一种基于PLC的电机转速测量电路设计.doc

（基于PLC的电机转速测量电路设计）毕 业 设 计（论 文）论文题目: 一种基于PLC的电机转速测量电路设计教 学 点： 指导老师： 职 称: 学生姓名： 学 号：专 业： 学校成教院制20 年 1月 12 日2题目： 一种基于PLC的电机转速测量电路设计任务与要求：工业现场往往存在许多的干扰因素，因此工业测控系统中普遍采用数字式转速测量方法。目前plc因其高可靠性已经成为工业控制的一个重要设 备。采用plc测量电机转速可以保证测量的稳定性和高精度.时间:2010 年 11 月 10 日 至 2011 年 1 月 15 日 共 9 周教 学 点： 学生姓名: 学 号： 专业： 电气自动化技术 指导单位或教研室： 电气自动化教研室指导教师： 职 称: 讲师 学校成教院制毕业设计（论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字4月15日至4月20日准备良好 11月10日至11月16日确定论文题目良好11月16日至11月21日搜集资料良好 11月21日至11月28日确定论文整体结构良好 11月28日至12月6日论文初稿良好12月6日至12月22日修改论文,完成二稿良好12月23日至1月 3日完成终稿良好教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。 摘 要介绍电机转速测量电路的设计方案，对其软硬件的实现方法进行了介绍，该系统在实际工程应用中,具有较好的稳定性和精度。转速是电动机重要的基本状态参数,在很多运动系统的测控中，都需要对电机的转速进行测量，测量的精度直接影响系统的控制情况,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统.目前工业中测量转速的方式主要有两种。一种是将转速转化为模拟信号，对模拟信号进行测量。如测速发电机是将转速直接转换为电压信号，然后测量其电压。这种方法的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的影响。另一种是将转速信号转化为脉冲信号,然后用数字系统内部的时钟来对脉冲信号的频率进行测量。这种方法的优点在于抗干扰能力强、不受温度变化影响、稳定性好。工业现场往往存在许多的干扰因素，因此工业测控系统中普遍采用数字式转速测量方法。目前plc因其高可靠性已经成为工业控制的一个重要设备。采用plc测量电机转速可以保证测量的稳定性和高精度.关键词:PLC、转速测量、稳定性、高精度ABSTRACTThe paper presents a design to measure speed of motor based on PLC,and also introduces the project of the design and implementation method of the software and hardwareThis systems applied to engineering and acquires a very good resultStart in the process, if a failure occurred， the protection PLC corresponding action。 Start after the completion of motor on / off indicator light the electrical normal operation. Running process， PLC followed by motor cycle test whether there has been a phase short circuit， breaking phase， lowvoltage， single-phase - to-ground, overload, overcurrent fault， and so， if occurred， PLC protection action accordingly. Shutdown， PLC received shutdown orders， tripping circuit breakers, ”Motor on / off indicator light eliminate. Fault sound and light alarm at the ”Alarm reset button” reset。 