控制系统三级项目报告 黄辉龙
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为了安全，在进行在线调试前，首先要对程序软件仿真： 1、正反转仿真：
仿真结果符合要求。
2、调速模块仿真：
仿真结果符合要求。
八、变频器电压提升补偿
电压提升实验电路图
1、电压不补偿： 变频器参数设定：设定负载电流为 IF=0.4A，保证励磁电流为 100mA。 参数 设定值 说明 P0700 1 由 BOP 操作面板控制变频
P1300=0 220 50 1428 198 45 1277 176 40 1127
If2=100mA 153 35 975. 3 131 30 824. 2 0.612
IF＝ 110 25 671. 1
0.4 88 20 518. 8
A 65 15 358. 7 44 10 172. 2 5 无法 保持 恒转 矩
图 7 制动电流跟停转时间关系图
曲线分析：根据图 7，可知制动电流越大，电机的停转时间会越小。从原理上分 析，可知制动电流其实是给绕组加一个反向电流，使其产生一个与现在运动相反 的转矩，从而抵消掉原来的转矩运动。 误差分析：①由于是肉眼观测，人有反应时间误差。
十一、实验过程所遇到的问题及解决
1、在实验中，发现变频器电压提升曲线的斜率并不是不变的，如图是它的关系 图：
汕头大学工学院
控制系统 三级项目报告
项目名称：控制系统课程设计 项目题目：基于 PLC 的变频调速系统设计 指导老师：范颖辉、陈少波 系别：机电系 学号：2013124019 合作者：吴顺友 完成时间：2015 年 12 月 23 日 专业：13 机电 姓名：黄辉龙
成绩：
评阅人：
一、设计目的
1、掌握 PLC 的应用设计过程 2、掌握常用变频器的应用过程 3、初步掌握电气原理图的设计过程 4、*初步了解人机界面的开发过程 5、完成 PLC 程序的设计过程 6、完成变频器主要参数的设置
3.99 3.99 3.99
3.99 3.99
3.99 3.99
注：I1 是定子绕组电流，R 是定子绕组电阻，U2 根据 I1 和 R1 计算得到。 实验数据分析：（1）根据表一作出实际 n-f 图和 V-f 图：
图1
由图可以明显看出，当在频率在 15HZ 的时候，曲线明显开始偏离趋势线，可以 看出这个点就是需要的频率补偿点。
十、三相异步电机变频器直流制动的制动特性
（1）电机自由停转时间： 表五 频率 50 40 停转时间 t 10.06 7.88 （s） （2）制动电流与停转时间的关系： 表六 制 动 电 流 100 90 （%） 停转时间 t 9.82 9.87 （s） 制动电流=100% 30 20 5.93 3.97
112.95 79.54 （千分之） ，在估算的结果上加上一 1420 150 100% 22V 。 个经验值， 确定补偿 150 （千分之） ， 计算其补偿的电压值应为 220
根据未补偿曲线估算补偿值：
变频器参数设定：设定负载电流为 IF=0.4A，保证励磁电流为 100mA。 参数 设定值 说明 P0700 1 由 BOP 操作面板控制变频 器进行起动及停控 P1000 1 由 BOP 操作面板时行运行 频率设定。 P1300 3 可编程特性 P1310 150 补偿值 P1320 10 P1321 62.8 P1322 14 P1323 76.8 P1324 15 P1325 80.7
六、PLC 程序设计
程序说明：
①正反转输出：当输入 X0 信号时，启动正转，由于采用了自锁，所以当 X0 停 止输入，正转仍然继续，此时 X1 与 X0 互锁，也即是正转和反转互锁。
②利用模拟量输出控制电机转速：在调速部分我设置了三个按钮，分别是 SB4， SB5，SB6 相对应 X4,X5,X6,当速度档开关打开，例如打开 SB4,程序便会将低速速 度 K300 传给 D0 寄存器，通过计算之后，将得到的数字量输出。
图4
图5
