基于PLC变频调速系统的设计

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1、目录摘要1第一章 绪论31.1 电机变频调速系统的发展31.2 本文设计内容及设计意义51.2.1 设计内容51.2.2 设计意义51.3 本设计的控制要求及控制方案51.3.1 控制要求51.3.2 控制方案6第二章 变频调速系统分析72.1 变频调速的基本原理72.2 变频调速的控制方式72.3 变频器的基本构成82.4 矢量控制变频调速92.4.1 矢量控制理论的提出92.4.2 矢量控制的思路102.5 变频器的保护、显示和预置112.5.1 过电流保护功能112.5.2 过电压保护功能122.5.3 欠电压保护13第三章 变频调速系统硬件设计153.1 变频器的选择153.2 Mic

2、romaster440变频器的特性173.2.1 Micromaster440主要特性173.2.2 Micromaster440性能特征183.3 Micromaster440的控制电路193.4 Micromaster440变频器的调试203.4.1 用状态显示屏(SDP)进行调试213.4.2 用SDP进行的基本操作213.4.3 用基本操作板(BOP)进行调试223.5 PLC的选择243.5.1 PLC的概述243.5.2 PLC的特点253.5.3 S7200系列机种及系统构成253.6 EM235 模拟量工作单元293.6.1 性能指针293.6.2 S7200CPU224与EM

3、235的连接303.6.3 EM235的安装使用及程序编制313.7 PID调节及PID指令313.8 PLC变频调速系统电路原理方框图34第四章 三相异步电动机调速软件实现354.1 异步电动机控制程序的设计354.1.1 电机控制主程序364.1.2 系统初始化子程序364.1.3 转速给定模拟量信号采样及其滤波子程序384.2 系统I/O分配39第五章 总结40参考文献41致谢42附录一43附录二46摘要本设计主要介绍了基于S7-200PLC的电机变频调速试验系统的组成，控制方案及信号处理方法，设计了硬件电路，相关梯形图程序及触摸屏显示程序。本文应用变频控制的原理，以电机控制专用的PLC

4、芯片为核心，设计出基于VVVF变频控制的变频调速系统。本文设计了整个硬件系统的主电路和控制电路 (以PLC芯片为核心的控制电路，以及电流和转速检测电路)。同时采用一种PWM调制方法电压空间矢量法(SVPWM)来实现对异步电机的控制，提高了能量的利用效率。应用表明，该系统简单，实用。通过该综合设计的实践，锻炼，可使我们能进一步掌握PLC和变频调速控制系统原理及应用，熟练使用触摸屏，为将来进行相关设计工作打下基础。对于其他相关课题也具有很好的借鉴作用和参考价值。关键词:异步电机，VVVF变频控制，电压空间矢量法AbstractIn this paper, based on the S7-200PL

5、C VVVF motor test system, control and signal processing methods, the design of hardware circuits, ladder-related processes and procedures for touch screen display. In this paper, the principle of variable frequency control to a dedicated motor control chip as the core of the PLC, the design of inver

6、ter-based control of VVVF variable frequency speed regulation system. In this paper, the entire hardware system design the main circuit and the control circuit (to PLC chip as the core of the control circuit, as well as current and speed detection circuit). At the same time, using a PWM modulation m

7、ethods - voltage space vector (SVPWM) to achieve control of induction motors to improve the efficiency of energy use. Debug application shows that the system is simple and practical. Through the integrated design-based test or practice of curriculum design, training, will enable us to further unders

8、tand and VVVF PLC control system theory and applications, proficiency in the use of touch screen, for the future lay the foundation for design work related. For other related issues also have a very good reference and reference value. Key words: Induction motors, VVVF inverter control, voltage space

9、 vector method第一章 绪论1.1 电机变频调速系统的发展近年来，交流调速中最活跃，发展最快的就是变频调速技术。变频调速技术是交流调速的基础和主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变得可调了，从而可以充分利用这一极为有用得资源。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态 (位置、速度、加速度等)，实现电能一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调

10、速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现，人为地可以改变电压的大小，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，而变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品在国际上只相当于上世纪80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个既对

11、国内企业，也对国外公司敞开的巨大市场。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活的需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，并且自己开发应用软件，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然在很多方面取得很大成绩，但还存在国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重的问题。 从总体上看我国电气传动的总体水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当的差距。而这方面

