技术领域
[0001] 本
发明属于火炮供输弹控制领域，尤其涉及了基于PLC的串励直流电机PWM调速控制系统，并包括串励直流电机的驱动
电路。
背景技术
[0002] 在大口径自行火炮供输弹控制系统中,通常以多台
伺服电机作为执行元件，造成整个控制系统体积庞大、价格昂贵、可靠性低。但供输弹系统的空间有限，利用伺服电机控制系统安装困难。同时，对于控制
精度要求不高的应用场合，也是一种浪费。
[0003] 串励直流电机，它的显著特点是供电为直流
电压，励磁绕组和
电枢绕组的是
串联的连接方式。一般应用于恒定转速场合，如传送带、拖动
水泵等，它与同功率的伺服电机相比，具有体积小、价格低、控制简单等优点。因此，利用串励直流电机作执行电机可以解决自动供输弹系统安装空间有限等问题。
[0004] 大多数串励直流电机控制系统用
单片机或DSP芯片作为控制系统，但单片机或DSP做
控制器，外围电路多、占用端口多、不易进行系统扩充，影响系统
稳定性和可靠性。可编程控制器(PLC)是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，其典型特点是可靠性高、抗干扰能
力强、稳定性高、可扩展型好，同时编程灵活，可对串励直流电机进行PWM调速控制。
发明内容
[0005] 本发明要解决的第一个技术问题是，在大口径火炮供输弹系统直流电机控制系统中，用PLC对串励直流电机进行PWM调速控制。
[0006] 本发明要解决的第二个技术问题是，发明的串励直流电机驱动电路可同时驱动数台串励直流电机，克服多台伺服电机控制系统带来的控制复杂、体积增大的
缺陷。
[0007] 本发明的一种基于串励直流电机的火炮供输弹调速控制系统,一种基于串励直流电机的火炮供输弹调速控制系统，其特征在于：
[0008] 首先，检测元件通过PLC控制器的计数功能，测出直流电机的转速，将给定的转速
信号与测量的转速信号相减得到偏差信号；偏差信号通过PLC得到PID控制输出，即PID控制输出控制PWM信号的占空比，在PLC第一路输出端输出占空比可调的PWM信号，根据PLC的逻辑运算指令使另一路输出端输出与第一路输出端呈相反脉冲的PWM信号。
[0009] 进一步地，包括驱动单元，PWM信号输出给驱动单元；驱动单元含有由
门限电路、驱动电路、功率电路组成的两个分单元；两个功率电路均为大功率IGBT管，其输出端C极分别与一台串励直流电机的第一、第二电枢绕组连接，其E极与串励直流电机供电电源的负极相连；两个分单元的门限电路分别接收PLC输出端的两路PWM信号，并将大于门限电压的信号送入各自后端的驱动电路，驱动电路则根据门限电路有、无信号输出来控制大功率IGBT管的导通和截止；当第一IGBT管导通，第二IGBT管截止，串励直流电机向一个方向旋转；当第二IGBT管导通，第一IGBT管截止，串励直流电机则向相反方向旋转。
[0010] 进一步地，所述的驱动单元可为若干，每个驱动单元的两个输入端均对应连接在PLC输出的两路PWM信号上，且每个驱动单元的两个功率驱动电路的输出端C极与对应的串励直流电机的两个电枢绕组分别相接，其E极与对应的串励直流电机供电电源的负极相连。
[0011] 进一步地，在驱动单元部分增加隔离电路，对门限电路后和驱动电路之间的
电信号进行隔离。
[0012] 进一步地，隔离电路的输入级与其前面的门限电路共用一个电源。
[0013] 进一步地，隔离电路的输出级与后面的驱动电路、功率电路共用另一个独立电源。
[0014] 进一步地，隔离电路为一个光电耦合电路，光电耦合电路以光为媒介传输电信号，对输入、输出的电信号进行隔离。
[0015] 进一步地，门限电路的门限电压取1～5V。
[0016] 进一步地，两个驱动单元的驱动电路使用两个相互独立+15V电源。
[0017] 进一步地，两台串励直流电机中，第一串励直流电机使用+28V电源，第二串励直流电机使用－28V电源，两台串励直流电机使用不同极性的电源。
[0018] 本发明的有益效果体现以下几个方面：
[0019] (一)相对大多数串励直流电机利用单片机或DSP芯片作为控制核心，本发明采用可编程控制器(PLC)作为自动供输弹系统的控制核心，可实现对串励直流电机的正反转、调速控制，系统稳定、可靠性高。
[0020] (二)本发明只需极性互不相同的两路PWM信号配以与串励直流电机相同数量的驱动单元就能够驱动多台串励直流电机。整个控制系统体积很小，特别适用于嵌入式场合。这不仅有效解决了自动供输弹系统空间有限的问题；而且每个驱动单元的电路及参数完全相同，也可节省大量设计时间。