由图 4 可以看出， 下方是没电压提升的曲线， 上方是提升后的， 其效果比较明显， 转速补偿曲线满足要求，而图 5 也是在 0HZ 时电压为 22v，跟理论相符。
九、PLC 调速功能测试
在前面经过频率补偿之后， 进行 PLC 调速功能的测试： 首先把变频器的参数 P0700 设为 2（端子排），P1000 设为 2（模拟给定值），P0756 设为 0（单极电压输入） ，
10 2.31
f=50HZ 80 9.94
60 10.11
50 10.24
Байду номын сангаас
根据表五和表六画图：
图6
曲线分析：根据图 6，可知电机转轴自由停止时间跟频率是呈正比的，也即是频 率越高，停止时间越长，可以推断其是由于频率较高时，其转速较高，故而惯性 较大，所以想要停下来，时间需要更多。 误差分析：①由于是肉眼观测，人有反应时间误差。
可见，电源电压一般情况下是恒定的，所以当电压和频率同时变化并使得 U1 / f1 是一个常值，理论上来说，磁通量应该是不变的，即是 n-f 曲线应该是一条直线 且经过原点，但事实上，在 U1 比较高的时候，由于 U1 I 1 Z 1 ,感抗和阻抗相对 来说可以忽略不计，所以得出的曲线基本上是直线，但在 U1 比较低的时候，感 抗和阻抗相对此刻的 U1 较大，不能忽略，所以没补偿频率的情况下，画出的曲 线会如图 1 一般，在 15HZ 这个点处开始弯曲。 2、电压补偿
二、实验室可用设备
1、可编程序控制器三菱 PLC 一台，型号 FX2N-32MR。 2、变频器西门子 MM440 一台。 3、计算机及梯形图编辑软件 1 套 4、三菱 PLC 输出模拟量 D/A 转换模块一个，电流表、电压表、开关若干。
三、设计内容及要求
1、假设某一控制系统，由一台 PLC 控制 1 台变频器带动异步电机进行变频 调速运行。 2、能实现电机的正、反转及调速控制（调速过程保持负载转矩恒定，具体转 矩值可以根据实验室设备现场确定），最少能实现高速（1300 转）、中速（700 转）及低速（300 转）等速度的自动控制。 3、完成 PLC 输入输出点的分配。 4、完成电气原理图的设计及主要电气元件的参数选择。 5、*完成触模屏人机界面设计，完成人机界面程序的仿真。 6、完成 PLC 程序设计，完成 PLC 程序的仿真。 7、完成设计内容的仿真或实验验证，完成设计报告。 9、*内容为选做
图2
V-f 图
（2）根据表二得出理论 V-f 图：
图3
由图可看出，实际的曲线跟理论的曲线有偏差但不大，根据此图可以知道 10— 15HZ 之间一些点的电压，用于后面补偿频率。 原因分析：因为三相异步电动机每相定子绕组的电压方程（相量式）为：
U 1 E1 I1 R1 j I1 X 1 E1 I 1 ( R1 jX 1 ) E1 I1 Z 1 由方程可以看出， U 1并不等于 E1 , 其中I1 Z 1是定子电流在绕组阻抗上产生的电压降。 电动机在额定运行时， I1 Z 1 U1 , 所以便忽略掉了I1 Z 1，便有了如下公式： U1 E1 4.44 f1 N1 m 所以 m 1 U1 U K 1 4.44 N1 f1 f1
实验数据： 表三 P1300=3，P1310=150，P1320=10，P1321=62.8，P1322=14，P1324=15， If2=100mA IF＝ 0.4 A
62 57 51 48 43 24
P1325=80.7 V(V)
220 200 180 160 140 120 100 80
f（Hz） 50 n （r/m in）
四、系统的电气原理图
五、元件控制符号表 元件符号 编程元件地址 输入 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 X000 X001 X002 X004 X005 X006 输出 Y000 Y001 电机正转 电机反转 电机停止 低速（300r/min） 中速（700r/min） 高速（1300r/min） 注释
P1000
1
器进行起动及停控 由 BOP 操作面板时行运行 频率设定。