12、产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大的需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所以的产品都是普通的VHF控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场的需要，每年大量进口。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换 (整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术可分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)的软硬件开发问题 (在目前状况下主要是全数字控制技术)。目前主要发展方向有以下几

13、项:1实现高水平的控制;2开发清洁电能的变流器;3缩小装置的尺寸;4高速度的数字控制;5模拟与计算机辅助设计 (CAD)技术。1.2 本文设计内容及设计意义1.2.1 设计内容主要设计基于PLC的电机变频调速系统的组成，控制方案及信号处理方法，设计硬件电路，相关梯形图程序。应用变频控制的原理，以电机控制专用的PLC芯片为核心，设计出基于VVVF变频控制的变频调速系统。本文设计了整个硬件系统的主电路和控制电路 (以PLC芯片为核心的控制电路，以及电流和转速检测电路)。同时采用一种PWM调制方法-电压空间矢量法(SPWM)来实现对异步电机的控制，提高了能量的利用效率。1.2.2 设计意义在调研中发

14、现，目前很多工矿企业的调速方案大多数采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。该方案耗能大，占地面积大，已不能适应现代工矿业发展的需要.因此有必要对其调速方案进行改造。本文调速系统控制单元采用目前工控适用的可编程控制器来控制，具有编程简单和控制可靠性高的优点。电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，运用先进的矢量控制技术，优化了调速系统的性能，这一控制方法目前仍为现代交流调速的重要研究方向之一。1.3 本设计的控制要求及控制方案1.3.1 控制要求通过PLC控制变频器，使三相异步电动机的运行呈现曲线运行，并通过触摸屏远程控制电机的起动，停止，可对电机起动时间，减速时间设定调整。对额定功率在4060

15、0KW,额定电流在30350A，额定频率为50HZ的三相异步电动机进行控制，同时要求通过操作面板实时显示输出频率、输出电流、输出电压、转速等运行数据、运转信息、操作指导、功能码名称、设定数据、故障信息等，且具有过电流、短路、缺相、接地、过压、欠压、过载、过热、电动机过载、外部报警、电涌保护、主器件自保护等保护功能1.3.2 控制方案电机在加速和减速阶段采用开环控制，在恒速阶段采用闭环控制，且为防止出现超调或失控现象，系统具有限幅措施。在恒转速阶段的闭环控制采用PLC内部PID调节指令，而在PLC控制系统中使用的是PID数字调节器。用PLC对式U(K)=Ke(k)+Te(j)/t+Te(k)-e

16、(k-1)/t编程可计算出U(K),经EM235模拟量模块转化为020mA的电流信号，经AQ0口输出给变频器。作为变频器的输入电流信号，该电流信号控制着变频器的输出。变频器输出频率的改变使电机转速得到改变。电机实际转速经电机转速测速系统转变为直流010V的电压信号反馈给PLC.作为PLC的模拟量输入信号，该电压值再转化为数字量与给定值（SPN）比较后作为PID控制器的输入值e(t).对于反馈的电压信号，由于转速的不稳定，会出现反馈信号的波动，可采用采集若干个量取平均值的方法使信号稳定；亦可以根据数据值为15位而EM235的分辨率为12为的特点去掉3位数据的办法求得稳定。第二章 变频调速系统分析

17、2.1 变频调速的基本原理异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速，异步电动机的转速表达式：n = 60f1(1-S)/p=n0(1-S) 可知，只要平滑地调节笼型异步电动机的供电频率f1就可以平滑地调节笼型异步电动机的同步转速n,从而实现笼型异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。2.2 变频调速的控制方式对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状

18、态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为： E1= 4.44f1N1m 式中 E1定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值(V) f1定子频率 (Hz) N!定子相绕组有效匝数 m每极磁通量由上式可见，m的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通m保持额定值不变。其分为两种情况：1、基频以下的恒磁通变频调速 这是从基频向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通m不变，这就要降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之

