后，即T246定時器溢出，則復(fù)位T246和T247。

3? ?系統(tǒng)仿真與實驗

通過GX Developer 7.0軟件進行軟件程序的仿真實驗，要使用仿真程序需安裝GX Simulator 6cn。仿真內(nèi)容包括對PLC各功能接口的監(jiān)控以及波形輸出，各檔位分別開啟時系統(tǒng)的狀態(tài)。在Developer的“工具”選項卡的“梯形圖邏輯測試啟動/結(jié)束”中打開軟件仿真程序。

（1）系統(tǒng)啟動運行仿真

如圖3所示，軟元件X000按鈕按下時，X000顯示為高亮顯示的黃色，此時輸出繼電器Y000和輔助繼電器M0均為高亮顯示的黃色，表明程序已經(jīng)正常啟動了，M0實現(xiàn)了程序的自鎖。

（2）X001檔位仿真

如圖4所示，X001檔位的仿真時序變化，此時X001區(qū)域為高亮的黃色標(biāo)出，X001為高電平，時序圖中為較粗的藍線。在X001開啟時，X002和X003均為斷開狀態(tài)，時序圖中為較細的藍線。PWM輸出端Y002出現(xiàn)高低電平變化的時序圖，該時序圖即為PWM波輸出圖。程序設(shè)置了X002檔位的T247的K值為300，則Y002的高電平持續(xù)時間約為300毫秒。

（3）X002檔位仿真

如圖5所示，X002檔位的仿真時序變化，此時X002區(qū)域為高亮的黃色標(biāo)出，X002為高電平。在X002開啟時，X001和X003均為斷開狀態(tài)，輸出端Y002出現(xiàn)高低電平變化的時序。程序設(shè)置了X001檔位的T247的K值為150，則Y002的高電平持續(xù)時間約為150毫秒。

（4）X003檔位仿真

如圖6所示，X003檔位的仿真時序變化，此時X003區(qū)域為高亮的黃色標(biāo)出，X003為高電平。在X003開啟時，X001和X002均為斷開狀態(tài)，輸出端Y002出現(xiàn)高低電平變化的時序。程序設(shè)置了X003檔位的T247的K值為500，則Y002的高電平持續(xù)時間約為500毫秒。

綜合軟件仿真的結(jié)果可知，系統(tǒng)能夠根據(jù)要求正常啟動和運行，系統(tǒng)的PWM輸出可根據(jù)檔位的變化發(fā)生響應(yīng)的變化，并根據(jù)定時器T247的K值的增大而增大。根據(jù)圖5可知，雖然設(shè)置了T247的K值為500，在理論上Y002應(yīng)為高電平的連續(xù)輸出，但圖5的Y002波形顯示了Y002有一段時間是為低電平的，這是因為程序的每一條指令的運行需要一定的時間，T246與T247的運行不完全同步，可根據(jù)實際情況選擇使用定時器輸出PWM波形的方法。

以6 V的小型直流電機為例進行實驗，實驗結(jié)果如表2所示，實驗結(jié)果對比了理論占空比與實際占空比，電機兩端的理論電壓和實際測得的平均電機電壓。實驗結(jié)果表明電機兩端的電壓隨檔位的增加而增加，實際占空比與理論占空比的誤差也較小，實際測得的電壓也與理論電壓的誤差較小，所以該控制器能夠達到較好的控制效果。

4? ? 結(jié)論

基于三菱FX2N行PLC設(shè)計實現(xiàn)了直流電機的PWM調(diào)速控制器，通過定時器模擬PWM波的輸出，設(shè)置了控制器的三檔位控制，通過系統(tǒng)開啟指示燈判斷是否正常啟動和運行，通過輔助繼電器M0實現(xiàn)程序的自鎖功能。軟件仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的運行正常，PWM輸出的波形與檔位相對應(yīng)，能夠根據(jù)檔位的變化產(chǎn)生相應(yīng)的變化，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠達到較好的控制精度，與仿真結(jié)果相應(yīng)。

參考文獻：

[1] 徐宇寶， 林華， 王子權(quán). 基于STM32智能溫控自調(diào)速風(fēng)扇PID控制研究[J]. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2018，34（05）：7-11+18.

[2] 吳禮福， 陳浩， 華國環(huán)， 等. 基于STM32單片機的溶解氧測量儀[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2017（08）：28-31.

[3] 黃琦， 韓廣源， 吳瑞東， 等. 基于STM32的高精度恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2017（05）：71-74.

[4] 溫茹涵. 基于STM32的模糊PID溫度控制系統(tǒng)[D]. 青島大學(xué)，2015.

[5] 黃英， 趙志杰， 郭太峰. 基于PWM的汽車儀表步進電機控制算法[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2012（06）：740-743.

[6] 周學(xué)禮， 沈發(fā)旺， 王洪遠. 基于MSP430單片機的12V風(fēng)扇智能調(diào)速器設(shè)計[J]. 微計算機信息， 2010（08）：100-102.

[7] 蔡金萍. 基于PWM的直流調(diào)速器的研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2008.

[8] 李素娟， 蔣維安. 直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)中控制電壓非線性研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2010（22）：196-198+202.

[9] 王瓊， 吳惠， 夏光， 等. 基于PWM控制模式的高速開關(guān)閥開關(guān)特性分析及優(yōu)化[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2016（09）：1199-1204.

[10] 何國榮， 紀(jì)娜. 基于PWM技術(shù)的LED補光燈R/B配比算法研究[J]. 信息技術(shù)， 2015（05）：147-150.

[11] 程伊炳， 金尚忠. 基于多路輸出的高效LED驅(qū)動器的分析和仿真[J]. 照明工程學(xué)報， 2013（02）：66-70.

[12] 李楊帥. 基于PWM的無級調(diào)光LED驅(qū)動電路設(shè)計[D]. 長安大學(xué)，2015：8-19.