一、工程训练目的和内容（一）工程训练的目的工程训练是对学生进行工程基本训练的重要环节，培养学生的工程实践能力。1、 通过现场观察、分析、实验和应用常用电器、电子元件、电子仪器，培养学生正确选择和使用电子器件及仪器的能力。2、 电路板的焊接和调试，培养学生实际动手能力。3、 通过一个实际系统的工程设计、实现与调试，培养学生工程设计和工程实践能力。总之，工程训练的重点是工程设计、选型、操作、调试及其工程总结，培养学生综合应用所学知识去解决工程和实际问题的能力。（二）工程训练的内容1、 熟悉实验陈列的常用电器、电子元件的外型、型号、结构、参数、特点、工作原理、用途，正确选用合适元件。2、 根据给出的电路印刷板，要求推断出其电路原理图，并分析其工作原理，同时训练焊接技术，要求原理图正确，原理分析透彻，焊接符合要求。3、 完成一个实际系统的工程设计、实验与调试。（1） 用Protel99se绘制出系统原理图。（2） 分析说明系统的工作原理和各单元的工作原理。（3） 主要参数计算及元器件的选型，列出元器件清单表。（4） 完成系统的组装与调试，分析系统的性能。二、工程训练选题以及设计分析（一）工程训练选题本次工程训练，为了能够有效提高自己的系统分析设计能力，动手能力，调试能力，自动化技术综合应用能力，并且为了接下来的运动控制的学习打下一定的基础，我们小组一致决定选择基于PLC的直流PWM开环调速系统。选题要求及一些参数如下：1. 原始参数：电机功率1.5kW；额定电压：220VDC；额定电流：8.7A；额定转速：1500rpm；额定励磁电压：220VDC；2. 根据参数算出PWM的最大占空比；3. 设计系统主要回路，选定器件的参数；4. 根据要求设计控制回路，选定控制器件和PLC型号等；5. 根据要求设计系统软件，实现电机的开环调速；6. 硬件软件中必须有响应的电路保护措施；7. 联系实验室进行系统调试；8. 实验室调试及结果分析总结。考虑到是开环调速，无须我们进行测速反馈甚至双闭环反馈。可以说难度非常适合即将开始大四专业课学习的我们。这个选题不仅涵盖了之前的一些专业基础知识，比如电机及拖动原理，PLC技术的应用，电力电子技术及PWM应用，同时也涉及了运动控制中基础的直流电机调速部分。是一个自动化技术在工程上的典型应用。设计要求未采用传统的单片机系统，而采用工业现场中普遍使用的PLC来实现，可以帮助我们更好的认识工业应用。（二）系统设计分析在确认选题后，我们就开始了资料搜索阶段。针对题目，我首先分析了自己的知识薄弱环节。主要有两部分，一是PWM技术的应用。虽然我们已经在电力电子技术课程中进行过学习，在自控实验以及计算机控制实验中也略有涉及，但我个人还没有实际应用过PWM控制技术。二是器件选型的知识。由于我在工厂供电课程设计时接触了实际电力系统的器件选型，了解到选型是一个需要综合考虑的一个问题，包括额定值计算、考虑裕量等等。但在实际的电子元器件选型，我却几乎没有经验。因此，我主要在这两个方向进行资料检索。基于题目难度，这里主要将以下几部分进行系统设计分析：一、PWM技术的应用：PWM技术可以说是此次设计的核心任务。这里的PWM技术是指功率器件工作在开关饱和导通状态，通过改变功率器件的驱动脉冲信号的开通和关断时间，来改变加载负载两端的平均电压的大小。对于本题，负载是直流电机，也就是固定脉冲信号的开关频率及周期，通过改变脉冲宽度来实现改变直流电机的电枢电压，进行调压调速。直流他励电机的调速方法主要有三种：一、电枢串电阻调速；二、改变电压调速；三：弱磁调速。其中，变电压调速应用较广，因为进行调压调速，铜耗较小，电机机械特性较硬，低速运行时，转速随负载变化幅度较小，稳定性较高，而且能实现无级调速，性能优越。在实际的直流电动机可逆PWM控制，常用的拓补结构包括T型半桥电路和H桥电路。其中H桥电路应用广泛。其电路如图2-1所示。（图中未画出阻容吸收支路）MV1V3V2V4VD1VD2VD3VD4U+_图2-1 可逆直流PWM控制中的H桥电路显然，通过图示电路，对场效应管的控制，实现电机的双向控制。根据在一个开关周期内，点数两段所作用的电压极性的不同以及电路状态的不同，可逆PWM控制可以分为三种工作模式，即双极性模式、单极性模式和受限单极性模式。在三种控制方式中，我们选择了双极性可逆PWM控制模式。其特点是在一个开关周期内，作用到电枢两端的电压极性是正负交替的，而非指PWM驱动信号的双极性。双极性可逆PWM模式实现的基本方法是：同侧的上下桥臂控制信号是相反极性的双极性PWM信号或互补的单极性PWM信号；而不同侧之间上、下桥臂的控制信号相同。对于图2-1中所示的H桥电路，控制信号是：V1=V4，V2=V3。而实现电机的双向运行，是通过调节PWM占空比完成的。以上桥臂V1的PWM信号为例，当占空比50%时，电动机正向运行；当占空比50%时，电动机反向运行；当占空比=50%时，电动机两端平均电压为零，电动机处于停止状态。这里点击的旋转正反方向是相对的。下面对各种电路运行状态进行分析：而无论电机转向如何，双极性可逆PWM控制中共存在四种可能的运行状态。Uia2LVD2VD3Rea+_Uia1LV1V4Rea+_Uia4LVD1VD4Rea+_Uia3LV2V3Rea+_a)b)c)d)图2-2 双极性可逆PWM模式中的等效电路a）电动状态 b）电动续流状态 c）反接制动状态 d）再生制动状态运行状态1：电动状态。在V1和V4的PWM信号为高电平时，功率管V1、V4饱和导通而V2、V3关断。电枢两端所加电压为U。电枢电流上升，电动机处于正向电动状态，等效电路图如图2-2a所示。运行状态2：电动续流状态。