19、比为常数进行控制。这种控制属于恒转矩调速方式。2、基频以上的弱磁变频调速 这是由基频开始向上调速的情况。频率由额定值f1n向上增大，但电压U1受额定电压U1n的限制不能再升高，只能保持U1=U1n不变。必然会使主磁通随着f1的上升而减小，相等于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现VVVF调速控制。2.3 变频器的基本构成变频器分为交交和交直交两种形式。交交变频器只有一个变换环节，把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直

20、接式变压变频器。常用的交交变频器输出的每一相都是一个正.，反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，也就是说，每一相都相等于一套直流可逆调速系统的反并联可逆整流器。交直交变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换可控频率和电压的交流。由于此类变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式变压变频器。交直交变频器由整流器、中间电路、逆变器、控制电路四个主要部分组成。1.整流器整流器与三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。整流器有两种基本类型-可控型和不可控型。2.中间电路中间电路有以下三种类型：（1）将整流电压变换成直流。（2）使脉动的直流电压变

21、得稳定或平滑。（3）将整流后的固定直流电压变换成可变直流电压。3.逆变器 逆变器产生可变电压。可变频率的变频交流电供给交流电动机。4.控制电路 控制电路将控制信号传递给整流器、中间电路和逆变器，同时也接受其反馈信号。2.4 矢量控制变频调速2.4.1 矢量控制理论的提出交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段：第一个阶段为电压/濒率恒定控制，这种控制方法在低频时定子电压较低，定子漏抗压降所占的份量不能忽略，因此需要人为地把电压抬高一些，用以补偿定子压降，负载不同时需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择.第二个阶段是矢量变换控制，它的方法是模拟

22、直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定的坐标系变换为旋转坐标系解藕后，交流量的控制变为直流量的控制，于是等同于直流电动机。第三个阶段为直接转矩控制，也叫直接自控，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能更好。电动机调速的关键是电磁转矩的控制，他励直流电动机由于电枢电流和励磁电流可以分别控制，当励磁电流小变时，控制好电枢电流就可以控制好电磁转矩，因此很容易获

23、得良好的动态性能。然而三相异步电动机却做不到这一点，因为在异步电动机中，磁通是定子电流和转子电流共同建立的，而与电磁转矩有直接关系的转子电流，则由定子电流以及转速等电动机的状态所决定，是无法直接对其控制的I9.1971 年，德国科学家KHasse提出了交流电动机的矢量变换控制理论，其思想是在普通的三相交流电动机。2.4.2 矢量控制的思路U/F恒定，速度开环控制方式和滑差频率速度闭环控制方式变频器，基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。然而，当机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还咯逊一筹。原因在于其系统控制的规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的稳态植控制，完

24、全不考虑动态过渡过程，系统在稳定性，起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。考虑到异步电动机是一个多变量，强耦合，非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩。但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可以等效为一台直流电动机，从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异

25、步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制。2.5 变频器的保护、显示和预置2.5.1 过电流保护功能由于变频器件的过载能力较差，变频器的过电流保护至关重要。变频器中，过电流保护的对象主要指带要突变性质的。电流的峰值超过了变频器的容许值的情形。1.过电流的原因(1) 工作中过电流 即拖动系统在工作过程中出现过电流，其原因大致来自以下几个方面：a.电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象，引起电动机电流的突然增加。b.变频器的输出侧短路，如输出端到电动机之间的联机发生相互短路

26、，或电动机内部发生短路等。c.变频器自身工作的不正常，如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替导通的工作过程中出现异常。（2）升速中的过电流 当负载的惯性较大，而升速时间又设定的太短时，将产生过电流。这是因为，升速时间太短，意味着在升速过程中，变频器的工作频率上升太快，电动机的同步转速n0迅速上升，而电动机转子的转速Nm则因负载惯性较大而跟不上去，导致转子绕组切割磁力线的速度太快，结果升速电流太大。（3）降速中的过电流 当负载的惯性较大，而降速时间设定的太短时，也会引起过电流。2. 变频器对过电流的处理在实际的拖动系统中，大部分负载都是经常变动的。因此，不论是在工作过程中，还是在升. 降速过

