徐桂敏，杨正祥

（1. 湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，湖北 武汉 430205；2. 武汉交通职业学院 智能制造学院，湖北 武汉 430065）

应用型本科院校电气电力课程群都会开设“电机学”“现代电气控制设备”和“PLC”等课程，直流电机的原理和应用是重要教学内容。直流电机具有良好的启动、调速性能及节能耐用的特点，是工程常用动力设备[1-2]。直流电机的机械特性硬，适合用作控制电机，调速功能是它的重要应用领域。直流电机调速涉及较多理论知识、硬件模块和设计思路，是现代电气控制技术的基础，也是学生理解PLC 控制电路必须掌握的知识点[3-7]。本文针对应用型本科院校学生学习的特点，设计了基于PLC 的直流电机柔性调速控制系统综合实验，让学生通过实验来掌握基本电气模块的应用方法和PLC 控制系统的设计过程[8-10]。

1 系统组成

直流电机在启动与调速时常有很高的稳定性和线性调节要求，常用可控硅作为整流与调速元件。可控硅具备弱电控制强电的电力调控功能，当控制端输入适当信号电压，可控硅模块就能线性输出控制电压进行电机调速[11]。直流电压变送器是将电网中的直流电压隔离并变送成线性的直流模拟信号的装置[12]。 直流电机柔性调速控制系统的硬件组成如图1 所示，主要包括4 个模块（PLC 控制模块、模拟量模块、可控硅调速模块和直流电压变送器模块）和直流电机。本系统的PLC 控制模块采用西门子S7-200，模拟量模块采用EM235，可控硅调速模块的型号为MJYD-ZL-30，直流电压变送器的型号为 ZR26-1V/Q4。图 1 中的220 V 交流电源经过可控硅转换后给直流电机提供能源，图中所示其他电压均为直流，其中模拟量模块EM235 的工作电压是24 V，可控硅调速模块的工作电压是12 V，变换器的工作电压是24 V。图中模拟量模块、可控硅调速模块和直流电压变送器模块的输出电压为区间值，是因为其受PLC 的电位器控制而可变。

图1 中，通过拧动电位器产生初始调速信号，经过PLC 程序处理后得到调速数字信号，再利用模拟量模块的数模转换功能变成模拟量传输给可控硅调速模块。当可控硅模块控制端输入适当模拟量电压信号时，可控硅模块会自动调整导通角来改变直流电机输入端交流电压的波形，从而改变输出端电压的有效值，达到调速的目的。变送器再将含有电机转速信息的模拟量电压转成变送电压传到模拟量模块，利用模数转换功能把模拟量转为数字量，传送给PLC 处理，形成闭环调速控制系统。

图1 系统组成图

2 编程

PLC 控制模块有2 个电位器，其中电位器1 的值自动存储在特殊存储器 SMB28 中，电位器 2 的值自动存储在特殊存储器SMB29 中，本系统选用电位器1。当电位器旋转一个角度，特殊存储器 SMB28 中就得到一个小于255 的整数，把该整数经过数据运算指令（×125.49）和数据长度转换指令后送入 EM235 的模拟量输出寄存器 AQW0 中，EM235 的输出实际由AQW0 输出。SMB28 是8 位存储单元（字节），取值为0～255 的整数，AQW0 是16 位存储单元（字），取值为0～32 000 的整数，编程实现把SMB28 的存储范围映射到 AQW0 的存储范围。由于 32 000/255=125.49，故程序中要对 SMB28 的值×125.49。参考程序如图2 所示，其中最核心的部分是MUL_R 双字实数乘法指令。因为乘法指令是双字实数运算，所以程序中还需要进行数据长度和数据类型的转换。EM235将 AQW0 中的整数经过 D/A 转换后输出一个小于10 V 的电压，作用于可控硅的控制端，使直流电机获得一个转速。调整电位器的旋钮，电机就会按不同的输入电压，得到不同的转速[13]。