This choice is based on the design of the motor PLC fault diagnosis system design.Key words：Cam、high deputy、automation2目 录第一章 PLC的介绍1第一节 PLC的基本概念1第二章 转速测量介绍2第一节 转速测量的必要性2第二节 转速测量的实现2第三章 转速测量软件设计5第一节 抗干扰设计5第二节 PLC软件设计6第三节 控制脉冲6第四节 程序实现7结束语9谢 辞10参考文献11第一章 PLC的介绍第一节 PLC的基本概念 PLC （Programmable Logic Controller），中文名称为可编程控制器,是一种电气自动化控制装置，国际电工委员会(IEC）将PLC定义为:是在工业环境中使用的数字操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令,这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算和通过数字或模拟输入/输出来控制各种类型的机械或过程。可编程序控制器及其有关的设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC是现在应用较多的一种控制装置，利用PLC丰富的内部资源及强大功能指令,编制故障检测报警程序不仅可以代替继电器实现相应功能,还可以提高工作可靠性及其系统的灵活性.PLC已被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进机电一体化进程,被人们称为现代工业控制三大支柱之一。PLC作为一种成熟稳定可靠的控制器，目前已经在工业控制中得到了越来越广泛的应用。PLC系统的设计直接影响着工业控制系统的安全可靠运行。一个完善的PLC系统除了能够正常运行，满足工业控制的要求，还必须要在系统出现故障时及时进行故障诊断和故障处理。故障自诊断功能是工业控制系统的智能化的一个重要标志，对于工业控制具有较高的意义和使用价值.电机测速技术是电机调速控制系统中的一个重要问题，稳定性和高精度是衡量测速系统的技术指标.目前PLC已经成为工业控制的一个重要设备，而工业现场往往存在许多的干扰因素，因此如何实现PLC控制系统中电机测速的稳定性和高精度是一个值得研究的问题。目前，plc实现脉冲信号的测量主要是用plc的高速计数单元来实现。但是,带有高速计数功能的plc价格较高，一般都要上千元，主要用于转速较高,或对测量精度要求较高的场合。如果转速较低，或对测量的精度要求不高时,高性能的高速计数单元就有些浪费了，通过plc的开关量输入单元来测量脉冲信号的频率,既满足了测量的精度要求，又大大降低了成本，同时保留了plc的高度可靠性。第二章 转速测量介绍第一节 转速测量的必要性在实际生产中，转速的测量有许多方法，如光电技术、测速发电机等，但这些方法有的要求工作环境整洁,有的造价很高，这与工业生产的环境和低成本的要求不适应，采用集成霍尔元件检测具有成本低、灵敏度高及输出特性好的特点。如图2-1所示图2-1 转速测量示意图在电机轴上镶嵌一块永久磁铁，集成霍尔元件采用276:931F，固定在离磁铁3 mm左右,背侧正对永久磁铁，当转轴转动时，永久磁铁从霍尔元件背侧经过,检测到的信号送入放大整形电路如图22所示。图22 放大电路图霍尔元件的工作电压为512 V，R。为上拉电阻，磁铁经过时，3脚从0 V变为1 V,通过三极管输出脉冲波，其频率即为转速大小。第二节 转速测量的实现电机转速数字检测的基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理4。对光电脉冲信号频率的测量，目前常用的实现方式有两种:一种以单片机为核心，扩展计数器等外围器件构成的电路;另一种是用plc。由于plc可靠性高，抗干扰能力强，所以被广泛地用于工业控制.这里采用plc来测量电机转速。具体实现方法为将光电编码器固定在电机的转轴上,并与电机同轴,随电机同步旋转，产生与转速成正比的电脉冲信号。采用plc实现对检测时间和转速脉冲信号的计数，并将测得的频率保存在内部的寄存器中。目前,plc实现脉冲信号的测量主要是用plc的高速计数单元来实现。但是，带有高速计数功能的plc价格较高，一般都要上千元,主要用于转速较高,或对测量精度要求较高的场合。