27、程中，短时间的过电流总是难免的。所以，对变频器过电流的处理原则是，尽量不跳闸，为此而配置了防止跳闸的自处理功能；只有当冲击电流的峰值太大，或防止跳闸措施不能解决问题时，才迅速跳闸。2.5.2 过电压保护功能1. 产生过电压的原因（1）电源过电压（2）降速时因反馈量来不及释放而形成的再生过电压。（3）在SPWM调制方式中，电路是以系列脉冲的方式进行工作的。由于电路中存在着绕组电感和线路分布电感，所以在每一个脉冲的上升和下降过程中，可能产生峰值很大的脉冲电压。2.过电压的保护措施（1）电源过电压 对于电源电压的上限，一般规定不能超过额定电压的10%，当电源线电压为380V时，起上限值为420V。由

28、于电源电压过高，将直接反映在整流后的直流电压上；同时，再生过电压也直接反映在直流电压上，所以，进行电压保护的“取样电压”总是从主电路的直流电路中取出。（2）再生制动时的防止跳闸功能 和升速过程中过电流时的防止跳闸功能一样，在降速过程中出现过电压，也可以采取暂缓降速的方法来防止它跳闸。（3）脉冲过电压的保护 对于由线路电感引起的脉冲过电压，采用常规的“检测-判断-保护”的方式是来不及保护的，通常采用吸收的方法来解决。常见的吸收装置有压敏电阻吸收和阻容吸收电路等。2.5.3 欠电压保护1.产生欠电压的原因（1）电源方面: a. 电源电压过低 b. 电源缺相（2）电路方面a、整流器件损坏，如果六个整

29、流二极管中有部分因损坏而断路，则整流后的电压将下降。b、限流电阻未“切出”电路 限流电阻是在电源刚合闸时，用以限制滤波电容CF的充电电流的。当CF上的电压上升到一定程度时。晶闸管VT导通，将RL“切出”电路。如果由于某种原因，使VT不能及时导通，使RL长时间接入电路，负载电流将得不到及时的补充，导致直流电压的下降。2. 关于欠电压的保护对于电源方面引起的欠电压，变频器设定的动作电压一般都较低， 不很严格。这是因为：a、欠电压的后果之一，是电动机的转矩下降，而新系列的变频器都有各种补偿功能，使电动机能够继续运行。b、欠电压的另一个后果是电动机的电流增大，而变频器又具有完善的过载保护功能。第三章

30、变频调速系统硬件设计3.1 变频器的选择选择变频器时应以负载特性为基本依据，当负载特性属于恒转矩负载特性。由于恒转矩负载类设备都存在一定静摩擦力，负载的惯量很大，在启动时要求有足够的启动转矩。这就要求通用变频器有足够的低频转矩提升能力和短时过流能力。但当低速时负载较重的情况下，为提高转矩提升能力而使电压补偿提的过高，往往容易引起过电流保护动作。选型时应充分考虑这些情况，必要时应将通用变频器的容量提高一档，或者采用具有矢量控制或直接转矩控制的通用变频器.采用矢量控制或直接转矩控制通用变频器可以在不过电流的情况下提供较大的起动转矩。因此要求变频器有一定余量。选择通用变频器时，恒转矩负载的功率表达式

31、为: P =T n / 9950 式中 P异步电动机的功率（KW）； T异步电动机的转矩(Nm)；n异步电动机的速(r/min)。系统设计时应注意适当增大异步电动机的容量或增大通用变频器的容量。通用变频器的容量一般取1.11.5倍异步电动机的容量。目前，市场上流行的变频器大多分为两类：一类是适于一般负载的一般通用变频器；另一类是适合于高精度控制的高性能通用变频器。高性能通用变频器与一般通用变频器相比，在以下几方面具有良好的性能：1.宽的调速范围： 1：100以上。2.良好的低频起动特性。3.额定电压下的全范围恒转矩输出。4.变频器系统具有良好的静态特性和动态特性。5.完整和快速的故障诊断、保护

32、和报警功能。6.具有网络通讯功能。7.变频器和其驱动的电动机噪声低。Micromaster440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列有多种型号，额定功率范围从120W到200KW（恒转矩控制方式）。该变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。Micromaster440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于Microm

33、aster440具有全面完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。所以本设计中选用Micromaster440变频器进行调速。3.2 Micromaster440变频器的特性3.2.1 Micromaster440主要特性1.易于安装，参数设置和调试2.易于调试3.牢固的EMC设计4.可由IT(中性点不接地)电源供电5.对控制信号的响应是快速可重复的6.参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置7.电缆连接简便8.具有多个继电器输出9.具有多个模拟量输出（020mA）10.6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线11.2个模拟输入：a.AIN1:

