采用工業以太網的直流電機控制系統

洪雪梅，鄭力新

（華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門361021）

采用工業以太網的直流電機控制系統

洪雪梅，鄭力新

（華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門361021）

在原有直流電機控制實驗系統的基礎上，采用泓格I－8837嵌入式控制器將工業以太網由信息層延伸到控制層和設備層，完成PC機和現場控制設備間的通信.借助以太網實現對直流電機的啟動、調速和停止的遠程監控，同時應用擴充臨界比例法對比例－積分－微分（PID）參數進行工程整定.測試結果表明：系統具有準確、穩定和運行可靠的特點，符合網絡實驗室的要求.

直流電機；以太網；嵌入式控制器；遠程監控；PID參數

現場總線也稱現場網絡，它使自控設備與系統步入了信息網絡的行列，為其應用開拓了更為廣闊的領域.然而，現場總線這類專用實時通信網絡存在著成本高、速度低和支持應用有限等不足，再加上總線通信協議的多樣性，使得不同總線產品之間不能互連、互用和互操作，極大地限制了現場總線工業網絡的進一步發展［1］.傳統的控制系統在信息層大都采用以太網，而在控制層和設備層則采用不同的現場總線或其他專用網絡［2］.本文在原有直流電機控制實驗系統的基礎上，通過工業以太網來實現PC機和現場控制設備間的通信.

1 直流電機控制原理分析

直流電機的控制是一種過程控制，一般采用PID參數進行自整定.PID控制器把收集到的數據和參考值進行比較后，用于計算新的輸入值，讓系統的數據達到或者保持在參考值.與其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據測量值和設定值的差值來調整控制器輸出值，使得系統更加準確，更加穩定［3］.圖1為直流電機控制原理框圖.

由直流電機穩態時電樞回路的基爾霍夫電壓定律（KVL）方程可得

圖1 直流電機控制原理圖Fig.1 Diagram of DC motor control

式中：Ud為加在直流電機兩端的電壓；Ce為跟電機自身有關的常數；?為電機的勵磁強度；Id為電樞電流；Rd為電樞電阻.由此可知，改變加在電機電樞兩端的電壓即可調節電機的轉速［4］.為了更好地驅動直流電機，采用一種三相全控整流橋的可控硅整流裝置，對PID計算出的控制電壓進行功率放大.該裝置的輸出電壓U0＝2.34 U2cosθ.其中，U2為三相電中每相電壓的有效值；θ為導通角.

由于導通角受PID輸出電壓Uc控制，且它們之間成反比關系，即Uc越大，θ越小.因此，在忽略非線性的情況下，可控硅整流的輸出電壓可近似為U0＝k Uc.其中，k為一常數.

2 硬件設計

圖2為系統硬件原理圖.選用臺灣泓格科技公司生產的I－8837嵌入式控制器作為控制器，利用其自帶的擴展插槽和串口、以太網、CAN bus和FRnet等多種總線進行功能擴充.I－8837嵌入式控制器擁有可編程特性，可以利用它來做前端智能數據采集、運行控制程序、向直流電機發出控制電壓；同時，可以向上位機傳送直流電機的運行數據來反映直流電機的運行情況，通過連接運行IS－aGRAF軟件的主機來實現整體監控.

I－8017 H模塊作為系統的模擬量輸入模塊，反映直流電機轉速的電壓輸入到控制器I－8837.通過模擬量輸出模塊I－8024將PID運算的控制電壓輸出到可控硅裝置，以控制加在電機電樞上的電壓.

可控硅整流裝置采用三向橋式整流技術，對D／A的輸出電壓進行功率放大，它將輸出一個控制電壓（Ud）加在電機電樞上.這個輸出電壓是受模塊I－8024的輸出電壓（Uo）（即PID的輸出）控制的，可近似為Ud＝k Uo，k為一比例常數.直流電機的轉速測量采用測量變送裝置，并將電機的轉速轉化為電壓，由模塊I－8017 H輸入到控制器，反饋系數k＝0.005 713 3.

圖2 直流電機控制系統硬件原理圖Fig.2 Diagram of the hardware of DC motor control system

3 軟件設計

3.1 主程序設計

I－8837是以ISaGRAF為控制軟件核心的嵌入式控制器.ISaGRAF由兩大部分組成：在PIE等實時現場設備或I／O卡件上運行的核心軟件和在以太網上運行的工作站軟件平臺.ISaGRAF生成獨立于硬件的可執行代碼，從工作站平臺下裝到現場設備后實現對過程設備的監測、控制和管理.

