基于PLC的变频调速系统设计 (1)

目录第1章绪论 (1)1.1 PLC（可编程序控制器）概述 (1)1.2 PLC特点 (1)第2章 VFO变频器介绍 (3)2.1 松下变频器VF0系列简介 (3)2.2 设定变频器模式 (3)2.3 变频器的控制方式 (4)2.3.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 (4)2.3.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式 (4)2.3.3 矢量控制（VC）方式 (4)2.3.4 直接转矩控制（DTC）方式 (5)2.3.5 矩阵式交—交控制方式 (5)2.4 欧姆龙CP1H的特点及功能简介 (5)2.4.1 欧姆龙CP1H功能简介 (5)2.4.2 欧姆龙功能简介 (6)2.5 变频器接线 (7)2.5.1 主回路接线 (7)2.5.2 控制回路接线 (7)2.5.3 接线注意事项 (8)第3章电机介绍 (9)3.1 电机的规格指标参数 (9)3.2 电动机的工作原理 (9)3.3 电动机的接线 (10)3.4 PLC、变频器、电机三者的运行关系 (10)第4章 PLC变频调速系统的设计与调试 (11)4.1 系统设计程序 (11)4.2 接线图 (12)4.3 程序调试 (12)第5章课程总结 (14)参考文献 (15)第1章绪论1.1 PLC（可编程序控制器）概述PLC（可编程控制器）应用广泛，其CPU功能较强，可靠性高，但在输入输出I/O方面,PLC存在价格过高，扩展模块不隔离，输入信号还要进行编程运算来完成采集，品牌繁多，互不兼容，用户使用起来不方便等缺点。

其在工业现场因其编程方便，抗干扰能力强，获得了广泛的应用。

但受到内部硬件电路的限制，在运算速度、数据处理能力等方面和PC机相比，要逊色很多。

因此在工业现场对复杂模型进行控制时，可以借助上位机PC来建立生产模型，通过构建 SCC监督式控制系统，让下位机PC为一DCC直接数字控制系统，实现复杂系统的控制。

另外，还可通过上位机PC和下位机PC组建监控系统，达到对工业现场实时监控的目的。

其中关键技术为PC机和PC之间的通讯。

本文首先介绍PC机与PLC的通讯种类和机制，然后就采用高级语言VB和组态软件MCGS，对完成以上二者通讯。

PC机和PLC有两种通讯方式，一种是PC机作主动者，即主局，PLC为从动者，即子局。

另一种是PLC为主局，而PC机为子局。

无论工作在哪种方式，数据一般都采用串行方式来传输，即可通过RS232、RE422或RS485电缆线来进行信息传递。

在进行通讯时，首先将PC机和PLC传递信息的波特率设置一致。

另外还要对奇偶校验位、传输数据位数和停止位进行设置。

在PC机和PLC进行通讯时，要使用命令帧和响应帧的形式来进行信息传递。

每次通信送出的一组数据称作“帧”。

帧可以从持有发送权的一方传出。

每送出一帧，上位机或PLC就将发送权交给另一方。

当接收方收到终端（命令或响应的终字符）或分界符（分割帧的字符）信息后，就将发送权转到另一方。

1.2 PLC特点PLC是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。

1. 可靠性高，抗干扰能力强为了限制故障的发生或者在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。

2. 通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。

用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。

因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。

3. 功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。

既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。

4. 编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。

既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。

与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。

5. 减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。

同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。

并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

6. 体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。

并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

第2章 VFO变频器介绍2.1 松下变频器VF0系列简介小巧，操作简单，可由PLC直接调节频率松下变频器VFO系列特点：1.小巧：为了满足各类机器小型化的需要，实现了同类产品中最小型化；2.操作简单：采用了新设计的调频电位器，使调频操作简单轻松；而且用操作盘就可容易地操作正转/反转；3.可由PLC直接调节频率：可直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率；同时可与PLC(FP0等)配套使用，无需模拟I/O单元；4.功能齐全的小型产品：8段速控制制动功能；再试功能；根据外部SW调整频率增减和记忆功能；再生制动功能的充实；400V系列型:内置制动电路；200V 系列型:内置0.4-1.5kW电阻；0.2kW电路没有制动电阻；0.4kW是外部设置的同包装电阻。

2.2 设定变频器模式在模式设置中通过改变P08和P09改变控制方式为面板控制和面板外控。

当设置为面板控制设置fr控制其输出频率，设置dr控制其旋转方向。

当设置为面板外控时，输出频率和旋转方向有外界信号控制。

在这次实验中将P08的值改为4，则端子5控制运行和停止，端子6控制旋转方向。

将P09的值改为3，端子2、3接受0~5v电压信号控制输出频率。

1.将P08的值改为4把运行指令设为面板外控，操作板有复位功能，接线如图2.1。

图2.12.将P09的值设为把频率设定信号改为外控，设定信号为0~5v电压信号，改变电压大小改变其输出频率大小。

接线端子为NO.2、3（2：+，3：—）。

2.3 变频器的控制方式低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。

其控制方式经历了以下四代。

2.3.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

2.3.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。

经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。

但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

2.3.3 矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

2.3.4 直接转矩控制（DTC）方式直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。

它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

2.3.5 矩阵式交—交控制方式由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。

它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。

该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。

具体方法是：——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；——实现控制按磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

2.4 欧姆龙CP1H的特点及功能简介2.4.1 欧姆龙CP1H功能简介欧姆龙 CP1H小型高功能PLC ，有如下特点：1.基本性能处理速度：基本指令0.1μs；特殊指令0.3μs；I/O容量：最多7个扩展单元，开关量最大320点，模拟量最大37路程序容量：20K步；数据容量：32K字；机型类别：本体40点，24点输入，16点输出，继电器输出或晶体管输出可选；2.特殊功能4轴脉冲输出：100kHz×2和30 kHz×2（X型和XA型），最大1MHz（Y型）；4轴高速计数：单向100kHz或相位差50 kHz×4（X型和XA型），最大1MHz（Y 型）；内置模拟量： 4输入，2输出（XA型）；3.通信功能通信接口：最大2个串行通信口（RS-232A或RS-422/485任选）；本体附带一个USB编程端口；通信功能：上位链接、无协议通信、NT链接（1:N）、串行网关功能、串行PLC 链接功能、 Modbus-RTU简易主站；4.其他功能 4-1模拟量输入手动设定；2位7段码发光二极管显示故障信息；支持欧姆龙中型机CJ1系列高功能模块（最大2块）；支持FB/ST编程，可以利用欧姆龙的Smart FB库，与CJ1/CS1系列程序统一，可以互换。