34、 010V, 020mA 和-10至+10V b.AIN2: 010V, 020mA12.2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入13.BICO(二进制互连连接)技术14.模块化设计，配置非常灵活15.脉宽调制频率高，因而电动机运行的噪音低16.详细的变频器状态信息和全面的信息功能17.有多种可选件供用户选择：用于与PC通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP），高级操作面板（AOP），用于进行现场总线通讯的PROFIBUS通讯模块。3.2.2 Micromaster440性能特征1. 向量控制a. 无传感器向量控制(SLVC)b. 带编码器的向量控制（VC）2. V/f 控制a. 磁通电流控制(

35、FCC),改善了动态响应和电动机的控制特性b. 多点V/f特性3. 快速电流限制(FCL)功能，避免运行中不应有的跳闸4. 内置的直流注入制动5. 复合制动功能改善了制动特性6. 内置的制动单元7. 加速/减速斜波特性具有可编程的平滑功能a. 起始和结束段带平滑圆弧b. 起始和结束段不带平滑圆弧8. 具有比例，积分和微分(PID)控制功能的死循环控制9. 各组参数的设定值可以相互切换a. 电动机资料组(DDS)b. 命令资料组和设定值信号源(CDS)10. 自由功能快11. 动力制动的缓冲功能12. 定位控制的斜波下降曲线3.3 Micromaster440的控制电路控制电路是由CPU，模拟输

36、入，模拟输出，数字输入，输出继电器触头，操作板等组成，如图3-1所示。在图3-1中，端字1，2是变频器为用户提供的10V直流稳压电源。当采用模拟电压信号输入方式输入给定频率时，为了提高交流变频调速系统的控制精度，必须配备一个高精度的直流稳压电源作为模拟电压输入的直流电源。模拟输入3，4和10，11端为用户提供了两对模拟电压给定输入端作为频率给定信号，经变频器内模/数转换器，将模拟量转成数字量，传输给CPU来控制系统。数字输入5，6，7，8，16，17端为用户提供了6个完全可编程的数字输入端，数字输入信号经光耦隔离输入CPU，对电动机进行正反转，正反向点动，固定频率设定植控制等。输入9，28端是

37、24V直流电源端，用户为变频器的控制电路提供24V直流电源。输出12，13和26，27端为两对模拟输出端；输出18，19，20，21，22，23，24，25端为输出继电器的触头；输入14，15端为电动机过热保护输入端；输入29，30端为RS485端。图31 Micromaster440变频器电路图3.4 Micromaster440变频器的调试Micromaster440变频器装有状态显示板(SDP),利用SDP和制造厂的缺省设置值，就可以使变频器成功地投入运行。若该缺省值不适合时，可以利用基本操作板(BOP)或高级操作板(AOP)修改参数，使之相匹配。3.4.1 用状态显示屏(SDP)进行调

38、试SDP上有两个LED指示灯，用于指示变频器的运行状态。采用SDP进行操作时，变频器的预设定必须与以下的电动机资料兼容：1.电动机的额定功率2.电动机电压3.动机的额定电流4.机的额定频率此外，必须满足以下条件：1.按照线性V/f控制特性，由模拟电位计控制电动机速度2.频率为50HZ时最大速度为3000转/分钟，可通过变频器的模拟输入端用电位计控制。3.斜坡上升时间/斜坡下降时间=10s。3.4.2 用SDP进行的基本操作使用变频器上装设的SDP可进行以下操作：1.动和停止电动机（数字输入DIN1由外接开关控制）2.电动机反向（数字输入DIN2由外接开关控制）3.故障复位 （数字输入DIN3由

39、外接开关控制）按图32连接模拟输入信号，即可实现对电动机速度的控制。 图32 用SDP进行的基本操作3.4.3 用基本操作板(BOP)进行调试利用基本操作面板（BOP）可以更改变频器的各个参数。用BOP设置参数时，应先将SDP从变频器上拆卸下来然后装上BOP 。其有五位数字的七段显示，用于显示参数的序号和数值，报警和故障信息以及该参数的设定值和实际值。表 31 所示为用BOP操作时的缺省设置参数说明缺省值，欧洲（或北美）地区P0100运行方式，欧洲/北美50Hz，kW（60Hz，hp）P0307功率（电动机额定值）量纲（kW（Hp）取决于P0100的设定值P0310电动机的额定频率50Hz（6

