1 引言

PLC作為目前應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器，具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

直流電機(jī)應(yīng)用廣泛，幾乎遍及機(jī)電行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，是機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件。比如，煤礦巷道中的電機(jī)車就是由直流電機(jī)牽引的。它具有優(yōu)良的機(jī)械特性和調(diào)速特性，強(qiáng)大的過載能力，可實(shí)現(xiàn)頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足各種不同的控制要求。但是，直流電機(jī)較交流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，維護(hù)工作量大，對(duì)控制器提出了極高的運(yùn)行可靠性要求，以保證控制系統(tǒng)不受環(huán)境、強(qiáng)電及射線等干擾，因此把PLC作為控制系統(tǒng)的控制器比較合理。

2 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

直流電機(jī)的控制系統(tǒng)由三部分組成，即控制器、驅(qū)動(dòng)器和直流電機(jī)。一般控制用直流電機(jī)都需要專用的驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器的作用是接收控制器的信號(hào)發(fā)出電機(jī)能接受電信號(hào)，它還包括各種必要的過流過載保護(hù)電路。因此，控制器輸出的脈沖和方向信號(hào)是先輸入進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，再由驅(qū)動(dòng)器來控制電機(jī)的速度和方向，其控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1。

3 驅(qū)動(dòng)器的選擇及其功能介紹

控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能，除與電機(jī)自身的性能有關(guān)外，在很大程度上還取決于驅(qū)動(dòng)器性能的優(yōu)劣。因此，正確選擇驅(qū)動(dòng)器對(duì)于其控制系統(tǒng)也是非常重要的。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇國外某公司生產(chǎn)的LMD18200，LMD18200是專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件，同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，這種芯片瞬間驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)6A，正常工作電流可達(dá)3A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，而且此種芯片內(nèi)部還具有過流保護(hù)的測(cè)量和溫度過熱檢測(cè)。此電路具有驅(qū)動(dòng)功率大，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)方便，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2。

主要輸入輸出引腳功能如下：3腳為方向輸入端，該腳控制輸出1與輸出2 （腳2、10）之間電流的方向，來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向；4腳為剎車輸入端，將PWM信號(hào)輸入端（腳5）置邏輯高電平時(shí)把該腳置邏輯高電平即可實(shí)現(xiàn)剎車；5腳為PWM波輸入端，通過改變PWM的占空比就可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度；2腳和10腳為電流輸入輸出端，連接直流電機(jī)的正負(fù)極。LMD18200型直流電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器的邏輯真值表見表1。

表1 邏輯真值表

LMD18200提供雙極性方式（也稱反向鎖定控制）和單極性方式（也稱方向脈寬控制）兩種工作方式。在雙極性工作方式中，單個(gè)的PWM信號(hào)接入LMD18200的DIR端子，由PWM信號(hào)的占空比大小控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。在單極性這種工作方式中，PWM脈沖信號(hào)接在LMD18200的PWM端，而方向信號(hào)接在DIR端，PWM端脈沖信號(hào)的占空比決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，而DIR端的電平高低決定電機(jī)轉(zhuǎn)向。如果控制器能提供PWM和DIR信號(hào)，則使驅(qū)動(dòng)器工作在單極性方式，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)為全數(shù)字式，避免了模擬電壓的溫漂和噪聲干擾等不利影響。因此，自動(dòng)控制系統(tǒng)中通常使用單極性工作方式。

4 直流電機(jī)的控制過程

對(duì)電機(jī)的控制主要是對(duì)其旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向的控制，通過控制LMD18200的3腳的高低電平即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。下面主要介紹PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電機(jī)速度的過程。

下面以西門子S7-200系列PLC來詳細(xì)說明電機(jī)速度的控制過程。對(duì)于S7-200系列PLC來說，如果CPU模塊上的輸出類型為DC型（晶體管輸出），那么在其Q0.0和Q0.1上可以產(chǎn)生高速脈沖串和脈沖寬度可調(diào)的波形，頻率可以達(dá)到20kHz。

PWM功能能提供連續(xù)、可變占空比脈沖輸出，用戶可以控制周期和脈沖寬度。每個(gè)PWM發(fā)生器有一個(gè)控制字節(jié)（8位）、一個(gè)16位無符號(hào)的周期值寄存器、一個(gè)16位無符號(hào)的脈沖寬度值寄存器和一個(gè)32位無符號(hào)脈沖計(jì)數(shù)值寄存器。這些值全部存儲(chǔ)在特殊存儲(chǔ)器中，一旦這些特殊存儲(chǔ)器的位被置成所需操作，就可以通過執(zhí)行脈沖輸出指令（PLS）來調(diào)用這些操作。PLS指令使S7-200讀取相應(yīng)特殊寄存器中的位，并對(duì)相應(yīng)的PWM發(fā)生器進(jìn)行操作。

占空比 = t（脈沖寬度）/ T（脈沖周期）= 電機(jī)運(yùn)行速度/電機(jī)最大速度

上述公式中脈沖周期和電機(jī)最大速度是已知條件，通過調(diào)節(jié)調(diào)脈沖寬度就能得到相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行速度。當(dāng)脈寬值等于周期值時(shí)，占空比為100%，即輸出連續(xù)接通；當(dāng)脈寬值為0，占空比為0%，即輸出斷開，因此電機(jī)的速度可以從0調(diào)到最大。 5 脈寬調(diào)制的程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括兩部分：

（1）初始化程序：它是用來清空程序存儲(chǔ)器，按照所要求的把現(xiàn)有的初始參數(shù)裝入程序存儲(chǔ)器，如脈沖周期、初始脈沖寬度和脈沖寬度是否可調(diào)，脈沖寬度初始化程序見圖3：

                圖3 脈寬調(diào)制初始化程序框圖

（2）脈沖寬度調(diào)節(jié)程序：通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來達(dá)到調(diào)速的目的，PWM調(diào)節(jié)脈沖寬度程序見圖4：

                 圖4 脈沖寬度調(diào)節(jié)程序框圖

在PWM初始化程序中，把脈沖周期裝入SMB78，把初始脈沖寬度裝入SMB80。16#DA裝入SMB77表示脈沖寬度可調(diào)，在脈寬調(diào)節(jié)程序中把所需脈沖寬度裝入SMB77就能實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。 6 結(jié)束語

現(xiàn)在，直流電機(jī)的調(diào)速方法很多，同時(shí)隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC的功能也越來越強(qiáng)，用小型的PLC就可以構(gòu)成直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，并且具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，是一種切實(shí)可行的直流電機(jī)控制方案。