基于PLC 的直流電機柔性調速綜合實驗設計

徐桂敏，楊正祥

（1. 湖北第二師范學院 物理與機電工程學院，湖北 武漢 430205；2. 武漢交通職業學院 智能制造學院，湖北 武漢 430065）

應用型本科院校電氣電力課程群都會開設“電機學”“現代電氣控制設備”和“PLC”等課程，直流電機的原理和應用是重要教學內容。直流電機具有良好的啟動、調速性能及節能耐用的特點，是工程常用動力設備[1-2]。直流電機的機械特性硬，適合用作控制電機，調速功能是它的重要應用領域。直流電機調速涉及較多理論知識、硬件模塊和設計思路，是現代電氣控制技術的基礎，也是學生理解PLC 控制電路必須掌握的知識點[3-7]。本文針對應用型本科院校學生學習的特點，設計了基于PLC 的直流電機柔性調速控制系統綜合實驗，讓學生通過實驗來掌握基本電氣模塊的應用方法和PLC 控制系統的設計過程[8-10]。

1 系統組成

直流電機在啟動與調速時常有很高的穩定性和線性調節要求，常用可控硅作為整流與調速元件。可控硅具備弱電控制強電的電力調控功能，當控制端輸入適當信號電壓，可控硅模塊就能線性輸出控制電壓進行電機調速[11]。直流電壓變送器是將電網中的直流電壓隔離并變送成線性的直流模擬信號的裝置[12]。 直流電機柔性調速控制系統的硬件組成如圖1 所示，主要包括4 個模塊（PLC 控制模塊、模擬量模塊、可控硅調速模塊和直流電壓變送器模塊）和直流電機。本系統的PLC 控制模塊采用西門子S7-200，模擬量模塊采用EM235，可控硅調速模塊的型號為MJYD-ZL-30，直流電壓變送器的型號為 ZR26-1V/Q4。圖 1 中的220 V 交流電源經過可控硅轉換后給直流電機提供能源，圖中所示其他電壓均為直流，其中模擬量模塊EM235 的工作電壓是24 V，可控硅調速模塊的工作電壓是12 V，變換器的工作電壓是24 V。圖中模擬量模塊、可控硅調速模塊和直流電壓變送器模塊的輸出電壓為區間值，是因為其受PLC 的電位器控制而可變。

圖1 中，通過擰動電位器產生初始調速信號，經過PLC 程序處理后得到調速數字信號，再利用模擬量模塊的數模轉換功能變成模擬量傳輸給可控硅調速模塊。當可控硅模塊控制端輸入適當模擬量電壓信號時，可控硅模塊會自動調整導通角來改變直流電機輸入端交流電壓的波形，從而改變輸出端電壓的有效值，達到調速的目的。變送器再將含有電機轉速信息的模擬量電壓轉成變送電壓傳到模擬量模塊，利用模數轉換功能把模擬量轉為數字量，傳送給PLC 處理，形成閉環調速控制系統。

圖1 系統組成圖

2 編程

PLC 控制模塊有2 個電位器，其中電位器1 的值自動存儲在特殊存儲器 SMB28 中，電位器 2 的值自動存儲在特殊存儲器SMB29 中，本系統選用電位器1。當電位器旋轉一個角度，特殊存儲器 SMB28 中就得到一個小于255 的整數，把該整數經過數據運算指令（×125.49）和數據長度轉換指令后送入 EM235 的模擬量輸出寄存器 AQW0 中，EM235 的輸出實際由AQW0 輸出。SMB28 是8 位存儲單元（字節），取值為0～255 的整數，AQW0 是16 位存儲單元（字），取值為0～32 000 的整數，編程實現把SMB28 的存儲范圍映射到 AQW0 的存儲范圍。由于 32 000/255=125.49，故程序中要對 SMB28 的值×125.49。參考程序如圖2 所示，其中最核心的部分是MUL_R 雙字實數乘法指令。因為乘法指令是雙字實數運算，所以程序中還需要進行數據長度和數據類型的轉換。EM235將 AQW0 中的整數經過 D/A 轉換后輸出一個小于10 V 的電壓，作用于可控硅的控制端，使直流電機獲得一個轉速。調整電位器的旋鈕，電機就會按不同的輸入電壓，得到不同的轉速[13]。