实验数据： 表一 V(V) f（Hz） n （r/min） T2（N·m） 表二
f(Hz) I1(A) R(Ω) U2( V) EN/f N 50 0.41 49.7 3 219. 89 3.99 45 0.41 49.7 3 199. 94 40 0.41 49.7 3 179. 99 35 0.41 49.7 3 160. 04 30 0.41 49.7 3 140. 09 3.99 25 0.41 49.7 3 120. 14 3.99 20 0.41 49.7 3 100. 19 18 0.41 49.7 3 92.2 1 16 0.41 49.7 3 84.2 3 3.99 15 0.42 49.7 3 80.7 4 3.99 14 0.42 49.7 3 76.7 5 12 0.44 49.7 3 69.7 6 10 0.46 49.7 3 62.7 8 3.99
P0971 设为 1。 表四 开关 理论转速（r/min） 正 转 反 转 实际转速（r/min） 正 转 反 转 误差（%） 正 转 反 转 S4 300 300 295.5 296.1 1.5 1.3 If2=100mA S5 700 700 698.2 698.4 0.3 0.2 1300 1300 1299 1299 0.1 0.1 IF＝ 0.4 A S6
十二、个人感想和分工
在这次项目中，我和熊捷师兄，吴顺友一起合作完成了这个项目。整个项 目的过程中，我们三个都参与进来了，大家一起讨论分析，从选择 PLC 的类型和 电路的设计，以及程序的编写到频率补偿的实验，制动特性的实验。只不过每个 人有不同的侧重点，我主要负责是程序编写，电路设计以及变频器设置和操作等 等。 整个项目进行下来，学到了许多 PLC 系统控制的知识，事实证明：纸上得 来终觉浅， 绝知此事要躬行。 真正做项目的时候， 会有各式各样的问题涌现出来， 要把课堂上学习到的知识和脑子里的想法转化为实际应用时，我发现，有许多我 之前并未注意到的细节， 例如元件间的关系， PLC 如何输出模拟量以及如何用 PLC 来控制变频器的频率输出，经过查阅了大量的资料，解决了部分问题，解决不了 的询问陈少波老师和熊捷师兄， 老师和师兄都很热情地为我一一解答， 受益匪浅。 通过这个项目， 在很短的时间内掌握了多款软件的使用，以及基本的 PLC 控制系 统知识，收获很大，不过比较遗憾的是，我的方案有许多不足的地方，而我们没 有时间去改善它， 例如我没有接入人机界面，还有转速还有误差没有进行一个微
45
40
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142 127 113 983 836 689 544 400 262 211 15 8 9 1 .3 .4 .3 .2 .6 .7 .5 9.1
T （N· m） 2
0.612
实验数据分析：（1）根据表一和表三作出 n-f 图和 V-f 图：
③由于我是采用模拟量输出，所以根据这个思路，也进行了转速到数字量的转 换，所以我的方法并不是固有频率的方法，可以稍作修改便可以接入人机界面， 从而使得用户体验更强，由于我的电脑没有安装人机界面，所以没有设计人机 界面。 ④由于程序设计是基于电机空载情况下进行的，所以需要进行电压提升补偿来 校正。
七、PLC 程序软件仿真
误差分析：
根据表四分析，可知在中高速部分实际转速和理论转速基本吻合，误差较小， 而在低速时，误差比较大。 ①计算误差：在 PLC 运算部分没有用浮点数运算，导致运算有误差。 ②测量误差：测量时负载电流没有严格保证为 0.4A，且测速时读数产生了误差。 ③环境影响：环境温度的变化影响了电机。 ④补偿误差：由于补偿值得计算异常复杂，所以只能大概估算出一个数，所以 必定会产生误差。
图7
解决：根据这个曲线我选择了一个补偿值 2、PLC 运算模块：发现乘法所得的结果传给除法运算时，数据变得不同。解决： 用 32 位四则运算。 3、变频器的设置和操作过程：一开始不熟悉变频器的设置和操作过程，所以浪 费了很多时间，出现了很多错误。解决：通过查阅手册，询问老师师兄，这个问 题很快就被解决。
