【正文】 電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家 50 年代水平。 目前，國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非常活躍，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場(chǎng)的大部分還是被國(guó)外公司所占據(jù)。 設(shè)計(jì)出系統(tǒng)穩(wěn)定，調(diào)整精度高，調(diào)整時(shí)間快的 PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)，對(duì) 現(xiàn)今工業(yè)設(shè)計(jì)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有很大幫助 [3]。 在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中 調(diào)速系統(tǒng) 占有著極為重要的地位 特別是在 國(guó)防、汽車、 冶金、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。 許多變頻調(diào)速裝置還屬于開環(huán)控制方式，不能滿足有較高精度的控制精度，所以采用計(jì)算機(jī)控制調(diào)速是提高控制精度的不二法門。具體來說，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆 變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。典型機(jī)種如 1989 年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的 FUJI（富士） FRN5OOOG5/P SANKEN（三墾）MF系列等。 ④ 將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制，以提高動(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時(shí)也一定程度上求得電流波形的改善。 之后， 1991 年由富士電機(jī)推出大家熟知的 FVR 與 FRNG7／ P7 系列的設(shè)計(jì)中，不同程度融入了 ②3 ． ④ 項(xiàng)技術(shù)，因此很具有代表性。然而，在上述四種方法中，由于 未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善 . 第二階段： 矢量控制。它是七十年代初由西德 等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。 矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。此外．它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來不便。 1994 年將該系列擴(kuò)展至 315KW 以上。 第三階段： 1985 年德國(guó)魯爾大學(xué) Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（ Direct Torque Control 簡(jiǎn)稱 DTC）。 轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè) 計(jì)之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度 [2]。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川 VS－ 676H5 高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了 100ms 的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負(fù)%（無 PG） ,正負(fù) ％（帶 PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù) 3％左右。 變頻調(diào)速系統(tǒng) 的技術(shù) 現(xiàn)狀 控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從 1991 年 INTEL 公司推出 8X196MC 系列以來，專門用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。 就計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況而言，可編程控制器 (PLC)是目前作為工業(yè)控制最理想的機(jī)型，它是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、按照事先編好并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部一段程序來完成設(shè)備的操作控制。 目前在控制領(lǐng)域中，雖然逐步采用了電子計(jì)算機(jī)這個(gè)先進(jìn)技術(shù)工具，特別是石油化工企業(yè)普遍采用了分散控制系統(tǒng)（ DCS）。 PID 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸、穩(wěn)定性好、 工作 可 靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。用戶根據(jù)自己的實(shí)際工藝要求和運(yùn)用場(chǎng)合選擇不同類型控制方式和 變頻器。 比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)這 種 場(chǎng)合 。 控制 優(yōu)勢(shì)： 硬件簡(jiǎn)潔、 抗干擾性能強(qiáng)， 軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小 ，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求相對(duì)較低 缺點(diǎn)：設(shè)備成本較高，不適合大批量采用 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想 和主要內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)就是基于 PLC 的變頻器調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速以 及快速制動(dòng)等?？