【文章內(nèi)容簡介】 制 ,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)控制和閉環(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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，達到進行調(diào)速運轉(zhuǎn)的目的。但是，對于一個實際的 交流調(diào)速控制系統(tǒng)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(nèi)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(xiàn)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(zhuǎn)矩，而在勵磁過強時電動機又將出現(xiàn)磁飽和，造成電動機功率因數(shù)和效率的下降。因此，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，在改變電源頻率進行調(diào)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。 北方民族大學學士學位論文 基于 PLC 的音樂噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 10 這種 變頻器雖然結(jié)構(gòu)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(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機的轉(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，然后以電動機轉(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，利用速度反饋進行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小，適用于自動控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制方式通常用于單機運轉(zhuǎn)。 因為在采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式時需要檢測電動機的實際轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測到的電動機速度產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率和其他的控制信號。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 [10] 。 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(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理，即電動機的轉(zhuǎn)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(chǎn)生磁場的電流分量（磁場電流）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(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的[9]。 MICROMASTER 420 概述 MICROMASTER420 是用于控 制三相交流電動機速度的變頻器系列。本系列有多種型號，從單相電源電壓，額定功率 120W 到三相電源電壓，額定功率11KW 可供用戶選用。 該變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶北方民族大學學士學位論文 基于 PLC 的音樂噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 11 體管（ IGBT）作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。 MICROMASTER420 具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是 數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。由于 MICROMASTER420 具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。 MICROMASTER 420 既可用于單機驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到‘自動化系統(tǒng)’中。 [11] 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(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(diào)速系統(tǒng)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(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 個完全可編程的數(shù)字輸入端，數(shù)字信號經(jīng)光電隔離輸入 CPU，對電動機進行控制。 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 [12]。 北方民族大學學士學位論文 基于 PLC 的音樂噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 12 圖 22 變頻器電路圖 [11] 北方民族大學學士學位論文 基于 PLC 的音樂噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 13 第 3 章 系統(tǒng)總體介紹 音樂噴泉的控制主要由 PLC 和變頻器完成，通過音樂的頻率信號控制 PLC。通過改變水泵電機的控制頻率可以實現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速變化，進而通 過水泵的轉(zhuǎn)速變化來控制音樂噴泉的水柱高度變化，實現(xiàn)音樂變化對噴泉的控制。變頻器接受來自經(jīng) PLC 處理的音樂控制信號，輸出頻率不同的交流電，從而水泵的噴水狀態(tài)不斷變化，實現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的形態(tài)。同時通過 PLC 控制彩燈，實現(xiàn)彩燈組與音樂節(jié)奏的同步變換。 