如果转速较低,或对测量的精度要求不高时，高性能的高速计数单元就有些浪费了。本文所设计的转速测量方法主要用于转矩流变仪测控系统，对于转矩流变仪来说，电机转速最高为1500r/min,采用分辨率为200的编码器，输入plc的光电脉冲的最高频率为5khz。而带有高速计数功能的plc计数脉冲的频率一般都可达20khz以上，大部分都能达到50khz，甚至更高。用于转矩流变仪中测量转速,虽然精度高，但却有很大的浪费。而一般的国产plc模块市场价格都在1000以内.转矩流变仪转速测量环节采用了普通plc模块(在本设计中选用了德维森科技（深圳)有限公司生产的v80-m16drac），通过plc的开关量输入单元来测量脉冲信号的频率，既满足了测量的精度要求，又大大降低了成本,同时保留了plc的高度可靠性。所设计的转速测量的plc梯形图程序如附图23所示。图2-3 转速测量梯形图程序第三章 转速测量软件设计第一节 抗干扰设计由于工业现场存在较多的干扰因素，对转速测量的稳定和精确带来较大的影响.由检测电路可知，转速的大小取决于脉冲的数量,与脉冲间的相位无关，而且电机的转速变化是一个惯性环节,不存在突变的可能，因此可以采用锁相环电路的设计来减小现场干扰的影响，提高测量稳定性和精度2。锁相环电路原理如图31所示，锁相环(PLL）由环路鉴相器（PD)、低通滤波器（LP)和压控振荡器(VCO）组成.锁相环具有频率跟踪特性，当锁相环锁定时，输出电压U.（）的频率和输入信号U (）的频率相同，而这2个信号的相位是可以不相等的，即U。（)的频率和U，（)的频率完全相同，它们的相位保持恒定。鉴相器是一个相位比较器，起测量作用，其输出电压“D（）是“。()和“ (）相位差的函数,低通滤波器主要作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量，将低频分量U (）送人压控振荡器，压控振荡器的输出 .（)的频率随 （）的变化而变化，如果“.（z）和U (）的频率不一样,鉴相器输出电压经过低通滤波器控制压控振荡频率，使其频率作相应的改变，最后使U。（)和“ （）的频率达到相等而相位差恒定。恒定的相位差使鉴相器维持一恒定的电压输出,通过低通滤波器去控制压控振荡器的输出频率和输人频率相同，即“。（）和U (）被锁相环锁定.锁相环的实现电路如图3b所示。图31 锁相环原理（b） 锁相环电路 图32 锁相环电路图第二节 PLC软件设计PLC主要用于转速测量数据的处理，其程序结构如图33所示。图3-3 PLC结构程序图计数脉冲由采样器进行脉冲采样，采样器相当于一个开关，由控制脉冲进行控制。当控制脉冲允许时，计数脉冲进人计数器计数，当控制脉冲关闭采样器时，计数器中的数据转换成速度数据并显示输出，然后计数器清零，等待进人下一次控制脉冲.第三节 控制脉冲PLC产生的控制脉冲时序如图5所示：图34 PLC梯形图图35 控制脉冲实训图在采样期间接通计数器与PLC的脉冲输入接口，使脉冲计数器开始计数。T1E6On i (1)式中 T1 - 采样时间n min 电机最小转速6onmin - 取整数在PLC程序中电机转速测量按式（2）计算:n=60NTl （2）式中 n 电机转速N T1。时间内脉冲计数个数T1 的取值必须保证在采样期间内,PLC计数器的脉冲输人有1个以上,由于电机的实际使用转速大多在几百以上，因此在大多数情况下丁。取l s即可，l s内计数器的值乘以6O便为电机转速。利用控制脉冲的下降沿，首先将采样时间段内的计数值输出保存，然后计数器清零。在数据处理时间（Tz）用计数器输出值在下一个采样时间来临前去刷新处理其它程序。由于PLC是以反复扫描的方式工作，循环连续的逐条执行程序，任意时刻只能执行一条指令，因此必须考虑采样数据在其它程序中的处理时间，一般要求大于扫描周期（扫描周期主要取决于工作程序的长短）。由于电机的转速变化是一个惯性环节，因此数据处理的时间可以设计为T2T1.第四节 程序实现利用2个定时器来实现控制脉冲,TO定时器时间为l S，T1定时器时间为2 S,TO常开触点的波形满足控制脉冲的要求，采样时间为l S，数据处理时间为l S。将计数器利用一个闲置中间继电器R0的常闭触点设置计数器为加法计数器。X0为脉冲输入点，利用上升沿微分指令设置为脉冲上升沿计数，利用TO的常开触点保证只在控制脉冲采样时间内计数。锁相环（PLL）由环路鉴相器（PD）、低通滤波器（LP）和压控振荡器（VCO）组成。锁相环具有频率跟踪特性，当锁相环锁定时，输出电压U。(）的频率和输入信号U （）的频率相同，而这2个信号的相位是可以不相等的，即U。