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、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點而應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。

直流電機應(yīng)用廣泛，幾乎遍及機電行業(yè)各個領(lǐng)域，是機電控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件。比如，煤礦巷道中的電機車就是由直流電機牽引的。它具有優(yōu)良的機械特性和調(diào)速特性，強大的過載能力，可實現(xiàn)頻繁的起動、制動和反轉(zhuǎn)，能滿足各種不同的控制要求。但是，直流電機較交流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，維護工作量大，對控制器提出了極高的運行可靠性要求，以保證控制系統(tǒng)不受環(huán)境、強電及射線等干擾，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)簡介

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

3 驅(qū)動器的選擇及其功能介紹

控制系統(tǒng)的運行性能，除與電機自身的性能有關(guān)外，在很大程度上還取決于驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。因此，正確選擇驅(qū)動器對于其控制系統(tǒng)也是非常重要的。直流電機驅(qū)動器選擇國外某公司生產(chǎn)的LMD18200，LMD18200是專用于直流電動機驅(qū)動的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)動電流可達6A，正常工作電流可達3A，具有很強的驅(qū)動能力，而且此種芯片內(nèi)部還具有過流保護的測量和溫度過熱檢測。此電路具有驅(qū)動功率大，穩(wěn)定性好，實現(xiàn)方便，安全可靠等優(yōu)點，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，來控制電機旋轉(zhuǎn)的方向；4腳為剎車輸入端，將PWM信號輸入端（腳5）置邏輯高電平時把該腳置邏輯高電平即可實現(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)電機的速度；2腳和10腳為電流輸入輸出端，連接直流電機的正負極。LMD18200型直流電機專用驅(qū)動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，單個的PWM信號接入LMD18200的DIR端子，由PWM信號的占空比大小控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。在單極性這種工作方式中，PWM脈沖信號接在LMD18200的PWM端，而方向信號接在DIR端，PWM端脈沖信號的占空比決定電機轉(zhuǎn)速，而DIR端的電平高低決定電機轉(zhuǎn)向。如果控制器能提供PWM和DIR信號，則使驅(qū)動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，自動控制系統(tǒng)中通常使用單極性工作方式。

4 直流電機的控制過程

對電機的控制主要是對其旋轉(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的正反轉(zhuǎn)。下面主要介紹PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電機速度的過程。

下面以西門子S7-200系列PLC來詳細說明電機速度的控制過程。對于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PWM發(fā)生器有一個控制字節(jié)（8位）、一個16位無符號的周期值寄存器、一個16位無符號的脈沖寬度值寄存器和一個32位無符號脈沖計數(shù)值寄存器。這些值全部存儲在特殊存儲器中，一旦這些特殊存儲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，并對相應(yīng)的PWM發(fā)生器進行操作。

占空比 = t（脈沖寬度）/ T（脈沖周期）= 電機運行速度/電機最大速度

上述公式中脈沖周期和電機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)的電機運行速度。當(dāng)脈寬值等于周期值時，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，因此電機的速度可以從0調(diào)到最大。 5 脈寬調(diào)制的程序設(shè)計

程序設(shè)計包括兩部分：

（1）初始化程序：它是用來清空程序存儲器，按照所要求的把現(xiàn)有的初始參數(shù)裝入程序存儲器，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就能實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。 6 結(jié)束語

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