基于PLC的直流电机调速控制器设计

郝结来 谢军

摘    要：基于PLC的直流电机调速控制器以三菱FX2N为核心，通过定时器T246和T247实现了PWM波的输出功能，使PWM输出不受输出继电器的限制。系统设置了启动开关自锁按键，三档位速度控制旋钮。通过软件继电器M0实现了软件程序启动自锁，防止启动开关异常时程序无法启动的问题。设置系统启动指示灯和电机启动指示灯，便于用户知晓系统工作是否正常。通过对6 V小型直流电机的实验，论证了该控制器能够达到较好的控制效果。

关键词：PLC;PWM;定时器;电机调速

中图分类号：TM925.11;TP273                 文献标识码：A                 文章编号2095-7394（2018）06-0047-05

直流电机在生产生活中应用广泛，对直流电机的速度调控只需要控制电机的工作电压即可[1]，这也是其应用广泛的一个重要原因。利用PWM脉宽调制方法，可方便地控制负载端的平均电压，在脉冲的低电压趋近于0时，负载的平均电压与PWM的占空比成正比[2-4]。三菱FX2N型PLC是一款小型高性能的超小程序装置，具有配置固定灵活，编程简单，高性能与高运算速度等特点，具有丰富的软件定时器与软件继电器，可满足多样化广泛需求。

1    PWM输出与PLC配置

1.1定时器PWM输出配置

定时器PWM波输出配置PWM波是周期变化的方波信号，其占空比可调，通过调节占空比可实现不同平均电压的输出[5-7]。PWM波形函数可表示为：

在PLC中可使用高速定时器完成PWM波的输出功能，三菱FX2N型PLC内部集成有PWM输出功能[ PWM S1 S2 D]，其中S1用于指定脉冲的宽度，S2用于指令脉冲的周期，单位都为 ms，取值范围为0～32767，S1应小于等于S2。D用于指令脉冲输出端口，FX2N晶体管输出型PLC仅能使用Y0和Y1作为PWM输出口。在保证PWM输出性能的情况下，选择使用高速定时器可克服上述缺陷。FX2N的定时器包括T0～T199：100 ms普通定时器，设定范围为0.1～3276.7 s;T200～T245，10 ms普通定时器，设定范围为0.01～327.67 s;T246～T249，1 ms累计定时器，设定范围为0.001～32.767 s;T250～T255，100 ms普通定时器，设定范围为0.1～3276.7 s。

实验使用累计定时器T246和T247，其中T246作為PWM波的周期定时器，T247作为PWM高电平持续定时器，根据式（2）可得PWM的频率与输出电压平均值为[9，11，12]：

1.2   PLC引脚配置

用X表示输入继电器用，Y表示输出继电器，输入继电器是用于接收和存储外部输入信号，线圈只能通过外部信号来驱动，而不能通过内部程序来驱动。输出继电器线圈只能通过程序驱动，可用于驱动外部负载。用M表示辅助继电器，其线圈只能通过程序驱动用于内部编程，不能直接驱动外部负载。用K表示十进制常数，用于设定定时器的定时时间，实验配置PLC功能如表1所示。

系统启动开关硬件配置为自锁性机械开关，在开关按下时便实现自锁功能，使系统正式启动，该开关可实现启动与停止两用功能。Y000用于指示系统是否已经启动，可根据系统启动指示灯判断系统是否发生了异常。T246为PWM脉冲周期定时器，实验设置T246的K值为500，即PWM脉冲的周期为500毫秒，T247为PWM高电平持续定时器，实验配置X001电机调速1档的K值为150，X002电机调速2档K值为300，X003电机调速档K值为500，即PWM高电平持续时间分别为150毫秒，300毫秒和500毫秒，根据式（2）可知三个档位的PWM占空比分别为0.3，0.6和1。

2   软件设计

2.1  系统整体结构

系统整体结构如图1所示，图1中电源1为PLC供电，电源2为负载供电，这样做的目的是为了将控制器电源与负载电源相对地隔离开来，这样电源2可根据负载的特性进行适配，使系统对电源的依赖性降低。PWM接收器是实现PLC的PWM输出到负载PWM输出的装置，可通过固态继电器完成这种输出，固态机电器将电源2与负载连接，当PWM输出为高电平时，则接通负载，当为低电平时，则断开负载。

