【文章內容簡介】 每次對音頻信號的采樣時間為。 華南理工大學廣州學院本科畢業(yè)設計（論文）說明書 6 控制系統 主要由 PLC、 A/D 轉換模塊、變頻器、潛水泵和燈光組成。通過 PLC 對外 部音頻信號的采樣、 轉換來控制變頻器和故態(tài)繼電器的動作， 從而達到控制系統的要求， 并能夠實現對音樂和噴泉的實時的完美結合。音樂噴泉控制系 統硬件組成部分如圖 所示。 圖 21 音樂噴泉控制系統 結果圖 （ 1） 系統的控制過程 在這里，輸入轉換電路是指能對樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強弱等進行檢測并將檢測到的信號以電平、脈沖 或數字形式送至 PLC 的電路。 在此控制系統中，利用 A/D 模塊對音樂信號的采樣，根據控制精度的需要 ,人耳的聽 覺 ,音樂信號的特點。由于人耳聽到的是廣場上播放樂曲的聲音 ,而人眼看到的是噴頭的 本章小結 通過相關資料，確定方案： 設計采用 S7200PLC 和 MICROMASTER420 變頻器 作為主控制 硬件， 由于控制系統較簡單 ，本次設計選擇 MM420 變頻器來控制水泵轉速。MM420 是通用變頻器，是用于控制三相交流電動機速度的變頻器 。 設計了以S7200PLC 基本系統為核心的一 臺音樂噴泉 ，其中包 PLC、 變頻器 、 水泵 、 電機驅動 、系統軟件等部分的設計。 第三章 系統硬件設計 7 第 三 章 系統硬件設計 變頻器的工作原理以及控制方式 變頻器的工作原理 變頻器的主要任務是把工頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動機的變頻調速的需要?，F在使用的變頻器主要采用交 直 交方式（ VVVF，變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電通過整流 器轉換成直流電，然后再把直流電轉換成頻率、電壓均可控制的交流電，以供給電動機。變頻器的電路一般由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路 4 個部分組成。 [8] 交流電動機的同步轉速表達式為 n = 60 f (1? s) / p 式中： n—異步電動機的轉速； f—異步電動機的頻率； s—電動機轉差率； p—電動機極對數。 由上式可知，異步電動機的轉速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉速，當頻率 f 在 0～ 50 Hz 的范圍內變化時，電動機轉速調節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速 度調節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段 。 [8] 變頻器 首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?， 然后用電子元件對直流電進行 控制 變?yōu)榻涣麟?。 一般功率較大的變頻器用可控硅 ， 并設一個可調頻率的裝置 ， 使頻率在一定范圍內可調 .用來控制電機的轉數 。 使轉數在一定的范圍內可調 ， 一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。 變頻器的發(fā)展已有數十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾出現過多種類型的變頻器，但是目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖 31 所示的基本結構。 整 流 電 路 直 流 中 間 電 路 逆 變 電 路控 制 電 路 交 流 電 商 用 電 源交 流 電頻 率 和 電 壓 可調 的 交 流 電 圖 31 變頻器的基本構成華南理工大學廣州學院本科畢業(yè)設計（論文）說明書 8 變頻器的控制方式與性能 異步電動機調速轉動時 ,變頻器可以根據電動機的特性對供電電壓、電流、頻率進行適當的控制 ,不同的控制方式所得到的調速性能、特性以及用途也不同 。 變頻器控制方式大致大體可分為開環(huán)控制盒閉環(huán)控制兩種，后者進行電動機速度反饋。開環(huán)控制有 fU/ 控制方式，閉環(huán)控制有轉差頻率控制和矢量控制等方式。 (1) fU/ 控制 對于異步電動機，只要改變其供電電源的頻率，即可以改變電動機的轉速，達到進行調速運轉的目的。但是，對于一個實際的交流調速控制系統來說，事情遠遠不是那么簡單。