音樂噴泉組成 音樂噴泉水池設(shè)計 此小型音樂噴泉噴頭分三組。外圈九個噴頭，中圈六個噴頭，噴水口直徑，中心主噴頭用集流直上噴頭，它比一般直流噴頭噴水流量大，當水泵大功率運行時，有壯觀的噴水直徑和高度。本設(shè)計采用兩組單相潛 水泵，外兩圈噴頭由一個 12W 的潛水泵提供壓力，主噴頭由一個 55W 的潛水泵提供水壓。兩組彩燈分兩圈，分別安裝在外圈和中圈噴頭下，工作是成交替閃爍。這樣音樂噴泉工作時噴水層次感明顯，視覺效果良好。噴泉水池直徑約 ，噴頭組最大直徑 ，在外圈和中圈噴頭向內(nèi)傾斜的情況下很好的防止了水池噴水造成的向外濺水。 控制系統(tǒng)組成 音樂噴泉的控制系統(tǒng)由音樂信號處理電路（包括 F/V 轉(zhuǎn)換電路、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號隔離電路）， PLC 及變頻控制電路，潛水泵和彩燈控制電路，穩(wěn)壓電源電路和音響設(shè)備組成。其中 PLC 及 變頻控制電路為設(shè)計重點。 北方民族大學學士學位論文 基于 PLC 的音樂噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 14 變頻器設(shè)計 變頻器選型 由于控制系統(tǒng)較簡單，本次設(shè)計選擇 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機速度的變頻器，適用于各種變頻驅(qū)動裝置。 MICROMASTER420 具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是 數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。 變頻器控制接線圖 硬件連接圖如圖 31 所示， PLC 的輸出口 連接到 MM420 變頻器的 AIN+端子上，用來控制變頻器的起停。 PLC 輸出口 — 連 接到變頻器 DIN1—DIN3 端子上，通過 PLC 輸出地開關(guān)量控制變頻器 輸出 預置的固定頻率，變頻器輸出地預置頻率由設(shè)置參數(shù)決定。 西 門 子M M 4 2 0變 頻 器A I N A I N +D I N 1D I N 2D I N 3P EQ 1 . 5Q 1 . 0Q 1 . 1Q 1 . 2K A 1K A 2K A 1 K A 2MMK M 1 K M 2UVV IU IL N0 VP L CQ F 圖 31 變頻器設(shè)計連接圖 北方民族大學學士學位論文 基于 PLC 的音樂噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 15 PLC 設(shè)計 PLC 選型 S7200 是西門子推出的小型 PLC， S7200 系列 PLC 為單體式結(jié)構(gòu)，配有RS485 通訊接口、內(nèi)置電源系統(tǒng)和部分 I/O 接口。它體積小、運算速度塊、可靠性高，具有豐富的指令，系統(tǒng)操作簡便、便于掌握，可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的 I/O擴展，性能價格比高，是目前中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的 理想控制設(shè)備。 S7200 PLC 有 5 種 CPU 模塊。 CPU 226 的本機數(shù)字量 I/O 為 24 入 /16 出，最多可擴展 7 個擴展模塊，根據(jù) PLC 數(shù)字量輸出模塊的驅(qū)動方式不同，它又分為晶體管輸出（ DC/DC/DC）方式和繼電器輸出（ AC/DC/繼電器）方式。根據(jù)本設(shè)計的控制要求，選擇 CPU 226 DC/DC/DC 型 PLC 作為控制核心。 PLC 輸入 /輸出點分配 根據(jù)系統(tǒng)控制要求， 使用 PLC 的數(shù)字量輸入模塊接收來自音樂信號處理模塊轉(zhuǎn)換的 8 路開關(guān)量信號，經(jīng) PLC 內(nèi)部 CPU 處理，通過輸出模塊控制彩燈和變頻器 ，實現(xiàn)對變頻器的數(shù)字控制。控制系統(tǒng) PLC 的輸入 /輸出點分配如表 32 和表 33。 序號 點號 符合 意義 1 Bit0 音頻信號輸入 2 Bit1 音頻信號輸入 3 Bit2 音頻信號輸入 4 Bit3 音頻信號輸入 5 Bit4 音頻信號輸入 6 Bit5 音頻信號輸入 7 Bit6 音頻信號輸入 8 Bit7 音頻信號輸入 9 K0 啟動按鈕 10 K1 停止按鈕 表 32 PLC 輸入點分配表 北方民族大學學士學位論文 基于 PLC 的音樂噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 16 序號 點號 符合 意義 1 KM1 1水泵工作 2 KM2 2水泵工作 3 KA1 1彩燈工作 4 KA2 2彩燈工作 5 DIN1 變頻器速度一 6 DIN2 變頻器速度二 7 DIN3 變頻器速度三 8 AIN+ 變頻器運行 表 33 PLC 輸出點分配表 PLC 控制接線圖 啟動按鈕接入 PLC 的 端子，停止按鈕接入 端子， — 接收開關(guān)量信號， 和 端子直接控制兩個 LED 燈組的變換。 和 用來控制水泵的起停， — 用于控制變頻器的輸出頻率選擇。 PLC 硬件連接圖如圖 34 所示。 S 7 2 0 0P L CC P U 2 2 6D C / D C / D CI 0 . 0I 0 . 1I 0 . 2I 0 . 3I 0 . 4I 0 . 5I 0 . 6I 0 . 7I 1 . 0I 1 . 11 MQ 0 . 2Q 0 . 3Q 0 . 6Q 0 . 7M1 L +2 L +2 MQ 1 . 5Q 1 . 2Q 1 . 1Q 1 . 0K 1K 2開關(guān)量信號停 止啟 動K M 1K M 21 水 泵 啟 停 控 制 繼 電 器2 水 泵 啟 停 控 制 繼 電 器1 彩 燈 亮 滅 控 制2 彩 燈 亮 滅 控 制變 頻 器 速 度 1變 頻 器 速 度 2變 頻 器 運 行 A I N +變 頻 器 速 度 3變 頻 器 A I N 圖 34 PLC 控制端子連接圖 北方民族大學學士學位論文 基于 PLC 的音樂噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計 17 第 4 章 變頻器 控制參數(shù) 設(shè)計 根據(jù)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(zhuǎn)速如果通入工頻電源，轉(zhuǎn)速是不變化的，變頻器是專門針對電機調(diào)速的裝置。由變頻器控制電機的轉(zhuǎn)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(diào)速的需要，本系統(tǒng)中變頻器