應用型本科院校電氣電力課程群都會(huì )開(kāi)設“電機學(xué)”“現代電氣控制設備”和“PLC”等課程，直流電機的原理和應用是重要教學(xué)內容。直流電機具有良好的啟動(dòng)、調速性能及節能耐用的特點(diǎn)，是工程常用動(dòng)力設備[1-2]。直流電機的機械特性硬，適合用作控制電機，調速功能是它的重要應用領(lǐng)域。直流電機調速涉及較多理論知識、硬件模塊和設計思路，是現代電氣控制技術(shù)的基礎，也是學(xué)生理解 PLC 控制電路必須掌握的知識點(diǎn)[3-7]。本文針對應用型本科院校學(xué)生學(xué)習的特點(diǎn)，設計了基于 PLC 的直流電機柔性調速控制系統綜合實(shí)驗，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗來(lái)掌握基本電氣模塊的應用方法和 PLC 控制系統的設計過(guò)程[8-10]。 1 系統組成直流電機在啟動(dòng)與調速時(shí)常有很高的穩定性和線(xiàn)性調節要求，常用可控硅作為整流與調速元件�？煽毓杈邆淙蹼娍刂茝婋姷碾娏φ{控功能，當控制端輸入適當信號電壓，可控硅模塊就能線(xiàn)性輸出控制電壓進(jìn)行電機調速[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(xiàn)性的直流模擬信號的裝置[12]。 直流電機柔性調速控制系統的硬件組成如圖 1 所示，主要包括 4 個(gè)模塊（PLC 控制模塊、模擬量模塊、可控硅調速模塊和直流電壓變送器模塊）和直流電機。

 

本系統的 PLC 控制模塊采用西門(mén)子 S7-200，模擬量模塊采用 EM235，可控硅調速模塊的型號為 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(guò)可控硅轉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、可控硅調速模塊和直流電壓變送器模塊的輸出電壓為區間值，是因為其受 PLC 的電位器控制而可變。

 

圖 1 中，通過(guò)擰動(dòng)電位器產(chǎn)生初始調速信號，經(jīng)過(guò) PLC 程序處理后得到調速數字信號，再利用模擬量模塊的數模轉換功能變成模擬量傳輸給可控硅調速模塊。當可控硅模塊控制端輸入適當模擬量電壓信號時(shí)，可控硅模塊會(huì )自動(dòng)調整導通角來(lái)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，達到調速的目的。變送器再將含有電機轉速信息的模擬量電壓轉成變送電壓傳到模擬量模塊，利用模數轉換功能把模擬量轉為數字量，傳送給 PLC 處理，形成閉環(huán)調速控制系統。

 

2 編程

PLC 控制模塊有 2 個(gè)電位器，其中電位器 1 的值自動(dòng)存儲在特殊存儲器 SMB28 中，電位器 2 的值自動(dòng)存儲在特殊存儲器 SMB29 中，本系統選用電位器 1。當電位器旋轉一個(gè)角度，特殊存儲器 SMB28 中就得到一個(gè)小于 255 的整數，把該整數經(jīng)過(guò)數據運算指令（×125.49）和數據長(cháng)度轉換指令后送入 EM235 的模擬量輸出寄存器 AQW0 中，EM235 的輸出實(shí)際由AQW0 輸出。SMB28 是 8 位存儲單元（字節），取值為 0~255 的整數，AQW0 是 16 位存儲單元（字），取值為 0~32 000 的整數，編程實(shí)現把 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#核心的部分是 MUL_R 雙字實(shí)數乘法指令。因為乘法指令是雙字實(shí)數運算，所以程序中還需要進(jìn)行數據長(cháng)度和數據類(lèi)型的轉換。EM235將 AQW0 中的整數經(jīng)過(guò) D/A 轉換后輸出一個(gè)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(gè)轉速。調整電位器的旋鈕，電機就會(huì )按不同的輸入電壓，得到不同的轉速[13]。

 

3 線(xiàn)路連接

直流電機柔性調速控制系統的連接如圖 3 所示。接線(xiàn)分為以下 4 部分[14]： 

（1）模擬量模塊的接線(xiàn)。EM235 通過(guò) 16 線(xiàn)扁平電纜與 PLC 模塊排線(xiàn)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 引到可控硅調速模塊的控制電壓輸入端：模+、模–。 

