直流電動機是輸出或輸人為直流電能的旋轉(zhuǎn)電動機，是能實現(xiàn)直流電能和機械能互換和轉(zhuǎn)換的電動機。直流電動機的調(diào)速性能很好，起動轉(zhuǎn)矩較大，特別是調(diào)速性能為交流電動機所不及。因此，在對電動機的調(diào)速性能和起動性能要求較高的生產(chǎn)機械上，大都使用直流電動機進行拖動。

    一、直流電動機的工作原理

    在圖7-41中，N、S為一對固定的磁極（一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵），兩磁鐵之間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體（電樞），圓柱體的表面上固定著一個線圈。當(dāng)線圈中通入直流電流時，線圈受到電磁力的作用，如圖7-41 (a)所示，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向。若電樞轉(zhuǎn)動，線圈邊的位置互換，如圖7-41 (b)所示，ab邊轉(zhuǎn)到下方，而線圈中通過的還是直流電流，此時產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向變?yōu)轫槙r針方向。因此，電樞受到的是一種方向交變的電磁轉(zhuǎn)矩，這種交變的電磁轉(zhuǎn)矩只能使電樞來回搖擺，而不能使它連續(xù)轉(zhuǎn)動。顯然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于，當(dāng)線圈處在不同極性的磁極下時，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以轉(zhuǎn)換。為此，必須添加一個換向器，換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片構(gòu)成，裝在電動機軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉(zhuǎn)。線圈邊a和線圈邊d分別接在換向器的兩個換向片上，換向器又與兩個固定不動的石墨制成的電刷A、B相接觸。安裝換向片后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電樞對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極之下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時，總是由電刷B流出的方向。由此保證了每個磁極下線圈邊中的電流始終是一個方向，就可以使電動機連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。

    圖7-41    直流電動機的工作原理示意圖

    (a)線圈受到電磁力作用；(b)線圈轉(zhuǎn)動

    直流電動機按類型主要分為直流有刷電動機和直流無刷電動機，直流電動機的調(diào)速分為電樞控制法和勵磁控制法。相對于勵磁控制法，電樞控制法具有啟動平穩(wěn)、能量損耗小、效率高和能在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點，因此現(xiàn)在大部分場合都采用調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速。

    二、直流電動機速度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

    1．輸入/輸出信號分析

    直流電動機速度控制系統(tǒng)的輸入信號有：控制直流電動機啟動和停止的按鈕各1個，共2路輸入信號，需2個輸入端子。

    輸出信號：控制直流電動機運行速度的PWM值，需1個輸出端子。

    2．PLC的輸入/輸出分配表

    根據(jù)PLC的輸入/輸出信號分析情況，可以對PLC主機的輸入/輸出點數(shù)進行分配，結(jié)果如表7-9所示。

    表7-9    直流電動機速度控制系統(tǒng)輸入/輸出分配表

    3．PLC選型

    根據(jù)表7-9所示的PLC主機的輸入/輸出分配表，參看第2章表2-1，本實例中可以選擇S7 - 200系列PLC中的CPU221作為控制主機。

    4．硬件連接圖

    根據(jù)輸入/輸出分配表，可以畫出如圖7 - 42所示的PLC主機的硬件接線圖。

    圖7-42    直流電動機速度控制系統(tǒng)PLC主機的硬件銜接線圖

    三、直流電動機速度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

    本實例中，直流電動機的詳細工作過程可描述如下：按下啟動按鈕，電動機開始運轉(zhuǎn)；電動機首先以慢速運轉(zhuǎn)40s，暫停4s后以中速運轉(zhuǎn)50s，再次暫停5s后以高速運轉(zhuǎn)60s，高速運轉(zhuǎn)60s后開始自由停車，直至停止運轉(zhuǎn)。若在工作過程中，按下停止按鈕，直流電動機就會停止工作。

    根據(jù)對直流電動機工作過程的描述，可以設(shè)計出直流電動機速度控制系統(tǒng)的程序流程圖，如圖7-43所示。

    圖7-43    直流電動機速度控制系統(tǒng)的程序流程圖

    根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，可知應(yīng)采用高速脈沖輸出指令PLS來控制脈沖輸出，輸出口Q0.0控制位SMB67設(shè)置為16:#D8(2#11011000)，允許輸出，采用PWM模式，PWM同步更新，時間單位為ms，不允許更新PWM脈沖的周期值和脈沖寬度。在低速階段，輸出的PWM脈沖，周期為100ms，脈寬為30ms;在中速階段，輸出的PWM脈沖，周期為100ms，脈寬為50ms；在高速階段，輸出的PWM脈沖，周期為100ms，脈寬為80ms。直流電動機速度控制系統(tǒng)的PLC梯形圖以及語句表如圖7-44所示。

    圖7-44    直流電動機速度控制系統(tǒng)的PLC梯形圖和語句表