刂七\(yùn)算主要由 PLC 和變頻器來完成；執(zhí)行元件為變頻器和電機(jī)；反饋部分主要為速度反饋 。變頻器的轉(zhuǎn)向由正 /反轉(zhuǎn)開關(guān)進(jìn)行控制。由開環(huán) /閉環(huán)開關(guān)控制系統(tǒng)在開環(huán)或閉環(huán)狀態(tài)下運(yùn) 行。 本文內(nèi)容安排如下 ： 第一章 緒論 介紹了本課題的研究目的和意義，還有變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀。 第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 介紹了系統(tǒng)的組成及其工作原理 ，對(duì) 其外部硬件的接線和內(nèi)部模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊的主要參數(shù)進(jìn)行了說明 ，論證了本系統(tǒng)對(duì)于 PLC和變頻器的選型，介紹了變頻器的快速設(shè)置方法。 第四章 系統(tǒng)的調(diào)試及其數(shù)據(jù)分析 對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行和調(diào)試，并利用現(xiàn)場(chǎng)得到的結(jié)果進(jìn)行修正，說明了閉環(huán)反饋參數(shù)的計(jì)算方法及其誤差產(chǎn)生的原因。 首先通過設(shè)置給定輸入給 PLC，確定選擇的是開環(huán)工作模式或閉環(huán)工作模式，再通過 PLC 控制變頻器，經(jīng)由變頻器來控制電機(jī)，隨后將電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋給 PLC，經(jīng)比較后輸出給變頻器從而實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。 可編程控制器 PLC 接收 4~20mA 的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換變 成 12 位數(shù)字信號(hào)，然后在 PLC主機(jī)內(nèi)完成 PI 運(yùn)算，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器輸出0~20mA 電流信號(hào)，在逆變器內(nèi)部，把該信號(hào)對(duì)映變成不同頻率，不同電壓的交流信號(hào)控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后用測(cè)速發(fā)電機(jī)完成速度反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。輸入通道用于將外部輸入的模擬量信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，即稱為A/D 轉(zhuǎn)換，其分辨率為 12 位。模擬量電壓值范圍是 — 10V~10V，分辨率為 果為電流輸入，則電流輸入范圍為 4~20mA 或 20mA~+20Ma,分辨率為 20uA。 3) 每一通道都可以分別指定為電壓輸入或電流輸入。 性能指標(biāo)： 1）電源：模擬電路： 24V177。 數(shù)字電路： 5V DC 30mA (源于基本單元的內(nèi)部電源 )。 FX— 4DA 有四個(gè)輸出通道，可以輸出 10V 到 10V直流電壓（分辨率： 5mV）或 0~20mA(分辨率： 20uA)的模擬量輸出。 FX2n— 4DA 占用 FX2n 擴(kuò)展總線的 8 個(gè)點(diǎn)。FX2n— 4DA 消耗 FX2n 主單元或有源擴(kuò)展單元 5V 電源槽的 30mA 電源。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 PLC 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。額定值為AC 380 V、 0. 4 kW、 極對(duì)數(shù) P= 轉(zhuǎn)速 1 500 r/ min, Y 型連接 , 中間一臺(tái)是直流發(fā)電機(jī) ,該機(jī)為并勵(lì)直流機(jī) ,其額定值為 DC 250 V、 0. 5 kW、 2 000 r/ min。 本文以空載形式介紹。在系統(tǒng)中作為反饋裝置?；締卧ㄖ鳈C(jī)）中包含 CPU，儲(chǔ)存器， I/O 電路和電源，是 PLC 的主要部分；擴(kuò)展單元是用于增加 I/O 點(diǎn)數(shù)，內(nèi)部沒有電源；擴(kuò)展模塊用于增加 I/O 點(diǎn)數(shù)和改變 I/O比例，模塊內(nèi)部無電源，由基本單元或擴(kuò)展單元供電。特殊功能模塊是為了獲得某些特殊功能，滿足控制要求的特殊裝置。 所以 在這里我選擇了 課程中學(xué)習(xí)過的三菱公司 FX2N32MR 型 PLC FX2n32MR 的各部分構(gòu)成和說明 如圖 25 所示 [注 ]圖片引用自三菱 FX2N 使用手冊(cè) 圖 25 FX2n32MR 的各部分構(gòu)成和說明 及變頻器 的選型 正確選擇通用型變頻器對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行時(shí)至關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適。若對(duì)通用變頻器選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用不當(dāng)，往往會(huì)使通用變頻器不能正常的運(yùn)行、達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，甚至引發(fā)設(shè)備故障，造成不必要的損失。 