仿真结果符合要求。
2、调速模块仿真：
仿真结果符合要求。
八、变频器电压提升补偿
电压提升实验电路图
1、电压不补偿： 变频器参数设定：设定负载电流为 IF=0.4A，保证励磁电流为 100mA。 参数 设定值 说明 P0700 1 由 BOP 操作面板控制变频
P1300=0 220 50 1428 198 45 1277 176 40 1127
If2=100mA 153 35 975. 3 131 30 824. 2 0.612
IF＝ 110 25 671. 1
0.4 88 20 518. 8
A 65 15 358. 7 44 10 172. 2 5 无法 保持 恒转 矩
图 7 制动电流跟停转时间关系图
曲线分析：根据图 7，可知制动电流越大，电机的停转时间会越小。从原理上分 析，可知制动电流其实是给绕组加一个反向电流，使其产生一个与现在运动相反 的转矩，从而抵消掉原来的转矩运动。 误差分析：①由于是肉眼观测，人有反应时间误差。
十一、实验过程所遇到的问题及解决
1、在实验中，发现变频器电压提升曲线的斜率并不是不变的，如图是它的关系 图：
汕头大学工学院
控制系统 三级项目报告
项目名称：控制系统课程设计 项目题目：基于 PLC 的变频调速系统设计 指导老师：范颖辉、陈少波 系别：机电系 学号：2013124019 合作者：吴顺友 完成时间：2015 年 12 月 23 日 专业：13 机电 姓名：黄辉龙
成绩：
评阅人：
一、设计目的
1、掌握 PLC 的应用设计过程 2、掌握常用变频器的应用过程 3、初步掌握电气原理图的设计过程 4、*初步了解人机界面的开发过程 5、完成 PLC 程序的设计过程 6、完成变频器主要参数的设置
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注：I1 是定子绕组电流，R 是定子绕组电阻，U2 根据 I1 和 R1 计算得到。 实验数据分析：（1）根据表一作出实际 n-f 图和 V-f 图：
图1
由图可以明显看出，当在频率在 15HZ 的时候，曲线明显开始偏离趋势线，可以 看出这个点就是需要的频率补偿点。
十、三相异步电机变频器直流制动的制动特性
（1）电机自由停转时间： 表五 频率 50 40 停转时间 t 10.06 7.88 （s） （2）制动电流与停转时间的关系： 表六 制 动 电 流 100 90 （%） 停转时间 t 9.82 9.87 （s） 制动电流=100% 30 20 5.93 3.97
112.95 79.54 （千分之） ，在估算的结果上加上一 1420 150 100% 22V 。 个经验值， 确定补偿 150 （千分之） ， 计算其补偿的电压值应为 220
根据未补偿曲线估算补偿值：
变频器参数设定：设定负载电流为 IF=0.4A，保证励磁电流为 100mA。 参数 设定值 说明 P0700 1 由 BOP 操作面板控制变频 器进行起动及停控 P1000 1 由 BOP 操作面板时行运行 频率设定。 P1300 3 可编程特性 P1310 150 补偿值 P1320 10 P1321 62.8 P1322 14 P1323 76.8 P1324 15 P1325 80.7
六、PLC 程序设计
程序说明：
①正反转输出：当输入 X0 信号时，启动正转，由于采用了自锁，所以当 X0 停 止输入，正转仍然继续，此时 X1 与 X0 互锁，也即是正转和反转互锁。
②利用模拟量输出控制电机转速：在调速部分我设置了三个按钮，分别是 SB4， SB5，SB6 相对应 X4,X5,X6,当速度档开关打开，例如打开 SB4,程序便会将低速速 度 K300 传给 D0 寄存器，通过计算之后，将得到的数字量输出。
图4
图5
