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2.1

2.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Band Band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。

2.4.2 欧姆龙功能简介

1.中断功能

CP1H的CPU单元，通常周期性重复（公共处理→运算处理→扫描处理→I/O 刷新→外设端口服务）的处理，运算处理中执行周期执行任务。与此不同，根据特定要求的发生，可以在该周期的中途中断，使其执行特定的程序。中断功能种类如下：（1）输入中断（直接模式）（2）输入中断（计时器模式）（3）定时中（4）高速计数器中断（5）外部中断

2.模拟输入/输出功能

XA型的CP1HCPU单元内置模拟输入4点及模拟输出2点。分辨率分为1/6000或1/12000两种。输入／输出分别刻选择：0～5V、1～5V、0～10V、－10V～10V、0～20ｍA、4～20ｍA等5种方式。

3.串行通信功能

CP1H CPU单元支持串行通信功能有串行网关、串行PLC链接、NT链接1：N、上位链接、工具总线等。

2.5 变频器接线

2.5.1 主回路接线

图2.2 变频器电源接线

2.5.2 控制回路接线

PLC模拟量信号输出端接入变频器2，3端子。控制其输出频率。

PLC输出地址100.00接端子5，对应的地址COM接端子3。控制其运行与停止。

PLC输出地址100.01接端子6，对应的地址COM接端子3。控制其旋转方向。

图2.3 变频器控制端接线

2.5.3 接线注意事项

1.将电源连接到输入电子（L,N）上，电动机连接到输出端子（U,V,W）上。

2.电源和电动机的端子请使用带套筒的圆形压紧式端子。

3．主电路接线后，一定要确认连接的是否牢固，否则一旦控制电路接线后会因电线的进出受到限制而不能重新拧紧主电路。

4.以最短方式连接到大容量电源变压器时（500KVA以上），在变频器的输入端一定要设置改善功率因数的扼流圈（可选件）。

5.为了适应CE标记的要求，变频器的电源输入端必须设置过电流、短路以及漏电的保护设备。

第3章电机介绍

3.1 电机的规格指标参数

变频器在使用过程中带动的是电机，所以，变频器的选型可以从电机的角度来选择型号、规格。那首先，我们就必须先了解电机的各项规格指标参数。

每台电机都有它自己出厂的铭牌，从铭牌上，我们不难找到电机的各项参数。这些参数中，我们需要了解的主要参数有：电机的额定电压、额定电流、额定频率、额定转速等。

电机的额定电压：电机的额定电压一般有110V、220V、380V、690V、1140V、6kV等。

电机的额定电流：电机的额定电流根据电机的功率不同而不同。选择变频器时，变频器的额定电流应大于或等于电机的额定电流，特殊情况应将变频器功率档次放大一档。

电机的额定频率：普通电机的额定频率一般是50～60Hz，高速电机有1000～3000Hz等。CH_100系列可满足0～600Hz电机的需要，如需更高频率，请选用CH_150系列变频器。

电机的额定转速：电机有分为2极、4极、6极、8极等，极数越高，转速越低，同功率电流也越大。我们一般用的电机的额定转速是1500 rpm对应4极电机。变频器也是根据4极电机来设计的。2极对应3000 rpm、6极对应960 rpm、8极对应720 rpm左右。

3.2 电动机的工作原理

当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。

感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。三组绕组问彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中的一相供电。

电动机使用了电流的磁效应原理，发现这一原理的的是丹麦物理学家奥斯特。

3.3 电动机的接线

在接线完成后。通如电源，若发现未控制电机反转，而旋转方向反转，则断开电源可以通过任意对调电动机的两根相线来改变其旋转方向。

图3.1 电机旋转方向

3.4 PLC、变频器、电机三者的运行关系

用PLC编写程序。将程序输出信号取出，接到变频器外控端子，控制变频器的输出信号。变频器接到控制信号后控制电机的运行、停止、反转、正转以及电机的转速。

第4章 PLC变频调速系统的设计与调试4.1 系统设计程序

程序如下：

LD 0.00

OR W200.00

ANDNOT W200.01

OUT W200.00

LD W200.00

ANDNOT C0000

ANDNOT W200.02

TIM 0000

#10

@LD T0000

OUT W200.02

+(400) #100

210

210

@LD T0000

LD 0.01

@OR 0.02

@OR 0.03

OUT TR0

CNT 0000

#20

LD TR0

MOV(021) #0

210

@LD 0.02

ANDNOT 100.00

@LDNOT 0.02

AND 100.00

ORLD

ANDNOT W200.01

OUT 100.00

@LD 0.03

ANDNOT 100.01

@LDNOT 0.03

AND 100.01

ORLD

ANDNOT W200.01

OUT 100.01

LD 0.01

OUT W200.01

MOV(021) #0 210

4.2 接线图

图4.1 总电路的接线图

4.3 程序调试

1.把程序编好了，在“PLC“选项里选择“传送”，然后在选择“到PLC”这个功能，其中“设置“中选择内建”AD/DA“如图4.1所示，范围选择0~5V。

图4.1

2.按下变频器RUN变频器开始工作。

3.按下0.00，PLC程序开始工作，频率开始由0Hz开始变化，每隔一秒加速一次，加速二十次后频率为44Hz停止加速。

4.按下0.02，Q100.00得电，给变频器5端输入高电频，变频器给电机输入电源。

5.按下0.03，Q100.01得电，给变频器6端输入高电频，变频器给控制电机反转。

6.再按下0.03，Q100.01失电，给变频器6端输入低电频，变频器给控制电机正转。

7.再按下0.02，Q100.00失电，给变频器5端输入低电频，变频器停止给电机输入电源。

8.按下0.01，PLC程序复位。

第5章课程总结

在本次课程设计的实践环节中，我更深刻地理解和掌握了电器控制及可编程控制器(PLC)的理论知识和动手技能。参阅了大量的电器控制及可编程控制器(PLC)系统设计的书籍资料，查询了大量的图表、程序和数据，使得课程设计的方案和数据更为翔实和准确，在这次实验中用到了PLC，变频器，电动机。通过查找资料，和实际操作，将PLC，变频器和电动机按需要连接完成一个可控可调的开环电路。

在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。

参考文献

1．李建兴主编．可编程序控制器及其应用．北京：机械工业出版社，1999

2. 邱公伟主编．可编程控制器网络通信及应用．北京：清华大学出版社，2000

3.邹益仁等编著．现场总线控制系统的设计和开发．北京：国防工业出版社，2003

4. 廖常初主编. 可编程序控制器的编程方法与工程应用，重庆：重庆大学出版社，2001

5. 陈在平等主编．可编程序控制器技术与应用系统设计．北京：机械工业出版社，2002

6. 宫淑贞等编著．可编程控制器原理及应用．北京：人民邮电出版社，2002

7. 方承远主编．电气控制原理与设计．北京：机械工业出版社，2000

8. 马小军主编．建筑电气控制技术.北京：机械工业出版社，2003

9. 欧姆龙（上海）有限公司．选型手册（可编程序控制器部分），2002