基于PLC的直流电机控制系统的设计

1 引言

PLC作为目前应用最广泛的工业控制器，具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而应用于各行业的自动控制系统中。

直流电机应用广泛，几乎遍及机电行业各个领域，是机电控制系统中常用的执行元件。比如，煤矿巷道中的电机车就是由直流电机牵引的。它具有优良的机械特性和调速特性，强大的过载能力，可实现频繁的起动、制动和反转，能满足各种不同的控制要求。但是，直流电机较交流电机结构复杂，制造成本高，维护工作量大，对控制器提出了极高的运行可靠性要求，以保证控制系统不受环境、强电及射线等干扰，因此把PLC作为控制系统的控制器比较合理。

2 控制系统简介

直流电机的控制系统由三部分组成，即控制器、驱动器和直流电机。一般控制用直流电机都需要专用的驱动器来驱动，驱动器的作用是接收控制器的信号发出电机能接受电信号，它还包括各种必要的过流过载保护电路。因此，控制器输出的脉冲和方向信号是先输入进驱动器，再由驱动器来控制电机的速度和方向，其控制系统简图如图1。

3 驱动器的选择及其功能介绍

控制系统的运行性能，除与电机自身的性能有关外，在很大程度上还取决于驱动器性能的优劣。因此，正确选择驱动器对于其控制系统也是非常重要的。直流电机驱动器选择国外某公司生产的LMD18200，LMD18200是专用于直流电动机驱动的H桥组件，同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，这种芯片瞬间驱动电流可达6A，正常工作电流可达3A，具有很强的驱动能力，而且此种芯片内部还具有过流保护的测量和温度过热检测。此电路具有驱动功率大，稳定性好，实现方便，安全可靠等优点，其内部结构原理图如图2。

主要输入输出引脚功能如下：3脚为方向输入端，该脚控制输出1与输出2 （脚2、10）之间电流的方向，来控制电机旋转的方向；4脚为刹车输入端，将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平时把该脚置逻辑高电平即可实现刹车；5脚为PWM波输入端，通过改变PWM的占空比就可调节电机的速度；2脚和10脚为电流输入输出端，连接直流电机的正负极。LMD18200型直流电机专用驱动器的逻辑真值表见表1。

表1 逻辑真值表

LMD18200提供双极性方式（也称反向锁定控制）和单极性方式（也称方向脉宽控制）两种工作方式。在双极性工作方式中，单个的PWM信号接入LMD18200的DIR端子，由PWM信号的占空比大小控制电机的转向和转速。在单极性这种工作方式中，PWM脉冲信号接在LMD18200的PWM端，而方向信号接在DIR端，PWM端脉冲信号的占空比决定电机转速，而DIR端的电平高低决定电机转向。如果控制器能提供PWM和DIR信号，则使驱动器工作在单极性方式，这样构成的系统为全数字式，避免了模拟电压的温漂和噪声干扰等不利影响。因此，自动控制系统中通常使用单极性工作方式。

4 直流电机的控制过程

对电机的控制主要是对其旋转速度和旋转方向的控制，通过控制LMD18200的3脚的高低电平即可控制电机的正反转。下面主要介绍PWM（脉冲宽度调制）控制电机速度的过程。

下面以西门子S7-200系列PLC来详细说明电机速度的控制过程。对于S7-200系列PLC来说，如果CPU模块上的输出类型为DC型（晶体管输出），那么在其Q0.0和Q0.1上可以产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形，频率可以达到20kHz。

PWM功能能提供连续、可变占空比脉冲输出，用户可以控制周期和脉冲宽度。每个PWM发生器有一个控制字节（8位）、一个16位无符号的周期值寄存器、一个16位无符号的脉冲宽度值寄存器和一个32位无符号脉冲计数值寄存器。这些值全部存储在特殊存储器中，一旦这些特殊存储器的位被置成所需操作，就可以通过执行脉冲输出指令（PLS）来调用这些操作。PLS指令使S7-200读取相应特殊寄存器中的位，并对相应的PWM发生器进行操作。

占空比 = t（脉冲宽度）/ T（脉冲周期）= 电机运行速度/电机最大速度

上述公式中脉冲周期和电机最大速度是已知条件，通过调节调脉冲宽度就能得到相应的电机运行速度。当脉宽值等于周期值时，占空比为100%，即输出连续接通；当脉宽值为0，占空比为0%，即输出断开，因此电机的速度可以从0调到最大。 5 脉宽调制的程序设计

程序设计包括两部分：

（1）初始化程序：它是用来清空程序存储器，按照所要求的把现有的初始参数装入程序存储器，如脉冲周期、初始脉冲宽度和脉冲宽度是否可调，脉冲宽度初始化程序见图3：

                图3 脉宽调制初始化程序框图

（2）脉冲宽度调节程序：通过调节脉冲宽度来达到调速的目的，PWM调节脉冲宽度程序见图4：

                 图4 脉冲宽度调节程序框图

在PWM初始化程序中，把脉冲周期装入SMB78，把初始脉冲宽度装入SMB80。16#DA装入SMB77表示脉冲宽度可调，在脉宽调节程序中把所需脉冲宽度装入SMB77就能实现速度的调节。 6 结束语

现在，直流电机的调速方法很多，同时随着电子技术的飞速发展，PLC的功能也越来越强，用小型的PLC就可以构成直流电机的控制系统，并且具有控制简单、运行稳定、开发周期短等优点，是一种切实可行的直流电机控制方案。