可编程控制技术在直流调速系统中的应用

【摘 要】本文介绍了转速-电流双闭环直流调速系统，分析了调速系统的基本性能指标，然后系统的论述了现代PLC控制技术，说明了PLC控制系统的基本设计方法，采用可靠性高的大功率晶闸管为调速系统可控整流电源，依据现代控制理论，对直流调速系统的电机、PLC逻辑控制、调速系统的主电源、控制电源进行说明，并对PLC在调速速系统中应用时的主要问题—电磁干扰做了进一步阐释。

【关键词】可编程控制器；直流电机调速系统；晶闸管

0.引言

直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高的优点，被广泛的应用到各种拖动机械设备。大功率直流调速系统是弱电控制与强电控制相结合的系统。系统弱电部分检测系统工作时的转速、电枢电流、电机温度、晶闸管温度等信号，根据检测到的信号发出控制信号；强电部分根据控制信号调节电动机转速，拖动绞刀、钻机等机械负载进行作业，以满足不同作业现场的需要。可编程控制器PLC是通用的自动化控制装置，实现自动化、智能化控制的核心控制元件。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，采用模块式组合设计，具有控制功能强，可靠性高、使用灵活方便，易于扩展等优点。

1.直流电机调速系统

1.1转速一电流双闭环调速系统

为了同时满足动念性能指标和稳念性能指标，晶闸管一直流电动机电力拖动系统常常引入电机转速、电枢电流等反馈量，并设计合适的动态校正装置，来满足不同负载对系统的要求。在系统中设置了两个调节器，分别调节主要被调量转速和辅助被调量电流，二者之间实行串级联接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环。转速调节环在外面，叫做外环。设计时，先设计电流调节器，然后把整个电流环当作转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，在正常运行时，电流调节器ACR不会达到饱和状态，只有转速调节器ASR饱和与不饱和两种情况。调节器饱和时，调节器的输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，即隔断了输入和输出的联系，只有在输入端加方向的U才可以使调节器退出饱和；调节器不饱和时，输出小于限幅值，比例积分作用可使输入偏差电压U在稳态时总是零，转速和电流可以认为是无静差的，但由于调节器ASR和ACR的积分保持作用，ASR和ACR都有恒定的输出电压。

1.2调速系统的主要性能指标

调速基本要求是稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时定位精度等。对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：

1.2.1调速

在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。

1.2.2稳速

以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。

1.2.3加、减速

频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

2.PLC控制的直流调速系统设计

2.1对直流电动机的要求

（1）直流电动机安装空问的尺寸受到很大的限制，其轴向尺寸受到船舶工况的限制，所以要求电动机及控制结构紧凑。

（2）直流电动机运行过程中，由于负载经常突变和动力装置的振动，使电动机承受很大的冲击和振动，要求电动机的零部件连接牢固、机械强度高。

（3）直流电动机使用环境恶劣，很容易受盐雾、潮湿、污泥、温度变化等因素的影响，所以它的绝缘材料和绝缘规格应具有与上述因素相适应的能力，并具有一定的抗腐蚀能力。

（4）直流电动机需要经常启动、过载、制动以及在磁场削弱条件下高速运行，换向条件差，因此电动机在结构设计方面，必须对换向问题特别注意，采取抑制措施，防止换向器上产生火花甚至环火。

2.2 PLC的调速系统逻辑控制的实现

调速系统的主电路、调速控制电路以及信号检测电路的设计，实现了晶闸管直流电动机拖动系统的调速功能，以及电流、电压、温度等反馈信号的检测，基于PLC控制技术的逻辑控制部分的设计则实现了直流电动机的逻辑起停、正反转运行、风机的运行、速度给定、故障保护、报警等自动控制功能。

2.3常用的直流调速系统电源

（1）旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

（2）静止可控整流器用静止的可控整流器，例如晶闸管可控整流器，以获得可调的直流电压。

（3）直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。旋转变流机组由于至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因而设备多，体积庞大，日常运行和维护的费用高，至今只在少数尚未进行设备更新的工厂采用；脉宽调制虽然可以得到脉动很小的直流电流，减少电动机的耗损和发热，但由于受到整流器件容量的限制，目前只用于中、小功率的调速系统。

3.辅助电源的设计

辅助电源是控制系统的心脏，整个调速系统控制系统的电源都来自于辅助电源，触发电路、调速控制电路的±15V电源，PLC的24V直流电源，检测电路中芯片需要的±12V电源等。辅助电源质量的好坏直接影响调速系统的性能，因此本系统采用开关电源为控制系统供电。开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源，与线性稳压电源相比，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、纹波小、噪音低、智能化程度高、易扩容等优良特性。

PLC的抗干扰设计：

3.1电源的抗干扰措施

电源是干扰进入PLC的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电设备是主要的干扰源。可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器。

3.2安装的抗干扰措施

PLC应远离强干扰源，大型动力设备等。PLC不能与高压电器安装在同一开关柜内，在柜内PLC应远离动力线，两者之间的距离应大于200mm。与PLC装在同一个开关柜的电感元件，例如继电器、接触器的线圈，并联RC消弧电路。良好的接地是PLC可靠运行的重要条件，PLC与强电设备分别使用不同的接地，接地线的截面积大于2mm2，接地点与PLC的距离小于50m。

4.结论

直流电机调速发展趋势主要集中在控制理论的不断完善和控制元件水平的不断提高两方面。在控制力理论方面，自适应控制、模糊控制、PID控制等控制理论被引入。在控制元件方面，电力电子器件向集成化、模块化、数字化方向发展，随着第二代、第三代功率变换器件的不断自我完善，直流电机调速系统的性能也会得到进一步的完善，基于PLC控制技术实现的调速系统的逻辑控制系统将越来越智能化。本论文对以后的直流电机调速系统研究具有一定的参考价值。要深入研究整个直流电机调速系统，里面所涉及的工作量和研究内容是相当丰富的。由于作者的研究时间和研究水平的限制，会有许多考虑不到的地方。这项研究需要更多的人来参与和完善。

【参考文献】

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2003.7.

[2]鲁远栋.PLC机电控制系统应用设计技术.北京：电子工业出版社，2006.4.

[3]阮毅，陈维钧.运动控制系统.北京：清华人学出版社，2006.9.

[4]S7-200 Automation system manual.Siemens Automation Company.