圖2 梯形圖程序

3 線路連接

直流電機柔性調速控制系統的連接如圖3 所示。接線分為以下4 部分[14]：

（1）模擬量模塊的接線。EM235 通過16 線扁平電纜與PLC 模塊排線孔相連；EM235 的端口M 和L+接入24 V 電源；將EM235 的模擬量輸出端子MO 和VO 引到可控硅調速模塊的控制電壓輸入端：模+、模-。

（2）可控硅調速模塊的接線。將 12 V 穩壓電源連接到可控硅的工作電源端；將220 V 交流電源接入可控硅交流電源輸入端；可控硅輸出端接直流電機的電樞。

（3）直流電機的接線。如果采用并勵方式，磁場線圈并在電樞兩頭。如果采用他勵方式，磁場線圈供電要使用單獨的小電流整流器供電，整流器輸入端連接在電源220 V 可控硅模塊交流輸入端兩頭。本例負載較小，故采用他勵方式。一般電樞線圈的引出線粗，磁場線圈的引出線細，可以分辨出來。或者也可以在斷電情況下測試繞組的電阻，一般磁場線圈的電阻大于幾百歐姆，而電樞線圈的電阻只有幾歐姆或零點幾歐姆。

（4）直流電壓變送器的接線。電機電樞的輸出接入直流電壓變送器的輸入端1、2 引腳。變送器端子6、7 外接工作電源24 V。變送器4、5 引腳是輸出端，連接到EM235 的模塊輸入端子A+、A-。

圖3 系統連接圖

4 實驗結果

系統啟動后，主電路中220 V 交流電源接入可控硅調速模塊，直流電機在輸入電壓推動下轉動。將可控硅控制電壓在0～10 V 進行調整，加載在直流電機上的電壓可以在0～300 V 變化，從而使轉速得以改變，而電機電流不會出現太大波動[15]。從電樞兩端引出電機電壓送達給直流電壓變送器。因為直流電機電樞電壓和轉速成正比，直流電壓變送器將輸出信號以較低的線性電壓送出。變送器輸出電壓為0～5 V，可通過萬用表測量輸出端電壓來估計電機轉速，或者反饋給PLC 進而調整穩定電機轉速。

對于程序中各變量地址里的值可以通過狀態表監控來監控。在PLC 運行狀態下單擊編程軟件中“狀態表監控”按鈕，在地址欄中輸入AQW0 和AIW0，然后將格式都設置為無符號，就可得到各地址里當前值的變化情況。AIW0=AQW0，證明整個系統有效工作，結果正確。

5 衍生實驗

仿照本例亦可設計如下2 個相近的實驗。學生對比學習后，更能加深理解。

（1）不再是通過旋轉電位器控制加減速，而是通過2 個按鈕控制加減速。具體方法是：修改程序，在PLC S7-200 的端口 I0.1 和 I0.2 接控制按鈕 A1 和 A2，步進送入加減速信息至 AQW0。用EM235 的D/A 轉換模塊的模擬量輸出端子MO 和 VO 送出0～10 V 電壓，來給可控硅模塊發出加減速指令，使直流電機調整轉速。電機負荷發生變動的時候，轉速有可能變動，這時直流電機端電壓也會發生變化，經過直流電壓變送器將變化量送入PLC。PLC 經過適當解算、修改加減轉速命令以穩定電機的轉速工作狀態。

（2）不再使用PLC，因此也不需要程序，而是采用硬控制，如圖4 所示，由配電板上的電位器（不是PLC 上的電位器）接線到可控硅模塊輸入端。具體方法是：可控硅模塊的2 個電源輸入端子連接12 V 穩壓電源和地，剩下的3 個控制輸入端子連接外置電位器，注意活動端的連接不要錯。在控制電源通電以后，活動端的電壓可以由電位器調節。電壓為零時，可控硅模塊不導通，直流電機不轉。電壓為10 V 時，可控硅模塊全導通，直流電機全速運轉。

圖4 直流電機硬控制圖

6 結語

通過比較直流電機的幾種轉速調節方式，發現用PLC 模擬量模塊的方式較好，控制過程更平穩，系統性能更優化。通過實驗使學生熟悉了直流電機柔性調速的方法，掌握了相關設備的操作及編程方法，加深了學生對實驗原理的理解，增強了實踐課的教學效果。