40、0Hz）P0311电动机的额定速度1395（1680）rpm决定于变量P1082最大电动机频率50Hz（60Hz） 表32 基本操作面板（BOP）的按钮显示/按钮功能功能的说明状态显示LCD显示变频器当前的设定值起动电动机按此键起动变频器。缺省值运行是此键是被封锁的。 停止电动机OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车。缺省值运行是此键被封锁。OFF2：按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。此功能总是“使能”的改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号表示活用闪烁的小数点表示。缺省值运行是此键是被封锁的。电动机点动在变频器无输出

41、的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的电动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。功能此键用于浏览辅助信息。变频器运行过程中，在现实任何一个参数是按下此键并保持不动2秒钟，将显示一下参数值：直流回路电压、输出电流、输出频率、输出电压、由P0005选定的数值。连选下此键，将轮流显示以上参数。跳转功能：在现实任何一个参数时短时间按下此键，将立即跳转到r0000如果需要的话，在出现鼓障或报警情况下，按键可以将操作板上显示的故障或报警信息复位。访问参数按此键即可访问参数增加数值按此键即可增加面板上显示的参数数值减少数值按此键既可减少面板上显示的参数数值 3

42、.5 PLC的选择3.5.1 PLC的概述可编程控制器于60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC，目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象将控制内容加编成软件写入控制器的用户程序内存内，控制器和被控对象连接方便。可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据

43、用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。3.5.2 PLC的特点1. 可靠性高，抗干扰能力强。3. 适应性强，应用灵活。4. 编程方便，易于使用5. 功能强，扩展能力强6. PLC控制系统设计、安装、调试方便7. PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用。根据本设计的需要，选用西门子S7200系列PLC作为本设计核心芯片3.5.3 S7200系列机种及系统构成S7200系列PLC可提供5种不同的基本单元和多种规格的扩展单元。其系统

44、构成除基本单元.扩展单元外，还有编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。1.基本单元S722X系列PLC有CPU221.CPU222.CPU224.CPU226.CPU226XM等5种型号，外观布置大体相同。接线端子位于机身的上下两侧，这是连上载应用程序，TERM状态是一种瞬时，可以用程序将TERM转换为RUN或STOP状态，在调试程序时很有用处。TERM状态还和特殊标志位SM0.7有关，可用于自由口通讯时的控制。接输入.输出器件及电源用的端子。为了方便接线，CPU224、CPU226、和CPU226XM机型采用可插拔整体端子。其具有RUN/STOP及TERM三种状态，CPU在RUN状态下执行完

45、整的扫描过程，在STOP状态下则可与装载STEP7WIN32编程软件的计算机通讯，以下载及表33给出了22X系列CPU的基本配置。从表中可以看出，22X系列CPU具有很强的功能，如自带高速寄存器、自带通讯口、具有脉冲输出功能、具有实时时钟、能进行浮点运算等。此外，S7200系列PLC允许在程序中立即读写输入、输出口，允许在程序中使用中断，允许设定通讯任务的处理时间，允许设置停止模式数字元量输出状态，可以由用户自己定义内存的掉电保护区，可以允许为数字量及模拟量输入加滤波器，还具有窄脉冲捕捉功能，为复杂的工业控制提供了方便。表33 22X系列CPU 的基本配置技术规范CPU221CPU222CPU

46、224CPU226CPU226XM集成的数字量输入/输出6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出24入/16出可连接的扩展模块数量（最大）不可扩展2个7个7个7个最大可扩展的数字量输入不可扩展78点168点248点248点最大可扩展的模拟量输入不可扩展10点35点35点35点用户程序区4KB4kB8KB8KB16KB数据存储区2KB2KB5KB5KB10KB数据后备时间50小时50小时190小时190小时190小时后备电池200天200天200天200天200天编程软件STEP7-Micro/WinSTEP7-Micro/WinSTEP7-Micro/WinSTEP7-Micro/Wi

