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(yè)學院 智能制造學院，湖北 武漢 430065）

應(yīng)用型本科院校電氣電力課程群都會開設(shè)“電機學”“現(xiàn)代電氣控制設(shè)備”和“PLC”等課程，直流電機的原理和應(yīng)用是重要教學內(nèi)容。直流電機具有良好的啟動、調(diào)速性能及節(jié)能耐用的特點，是工程常用動力設(shè)備[1-2]。直流電機的機械特性硬，適合用作控制電機，調(diào)速功能是它的重要應(yīng)用領(lǐng)域。直流電機調(diào)速涉及較多理論知識、硬件模塊和設(shè)計思路，是現(xiàn)代電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ)，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(yīng)用型本科院校學生學習的特點，設(shè)計了基于PLC 的直流電機柔性調(diào)速控制系統(tǒng)綜合實驗，讓學生通過實驗來掌握基本電氣模塊的應(yīng)用方法和PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計過程[8-10]。

1 系統(tǒng)組成

直流電機在啟動與調(diào)速時常有很高的穩(wěn)定性和線性調(diào)節(jié)要求，常用可控硅作為整流與調(diào)速元件。可控硅具備弱電控制強電的電力調(diào)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(diào)速[11]。直流電壓變送器是將電網(wǎng)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(diào)速控制系統(tǒng)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(diào)速模塊和直流電壓變送器模塊）和直流電機。本系統(tǒng)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(diào)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(jīng)過可控硅轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)速模塊和直流電壓變送器模塊的輸出電壓為區(qū)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(chǎn)生初始調(diào)速信號，經(jīng)過PLC 程序處理后得到調(diào)速數(shù)字信號，再利用模擬量模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能變成模擬量傳輸給可控硅調(diào)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(diào)整導(dǎo)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(diào)速的目的。變送器再將含有電機轉(zhuǎn)速信息的模擬量電壓轉(zhuǎn)成變送電壓傳到模擬量模塊，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換功能把模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，傳送給PLC 處理，形成閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)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(tǒng)選用電位器1。當電位器旋轉(zhuǎn)一個角度，特殊存儲器 SMB28 中就得到一個小于255 的整數(shù)，把該整數(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)運算指令（×125.49）和數(shù)據(jù)長度轉(zhuǎn)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(jié)），取值為0～255 的整數(shù)，AQW0 是16 位存儲單元（字），取值為0～32 000 的整數(shù)，編程實現(xiàn)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(shù)乘法指令。因為乘法指令是雙字實數(shù)運算，所以程序中還需要進行數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。EM235將 AQW0 中的整數(shù)經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。調(diào)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(zhuǎn)速[13]。

圖2 梯形圖程序

3 線路連接

直流電機柔性調(diào)速控制系統(tǒng)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(diào)速模塊的控制電壓輸入端：模+、模-。

（2）可控硅調(diào)速模塊的接線。將 12 V 穩(wěn)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?；蛘咭部梢栽跀嚯娗闆r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(tǒng)連接圖

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)啟動后，主電路中220 V 交流電源接入可控硅調(diào)速模塊，直流電機在輸入電壓推動下轉(zhuǎn)動。將可控硅控制電壓在0～10 V 進行調(diào)整，加載在直流電機上的電壓可以在0～300 V 變化，從而使轉(zhuǎn)速得以改變，而電機電流不會出現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，或者反饋給PLC 進而調(diào)整穩(wěn)定電機轉(zhuǎn)速。

對于程序中各變量地址里的值可以通過狀態(tài)表監(jiān)控來監(jiān)控。在PLC 運行狀態(tài)下單擊編程軟件中“狀態(tài)表監(jiān)控”按鈕，在地址欄中輸入AQW0 和AIW0，然后將格式都設(shè)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(tǒng)有效工作，結(jié)果正確。

5 衍生實驗

仿照本例亦可設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)出加減速指令，使直流電機調(diào)整轉(zhuǎn)速。電機負荷發(fā)生變動的時候，轉(zhuǎn)速有可能變動，這時直流電機端電壓也會發(fā)生變化，經(jīng)過直流電壓變送器將變化量送入PLC。PLC 經(jīng)過適當解算、修改加減轉(zhuǎn)速命令以穩(wěn)定電機的轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)。

（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(wěn)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(diào)節(jié)。電壓為零時，可控硅模塊不導(dǎo)通，直流電機不轉(zhuǎn)。電壓為10 V 時，可控硅模塊全導(dǎo)通，直流電機全速運轉(zhuǎn)。

圖4 直流電機硬控制圖

6 結(jié)語

通過比較直流電機的幾種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式，發(fā)現(xiàn)用PLC 模擬量模塊的方式較好，控制過程更平穩(wěn)，系統(tǒng)性能更優(yōu)化。通過實驗使學生熟悉了直流電機柔性調(diào)速的方法，掌握了相關(guān)設(shè)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。