基于PLC大功率直流调速系统研究与设计

宋莹

辽宁锦州渤海大学工学院

基于PLC大功率直流调速系统研究与设计

宋莹

辽宁锦州渤海大学工学院

在工业领域的应用中，由于电流双闭环控制的直流调速系统在调速方面取得了很大的进步，所以涉及十分普遍。该直流调速系统采取的是电流双闭环的控制方式，从而可使得当控制对象参数发生改变的时候，控制器的结构以及相应的参数也会发生改变，最终确保了系统可以保持始终处于良好的工作状态。仿真的实现是通过MATLAB软件实现的。

PLC 大功率直流调速系统 MATLAB

1 PLC在大功率直流调速系统中的应用

当PLC出现在市场之前，逻辑控制的实现通常需要继电器控制系统的支持。随着社会的进步，科学技术的飞速发展，关于电力传动系统中的逻辑控制人们对此有了更高的需求。传统意义上的继电器控制系统中选择的接线方式是硬接线，这种方式的体积比较大，而且具有比较低的可靠性，同时系统的运行速度相对而言也比较慢，特别是改变控制要求的时候，就不得不对系统进行再一次的安装以及设计，从而会使得工作效率大大地受到了影响，而且还资金成本的投入也大大地提高。由于继电器控制系统自身的缺陷，从而导致了电力传动系统的逻辑控制也会受到很多方面的负面影响。目前的市场中电力传动系统中很多方面都需要PLC控制系统的引入。相比于继电器控制系统，PLC在很多方面存在着优势。

PLC的优势总结为控制方面的功能比较强，PLC的作用主要包括了启动与停止控制大功率直流电动机，并且运行正反转，而且还可以对系统中的一些参数数据可以进行监视，当系统出现故障的时候可以进行处理。直流电动机中转动速度的调整是通过控制算法实现的。

2 大功率直流调速系统MATLAB仿真

2.1 转速调节器与电流调节器工程设计方法

大功率直流调速系统的控制方式采取的是电流双闭环，因此这个控制系统中的调节器一共有两个，分别是电流调节器和转速调节器，在以前的时候现场反复试凑主要是确定这2个调节器中的相关参数。随着自动控制理论的技术的飞速发展，人们针对一些典型的系统进行了进一步的探讨，根据情况需要做一些处理，同时设计出所需要的有关的电流调节器以及转速调节器的设计方法。当对这个系统进行设计的时候，选用的设计原则是从里面到外面，前提是设置成内环电流调节器里面部分的有联系的参数，最后确定出外环转速调节器里面的重要参数，这个环节是将内环看作是外环里面所存在的一个环节，根据具体的证明得到了该设计方法使得时间大大地降低了，而且还在线调试了转速调节器以及指导电流调节器。根据设计工程的转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构图如图1所示。

2.2 转速、电流双闭环直流调速系统仿真

该部分主要是实现了仿真，在MATLAB的软件中进行了数学模型的转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型搭建，如图2所示。并且给出了相关的仿真实验，将转速给定信号10V增加到系统中，并且加入的时间点是当t=0s的时候，同时直流电动机的额定转速设置的值是等于375r/min，当t=3s的时候应该要将额定负载中占据的50%比例附加到里面。从图2中得到的结论是显示出电动机输出值的仿真结果图，这里的横坐标代表的含义是用时间表示的，与此同时纵坐标代表的是含义是用转速显示的，其中所得到的单位是每分钟多少圈。图3中显示的是电枢电流的输出结果仿真图，其中的这里的横坐标代表的含义是时间，而电枢电流是用纵坐标表示。

图2 电动机转速曲线

图1 系统的动态结构图

图3 电枢电流曲线

从上图中可以发现系统的起动特性分析，当启动系统之前，电枢电流与直流电动机的转速都是为0，当将额定转速添加到信号的时候，在调节电流调节器以及转速调节器的时候系统才会工作，当系统的启动时间是0.6s的时候，直流电动机的转速才会变为额定的转速，从转速仿真的输出结果中能够发现，当启动系统的时候超调现象没发生在中电机转速中。在一开始的时候电枢电流的值就是最大值，等于U40A，因为是理想空载的情况，因此当启动时间是0.6s之后电枢电流就保持0A稳定下来了。通过分析可以知道，关于系统在启动中涉及到的参数（表1）指标是满足该系统的设计的，该系统建立的模型是基于数学模型。

表1 转速闭环直流调速系统主要模型参数

3 系统设计

3.1 系统整体结构示意图

本论文设计的大功率直流调速系统的整体硬件结构示意图如图4所示。

图4 系统总体结构图

挖泥船上拖动铰刀的大功率直流调速系统是作为本文系统的分析对象，系统电源的组成部分包括了辅助电源以及三相交流主电源，通过品闹管整流器整流以后可以供给直流电动机电源，同时晶闹管风机以及控制系统的供电是通过辅助电源实现的。

3.2 电流信号检测

调节大功率直流调速系统中的电枢电流之前，电枢电流的检测电路需要进行提前设置，因为在系统的主电路中电枢电流值是比较大的，同时控制电路中包括了检测电路，当选择的措施不是隔离的时候，电枢电流的检测是在主电路实现的，当电路中有故障产生的时候，控制电路很容易出现烧毁的现象，因此不得不选择隔离的方式对电枢电流进行检测。电不存在输入与输出的电流互感器中，但是却存在着磁的稱合，这对于交换电流以及隔离有着很大的应用价值。因此在该系统中，电枢电流信号的检测器经常选择的是电流互感器。

4 上位监控系统设计

上位监控系统设计部分主要是包括了显示系统的故障，系统参数，以及给定的转速信号，当系统中出现故障的时候可以在上位机中显示，本文的上位监控系统是通过组态王软件实现的。

第一步点击“组态王”软件，选择“文件”→“新建工程”→下一步。点击“大功率直流调速系统”页面跳转到“工程浏览器”。

定义组态王的外部设备是S7-200PLC即上位监控系统的下位机，数据的交换选择的是串行口和上位机组态王实现的。先是点击软件界面里面的“设备”选项，再次在新的界面中选择“新建”选项，结果就会出现“设备配置向导”的界面，根据向导的步骤进行配置的完成，系统的设备配置以及系统中相关的变量的定义是在这个向导的过程中实现的。

结语：大功率直流调速系统有着很好的性能特性以及可靠性很高，在很多的工程船舶特种机械的电力拖动应用领域中有着极大的价值，在工程作业中的工程船舶方面充当着核心动力的作用。本文的研究对象是挖泥船上铰刀拖动控制系统，基于大功率直流调速系统对此进行展开。本文设计了自适应电流调节器的，无论系统中电枢电流是保持连续的，系统的运行状态一直都是最佳的。

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