47、nSTEP7-Micro/Win每条二进制语句执行时间0.37us0.37us0.37us0.37us0.37us标志寄存器/计数器/定时器256/256/256256/256/256256/256/256256/256/256256/256/256高速计数器4个30KHz4个30KHz6个30KHz6个30KHz6个30KHz高速脉冲输出2个20KHz2个20KHz2个20KHz2个20KHz2个20KHz通讯接口1RS4851RS4851RS4852RS4852RS485外部硬件中断44444支持的通讯协议PP1，MP1自由口PP1，MP1自由口PP1，MP1自由口PP1，MP1自由口PP

48、1，MP1自由口模拟电位器1个8位分辨率1个8位分辨率2个8位分辨率2个8位分辨率2个8位分辨率实时时钟外置时钟卡外置时钟卡外置时钟卡外置时钟卡外置时钟卡2.扩展单元扩展单元的基本用途是对基本单元的输入.输出口进行扩展。不同的基本单元加上不同的扩展单元，可以方便地构成各种输入.输出点数的系统，以适应不同工业控制的需要。还有一些扩展单元是一些特殊功能单元，如模拟量输入/输出单元，连接专门传感器的工作单元或专用的功能单元，如热电偶功能单元，定位控制单元及专用的通讯单元等。专用的功能单元一般带有自身的CPU，称为智能模块。扩展单元一般不能单独使用，需和基本单元配合使用。S7200系列PLC具有EM2

49、31.EM232.EM235三种规格的模拟量输入输出模块，其中EM231是4模拟量输入模块，EM232是2模拟量输出模块，EM235是组合模块，含4个模拟量输入及1个模拟量输出。本设计即采用EM235组合模块作为扩展单元。S7200出色表现在以下几方面：极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。从可编程控制器PLC的特点和优点分析可知可编程控制器在系统控制中很有优势。因此，控制单元选用可编程控制器。参照可编程控制器的市场价格选用西门子S7200系列可编程控制器CPU224，因为系统反馈需要A/D转换加上一台扩展模块EM23

50、5。这样配置较为合理。3.6 EM235 模拟量工作单元3.6.1 性能指针 EM235是组合模块，含4个模拟量输入及1个模拟量输出。从一般功用出发，模拟量输入模块的用途是将外来模拟量转换为数字量供主机使用。为能适各种用于规格的输入量，一般将模块设计成可编程的，而转换生成的数字量一般具有固定的长度及格式。 图33 EM235 输入/输出端子接线从图33中，输入端子在图的上方，4路端子可分别接入4路输入，当信号的类型（电流或电压）不同时，接线方法不一样。在4路端子中有闲置不用的时，应将该路短接。输出端子在图的下方，输出是电流量还是电压量在接法上有区别。还可以看出，EM235单元是外界供电的。3.

51、6.2 S7200CPU224与EM235的连接CPU224与EM235模拟量组合模块的连接通过一条两端均有插孔的10芯扁平电缆来实现的 ，具体的连接方法如图34所示。 图34 CPU224与EM235的连接3.6.3 EM235的安装使用及程序编制EM235安装使用及编制程序的一般过程如下：1.根据输入信号的类型及变化范围设置DIP开关，完成模块的配置工作，必要时进行校准工作。完成硬件的接线工作。注意输入. 输出信号的类型不同，采用不同的接入方式。为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。接线还应注意传感器的线路尽可能地短，且应使用屏蔽双绞线，保证24VDC传感器电源无噪声、稳定可靠。2.确

52、定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。S7200扩展单元安装时在主机依次排的右边列，并从0开始编号。3.为在主机中进行输入模拟量转换后数字资料的处理工作及输出需要在模拟量单元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元。4.EM235的工作程序编制一般包含以下内容。a.设置初始化子程序。b.设置模块检测子程序。c.设置子程序完成采样及相关的计算工作。d.工程所需的有关该模拟量的处理程序。e.处理后的模拟量的输出工作。3.7 PID调节及PID指令比例、积分、微分调节（即PID调节）是死循环模拟量控制中的传统调节方式，它在改善控制系统品质，保障系统偏差e（给定值SP和过程