[0021] 该控制系统利用PLC控制器对串励直流电机进行PWM调速控制，以提高直流电机的调速控制性能。该控制系统以闭环速度偏差信号作为PLC的输出，控制PWM占空比，在PLC输出端输出一路占空比可调的PWM信号，根据PLC使另一输出端输出与第一路呈相反脉冲的PWM信号。PWM信号作用于驱动单元，驱动单元分两路对应接收PLC输出端输出的脉冲信号，驱动单元的两个输出端分别与串励直流电机的第一、第二电枢绕组连接。根据PLC的两路PWM信号输出极性，驱动单元的第一、第二输出端交替输出驱动信号，可使串励直流电机正、反转运行，以实现串励直流电机的PWM调速控制。同时，本发明通过在PLC输出端连接若干个驱动单元就可以实现对相应数量串励直流电机的同时驱动。本控制系统具有结构简单灵活、调速性能良好、工作可靠性高的特点。本发明实现了电机的数字化控制，非常适用于工业控制。
附图说明
[0022] 图1是本发明串励直流电机控制流程
框图。
[0023] 图2是本发明串励直流电机控制系统的原理框图。
[0024] 图3是本发明串励直流电机控制系统的驱动单元电路图。
[0025] 图4是本发明串励直流电机控制系统的第一优选
实施例电路图。
[0026] 图5是本发明串励直流电机控制系统的第二优选实施例电路图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
[0028] 本发明一种基于串励直流电机的火炮供输弹调速控制系统,通过以下技术途径实现：
[0029] 如图1，检测元件通过PLC控制器的高速计数功能，测量出直流电机的转速，将给定的转速信号与测量的转速信号相减得到偏差信号。偏差信号通过PLC的PID功能指令，得到PID控制输出，PID控制输出控制PWM信号的占空比，可在PLC输出端输出占空比可调的PWM信号，根据PLC的逻辑运算指令使另一输出端输出与第一路呈相反脉冲的PWM信号。
[0030] 本发明设计了一个驱动单元(PWM信号作用的驱动单元)，驱动单元含有由门限电路、驱动电路、功率电路组成的两个分单元。两个功率电路均为大功率IGBT管，其输出端C极分别与一台串励直流电机的第一、第二电枢绕组连接，其E极与串励直流电机供电电源的负极相连；两个分单元的门限电路分别接收PWM输出端的两个
输出信号(PLC输出端的两路PWM信号)，并将大于门限电压的信号送入各自后端的驱动电路，驱动电路则根据门限电路有、无信号输出来控制大功率IGBT管的导通和截止，对应控制串励直流电机的第一、第二电枢绕组。因此，第一、第二电枢绕组交替通电时，串励直流电机不停正转和反转。(当第一IGBT管导通，第二IGBT管截止，串励直流电机向一个方向旋转；当第二IGBT管导通，第一IGBT管截止，串励直流电机则向相反方向旋转)
[0031] 根据本发明，所述的驱动单元可为若干，每个驱动单元的两个输入端均对应连接在PLC输出的两路PWM信号上，且每个驱动单元中的两个功率驱动电路的输出端C极与对应的串励直流电机的两个电枢绕组分别相接，其E极与对应的串励直流电机供电电源的负极相连。
[0032] 根据本发明，在所述的驱动单元的分单元中，在驱动单元部分可增加一个隔离电路。该隔离电路的输入级与其前面的门限电路共用一个电源，其输出级与后面的驱动电路、功率电路共用另一个独立电源。隔离电路又称为一个光电耦合电路。光电耦合电路以光为媒介传输电信号，它对输入、输出的电信号具有良好的隔离作用。
[0033] 如图2所示，本发明的优选实施例包括PWM信号单元和驱动单元。首先检测元件通过PLC控制器的高速计数功能，测出直流电机的转速，将给定的转速信号与测量的转速信号相减得到偏差信号。偏差信号通过PLC的PID功能指令，得到PID控制输出，PID控制输出控制PWM信号的占空比，可在PLC输出端输出占空比可调的PWM信号，根据PLC的逻辑运算指令使另一输出端输出与第一路呈相反脉冲的PWM信号。驱动单元是由两套门限电路、隔离电路、驱动电路、功率电路组成。两个门限电路分别接在PLC的两个输出端，当PLC输出信号大于门限电路的门限电压时，推动后面的隔离电路对前、后级电路进行
