徐桂敏，李莎

（湖北第二師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205）

1 引言

電機(jī)是應(yīng)用廣泛的動(dòng)力裝置，在電氣自動(dòng)化相關(guān)專(zhuān)業(yè)的電氣控制系列課程中，針對(duì)電機(jī)的控制模塊和傳動(dòng)技術(shù)是最重要的教學(xué)內(nèi)容。[1]-[4]筆者曾應(yīng)用西門(mén)子S7-200 PLC控制器、模擬量模塊、可控硅調(diào)速模塊和直流電壓變送器實(shí)現(xiàn)了“直流電機(jī)柔性調(diào)速”。[5]交流電機(jī)的功率大、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速的效率更高、調(diào)速范圍廣、機(jī)械特性硬，在自動(dòng)加工機(jī)床、輸水通風(fēng)工程和交通車(chē)輛控制中應(yīng)用更為廣泛，所以交流電機(jī)的應(yīng)用和控制方法是相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。[6]-[7]其中，變頻器調(diào)速和高速計(jì)數(shù)器測(cè)速是學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐中的難點(diǎn)所在。筆者在PLC控制器的基礎(chǔ)上，結(jié)合變頻器、高速計(jì)數(shù)器和編碼器實(shí)現(xiàn)了三相異步交流電機(jī)的調(diào)速和測(cè)速綜合實(shí)訓(xùn)，利用一臺(tái)PLC控制變頻器進(jìn)行交流電機(jī)調(diào)速，利用另一臺(tái)PLC和編碼器實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用兩臺(tái)西門(mén)子S7-200的PLC控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的調(diào)速和測(cè)速，系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。三相異步交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p（1-s），其中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為通過(guò)電機(jī)定子繞組的三相交流電頻率，p為磁極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，只要改變s、f、p三者中的任何一個(gè)，就可改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。[8]-[9]PLC1用于控制變頻器向電機(jī)定子繞組輸入不同頻率的三相交流電，由三相交流電頻率f的改變來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速n。[10]-[13]

圖1 系統(tǒng)控制原理圖

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)選用測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度比較成熟的增量式轉(zhuǎn)角編碼器歐姆龍E6B2-CWZ5G，該編碼器的輸出有A、B、Z相，它們的輸出脈沖個(gè)數(shù)可以用于轉(zhuǎn)速測(cè)量和計(jì)數(shù)同步。編碼器每轉(zhuǎn)一圈，A和B相分別輸出200個(gè)脈沖，Z相輸出1個(gè)脈沖。PLC2的高速計(jì)數(shù)器接收A相編碼器脈沖，并通過(guò)中斷的方式統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)編碼器脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)而計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。A、B相輸出的是相位上相差90度的兩組脈沖，可根據(jù)A、B相脈沖的先后關(guān)系分辨出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向，使運(yùn)動(dòng)的機(jī)械動(dòng)作方向及角度能夠準(zhǔn)確記錄下來(lái)。[14]PLC的普通計(jì)數(shù)器通過(guò)CPU在每個(gè)掃描周期捕捉被測(cè)信號(hào)上升沿的方式計(jì)數(shù)，如果被測(cè)信號(hào)的頻率較高，就會(huì)丟失計(jì)數(shù)脈沖。因電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率過(guò)高，普通計(jì)數(shù)器不適合測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故選用了高速計(jì)數(shù)器。[15]

3 過(guò)程設(shè)計(jì)

3.1 變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制

PLC1與變頻器MMM440連接完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與三段調(diào)速控制。調(diào)速控制系統(tǒng)的I/O端口分配如表1所示，按鈕SB1（I0.0）、SB2（I0.1）和SB3（I0.2）分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。

表1 PLC1的I/O分配表

根據(jù)I/O分配表，PLC1與變頻器的硬件接線圖如圖2所示。PLC1的輸出端子Q0.0、Q0.1和Q0.2分別連接變頻器的輸入端子DIN1（5#端子）、DIN2（6#端子）和DIN3（7#端子），用于選擇各自頻率，DIN4（8#端子）接通時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，DIN5（16#端子）接通時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。9#端子接PLC1輸出的直流24V，而28#端子用于接地。[16]從L1、L2、L3端輸入工頻電壓至變頻器，變頻器在PLC1控制下選頻和調(diào)頻，然后從U、V、W端輸出頻率已調(diào)的三相交流電傳送到交流電機(jī)。

圖2 PLC1控制變頻器接線圖

變頻器MM440對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置值和功能說(shuō)明如表2所示，以三段頻率調(diào)速為例，頻率分別設(shè)為10Hz、30Hz和50Hz。