2.2   软件程序流程

系统软件设计包括系统初始化，判断系统开启/停止开关状态，判断档位状态，定时器初始化设置以及判断PWM高电平持续定时器是否溢出等，系统软件流程如图2所示。

当系统开始后，首先进行系统初始化，其中包括PLC的基本运行程序，让PLC进入运行状态。系统开启/停止按钮X000按下后开启辅助继电器M0使程序自锁，程序正式开始运行。运行后要判断此时的档位状态，当档位X001为启动状态时，则启动定时器T247并赋值K为150，同理当档位X002和X003为启动状态时，分别赋值K为300和500。系统每次只能选择一个档位，不同档位之间不能产生冲突，导致档位选择不确定，所以在程序设计时，X001开启时要断开X002和X003。当PWM运行一个周期后，即T246定时器溢出，则复位T246和T247。

3   系统仿真与实验

通过GX Developer 7.0软件进行软件程序的仿真实验，要使用仿真程序需安装GX Simulator 6cn。仿真内容包括对PLC各功能接口的监控以及波形输出，各档位分别开启时系统的状态。在Developer的“工具”选项卡的“梯形图逻辑测试启动/结束”中打开软件仿真程序。

（1）系统启动运行仿真

如图3所示，软元件X000按钮按下时，X000显示为高亮显示的黄色，此时输出继电器Y000和辅助继电器M0均为高亮显示的黄色，表明程序已经正常启动了，M0实现了程序的自锁。

（2）X001档位仿真

如图4所示，X001档位的仿真时序变化，此时X001区域为高亮的黄色标出，X001为高电平，时序图中为较粗的蓝线。在X001开启时，X002和X003均为断开状态，时序图中为较细的蓝线。PWM输出端Y002出现高低电平变化的时序图，该时序图即为PWM波输出图。程序设置了X002档位的T247的K值为300，则Y002的高电平持续时间约为300毫秒。

（3）X002档位仿真

如图5所示，X002档位的仿真时序变化，此时X002区域为高亮的黄色标出，X002为高电平。在X002开启时，X001和X003均为断开状态，输出端Y002出现高低电平变化的时序。程序设置了X001档位的T247的K值为150，则Y002的高电平持续时间约为150毫秒。

（4）X003档位仿真

如图6所示，X003档位的仿真时序变化，此时X003区域为高亮的黄色标出，X003为高电平。在X003开启时，X001和X002均為断开状态，输出端Y002出现高低电平变化的时序。程序设置了X003档位的T247的K值为500，则Y002的高电平持续时间约为500毫秒。

综合软件仿真的结果可知，系统能够根据要求正常启动和运行，系统的PWM输出可根据档位的变化发生响应的变化，并根据定时器T247的K值的增大而增大。根据图5可知，虽然设置了T247的K值为500，在理论上Y002应为高电平的连续输出，但图5的Y002波形显示了Y002有一段时间是为低电平的，这是因为程序的每一条指令的运行需要一定的时间，T246与T247的运行不完全同步，可根据实际情况选择使用定时器输出PWM波形的方法。

以6 V的小型直流电机为例进行实验，实验结果如表2所示，实验结果对比了理论占空比与实际占空比，电机两端的理论电压和实际测得的平均电机电压。实验结果表明电机两端的电压随档位的增加而增加，实际占空比与理论占空比的误差也较小，实际测得的电压也与理论电压的误差较小，所以该控制器能够达到较好的控制效果。

4    结论

基于三菱FX2N行PLC设计实现了直流电机的PWM调速控制器，通过定时器模拟PWM波的输出，设置了控制器的三档位控制，通过系统开启指示灯判断是否正常启动和运行，通过辅助继电器M0实现程序的自锁功能。软件仿真结果表明系统的运行正常，PWM输出的波形与档位相对应，能够根据档位的变化产生相应的变化，实验结果表明该系统能够达到较好的控制精度，与仿真结果相应。

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