在V1和V4的PWM信号变为低电平时，功率管V1、V4关断而V2、V3饱和导通。电枢两端所加电压为-U。此时电枢电流方向不能立即改变，电动机的自感电动势克服反电动势通过二极管VD2、VD3续流，电动机消耗存储在电感中的能量，电流衰减。电动机处于电动续流状态，等效电路图如图2-2b所示。运行状态3：反接制动状态。如果电动机续流结束，但PWM信号依然没有变化，即V1、V4维持关断而V2、V3维持饱和导通，此时电动机在反向电压的作用下，产生一个反向的电流回路。如果电动机方向没有改变，运行状态相当于反接制动。等效电路图如图2-2c所示。运行状态4：再生制动状态。如果存在上述的反接制动状态，则V1、V4的PWM变为高电平后，电枢两端电压重新为U。电枢电流方向不能立刻改变，反向电流将经二极管VD1、VD4向店员充电并逐渐减小为零，电动机处于再生制动状态，等效电路图如图2-2d所示。就电机的集中运行状态，通过图2-3来加以说明。图2-3是电机正转时的PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形图。Ug1Ug2ttVD2VD3VD2VD3V1V4V1V4tonTUg4Ug3tt+Us-UsUABtonTidid1id2121121212344341图2-3 双极性控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形图中，相当于一般负载时的情况，脉动电流的方向始终为正，图中的数字1、2表示对应于图2-2中的a）、b）两种运行状态，此时不出现反接制动和再生制动状态；相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，此时出现电机的四种运行状态。在双极性PWM控制中，当PWM占空比为50%的时候，在稳态情况下电动机将处于停止状态，而电流的脉动将导致发动机存在一定的微小振动，有利于克服静摩擦等，但同时对点击的换向及散热不利。双极性控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1） 电流一定连续。（2） 可使电机四象限运行。（3） 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。（4） 低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右。（5） 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍然较宽，有利于保证器件可靠导通。双极性控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且切换时可能发生上下桥臂直通的事故，为防止直通，在上下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。二、线路保护电路的保护由电压传感器、电流变送器、开关器件继电器完成。所有的传感器检测的信号送入PLC，进行软件处理后，将控制信号直接驱动开关线圈或者场效应管。首先从上电整流开始。由于整流侧为大电容，突加交流信号，相当于短路，为了限制整流电流，整流侧串联一限流电阻。当整流电流达到额定值的90%时，PLC输出高电平信号，驱动限流电阻开关线圈带电，常开触点闭合，常闭触点断开。限流电阻采用常开触点，实现了限流结束后，闭合短路限流电阻，实现切除。这样防止了由于分压引起的误差。在驱动电机过程中，包括整流过流检测和电枢过流检测。整流过流检测比电枢电流检测高一级，因此动作整定值更大。电枢过电流是为了防止带负载时，负载过大，导致电流过大烧坏H桥场效应管。而整流过电流则防止烧坏整流二极管和限流电阻。当电机运行在回馈制动状态，由于变压器副边不可控整流电路，因此无法将电能回馈给电网，当电压传感器检测达电压回馈达到泵升电压限制后，导通场效应管续流。通过续流电阻，将多余的电能消耗在电阻上，实现了能耗制动。温度检测模块是当场效应管因长期工作或者过流而温度过高时，PLC断掉整流电路开关，防止烧毁。三、场效应管驱动场效应管属于电压驱动型器件。场效应管的栅源极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使场效应管开通的栅源极之间的驱动电压一般取1015V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应该随被驱动器件电流额定值的增大而减小。图2-4可以作为实验的场效应管驱动电路，它包括电气隔离和晶体管放大两部分。当无输入信号时高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。V1u1R1R3R2R5R4C1A+_+VCC-VCCV2V3RG20V20VMOSFET图2-4 场效应管驱动电路三、直流PWM开环调速系统原理M电压检测电流检测电流检测温度检测电压传感器I/O泵升限制故 障 保 护故障综 合PWM生成驱 动电 路通信接口EM231+V触摸屏其他外设PLCS7-200CPU222+_K1K2C1C2+R1R2RbVb图3-1 PLC控制开环直流PWM调速系统硬件原理图开环直流PWM调速系统原理图如图3-1所示。其硬件结构主要是由以下几部分构成：1、主回路三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。2、检测回路主要是对可调电压的输入检测，送入EM231的A/D转换送入CPU222处理，得到实际的场效应管驱动输出。另外还包括对故障的检测