由图 4 可以看出， 下方是没电压提升的曲线， 上方是提升后的， 其效果比较明显， 转速补偿曲线满足要求，而图 5 也是在 0HZ 时电压为 22v，跟理论相符。
九、PLC 调速功能测试
在前面经过频率补偿之后， 进行 PLC 调速功能的测试： 首先把变频器的参数 P0700 设为 2（端子排），P1000 设为 2（模拟给定值），P0756 设为 0（单极电压输入） ，
10 2.31
f=50HZ 80 9.94
60 10.11
50 10.24
Байду номын сангаас
根据表五和表六画图：
图6
曲线分析：根据图 6，可知电机转轴自由停止时间跟频率是呈正比的，也即是频 率越高，停止时间越长，可以推断其是由于频率较高时，其转速较高，故而惯性 较大，所以想要停下来，时间需要更多。 误差分析：①由于是肉眼观测，人有反应时间误差。
可见，电源电压一般情况下是恒定的，所以当电压和频率同时变化并使得 U1 / f1 是一个常值，理论上来说，磁通量应该是不变的，即是 n-f 曲线应该是一条直线 且经过原点，但事实上，在 U1 比较高的时候，由于 U1 I 1 Z 1 ,感抗和阻抗相对 来说可以忽略不计，所以得出的曲线基本上是直线，但在 U1 比较低的时候，感 抗和阻抗相对此刻的 U1 较大，不能忽略，所以没补偿频率的情况下，画出的曲 线会如图 1 一般，在 15HZ 这个点处开始弯曲。 2、电压补偿
二、实验室可用设备
1、可编程序控制器三菱 PLC 一台，型号 FX2N-32MR。 2、变频器西门子 MM440 一台。 3、计算机及梯形图编辑软件 1 套 4、三菱 PLC 输出模拟量 D/A 转换模块一个，电流表、电压表、开关若干。
三、设计内容及要求
1、假设某一控制系统，由一台 PLC 控制 1 台变频器带动异步电机进行变频 调速运行。 2、能实现电机的正、反转及调速控制（调速过程保持负载转矩恒定，具体转 矩值可以根据实验室设备现场确定），最少能实现高速（1300 转）、中速（700 转）及低速（300 转）等速度的自动控制。 3、完成 PLC 输入输出点的分配。 4、完成电气原理图的设计及主要电气元件的参数选择。 5、*完成触模屏人机界面设计，完成人机界面程序的仿真。 6、完成 PLC 程序设计，完成 PLC 程序的仿真。 7、完成设计内容的仿真或实验验证，完成设计报告。 9、*内容为选做
图2
V-f 图
（2）根据表二得出理论 V-f 图：
图3
由图可看出，实际的曲线跟理论的曲线有偏差但不大，根据此图可以知道 10— 15HZ 之间一些点的电压，用于后面补偿频率。 原因分析：因为三相异步电动机每相定子绕组的电压方程（相量式）为：
U 1 E1 I1 R1 j I1 X 1 E1 I 1 ( R1 jX 1 ) E1 I1 Z 1 由方程可以看出， U 1并不等于 E1 , 其中I1 Z 1是定子电流在绕组阻抗上产生的电压降。 电动机在额定运行时， I1 Z 1 U1 , 所以便忽略掉了I1 Z 1，便有了如下公式： U1 E1 4.44 f1 N1 m 所以 m 1 U1 U K 1 4.44 N1 f1 f1
实验数据： 表三 P1300=3，P1310=150，P1320=10，P1321=62.8，P1322=14，P1324=15， If2=100mA IF＝ 0.4 A
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P1325=80.7 V(V)
220 200 180 160 140 120 100 80
f（Hz） 50 n （r/m in）
四、系统的电气原理图
五、元件控制符号表 元件符号 编程元件地址 输入 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 X000 X001 X002 X004 X005 X006 输出 Y000 Y001 电机正转 电机反转 电机停止 低速（300r/min） 中速（700r/min） 高速（1300r/min） 注释
P1000