表2 變頻器參數(shù)設(shè)置表

PLC1控制電機(jī)正（反）轉(zhuǎn)三段調(diào)速程序如圖3所示，變頻器MM440三段速控制過(guò)程為：（1）第1頻段（10HZ）控制：按下正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕SB2（I0.1接通），SB1和SB3均斷開(kāi)，程序段a中輸出繼電器Q0.3線圈得電，故程序段c中常開(kāi)觸點(diǎn)Q0.3閉合，Q0.0線圈得電，選中變頻器MM440的DIN1（5#端子），變頻器工作在由P1001參數(shù)所設(shè)置的第1頻段10HZ上，同時(shí)定時(shí)器T37得電開(kāi)始計(jì)時(shí)；（2）第2頻段（30HZ）控制：當(dāng)定時(shí)器T37的計(jì)時(shí)時(shí)間大于或等于20s（200*100ms=20s）時(shí)，程序段d中Q0.1線圈得電，同時(shí)Q0.0復(fù)位，此時(shí)選中變頻器DIN2（6#端子），變頻器工作在由P1002參數(shù)所設(shè)置的第2頻段30HZ上；（3）第3頻段（50HZ）控制：當(dāng)定時(shí)器T37的計(jì)時(shí)時(shí)間大于或等于40s（400*100ms=40s）時(shí)，程序段e中Q0.2線圈得電，同時(shí)Q0.1復(fù)位，此時(shí)選中變頻器DIN3（7#端子），變頻器工作在由P1003參數(shù)所設(shè)置的第3頻段50HZ上。PLC1通過(guò)反轉(zhuǎn)按鈕SB3控制變頻器的三段調(diào)頻進(jìn)而控制電機(jī)的三段調(diào)速同正轉(zhuǎn)調(diào)速方法類(lèi)似，此處不贅述。按下停止按鈕SB1（I0.0），電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 PLC1控制正（反）轉(zhuǎn)三段調(diào)速程序

3.2 高速計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的測(cè)速控制

如圖4所示，實(shí)訓(xùn)過(guò)程中為了更準(zhǔn)確地測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將編碼器固定套接在交流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，這種軟連接的方式可減少震動(dòng)。[17]編碼器的棕色線連接24v直流電源，藍(lán)色線連接電源負(fù)極，黑色A相輸出線連接至PLC2的I0.0，白色B相輸出線連接至PLC2的I0.1。

圖4 編碼器與交流電機(jī)

PLC2采集脈沖與計(jì)算轉(zhuǎn)速的程序如圖5所示，共分三部分：（a）高速計(jì)數(shù)器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速主程序MAIN、（b）高速計(jì)數(shù)器初始化子程序SBR_0、（c）轉(zhuǎn)速計(jì)算中斷服務(wù)程序INT_0。在圖5（a）中，特殊存儲(chǔ)器SM0.1在PLC開(kāi)始運(yùn)行的第一個(gè)掃描周期接通，調(diào)用初始化子程序SBR_0。

圖5 PLC2采集脈沖與計(jì)算轉(zhuǎn)速程序

在圖5（b）中，計(jì)數(shù)器VB8的初值設(shè)為0，轉(zhuǎn)速VD0的初值設(shè)為0。采用高速計(jì)數(shù)器HSC0及0號(hào)工作模式，即HSC0作為單相計(jì)數(shù)器自動(dòng)對(duì)PLC2的輸入端I0.0的脈沖（來(lái)自編碼器A相）計(jì)數(shù)。高速計(jì)數(shù)器HSC0的控制字節(jié)SMB37設(shè)為十六進(jìn)制數(shù)F8，即二進(jìn)制11111000（SM37.7=1時(shí)開(kāi)HSC，SM37.6=1時(shí)向HSC寫(xiě)入新的當(dāng)前值，SM37.5=1時(shí)向HSC寫(xiě)入新的預(yù)置值，SM37.4=1時(shí)更新計(jì)數(shù)方向，SM37.3=1時(shí)加計(jì)數(shù)，SM37.2=0時(shí)正交計(jì)數(shù)器為4倍率，SM37.1=0時(shí)啟動(dòng)信號(hào)高電平有效，SM37.0=0時(shí)復(fù)位信號(hào)高電平有效）、當(dāng)前值寄存器SMD38設(shè)為0；采用10號(hào)中斷，即定時(shí)中斷0，中斷時(shí)間通過(guò)寄存器SMB34設(shè)定為100毫秒。

在圖5（c）中，因?yàn)殡姍C(jī)單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)的圈數(shù)對(duì)應(yīng)編碼器的脈沖數(shù)，所以中斷服務(wù)程序中把每次中斷時(shí)高速計(jì)數(shù)器HSC0的值HCO（程序中記作HC0）累加到VDO，中斷滿(mǎn)10次的時(shí)間正好是1秒。VDO的值乘以60（每秒的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈沖數(shù)）、除以200（電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，編碼器發(fā)出200個(gè)脈沖），就得到最后的轉(zhuǎn)速（每分鐘轉(zhuǎn)多少圈），并把結(jié)果傳給變量VW20。

3.3 實(shí)訓(xùn)結(jié)果

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以看到在PLC1的控制下交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了平順的分段調(diào)速，PLC2輸入端I0.0的指示燈在閃亮。電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，編碼器輸出脈沖的頻率越高，指示燈的閃亮頻度也越快。PLC2程序中高速計(jì)數(shù)器和其它變量的值都可以通過(guò)狀態(tài)表來(lái)監(jiān)控。在PLC2運(yùn)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HC0和VW20，然后將格式都設(shè)置為無(wú)符號(hào)數(shù)，就可以觀察到狀態(tài)表窗口當(dāng)前數(shù)據(jù)變化情況。HC0即為高速計(jì)數(shù)器HSC0的當(dāng)前值，VW20為自動(dòng)計(jì)算后得出的轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)深入研究交流電機(jī)的調(diào)速和測(cè)速過(guò)程，發(fā)現(xiàn)用PLC控制交流電機(jī)的調(diào)速方式和測(cè)速原理簡(jiǎn)單，編程語(yǔ)言通俗易懂。通過(guò)實(shí)訓(xùn)使學(xué)生熟悉了基于PLC的交流電機(jī)調(diào)速與測(cè)速的方法，掌握了相關(guān)設(shè)備的操作及編程，促進(jìn)了對(duì)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)原理的理解，提高了實(shí)踐課的教學(xué)效果。