這是因為當電動機電源的頻率被改變時，電動機的內部阻抗也將隨之改變，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現勵磁不足或勵磁過強的情況。在勵磁不足的情況下電動機將難以給出足夠的轉矩，而在勵磁過強時電動機又將出現磁飽和，造成電動機功率因數和效率的下降。因此，為了得到理想的轉矩速度特性，在改變電源頻率進行調速的同時，必須采取必要的措施來保證電動機的氣隙磁通處于高 效狀態(tài)（即保持磁通不變）。這就是 fU/ 控制的出發(fā)點。 這種 變頻器雖然結構比較簡單，但是，由于這種變頻器采用的是開環(huán)控制方式，其精度和動態(tài)特性并不是十分理想，尤其是在低速區(qū)電壓調整比較困難，難以得到較大的調速范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對控制性能要求不太高的通用變頻器。 ⑵ 轉差頻率控制： 轉差頻率控制需要檢出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調節(jié)器的輸出為轉差頻率，然后以電動機轉速與轉差頻率之和作 為變頻器的給定輸出頻率。由于通過控 制轉差頻率來控制轉矩和電流， 與 fU/ 控制相比其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外它有速度調節(jié)器，利用速度反饋進行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小，適用于自動控制系統。轉差頻率控制方式通常用于單機運轉。 因為在采用轉差頻率控制方式時需要檢測電動機的實際轉速，所以需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器。而電動機的轉速檢測則由速度傳感器和變頻器控制電路中的運算電路完成。控制電路還將通過適當的算法根據檢測到的電動機速度產生轉差頻率和其他的控制信號。此外，在采用了轉差頻率控制方式的 變頻器中往往還加有電流負反饋，對頻率和電流進行控制，所以這種變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性 。 ⑶ 矢量控制： 矢量控制的基本思想是認為異步電動機和直流電動機具有相同的轉矩產生機理，第三章 系統的硬件設計 9 即電動機的轉矩為磁場和與其相垂直的電流的積，而異步電動機的定子電流則可以分為產生磁場的電流分量（磁場電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）。因此，通過控制電動機定子電流的大小和相位（即定子電流矢量），即可以分別對電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制電 動機轉矩的目的。 變頻器 控制參數設計 根據播放的音樂來控 制水柱，達到水柱與音樂同步的效果，而水柱是由水泵來控制的，水泵是由異步電動機組成的， 異步電動機的轉速如果通入工頻電源，轉速是不變化的，變頻器是專門針對電機調速的裝置。由變頻器控制電機的轉速，使水柱發(fā)生變化。 變頻器的主要任務是把工頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動機的變頻調速的需要，本系統中變頻器主要用來接受來自經 PLC 處理的音樂控制信號，輸出頻率不同的交流電，從而使水泵的噴水狀態(tài)不斷變化，實現了噴泉噴水隨音樂高低呈現不同的形態(tài) [7]。 MM420 變頻器的電路結構 MM420 變頻器電路圖如圖 22 所示，包括主電路和控制電路兩部分，主電路完成電能轉換（整流和逆變），控制電路處理信息的收集、變換和傳輸。 在主電路中，由電源輸入單相或三相恒壓恒頻的交流電，經整流電路轉換成恒定的直流電，供給逆變電路。逆變電路在 CPU 控制下，將恒定的直流電你變成電壓和頻率均可調的三相交流電供給電動機負載。由圖 31 可知， MM420 變頻器直流換屆是通過電容進行濾波的，因此屬于電壓型交 直 交變頻器。 MM420 變頻器的控制電路由 CPU、模擬輸入（ AIN+、 AIN— ）、模擬輸出（ AOUT+、AOUT— ）、數字輸出（ DIN1~DIN3）、輸出繼電器觸頭（ RL1B、 RL1C）、操作板（ BOP）等組成。 端子 2 是為用戶提供的 10V 直流電源。當采取模擬電壓信號輸入方式輸入給定頻率時，為了提高交流變頻調速系統的控制精度，必須配備一個高精度的直流電源。 