田金云，楊 旭

南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，南陽，473004

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一種簡便的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法

田金云，楊 旭

南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，南陽，473004

設(shè)計(jì)了以S7-200 PLC、E40S6-100-3-2-24光電編碼器、VFD007B43A變頻器以及YS6322三相異步電機(jī)為主要器件的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件連接方框圖以及編碼器與PLC的接線圖。在STEP 7 MicroWin SP6軟件平臺下設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)程序，包括主程序、高速計(jì)數(shù)器設(shè)置子程序、中斷設(shè)置子程序和中斷子程序。最后利用該實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了電機(jī)轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法可靠有效，可準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，誤差在0.5%以內(nèi)。

電機(jī)；旋轉(zhuǎn)編碼器；轉(zhuǎn)速測量；高速計(jì)數(shù)

在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，電機(jī)測速技術(shù)是電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的重要問題之一[1-3]，因此簡便可靠地對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量具有一定的實(shí)踐意義。目前電機(jī)轉(zhuǎn)速測量常用的方法有漏磁法、機(jī)械離心法、電磁法、日光燈法、光電傳感器法以及利用測速發(fā)電機(jī)作為傳感器來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速[4-5]。其中，漏磁法的缺點(diǎn)是傳感器安裝和電路測量較為復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)是可用于電機(jī)軸端頭不能露出的場合；機(jī)械離心法與日光燈法適合現(xiàn)場人工測量，但不適合與自動控制系統(tǒng)相連接；電磁法與光電傳感器法都是將電機(jī)速度轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸出；測速發(fā)電機(jī)法是將電機(jī)信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號輸出，與模擬信號相比，脈沖信號抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)現(xiàn)場需求。本文利用光電編碼傳感器與S7-200 PLC，設(shè)計(jì)出一種簡便的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法，能滿足工業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量需求。

1 測速方法

將光電編碼器與電機(jī)同軸連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動編碼器旋轉(zhuǎn)。編碼器旋轉(zhuǎn)一圈，會發(fā)出確定的脈沖，只要測量出采樣時(shí)間內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，即可測量出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)采樣時(shí)間為t秒，測得的脈沖數(shù)為m，旋轉(zhuǎn)一圈編碼器輸出的脈沖數(shù)為z，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/分鐘，則電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為[6]：

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括PLC200CPU224DC/DC/DC，EM235模擬量輸入、輸出模塊，VFD007B43A變頻器，DELIXHH52P中間繼電器，

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

開關(guān)電源，E40S6-100-3-2-24光電編碼器以及YS6322三相異步電機(jī)(圖1)。

圖1中，三相電機(jī)型號為YS6322，額定功率250W，額定轉(zhuǎn)速2800r/min，采用星型接法，額定電壓為220V，額定電流為1.17A。變頻器型號為VFD007B43A，將U、V、W三相與交流電機(jī)相連，驅(qū)動電動機(jī)。光電編碼器型號為E40S6-100-3-2-24，將編碼器與電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器相連。該編碼器有兩根電源線，一根屏蔽線，三根輸出線。電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，編碼器輸出100個(gè)脈沖。開關(guān)電源的正負(fù)分別接PLC的L+與M端子。PLC上的L+與M端子分別與數(shù)字量輸出側(cè)的2L+與2M端子相連，其中L+端子還與數(shù)字量輸入側(cè)的1M端子相連，數(shù)字量輸出側(cè)0.5端子與2M端子分別與中間繼電器線圈兩端相連。繼電器的一對常開觸點(diǎn)分別與變頻器的FWD和DCM端子相連，PLC的L+與M端子分別與EM235模塊上的L+與M端子相連，EM235模塊上的M0與V0分別與變頻器的ACM與AVI端子相連。本設(shè)計(jì)采用編碼器的NPN集電極開路輸出方式，編碼器電源線正端與PLC數(shù)字量輸入側(cè)的1M端子相連，電源線負(fù)端與PLC數(shù)字量輸入側(cè)的M端子相連，編碼器輸出線與PLC數(shù)字量輸入側(cè)的0.3端子相連。PLC數(shù)字量輸入側(cè)的1M端子與0.3端子之間接一個(gè)1k的上拉電阻。編碼器NPN集電極輸出方式與PLC的連接如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)的工作過程：PLC上電，Q0.5置1位置使中間繼電器線圈通電，繼電器常開觸點(diǎn)閉合，啟動變頻器。通過EM235向變頻器輸出一個(gè)0～10V之間的某個(gè)電壓，對應(yīng)0～50Hz之間的某個(gè)頻率，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器每轉(zhuǎn)一圈，發(fā)出100個(gè)脈沖，輸?shù)絇LCI0.3端子。

圖2 編碼器NPN集電極輸出方式與PLC連接圖

3 程序設(shè)計(jì)

S7-200CPU224提供6個(gè)高速計(jì)數(shù)器(HSC0-HSC5)[7]。高速計(jì)數(shù)器的速度比PLC掃描的速度快得多，計(jì)數(shù)脈沖頻率可達(dá)20kHz以上[8]。本設(shè)計(jì)中，采用HSC4高速計(jì)數(shù)器。整個(gè)程序分為四部分：主程序、高速計(jì)數(shù)器設(shè)置子程序、中斷設(shè)置子程序和中斷程序，其中中斷采用時(shí)間中斷方式，子程序由主程序調(diào)用。程序流程圖分別如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將系統(tǒng)硬件連接好后，在Step7 MicroWin SP6軟件平臺下編寫程序，通過PPI電纜下載到PLC中，然后進(jìn)行調(diào)試。在程序調(diào)試中啟用開始程序狀態(tài)監(jiān)控，讀取電機(jī)轉(zhuǎn)速存儲器VD108中的數(shù)據(jù)，即示波器測量I0.3處的單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)。結(jié)果表明：VD108中的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)與示波器計(jì)算出來的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)一致。改變變頻器的給定頻率，也即改變電機(jī)速度，系統(tǒng)同樣能準(zhǔn)確地測量出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

5 結(jié) 語

以上設(shè)計(jì)了以西門子PLC 200與E40S6-100-3-2-24光電編碼器為主要器件的三相電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，同時(shí)介紹了該系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量原理。設(shè)計(jì)時(shí)，給出了硬件實(shí)驗(yàn)平臺和系統(tǒng)連接方框圖，以及電機(jī)轉(zhuǎn)速測量程序。最后利用該實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法工作可靠，可準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對三相電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，誤差在0.5%以內(nèi)。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

2016-11-24

南陽理工學(xué)院校級核心課程改革專項(xiàng)“可編程序控制器教學(xué)改革與實(shí)踐”(HXKC2016023)。

田金云(1973-)，湖南株洲人，博士，副教授，研究方向：檢測與過程控制。

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.03.027

TP273

A

1673-2006(2017)03-0098-03