（2）可控硅調速模塊的接線(xiàn)。將 12 V 穩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(xiàn)。如果采用并勵方式，磁場(chǎng)線(xiàn)圈并在電樞兩頭。如果采用他勵方式，磁場(chǎng)線(xiàn)圈供電要使用單好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(xiàn)圈的引出線(xiàn)粗，磁場(chǎng)線(xiàn)圈的引出線(xiàn)細，可以分辨出來(lái)�；蛘咭部梢栽跀嚯娗闆r下測試繞組的電阻，一般磁場(chǎng)線(xiàn)圈的電阻大于幾百歐姆，而電樞線(xiàn)圈的電阻只有幾歐姆或零點(diǎn)幾歐姆。

（4）直流電壓變送器的接線(xiàn)。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–。

 

較低的線(xiàn)性電壓送出。變送器輸出電壓為 0~5 V，可通過(guò)萬(wàn)用表測量輸出端電壓來(lái)估計電機轉速，或者反饋給 PLC 進(jìn)而調整穩定電機轉速。

 

對于程序中各變量地址里的值可以通過(guò)狀態(tài)表監控來(lái)監控。在 PLC 運行狀態(tài)下單擊編程軟件中“狀態(tài)表監控”按鈕，在地址欄中輸入 AQW0 和 AIW0，然后將格式都設置為無(wú)符號，就可得到各地址里當前值的變化情況。AIW0=AQW0，證明整個(gè)系統有效工作，結果正確。

 

5 衍生實(shí)驗

仿照本例亦可設計如下 2 個(gè)相近的實(shí)驗。學(xué)生對比學(xué)習后，更能加深理解。

（1）不再是通過(guò)旋轉電位器控制加減速，而是通過(guò) 2 個(gè)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(jìn)送入加減速信息至 AQW0。用 EM235 的 D/A 轉換模塊的模擬量輸出端子 MO 和 VO 送出 0~10 V 電壓，來(lái)給可控硅模塊發(fā)出加減速指令，使直流電機調整轉速。電機負荷發(fā)生變動(dòng)的時(shí)候，轉速有可能變動(dòng)，這時(shí)直流電機端電壓也會(huì )發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)直流電壓變送器將變化量送入 PLC。PLC 經(jīng)過(guò)適當解算、修改加減轉速命令以穩定電機的轉速工作狀態(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(xiàn)到可控硅模塊輸入端。具體方法是：可控硅模塊的 2 個(gè)電源輸入端子連接 12 V 穩壓電源和地，剩下的 3 個(gè)控制輸入端子連接外置電位器，注意活動(dòng)端的連接不要錯。在控制電源通電以后，活動(dòng)端的電壓可以由電位器調節。電壓為零時(shí)，可控硅模塊不導通，直流電機不轉。電壓為 10 V 時(shí)，可控硅模塊全導通，直流電機全速運轉。

 

4 實(shí)驗結果 

系統啟動(dòng)后，主電路中 220 V 交流電源接入可控硅調速模塊，直流電機在輸入電壓推動(dòng)下轉動(dòng)。將可控硅控制電壓在 0~10 V 進(jìn)行調整，加載在直流電機上的電壓可以在 0~300 V 變化，從而使轉速得以改變，而電機電流不會(huì )出現太大波動(dòng)[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速成正比，直流電壓變送器將輸出信號以性的變化且變化幅度接近 20 dB。整個(gè)過(guò)程出現了約12 個(gè)周期的大幅度變化，從而其相關(guān)時(shí)間約為 33 ms。

 

 3 結語(yǔ)

本文設計了無(wú)線(xiàn)信道相關(guān)時(shí)間的測試裝置并給出了具體了測量方法，實(shí)際測試表明：本裝置能夠有效測試信道的相關(guān)時(shí)間。所設計的裝置還可以進(jìn)一步測量相關(guān)帶寬等參數，此裝置可廣泛應用到無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗測量中。

 

來(lái)源：1、 湖北第二師范學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院；2. 武漢交通職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，