图2 梯形图程序

3 线路连接

直流电机柔性调速控制系统的连接如图3 所示。接线分为以下4 部分[14]：

（1）模拟量模块的接线。EM235 通过16 线扁平电缆与PLC 模块排线孔相连；EM235 的端口M 和L+接入24 V 电源；将EM235 的模拟量输出端子MO 和VO 引到可控硅调速模块的控制电压输入端：模+、模-。

（2）可控硅调速模块的接线。将 12 V 稳压电源连接到可控硅的工作电源端；将220 V 交流电源接入可控硅交流电源输入端；可控硅输出端接直流电机的电枢。

（3）直流电机的接线。如果采用并励方式，磁场线圈并在电枢两头。如果采用他励方式，磁场线圈供电要使用单独的小电流整流器供电，整流器输入端连接在电源220 V 可控硅模块交流输入端两头。本例负载较小，故采用他励方式。一般电枢线圈的引出线粗，磁场线圈的引出线细，可以分辨出来。或者也可以在断电情况下测试绕组的电阻，一般磁场线圈的电阻大于几百欧姆，而电枢线圈的电阻只有几欧姆或零点几欧姆。

（4）直流电压变送器的接线。电机电枢的输出接入直流电压变送器的输入端1、2 引脚。变送器端子6、7 外接工作电源24 V。变送器4、5 引脚是输出端，连接到EM235 的模块输入端子A+、A-。

图3 系统连接图

4 实验结果

系统启动后，主电路中220 V 交流电源接入可控硅调速模块，直流电机在输入电压推动下转动。将可控硅控制电压在0～10 V 进行调整，加载在直流电机上的电压可以在0～300 V 变化，从而使转速得以改变，而电机电流不会出现太大波动[15]。从电枢两端引出电机电压送达给直流电压变送器。因为直流电机电枢电压和转速成正比，直流电压变送器将输出信号以较低的线性电压送出。变送器输出电压为0～5 V，可通过万用表测量输出端电压来估计电机转速，或者反馈给PLC 进而调整稳定电机转速。

对于程序中各变量地址里的值可以通过状态表监控来监控。在PLC 运行状态下单击编程软件中“状态表监控”按钮，在地址栏中输入AQW0 和AIW0，然后将格式都设置为无符号，就可得到各地址里当前值的变化情况。AIW0=AQW0，证明整个系统有效工作，结果正确。

5 衍生实验

仿照本例亦可设计如下2 个相近的实验。学生对比学习后，更能加深理解。

（1）不再是通过旋转电位器控制加减速，而是通过2 个按钮控制加减速。具体方法是：修改程序，在PLC S7-200 的端口 I0.1 和 I0.2 接控制按钮 A1 和 A2，步进送入加减速信息至 AQW0。用EM235 的D/A 转换模块的模拟量输出端子MO 和 VO 送出0～10 V 电压，来给可控硅模块发出加减速指令，使直流电机调整转速。电机负荷发生变动的时候，转速有可能变动，这时直流电机端电压也会发生变化，经过直流电压变送器将变化量送入PLC。PLC 经过适当解算、修改加减转速命令以稳定电机的转速工作状态。

（2）不再使用PLC，因此也不需要程序，而是采用硬控制，如图4 所示，由配电板上的电位器（不是PLC 上的电位器）接线到可控硅模块输入端。具体方法是：可控硅模块的2 个电源输入端子连接12 V 稳压电源和地，剩下的3 个控制输入端子连接外置电位器，注意活动端的连接不要错。在控制电源通电以后，活动端的电压可以由电位器调节。电压为零时，可控硅模块不导通，直流电机不转。电压为10 V 时，可控硅模块全导通，直流电机全速运转。

图4 直流电机硬控制图

6 结语

通过比较直流电机的几种转速调节方式，发现用PLC 模拟量模块的方式较好，控制过程更平稳，系统性能更优化。通过实验使学生熟悉了直流电机柔性调速的方法，掌握了相关设备的操作及编程方法，加深了学生对实验原理的理解，增强了实践课的教学效果。