（）的频率和U,(）的频率完全相同，它们的相位保持恒定。鉴相器是一个相位比较器，起测量作用,其输出电压“D（）是“.(）和“ （）相位差的函数，低通滤波器主要作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量，将低频分量U (）送人压控振荡器，压控振荡器的输出 。电机转速数字检测的基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理4。对光电脉冲信号频率的测量,目前常用的实现方式有两种:一种以单片机为核心，扩展计数器等外围器件构成的电路；另一种是用plc。由于plc可靠性高，抗干扰能力强,所以被广泛地用于工业控制。这里采用plc来测量电机转速。具体实现方法为将光电编码器固定在电机的转轴上，并与电机同轴，随电机同步旋转，产生与转速成正比的电脉冲信号。采用plc实现对检测时间和转速脉冲信号的计数，并将测得的频率保存在内部的寄存器中。利用TO的常闭触点使计数器在控制脉冲关闭及时清零。利用下降沿微分指令和TO的常开触点，使计数器中测量数据DT0在控制脉冲下降沿时,传送到DT1并在数据处理时间内锁存口.结束语上述PLC的电机转速测量电路具有制作简单，成本低的优势，硬件电路和软件的设计增强了系统的抗干扰性能，增加了测量的稳定性.在实际使用中转速测量的相对误差在l以内，较好地满足了电机速度检测和电机调速系统的应用.自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置,由于它具有功能强,可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点,使其在自动化控制的各个领域得到了广泛的应用。近年来由于微电子技术的发展和进步，使其有完全功能的超大规模集成的价格日趋便宜，同样也促进可编控制器成本大大降低,对于采用可编控制器来代替传统继电器接触器电气控制的系统来改造传统机床，无论从经济上，还是可靠性,维修性,工作寿命上来说，都是十分经济和划算的,也是可行的优选方案,鉴于以上原因，本文设计了一个基于PLC的电机转速测量电路的设计方法.工业中测量转速的方式主要有两种.一种是将转速转化为模拟信号，对模拟信号进行测量.如测速发电机是将转速直接转换为电压信号，然后测量其电压。这种方法的缺点是被测信号易受电磁干扰和温度变化的影响。另一种是将转速信号转化为脉冲信号，然后用数字系统内部的时钟来对脉冲信号的频率进行测量.这种方法的优点在于抗干扰能力强、不受温度变化影响、稳定性好。谢 辞在这次PLC的电机转速测量电路与实践中我遇到了很多的问题.但我的指导老师在我完成这次作业中给予了我很大的帮助，如我在做PLC的设计时不知道该怎么进行时，老师给我讲解了其设计的精髓和应该注意的问题,帮助我很好的完成了这次设计和实践。在此我深深的感谢老师你对我的帮助和指导。让我在社会实践的道路上有了新的认识和体会，更加深刻的理解和明白了PLC电路设计的精髓.感谢老师对我们的耐心指导。引导我们,让我学会了解决问题的方法。同时感谢我们的组员给我的帮助与大力支持,在我们的共同努力下解决了不少问题。有了学校及系给的机会及条件、老师的热心指导和大力支持、同学互相帮助和团结协作,才有了这次毕业设计的成功，我在这里忠心地感谢学校、老师还有同学们!谢谢你们!经过此次的毕业设计,我受益非浅,也翻阅了大量的书籍和浏览了无数的网页。这次的设计是我的一次实践,也刚刚打开科技的大门，今后我还想拥有更多的机会去实践，让我得到更多的锻炼！参考文献1高大钊主编，土力学与基础工程M,北京：中国建筑工业出版社，1998。9：4955. 2陈正汉.非饱和土的应力状态与应变状态变量。第七届土力学及基础工程学术会议论文集C.北京：中国建筑工业出版社，1994。9:186-191. 3。 何希才。传感器及其应用M.北京:国防工业出版社,2001. 4。 孙传友 孙胜玉 张一 等.测控电路及装置M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.。 5。 常斗南.可编程序控制器原理应用实验M。北京：机械工业出版社,1998.。 6。 欧阳黎明。 MATLAB控制系统设计M北京:国防科技大学出版社，2001：203227。7。 王幸之，钟爱琴，王雷，王闪. 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