在本系統(tǒng)中我采用了 VS mini 變頻器 VS mini 變頻器的外形結(jié)構(gòu) 如圖 26 所示 圖 26 VS mini 變頻器的外形結(jié)構(gòu) VS mini 變頻器控制端控制運(yùn)行模式時(shí)的基本連線圖 如圖 27 所示 U、 V、 W 是變頻器輸出 , 當(dāng)電機(jī)在基頻以 下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) , 其輸出為電壓與頻率呈恒比值的交流信號(hào) ,控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 。 正 轉(zhuǎn)運(yùn) 行 / 停 止反 轉(zhuǎn)運(yùn) 行 / 停 止故 障 復(fù) 位三 相 電 源2 K ΩO VF CF RF SMB 1 B 2UN / L 2 ( S )L 3 ( T )L 1 ( R )VWS FS 1S RM BM CM A變 頻 器 的 工 作 狀 態(tài)（ 常 開 常 閉 ）S C邏 輯 公 共 端功 能 控 制 輸 入頻 率給 定屏 蔽 鏈 接 線頻 率 給 定電 源（ + 1 2 V , 2 0 m A )參 考 （ 0 1 0 V 、 4 2 0 m A ) 圖 27 VS mini 變頻器控制端控制運(yùn)行模式時(shí)的基本連線圖 變頻器 VS mini 為我們提供了很好的 BOP 控制面板具體如 圖 28 所示。 psfn /)1(60 ?? （ 21） 對(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù) p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s變化不 大，故電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n與電源的頻率 f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)的調(diào)試目的。 (4) 按【 向右】鍵，使光標(biāo)移至修改位。 (6) 按【 DATA/ENTER】鍵，寫入新數(shù)據(jù)碼，此時(shí)，顯示屏顯示“ Entry Accepted” (新數(shù)據(jù)已被接受 )； 1s后顯示當(dāng)前的功能碼及數(shù)據(jù)碼。 (8) 如全部功能的預(yù)置工作都已結(jié)束，則反復(fù)按【 MENU】鍵，直至變頻器轉(zhuǎn)為運(yùn)行模式為止。 速度的測(cè)量可以通過光電編碼器和PLC 來實(shí)現(xiàn)。在固定時(shí)間間隔內(nèi)采集脈沖差值，通過計(jì)算既可以獲得電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的單位為 min/r 。 3 系統(tǒng)的軟件 設(shè)計(jì) 設(shè)置控制系統(tǒng)流程圖 初 始 化主 程 序 流 程 圖各 部 件 是 否 正 常用 戶 輸 入 給 定 數(shù) 值 并確 認(rèn)掃 描 輸 入 ， 是 否按 下 啟 動(dòng) 鍵開 啟 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 模 塊進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 速 輸 出 ， 電機(jī) 運(yùn) 行讀 取 當(dāng) 前 轉(zhuǎn) 速是 否 為 開 環(huán)經(jīng) 過 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換模 塊 將 轉(zhuǎn) 速 輸出調(diào) 用 P I D 運(yùn) 算 子程 序?qū)?新 的 量 賦 值比 較 寄 存 器 進(jìn)行 調(diào) 整輸 出 報(bào) 警 信號(hào) ， 警 示 燈 閃爍系 統(tǒng) 待 機(jī) 等 待輸 入否是否是否是P I D 調(diào) 節(jié) 子 程 序 控 制 算法 流 程 圖開 始讀 入 采 樣 轉(zhuǎn) 速 值并 做 相 關(guān) 處 理計(jì) 算 偏 差 △ n = 期 望值 采 樣 后 處 理本 次 偏 差 與 上 次 積分 符 號(hào) 是 否 相 同積 分 = 上 次 積 分 + 本 次 偏 差微 分 = 本 次 偏 差 上 次 偏 差調(diào) 整 差 = 偏 差 * K p + 微分 * K p + 積 分 * K i將 新 的 量 賦 值 給 輸出 比 較 寄 存 器前 一 次 積 分 清 零否是是 圖 31 控制系統(tǒng)流程圖 FX2n 的編程軟件介紹 本次設(shè)計(jì) 擬通過使用上位機(jī)，觸摸屏（ G0T） ,變頻器，可編程控制器組成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主回路和控制回路， 完成一個(gè)恒速控制系統(tǒng)。 SWOPCFXGP/WINC軟件介紹 本次設(shè)計(jì)對(duì) 上位機(jī) 采用的編程軟件為三菱公司針對(duì) FX系列 PLC 推出的名稱為SWOPCFXGP/WINC 的上位機(jī)軟件，它的運(yùn)行環(huán)境為 window95 以上的版本，可對(duì)FX0/FX0S， FX0N,FX1， FX2/FX2C， FX1S,FX1N 和 FX2N/FX2NC 系列 PLC 進(jìn)行程序輸入及其監(jiān)控 PLC 中各軟元件的實(shí)時(shí)狀態(tài)。顯示在 GOT 上的監(jiān)視屏幕數(shù)據(jù)是在個(gè)人電腦上 用專用軟件 (GT Designer)創(chuàng)建的。 本次設(shè)計(jì)使用的為三菱公司為其 GT1000 操作面板 開發(fā)的 設(shè)計(jì)軟件 GT designer2。 整個(gè) GOT的界面設(shè)計(jì) 如圖 32所示。 主程序： 主要是用來啟動(dòng)中斷程序以及控制量的輸入和輸出。 子程序： 設(shè)置 PID 控制的參數(shù) PID 回路運(yùn)算指令的功能指令編號(hào)為 FNC88，源操作數(shù) [S1],[S2],[S3]和目標(biāo)操作數(shù)均為 D， 16位運(yùn)算占 9個(gè)程序步。源操作數(shù) [S3]占用從 [S3]開始的 25 個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。 PID