1
器进行起动及停控 由 BOP 操作面板时行运行 频率设定。
实验数据： 表一 V(V) f（Hz） n （r/min） T2（N·m） 表二
f(Hz) I1(A) R(Ω) U2( V) EN/f N 50 0.41 49.7 3 219. 89 3.99 45 0.41 49.7 3 199. 94 40 0.41 49.7 3 179. 99 35 0.41 49.7 3 160. 04 30 0.41 49.7 3 140. 09 3.99 25 0.41 49.7 3 120. 14 3.99 20 0.41 49.7 3 100. 19 18 0.41 49.7 3 92.2 1 16 0.41 49.7 3 84.2 3 3.99 15 0.42 49.7 3 80.7 4 3.99 14 0.42 49.7 3 76.7 5 12 0.44 49.7 3 69.7 6 10 0.46 49.7 3 62.7 8 3.99
P0971 设为 1。 表四 开关 理论转速（r/min） 正 转 反 转 实际转速（r/min） 正 转 反 转 误差（%） 正 转 反 转 S4 300 300 295.5 296.1 1.5 1.3 If2=100mA S5 700 700 698.2 698.4 0.3 0.2 1300 1300 1299 1299 0.1 0.1 IF＝ 0.4 A S6
十二、个人感想和分工
在这次项目中，我和熊捷师兄，吴顺友一起合作完成了这个项目。整个项 目的过程中，我们三个都参与进来了，大家一起讨论分析，从选择 PLC 的类型和 电路的设计，以及程序的编写到频率补偿的实验，制动特性的实验。只不过每个 人有不同的侧重点，我主要负责是程序编写，电路设计以及变频器设置和操作等 等。 整个项目进行下来，学到了许多 PLC 系统控制的知识，事实证明：纸上得 来终觉浅， 绝知此事要躬行。 真正做项目的时候， 会有各式各样的问题涌现出来， 要把课堂上学习到的知识和脑子里的想法转化为实际应用时，我发现，有许多我 之前并未注意到的细节， 例如元件间的关系， PLC 如何输出模拟量以及如何用 PLC 来控制变频器的频率输出，经过查阅了大量的资料，解决了部分问题，解决不了 的询问陈少波老师和熊捷师兄， 老师和师兄都很热情地为我一一解答， 受益匪浅。 通过这个项目， 在很短的时间内掌握了多款软件的使用，以及基本的 PLC 控制系 统知识，收获很大，不过比较遗憾的是，我的方案有许多不足的地方，而我们没 有时间去改善它， 例如我没有接入人机界面，还有转速还有误差没有进行一个微
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实验数据分析：（1）根据表一和表三作出 n-f 图和 V-f 图：
③由于我是采用模拟量输出，所以根据这个思路，也进行了转速到数字量的转 换，所以我的方法并不是固有频率的方法，可以稍作修改便可以接入人机界面， 从而使得用户体验更强，由于我的电脑没有安装人机界面，所以没有设计人机 界面。 ④由于程序设计是基于电机空载情况下进行的，所以需要进行电压提升补偿来 校正。
七、PLC 程序软件仿真
误差分析：
根据表四分析，可知在中高速部分实际转速和理论转速基本吻合，误差较小， 而在低速时，误差比较大。 ①计算误差：在 PLC 运算部分没有用浮点数运算，导致运算有误差。 ②测量误差：测量时负载电流没有严格保证为 0.4A，且测速时读数产生了误差。 ③环境影响：环境温度的变化影响了电机。 ④补偿误差：由于补偿值得计算异常复杂，所以只能大概估算出一个数，所以 必定会产生误差。
图7
解决：根据这个曲线我选择了一个补偿值 2、PLC 运算模块：发现乘法所得的结果传给除法运算时，数据变得不同。解决： 用 32 位四则运算。 3、变频器的设置和操作过程：一开始不熟悉变频器的设置和操作过程，所以浪 费了很多时间，出现了很多错误。解决：通过查阅手册，询问老师师兄，这个问 题很快就被解决。