53、变量PV的差）达到预定指针，使系统实现稳定状态方面具有良好的效果。1. PID回路控制指令每个PID回路有两个输入量，即给定值(SP)和过程变量(PV)。给定值通常是一个固定的值，比如设定的汽车速度。过程变量与PID回路输出有关，可以衡量输出对控制系统作用的大小。PID指令在对给定值和过程变量进行运算以前，必须把它们转换成标准的浮点型实数。表中包含9个参数，用来控制和监视PID运算。为了让PID运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在定时发生的中断程序中，或者在主程序中被定时器以一定频率执行。采样时间必须通过回路表输入PID运算中。2.控制方式S7200的PID回路没有设置控制方式，只要P

54、ID块有效，就可以执行PID运算。PID指令有一个使能位。当该使能位检测到一个信号的正跳变，PID指令执行一系列的动作，使PID指令从手动方式无扰动地切换到自动方式。 表34 PID指令参数回路表偏移地址域格式类型描述0过程变量(PVn)双字实数输入必须在0.01.0之间4设定值(SPn)双字实数输入必须在0.01.0之间8输出值(Mn)双字实数输入/输出必须在0.01.0之间12增益(Kc)双字实数输入Kc是比例常数，可正可负16采样时间(Ts)双字实数输入单位为秒，必须是正数20积分时间(Ti)双字实数输入单位为分钟，必须是正数24微分时间(Td)双字实数输入单位为分钟，必须是正数28积分

55、项前项(MX)双字实数输入/输出必须在0.01.0之间32过程变量前值(PVn-1)双字实数输入/输出包含最后一次PID运算的过程变量值 为了达到无扰动切换，在转变到自动控制前，必须用手动方式把当前输出值填入回路表中的Mn栏。PID指令对回路表中的值进行下列动作，以保证当使能位正跳变出现时，从手动方式无扰动地切换到自动方式。置给定值 （SPn）= 过程变量 (PVn)置过程变量前值 (PVn-1) = 过程变量现值 (PVn)置积分项前值(MX) = 输出值 (Mn) PID使能位的默认值是1，在CPU启动或从STOP方式转到RUN方式时建立。3.报警与特殊操作PID指令是执行PID运算的简单

56、而功能强大的指令。如果其它过程需对回路变量进行报警等特殊操作，那么可用CPU支持的基本指令实现这特殊操作功能。出错条件： 如果指令指定的回路表起始地址以及回路号操作数超出范围，那么在编译期间，CPU指令产生编译错误，从而编译失败。PID指令不检查回路表中的值是否在范围内，所以必须小心操作以保证过程变量和设定值不超界。应使其保持在0.0-1.0 之间。如果PID计算的算术运算发生错误，那么特殊内存标志位SM1.1会被置1，并且中止PID指令的执行。若想消除这种错误，正确的方法是在下一次执行PID运算前，改变引起算术运算错误的输入值，而不是更新输出值。 3.8 PLC变频调速系统电路原理方框图 图

57、3-5 电路原理方框图在硬件设计时，采用一台变频器连接一台电动机，用测速发电机反馈三相异步电动机的工作情况给EM235，经过EM235A/D转换将信号反馈给CPU224。系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，可以控制变频器开关量的高低电平，另一种是输入电源信号。变频器的输出信号有两种，一是送PLC的变频器准备好反馈、变频运行和变频器故障信号这三个输出控制信号，另一种是电机的变频器输出电源信号。第四章 三相异步电动机调速软件实现4.1 异步电动机控制程序的设计异步电动机控制程序是整个系统工程的关键功能部分。它主要包含以下三个部分：1、主程序主程序实现系统调用和电机的启动停止及程序的退出等功能。在PLC初次上电扫描时主程序调用系统初始化子程序，并实时进行系统的中断处理。2、子程序系统初始化子程序转速给定模拟量信号采样及其滤波子程序增益模拟量信号采样及其滤波子程序积分时间模拟量信号采样子程序微分时间模拟量信号采样子程序故障诊断及处理子程序转速输出值限幅子程序3、中断子程序定时中断子程序（执行PID运算）下面分别对各个程序进行详细分析并画出其流程图。4.1.1 电机控制主程序主程序中实现系统初始化子程序的调用华