基于PLC的直流電機(jī)調(diào)速控制器設(shè)計(jì)

郝結(jié)來(lái) 謝軍

摘? ? 要：基于PLC的直流電機(jī)調(diào)速控制器以三菱FX2N為核心，通過(guò)定時(shí)器T246和T247實(shí)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(dòng)開(kāi)關(guān)自鎖按鍵，三檔位速度控制旋鈕。通過(guò)軟件繼電器M0實(shí)現(xiàn)了軟件程序啟動(dòng)自鎖，防止啟動(dòng)開(kāi)關(guān)異常時(shí)程序無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)題。設(shè)置系統(tǒng)啟動(dòng)指示燈和電機(jī)啟動(dòng)指示燈，便于用戶知曉系統(tǒng)工作是否正常。通過(guò)對(duì)6 V小型直流電機(jī)的實(shí)驗(yàn)，論證了該控制器能夠達(dá)到較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：PLC;PWM;定時(shí)器;電機(jī)調(diào)速

中圖分類號(hào)：TM925.11;TP273? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)2095-7394（2018）06-0047-05

直流電機(jī)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)控只需要控制電機(jī)的工作電壓即可[1]，這也是其應(yīng)用廣泛的一個(gè)重要原因。利用PWM脈寬調(diào)制方法，可方便地控制負(fù)載端的平均電壓，在脈沖的低電壓趨近于0時(shí)，負(fù)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(jiǎn)單，高性能與高運(yùn)算速度等特點(diǎn)，具有豐富的軟件定時(shí)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(shí)器PWM輸出配置

定時(shí)器PWM波輸出配置PWM波是周期變化的方波信號(hào)，其占空比可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比可實(shí)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(shí)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(shí)器可克服上述缺陷。FX2N的定時(shí)器包括T0～T199：100 ms普通定時(shí)器，設(shè)定范圍為0.1～3276.7 s;T200～T245，10 ms普通定時(shí)器，設(shè)定范圍為0.01～327.67 s;T246～T249，1 ms累計(jì)定時(shí)器，設(shè)定范圍為0.001～32.767 s;T250～T255，100 ms普通定時(shí)器，設(shè)定范圍為0.1～3276.7 s。

實(shí)驗(yàn)使用累計(jì)定時(shí)器T246和T247，其中T246作為PWM波的周期定時(shí)器，T247作為PWM高電平持續(xù)定時(shí)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(chǔ)外部輸入信號(hào)，線圈只能通過(guò)外部信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，而不能通過(guò)內(nèi)部程序來(lái)驅(qū)動(dòng)。輸出繼電器線圈只能通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)，可用于驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。用M表示輔助繼電器，其線圈只能通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)用于內(nèi)部編程，不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。用K表示十進(jìn)制常數(shù)，用于設(shè)定定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)配置PLC功能如表1所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)硬件配置為自鎖性機(jī)械開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)按下時(shí)便實(shí)現(xiàn)自鎖功能，使系統(tǒng)正式啟動(dòng)，該開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)與停止兩用功能。Y000用于指示系統(tǒng)是否已經(jīng)啟動(dòng)，可根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)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(shí)器，實(shí)驗(yàn)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(shí)器，實(shí)驗(yàn)配置X001電機(jī)調(diào)速1檔的K值為150，X002電機(jī)調(diào)速2檔K值為300，X003電機(jī)調(diào)速檔K值為500，即PWM高電平持續(xù)時(shí)間分別為150毫秒，300毫秒和500毫秒，根據(jù)式（2）可知三個(gè)檔位的PWM占空比分別為0.3，0.6和1。

2? ?軟件設(shè)計(jì)

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(fù)載供電，這樣做的目的是為了將控制器電源與負(fù)載電源相對(duì)地隔離開(kāi)來(lái)，這樣電源2可根據(jù)負(fù)載的特性進(jìn)行適配，使系統(tǒng)對(duì)電源的依賴性降低。PWM接收器是實(shí)現(xiàn)PLC的PWM輸出到負(fù)載PWM輸出的裝置，可通過(guò)固態(tài)繼電器完成這種輸出，固態(tài)機(jī)電器將電源2與負(fù)載連接，當(dāng)PWM輸出為高電平時(shí)，則接通負(fù)載，當(dāng)為低電平時(shí)，則斷開(kāi)負(fù)載。

2.2? ?軟件程序流程

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

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，其中包括PLC的基本運(yùn)行程序，讓PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)開(kāi)啟/停止按鈕X000按下后開(kāi)啟輔助繼電器M0使程序自鎖，程序正式開(kāi)始運(yùn)行。運(yùn)行后要判斷此時(shí)的檔位狀態(tài)，當(dāng)檔位X001為啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，則啟動(dòng)定時(shí)器T247并賦值K為150，同理當(dāng)檔位X002和X003為啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，分別賦值K為300和500。系統(tǒng)每次只能選擇一個(gè)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(jì)時(shí)，X001開(kāi)啟時(shí)要斷開(kāi)X002和X003。當(dāng)PWM運(yùn)行一個(gè)周期后，即T246定時(shí)器溢出，則復(fù)位T246和T247。

3? ?系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

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

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行仿真

如圖3所示，軟元件X000按鈕按下時(shí)，X000顯示為高亮顯示的黃色，此時(shí)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(dòng)了，M0實(shí)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(shí)序變化，此時(shí)X001區(qū)域?yàn)楦吡恋狞S色標(biāo)出，X001為高電平，時(shí)序圖中為較粗的藍(lán)線。在X001開(kāi)啟時(shí)，X002和X003均為斷開(kāi)狀態(tài)，時(shí)序圖中為較細(xì)的藍(lán)線。PWM輸出端Y002出現(xiàn)高低電平變化的時(shí)序圖，該時(shí)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(shí)間約為300毫秒。

（3）X002檔位仿真

如圖5所示，X002檔位的仿真時(shí)序變化，此時(shí)X002區(qū)域?yàn)楦吡恋狞S色標(biāo)出，X002為高電平。在X002開(kāi)啟時(shí)，X001和X003均為斷開(kāi)狀態(tài)，輸出端Y002出現(xiàn)高低電平變化的時(shí)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(shí)間約為150毫秒。

（4）X003檔位仿真

如圖6所示，X003檔位的仿真時(shí)序變化，此時(shí)X003區(qū)域?yàn)楦吡恋狞S色標(biāo)出，X003為高電平。在X003開(kāi)啟時(shí)，X001和X002均為斷開(kāi)狀態(tài)，輸出端Y002出現(xiàn)高低電平變化的時(shí)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(shí)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(dòng)和運(yùn)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(shí)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(shí)間是為低電平的，這是因?yàn)槌绦虻拿恳粭l指令的運(yùn)行需要一定的時(shí)間，T246與T247的運(yùn)行不完全同步，可根據(jù)實(shí)際情況選擇使用定時(shí)器輸出PWM波形的方法。

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

4? ? 結(jié)論

基于三菱FX2N行PLC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制器，通過(guò)定時(shí)器模擬PWM波的輸出，設(shè)置了控制器的三檔位控制，通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)啟指示燈判斷是否正常啟動(dòng)和運(yùn)行，通過(guò)輔助繼電器M0實(shí)現(xiàn)程序的自鎖功能。軟件仿真結(jié)果表明系統(tǒng)的運(yùn)行正常，PWM輸出的波形與檔位相對(duì)應(yīng)，能夠根據(jù)檔位的變化產(chǎn)生相應(yīng)的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的控制精度，與仿真結(jié)果相應(yīng)。

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