【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 每次對(duì)音頻信號(hào)的采樣時(shí)間為。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 6 控制系統(tǒng) 主要由 PLC、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、潛水泵和燈光組成。通過 PLC 對(duì)外 部音頻信號(hào)的采樣、 轉(zhuǎn)換來控制變頻器和故態(tài)繼電器的動(dòng)作， 從而達(dá)到控制系統(tǒng)的要求， 并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)音樂和噴泉的實(shí)時(shí)的完美結(jié)合。音樂噴泉控制系 統(tǒng)硬件組成部分如圖 所示。 圖 21 音樂噴泉控制系統(tǒng) 結(jié)果圖 （ 1） 系統(tǒng)的控制過程 在這里，輸入轉(zhuǎn)換電路是指能對(duì)樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強(qiáng)弱等進(jìn)行檢測(cè)并將檢測(cè)到的信號(hào)以電平、脈沖 或數(shù)字形式送至 PLC 的電路。 在此控制系統(tǒng)中，利用 A/D 模塊對(duì)音樂信號(hào)的采樣，根據(jù)控制精度的需要 ,人耳的聽 覺 ,音樂信號(hào)的特點(diǎn)。由于人耳聽到的是廣場(chǎng)上播放樂曲的聲音 ,而人眼看到的是噴頭的 本章小結(jié) 通過相關(guān)資料，確定方案： 設(shè)計(jì)采用 S7200PLC 和 MICROMASTER420 變頻器 作為主控制 硬件， 由于控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單 ，本次設(shè)計(jì)選擇 MM420 變頻器來控制水泵轉(zhuǎn)速。MM420 是通用變頻器，是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器 。 設(shè)計(jì)了以S7200PLC 基本系統(tǒng)為核心的一 臺(tái)音樂噴泉 ，其中包 PLC、 變頻器 、 水泵 、 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(wù)是把工頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速的需要?，F(xiàn)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(zhuǎn)換成直流電，然后再把直流電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電，以供給電動(dòng)機(jī)。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(gè)部分組成。 [8] 交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 n = 60 f (1? s) / p 式中： n—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； f—異步電動(dòng)機(jī)的頻率； s—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 由上式可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～ 50 Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速 度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)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(duì)直流電進(jìn)行 控制 變?yōu)榻涣麟?。 一般功率較大的變頻器用可控硅 ， 并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置 ， 使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào) .用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù) 。 使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào) ， 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(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但是目前成為市場(chǎng)主流的變頻器基本上有著圖 31 所示的基本結(jié)構(gòu)。 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(diào) 的 交 流 電 圖 31 變頻器的基本構(gòu)成華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 變頻器的控制方式與性能 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,變頻器可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)供電電壓、電流、頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?,不同的控制方式所得到的調(diào)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(jìn)行電動(dòng)機(jī)速度反饋。開環(huán)控制有 fU/ 控制方式，閉環(huán)控制有轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制等方式。 (1) fU/ 控制 對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，只要改變其供電電源的頻率，即可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。但是，對(duì)于一個(gè)實(shí)際的交流調(diào)速控制系統(tǒng)來說，事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是那么簡(jiǎn)單。這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率被改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部阻抗也將隨之改變，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過強(qiáng)的情況。在勵(lì)磁不足的情況下電動(dòng)機(jī)將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩，而在勵(lì)磁過強(qiáng)時(shí)電動(dòng)機(jī)又將出現(xiàn)磁飽和，造成電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效率的下降。因此，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，必須采取必要的措施來保證電動(dòng)機(jī)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(diǎn)。 這種 變頻器雖然結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)特性并不是十分理想，尤其是在低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難，難以得到較大的調(diào)速范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對(duì)控制性能要求不太高的通用變頻器。 ⑵ 轉(zhuǎn)差頻率控制： 轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差頻率之和作 為變頻器的給定輸出頻率。由于通過控 制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器，利用速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制方式通常用于單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 因?yàn)樵诓捎棉D(zhuǎn)差頻率控制方式時(shí)需要檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，所以需要在異步電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器。而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)則由速度傳感器和變頻器控制電路中的運(yùn)算電路完成?？刂齐娐愤€將通過適當(dāng)?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)速度產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率和其他的控制信號(hào)。此外，在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的 變頻器中往往還加有電流負(fù)反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，所以這種變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性 。 ⑶ 矢量控制： 矢量控制的基本思想是認(rèn)為異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理，第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 9 即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為磁場(chǎng)和與其相垂直的電流的積，而異步電動(dòng)機(jī)的定子電流則可以分為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（磁場(chǎng)電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）。因此，通過控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位（即定子電流矢量），即可以分別對(duì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 變頻器 控制參數(shù)設(shè)計(jì) 根據(jù)播放的音樂來控 制水柱，達(dá)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(dòng)機(jī)組成的， 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速如果通入工頻電源，轉(zhuǎn)速是不變化的，變頻器是專門針對(duì)電機(jī)調(diào)速的裝置。由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使水柱發(fā)生變化。 變頻器的主要任務(wù)是把工頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速的需要，本系統(tǒng)中變頻器主要用來接受來自經(jīng) PLC 處理的音樂控制信號(hào)，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(shí)現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的形態(tài) [7]。 MM420 變頻器的電路結(jié)構(gòu) 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(zhuǎn)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(jīng)整流電路轉(zhuǎn)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(diào)的三相交流電供給電動(dòng)機(jī)負(fù)載。由圖 31 可知， MM420 變頻器直流換屆是通過電容進(jìn)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(shù)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(dāng)采取模擬電壓信號(hào)輸入方式輸入給定頻率時(shí)，為了提高交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度，必須配備一個(gè)高精度的直流電源。 模擬輸入 4 端，為用戶提供了兩對(duì)模擬電壓給定輸入端，作為頻率給定信號(hào)，經(jīng)變頻器內(nèi)的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給 CPU 來控制系統(tǒng)。 數(shù)字輸入端 7 為用戶提供了 3 個(gè)完全可編程的數(shù)字輸入端，數(shù) 字信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入 CPU，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)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(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 圖 32 變頻器電路圖 [11]第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 11 MM420 變頻器操作面板 利用 BOP 可以更改 MM 420 變頻器的各個(gè)設(shè)置參數(shù)。 BOP 具有 5 位數(shù)字的 7 段現(xiàn)實(shí)，用于顯示參數(shù)的序號(hào)和數(shù)值、報(bào)警和故障信息以及該參數(shù)的設(shè)定值和實(shí)際值，BOP 不能存儲(chǔ)參數(shù)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(dāng)前的設(shè)定值。 起動(dòng)變頻器 按此鍵起動(dòng)變頻器。缺省值運(yùn)行時(shí)此鍵是被封鎖的。為了使此鍵的操作有效，應(yīng)設(shè)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(yùn)行時(shí)此鍵被封鎖；為了允許此鍵操作，應(yīng)設(shè)定 P0700 = 1。 OFF2：按此鍵兩次（或一次，但時(shí)間較長(zhǎng)）電動(dòng)機(jī)將在慣性作用下自由停車。此功能總是“使能”的。 改變電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)動(dòng)方向 按此鍵可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。電動(dòng)機(jī)的反向用負(fù)號(hào)（－）表示或用閃爍的小數(shù)點(diǎn)表示。缺省值 運(yùn)行時(shí)此鍵是被封鎖的，為了使此鍵的操作有效，應(yīng)設(shè)定 P0700 = 1。 電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng) 在變頻器無(wú)輸出的情況下按此鍵，將使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，并按預(yù)設(shè)定的點(diǎn)動(dòng)頻率運(yùn)行。釋放此鍵時(shí)，變頻器停車。如果變頻器 /電動(dòng)機(jī)正在運(yùn)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(yùn)行過程中，在顯示任何一個(gè)參數(shù)時(shí)按下此鍵并保持不動(dòng) 2 秒鐘，將顯示以下參數(shù)值（在變頻器運(yùn)行中，從任何一個(gè)參數(shù)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(shù)值（如果 P0005 選擇顯示上述參數(shù)中的任何一個(gè)（ 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(shù)。 跳轉(zhuǎn)功能 在顯示任何一個(gè)參數(shù)（ rXXXX 或 PXXXX）時(shí)短時(shí)間按下此鍵，將立即跳轉(zhuǎn)到 r0000,如果需要的話，您可以接著修改其它的參數(shù)。跳轉(zhuǎn)到 r0000 后，按此鍵將返回原來的顯示點(diǎn)。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 12 訪問參數(shù) 按此鍵即可訪問參數(shù)。 增加數(shù)值 按此鍵即可增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值 。 減少數(shù)值 按此鍵即可減少面板上顯示的參數(shù)數(shù)值 . 變頻器參數(shù)設(shè)置方法 用 BOP 可以更改參數(shù)的數(shù)值，下面以更改過濾功能參數(shù) P0004 為例介紹數(shù)值的更改步驟， 見表 42；并以選擇命令 /設(shè)定值源 P0719 為例說明如何修改參數(shù)的數(shù)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(gè)參數(shù) [5]。 表 32 改變過濾功能參數(shù) P0004 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13 表 33 修改選擇命令 /設(shè)定值源下標(biāo)參數(shù) P0179 （ 1） 變頻 器參數(shù)設(shè)置 一般涉及到的參數(shù)有：①電機(jī)參數(shù)，可參考電機(jī)銘牌，如電機(jī)額定的電壓、功率、電流、轉(zhuǎn)速等。②選擇控制電機(jī)啟動(dòng)、停止方式，如通過變頻器面板還是端子。③選擇變頻器運(yùn)行頻率控制方式，如變頻器面板、電位器（ 需設(shè)置對(duì)應(yīng)頻率范圍） 還是若干個(gè)固定頻率（ 通過變頻器端子選擇對(duì)應(yīng)頻率） 。④變頻器運(yùn)行最小、最大頻率，加、減速時(shí)間等。⑤變頻器控制方式。 在本系統(tǒng)中需要是設(shè)置的參數(shù)有： （ 1） P0010 參數(shù)為“ 30”， P0970 參數(shù)設(shè)定為“ 1”， —— 變頻器復(fù)位到工廠設(shè)定值 （ 2） P0003 參數(shù)為“ 2” —— 擴(kuò)展用戶的參數(shù)訪問范圍 （ 3） P0700 參數(shù)為“ 2” —— 由模擬端子 /數(shù)字輸入控制變頻器 （ 4） P0701 參數(shù)為“ 17” —— BCD 碼選擇 +ON 命令 （ 5） P0702 參數(shù)為“ 17” —— BCD 碼選擇 +ON 命令 （ 6） P0703 參數(shù)為“ 17” —— BCD 碼選擇 +ON 命令 （ 7） P0704 參數(shù)為“ 1” —— 正轉(zhuǎn)啟動(dòng)華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 14 （ 8） P1000 參數(shù)為“ 3” —— 固定頻率設(shè)定值 （ 9） P1001 參數(shù)為“ 20” —— 固定頻率 1 為 20Hz （ 10） P1002 參數(shù)為“ 25” —— 固定頻率 2 為 25Hz （ 1