基于PLC的永磁直流電動機轉速測量

王元慧，吳 云

（遼寧石油化工大學 遼寧 撫順 113001）

轉速是反映的是直流電動機的運行狀態的一個重要參數，在直流電動機的PLC控制系統中能否較為用較為簡單的方法實現轉速的測量具有研究意義。測速發電機的精度較低，測量速度較小的電動機的轉速誤差較大，而旋轉編碼器雖然較為成熟，但其成本較高[2-3]。本文正是基于直流電動機的PLC控制雙閉環直流調速系統中轉速的測量問題提出一種新的轉速測量方法[4]。

1 直流電動機的穩態參數模型

直流電動機的穩態參數模型可知，U=E+IR，測速發電機測量轉速是根據測量反饋回路中的電壓來反映轉速的[5-6]，根據式子E=Ceφn可知，直流電動機起動或者停車的過程中的當電動機運行達到穩定狀態后其轉速為對于永磁直流電動機來說其磁場是固定的，在電動機運轉的過程中變化比較小，故將Ceφ視為常數，由直流電動機輸出的電壓和流過電動機電流即可反映直流電動機的轉速。

2 PLC

作為三大工業控制支柱之一的現代可編程控制器PLC，具有操作簡便，可靠性高，可在線修改控制程序等特點[7]。而西門子PLC在實際生產中應用較為廣泛，由于實驗中的數據比較少故采用較為簡單的S7-224。PLC的模擬量模塊能夠采集回路中的模擬量轉化成相應的數字量，通過直流電流和電壓傳感器可以讀出相應的讀數，將實際的電壓和電流采集到PLC中，通過相應的數學計算得到所求的參數[8]。

3 實際測試

本次實驗選取的是永磁式直流電動機，額定電壓為24 V，由于永磁直流電動機的一些參數沒有給出，需要自己測量。而測量轉速的過程中需要先測定這些參數。

1）直流電動機的電阻的測量

由歐姆定律測得該直流電動機的電阻為60Ω。其測試結果如圖1所示。

2）直流電動機電感的測量

根據電感充放電原理（RL電路）：電感電路沒有充放電的問題，但是自感線圈中可以儲存能量，由直流電動機的電路圖可知，當回路中的電流發生變化時，電感會充放電，由電感充放電的時間可以知道

儲存過程中：I=If*（1-e^（-t*（R/L）））

釋放過程中：I=I0*（1-e^（-t*（R/L）））

If是回路中最大電流，I0是最初電流，L是自感系數R是電阻阻值τ=L/R。

圖1 直流電動機的電阻測量Fig.1 DCmotor resistance measurement

根據經驗可知電感一般經過3τ達到穩定狀態，由電感達到穩定的時間可以計算得電感為0.006 59 H，

圖2 直流電動機電感參數測量Fig.2 DC inductance parameter measurement

3）直流電動機轉速的測量

采用直流電壓和直流電流傳感器采集直流電動機的電壓和電流信號到PLC中，為了降低成本，選取的傳感器輸出均為PLC模擬量模塊可以測得的范圍內的傳感器[9]。考慮到直流電動機的電壓范圍和電流范圍，選取的直流電壓傳感器輸入電壓為50 V，輸出的電流為0～20 mA，選取的直流電流傳感器的輸入電流為2 A，輸出電流為0～20 mA。根據直流電動機的數學模型，得到直流電動機的轉速測量公式

圖3 直流電動機的轉速Fig.3 The speed of DCmotor

4 系統設計

本次實驗為了能夠更好的測試直流電動機的轉速，分別對直流電動機在未帶負載時的起動過程和穩定狀態是的轉速進行測量，并與直流電動機給出的空載轉速進行比較。通過電壓傳感器將直流電動機的電壓信號采集到PLC中，由直流電流傳感器采集電動機的電流信號，通過PLC進行相應的計算，得到直流電動機的轉速。

硬件設計：本次實驗主要直流電壓、電流檢測電路、控制電路和顯示電路組成。控制電路以西門子PLC S7－224為核心，通過紫金橋組態軟件來顯示相應的讀數和變化曲線。檢測電路主要是由霍爾傳感器來實現直流電壓和直流電流的檢測[10]，為了減少PLC的模擬量輸入模塊的數量，采用的均為與PLC輸入相匹配的電流型傳感器，

5 實驗結果分析

圖4為由旋轉編碼器測得的直流電動機的轉速。

圖4 由旋轉編碼器測得的速度Fig.4 The speed get by rotary encoder

通過比較分析可以得知，依據該種方法測得的直流電動機的轉速較為穩定，比應用旋轉編碼器測得的轉速更為精確，因此能更好的應用在直流電動機的雙閉環調速系統中。應用測速發電機測量的電動機的轉速也存在一定的誤差，由于表盤的數字波動不便于讀出精確的數值，但經過分析可以看出運用該種方法測量轉速較測速電機的更為直觀和精確。

6 結 論

經過實驗測得的電動機的轉速與實際給出的空載轉速之間存在一定的偏差，但是總體上接近直流電動機出廠所給出的轉速的數值相一致，考慮到在直流電動機在運行的過程中電阻和電感會受到溫度和周圍環境的因素的影響而導致直流電動機的電感和電阻值會在一定的范圍內波動，并且直流電動機的數據都是經過實驗測得的，與實際的參數之際存在一定的偏差。本次實驗雖然是基于小型直流電動機的轉速的測量，相對于大型電動機而言，只是相應的參數發生變化，這種直流電動機轉速的測量方法適用于電動機運行在恒磁通的狀態下，在電動機弱磁調速系統中，這種測量轉速的方法就不適用。

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