考慮直流電機控制系統的特點，采用階梯圖LD語言和結構化文字ST兩種語言進行混合編程.其中：Speeds程序用LD語言編程，用于計算電動機的實際轉速；Main程序用LD語言編程，用于電動機控制主程序；Pid＿out程序用LD語言編程，用于對誤差E（k）進行PID運算，計算控制電壓；Showturn程序用LD語言編程，讓人機界面上顯示電動機轉動的程序；End程序用ST語言編程，用于結束程序并進行相關變量復位.

3.2 人機界面的設計

圖3 直流電機控制系統的人機界面Fig.3 Human－machine interaction of DC motor control system

為了實現真正意義上的遠程監控，系統還需要構建一個簡潔、直觀的人機界面.利用ISAGRAF的注視點工具來編輯該界面.ISaGRAF注視點工具允許用戶定義監視列表，在調試時以示意圖或列表形式顯示，圖形項必須與ISaGRA項目的變量相鏈接，圖形總是“在線”定義和演示.要強制變量的值，用鼠標在圖形或列表中雙擊相應項，或選擇它后按ENTER鍵.在程序運行時可單擊Debugger窗口的tools菜單下的spotlight選項進入界面編輯窗口來編輯人機界面，如圖3所示.

4 系統調試及PID參數的整定

利用I－8837控制器可以輕松地將各種具備RS－232／485／422接口的設備接入以太網，方便對控制器進行遠程設置及裝載各種程序.但在實現這些功能之前需要對控制器的IP地址，Mask和gateway進行設定，這關系到整個系統的正常運行.設置的關鍵是要完成以下3個步驟：（1）運行ISAGRAF／800／Driver／7188x.exe；（2）用RS232將電腦和I－8837控制器的COM1端口相連；（3）先關閉控制器電源，用導線將I－8837控制器的INIT和INIT－COM短接，再開啟電源.

輸入SEPIP 192.168.201.52來設定IP地址，要特別注意該地址的前3位數據必須與計算機的一致，否則I－8837無法正常通信.同理，輸入SETMASK 255.255.255.255設置控制器的MASK；輸入SETGATEWAY 192.168.0.1設置控制器的gateway.

用比例調節器取代PID調節器，其他保持不變，構建直流電機控制系統閉環調速.系統運行時在界面中逐漸增大Kp直到電機轉速開始發生震蕩，此時Kp即是Ks（Ks＝26）.同時，借用數字示波器測得震蕩周期Ts＝1.2 s.

控制度是定義數字調節器和模擬調節器所對應過度過程誤差的積分之比.在這里，控制度選擇為1.2，此時T／Ts＝0.043，Kp／Ks＝0.47，Ti／Ts＝0.47，Td／Ts＝0.16.經計算，T＝50 ms，Kp＝12，Ti＝0.56，Td＝0.192.

將系統由比例控制改為PID控制，PID參數設置如上所計算出來的值，再進行閉環實驗，并根據PID參數對控制系統性能（穩定性、準確性、快速性等）的影響對計算出來的各參數進行微調.經過反復實驗與調整，PID各理想參數整定為Kp＝2，Ti＝0.45，Td＝0.2，T＝30 ms.

5 結束語

在原有直流電機控制實驗系統的基礎上，應用工業以太網對該實驗系統進行改進，實現真正意義上的遠程監控和轉速的PID控制.經過反復測試，系統運行可靠，有利于提高網絡的實驗教學.

［1］ 王榮莉，雷斌.工業以太網技術的現狀與發展［J］.自動化博覽，2004（4）：63－65.

［2］ 冉全，肖德寶，趙振華.工業以太網的系統設計方案研究［J］.武漢理工大學學報：信息管理與工程版，2003，25（2）：8－11.

［3］ 何克忠，李偉.計算機控制系統［M］.北京：清華大學出版社，1998：4.

［4］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2003：7.

Study on the Control Systems of DC Motor Based on Industrial Ethernet

HONG Xue－mei，ZHENG li－xin
（College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Based on the control experiment of DC motor，the application of industrial ethernet is expanded from information layer to control layer and equipment layer by using ICP DAS I－8837 embedded controller，and then the communication between PC and the on－site control equipment is achieved.With the ethernet，the operating conditions of DC motor for the start，the speed control and the stop can be remote monitored，and then the PID parameters can be adjusted by applying the extended critical ratio method.The test results show that the proposed system has exact，stable and reliable characteristics，in line with the requirement of network laboratory.

DC motor；ethernet；embedded controller；remote monitor；PID parameter

TP 393.11

A

（責任編輯：錢筠 英文審校：吳逢鐵）

1000－5013（2012）05－0506－03

2011－10－07

洪雪梅（1974－），女，實驗師，主要從事智能控制技術和生物信息學的研究.E－mail：hxmei＠hqu.edu.cn.

教育部科研重點項目（207145）；福建省教育廳高等學校第二批網絡課程研制項目（2004年度）