电隔离，其输出推动后面的驱动电路输出驱动信号；当PLC输出信号小于门限电路的门限电压时，后级的隔离电路不响应，驱动电路不输出驱动信号。两个功率电路的输出端分别接在串励直流电机的第一电枢绕组和第二电枢绕组上。当第一电枢绕组通电时，串励直流电机向一个方向转；当第二电枢绕组通电时，串励直流电机向反方向转。当第一、第二电枢绕组交替通电时，串励直流电机处于调速状态。若要同时驱动多台串励直流电机，只需要在PLC两个输出端上连接相应数量的驱动单元，每个驱动单元的两个功率电路的输出端与一台串励直流电机的两个电枢绕组相接。本发明实现了只用一套控制系统可同时驱动多台串励直流电机，大大简化了大口径火炮自动供输弹机的控制系统，同时也节约了安装空间。
[0034] 如图3所示，驱动单元由四级电路组成：第一级电路1由两门限电路组成，当PLC的第一输出端Vo1的PWM信号大于门限电路的门限电压Vref时，由
运算放大器N11：A构成的第一门限电路输出+15V电压，推动后级的隔离电路；当PWM口的第一输出端Vo1的PWM信号小于门限电路的门限电压Vref时，
运算放大器N11：A输出-15V电压，后级隔离电路不响应。由运算放大器N12：B构成的第二门限电路对PLC的第二输出端Vo2的PWM
信号处理过程与第一输出端Vo1的处理过程相同。其中，Vref是外加电压，一般取1～5V，门限电路可以把信号处理单元的第一、第二输出端Vo1、Vo2信号中的偶然干扰去掉。
[0035] 第二级电路2是隔离电路，又称为光电耦合电路。其中B21、B22分别对两个门限电路输出的两路信号进行电隔离。B21、B22的内部输入
二极管与其前面的电路共用一个电源，其输出端则与第三级驱动电路使用另一个独立电源(指它不与其他电源共地)。因此，串励直流电机运行时产生的干扰就不会串扰前面的电路，而且在大功率IGBT管的损坏也不会造成整个电路的损坏。第三级电路3是由完全相同的两个驱动电路构成，其作用是分别推动第四级电路4的两个大功率IGBT管。该驱动电路与上一级隔离电路的输出端共用±15V电源。第四级电路4是功率电路，它的主体是两只大功率IGBT管V1、V2。V1接串励直流电机的第一电枢绕组CQ2，V2接串励直流电机的第二电枢绕组CQ1。V1导通、V2截止，串励直流电机朝正方向转动；V2导通、V1截止，串励直流电机朝反方向转动。
[0036] 第三级电路3的第一输出DV1对大功率IGBT管V1的推动过程为：当PLC的第一输出端Vo1的输出信号为+15V时，光电耦合电路B21内部
三极管饱和导通，流经R31的
电流直接到地，V33(C、E间)截至，其C极电压升高，导致V31(C、E间)饱和导通，V32(C、E间)截至，电源Vcc1通过V31、R33向V1栅极充电，V1导通，串励直流电机运转；当PLC的第一输出端Vo1的输出信号为零时，光电耦合电路B21内部三极管不导通，电流经R31流入V33基极，使V33的C、E极饱和导通，V33饱和导通的结果使V32、V31基极电压为0.3V，因此V32(C、E间)饱和导通，V31(C、E间)截至，第四级电路4的V1栅极电荷通过R33、R41、VD33、V32向Vcc1负极泄放，V1截至，第一电枢绕组CQ2断电，串励直流电机停转。第三级电路3的第二输出DV2对大功率IGBT管V2的推动过程与第一输出DV1对V1的推动过程完全相同，它是通过对V2栅极的充放电控制其通断，进而控制串励直流电机的第二电枢绕组CQ1。在第三级电路3中，由R33、R41、VD33组成的电路以及R37、R42、VD34组成的电路，分别用于对V1、V2栅极的充放电，向V1栅极充电通过R33，V1栅极放电则通过R33、R41并联电路；向V2栅极充电通过R37，V2栅极放电则通过R37、R42并联电路。
[0037] 如图4所示，是驱动一台串励直流电机的完整控制电路。串励直流电机的额定电压是28V，第一、第二电枢绕组CQ2、CQ1通过大功率IGBT管后接地E(+28V负极)。其中，驱动电路的独立电源与串励直流电机M1的28V电源共地。当PLC第一输出Vo1为+15V，第二输出Vo2为零时，V1导通，V2截止，直流电机往一个方向运转；当PLC第一输出Vo1为零，V第二输出Vo2为+15V时，V1截止，V2导通，直流电机往反方向运转。
[0038] 如图5所示，是驱动两台串励直流电机的完整控制电路。从图中可以看出只需在图4电路的第一、第二输出Vo1、Vo2上增加一个驱动单元即可。从本图可看出，两个驱动单元的驱动电路使用两个相互独立的+15V电源VCC1、VCC2。第一串励直流电机M1使用+28V电源，第二串励直流电机M2使用－28V电源，两台串励直流电机使用不同极性的电源，特别适用于采用正负电源供电体制的应用场合，能有效保证供电系统负载平衡。