模擬輸入 4 端，為用戶提供了兩對模擬電壓給定輸入端，作為頻率給定信號，經變頻器內的模 /數轉換器，將模擬量轉換為數字量，提供給 CPU 來控制系統。 數字輸入端 7 為用戶提供了 3 個完全可編程的數字輸入端，數 字信號經光電隔離輸入 CPU，對電動機進行控制 [8]。 端子 8 和 9 是 24V 直流電源端，為變頻器的控制電路提供 24V 直流電源 。華南理工大學廣州學院本科畢業(yè)設計（論文）說明書 10 圖 32 變頻器電路圖 [11]第三章 系統的硬件設計 11 MM420 變頻器操作面板 利用 BOP 可以更改 MM 420 變頻器的各個設置參數。 BOP 具有 5 位數字的 7 段現實，用于顯示參數的序號和數值、報警和故障信息以及該參數的設定值和實際值，BOP 不能存儲參數的信息。 BOP 上的按鈕以及功能說明見表 41 表 31 基本操作面板（ BOP）上的按鈕 及其功能 狀態(tài)顯示 LCD 顯示變頻器當前的設定值。 起動變頻器 按此鍵起動變頻器。缺省值運行時此鍵是被封鎖的。為了使此鍵的操作有效，應設定 P0700 = 1。 停止變頻器 OFF1：按此鍵，變頻器將按選定的斜坡下降速率減速停車 .缺省值運行時此鍵被封鎖；為了允許此鍵操作，應設定 P0700 = 1。 OFF2：按此鍵兩次（或一次，但時間較長）電動機將在慣性作用下自由停車。此功能總是“使能”的。 改變電動機 的轉動方向 按此鍵可以改變電動機的轉動方向。電動機的反向用負號（－）表示或用閃爍的小數點表示。缺省值 運行時此鍵是被封鎖的，為了使此鍵的操作有效，應設定 P0700 = 1。 電動機點動 在變頻器無輸出的情況下按此鍵，將使電動機起動，并按預設定的點動頻率運行。釋放此鍵時，變頻器停車。如果變頻器 /電動機正在運行，按此鍵將不起作用。 功能 此鍵用于瀏覽輔助信息。 變頻器運行過程中，在顯示任何一個參數時按下此鍵并保持不動 2 秒鐘，將顯示以下參數值（在變頻器運行中，從任何一個參數開始）： 1. 直流回路電壓（用 d 表示 – 單位： V） 2. 輸出電流（ A） 3. 輸出 頻率（ Hz） 4. 輸出電壓（用 o 表示 – 單位： V）。 5. 由 P0005 選定的數值（如果 P0005 選擇顯示上述參數中的任何一個（ 3， 4，或 5），這里將不再顯示）。 連續(xù)多次按下此鍵，將輪流顯示以上參數。 跳轉功能 在顯示任何一個參數（ rXXXX 或 PXXXX）時短時間按下此鍵，將立即跳轉到 r0000,如果需要的話，您可以接著修改其它的參數。跳轉到 r0000 后，按此鍵將返回原來的顯示點。 華南理工大學廣州學院本科畢業(yè)設計（論文）說明書 12 訪問參數 按此鍵即可訪問參數。 增加數值 按此鍵即可增加面板上顯示的參數數值 。 減少數值 按此鍵即可減少面板上顯示的參數數值 . 變頻器參數設置方法 用 BOP 可以更改參數的數值，下面以更改過濾功能參數 P0004 為例介紹數值的更改步驟， 見表 42；并以選擇命令 /設定值源 P0719 為例說明如何修改參數的數值，見 表 43。按照表 42 和 表 43 中說明的類似方法，可以用 BOP 修改任何一個參數 [5]。 表 32 改變過濾功能參數 P0004 第三章 系統的硬件設計 13 表 33 修改選擇命令 /設定值源下標參數 P0179 （ 1） 變頻 器參數設置 一般涉及到的參數有：①電機參數，可參考電機銘牌，如電機額定的電壓、功率、電流、轉速等。②選擇控制電機啟動、停止方式，如通過變頻器面板還是端子。③選擇變頻器運行頻率控制方式，如變頻器面板、電位器（ 需設置對應頻率范圍） 還是若干個固定頻率（ 通過變頻器端子選擇對應頻率） 。④變頻器運行最小、最大頻率，加、減速時間等。⑤變頻器控制方式。 在本系統中需要是設置的參數有： （ 1） P0010 參數為“ 30”， P0970 參數設定為“ 1”， —— 變頻器復位到工廠設定值 （ 2） P0003 參數為“ 2” —— 擴展用戶的參數訪問范圍 （ 3） P0700 參數為“ 2” —— 由模擬端子 /數字輸入控制變頻器 （ 4） P0701 參數為“ 17” —— BCD 碼選擇 +ON 命令 （ 5） P0702 參數為“ 17” —— BCD 碼選擇 +ON 命令 （ 6） P0703 參數為“ 17” —— BCD 碼選擇 +ON 命令 （ 7） P0704 參數為“ 1” —— 正轉啟動華南理工大學廣州學院本科畢業(yè)設計（論文）說明書 14 （ 8） P1000 參數為“ 3” —— 固定頻率設定值 （ 9） P1001 參數為“ 20” —— 固定頻率 1 為 20Hz （ 10） P1002 參數為“ 25” —— 固定頻率 2 為 25Hz （ 1