毕业论文-机电变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用

1、北京*技术学院毕业设计论文题 目 变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc14082 摘要 PAGEREF _Toc14082 2 HYPERLINK l _Toc1561 第一章 绪论 PAGEREF _Toc1561 3 HYPERLINK l _Toc28036 PAGEREF _Toc28036 3 HYPERLINK l _Toc13134 1.2可编程控制器PLC PAGEREF _Toc13134 4 HYPERLINK l _Toc26363 1.3 PLC连接变频器 PAG

2、EREF _Toc26363 4 HYPERLINK l _Toc4420 第二章 变频器 PAGEREF _Toc4420 5 HYPERLINK l _Toc1319 PAGEREF _Toc1319 5 HYPERLINK l _Toc18742 PAGEREF _Toc18742 5 HYPERLINK l _Toc30224 PAGEREF _Toc30224 5 HYPERLINK l _Toc15325 PAGEREF _Toc15325 6 HYPERLINK l _Toc7960 PAGEREF _Toc7960 7 HYPERLINK l _Toc19063 PAGEREF

3、 _Toc19063 11 HYPERLINK l _Toc12378 2.3.1 V/f控制 PAGEREF _Toc12378 11 HYPERLINK l _Toc20769 PAGEREF _Toc20769 12 HYPERLINK l _Toc6187 PAGEREF _Toc6187 13 HYPERLINK l _Toc9441 PAGEREF _Toc9441 15 HYPERLINK l _Toc32627 第三章 可编程控制器 PAGEREF _Toc32627 16 HYPERLINK l _Toc15118 3.1 PLC的组成和根本工作原理 PAGEREF _Toc

4、15118 16 HYPERLINK l _Toc32247 3.1.1 PLC的组成 PAGEREF _Toc32247 16 HYPERLINK l _Toc3327 3.1.2 PLC的根本工作原理 PAGEREF _Toc3327 21 HYPERLINK l _Toc28108 3.2 PLC的特点及分类 PAGEREF _Toc28108 23 HYPERLINK l _Toc8741 3.2.1 PLC的特点 PAGEREF _Toc8741 23 HYPERLINK l _Toc16266 第四章 变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用 PAGEREF _Toc16266 2

5、5 HYPERLINK l _Toc15354 4.1 运料小车系统的控制要求 PAGEREF _Toc15354 25 HYPERLINK l _Toc31997 4.2 PLC输入输出变量和接线图 PAGEREF _Toc31997 26 HYPERLINK l _Toc14959 PAGEREF _Toc14959 27 HYPERLINK l _Toc22108 PAGEREF _Toc22108 29 HYPERLINK l _Toc17595 4.5 PLC+变频器控制运料小车系统 PAGEREF _Toc17595 35 HYPERLINK l _Toc13913 4.5.1 变

6、频器的参数设置 PAGEREF _Toc13913 35 HYPERLINK l _Toc25022 第五章 致谢 PAGEREF _Toc25022 36 HYPERLINK l _Toc31618 第六章 参考文献 PAGEREF _Toc31618 37摘 要 本文阐述了应用西门子公司可编程控制器S7-200系列PLC及变频器实现对运料小车系统的控制。该系统充分利用了学习中讲述的可编程控制器PLC的多方面的设计知识和方法，再加上变频器两者巧妙的配合精确的实现了对运料小车系统的控制。这一控制系统的实现和应用，充分表达了PLC系统在工业现场的应用，以及根据设计和不同的需求改变，还可以使其应用

7、的范围更加广泛。由于设计者的知识范围及经验，望老师谅解，给予批评改正。关键词 可编程控制器PLC、变频器第一章 绪论 直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机包括异步电动机和同步电动机，而在需要进行调速控制的拖动系统中那么根本上采用的是直流电动机。 但是，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点： 1需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； 2由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； 3结

8、构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。 而与直流电动机相比，交流电动机那么具有以下优点： 1结构巩固，工作可靠，易于维护保养； 2不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； 3容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正令人满意的成果，也因此限制可交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不

9、采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。 经历了20世纪70年代中期的第二次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着同时期内电力电子技术的开展，作为交流调速系统中心的变频器技术也得到了显著的开展，并逐渐进入了实用阶段。 虽然开展变频驱动技术最初的目的主要是为了节能，但是随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的开展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，变频驱动技术也得到了显著开展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用，变频器的性能不断得到提高，而且应用范围也越来越广。目前变频器不但在

10、传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。 变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的根底之上，并随着这些根底技术的开展而不断得到开展。1.2可编程控制器PLC 随着科学技术的开展和生产工艺要求的不断提高，继电器控制系统存在体积大、触头多、维修困难、控制功能单一、更改困难等缺点。另外，随着市场竞争的加剧，产品周期不断缩短，生产工艺参数不断发生变化，如果采用继电器控制系统用改变接线的方法来满足工艺要求是非常困难的事情。所以在1968年美国通用汽车公司GM公开招标

11、，并从用户的角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，引起了开发热潮。 这十大条件主要要求：编程方便，可现场修改程序，维修方便，采用插件式结构，可靠性高于继电器控制装置，体积小于继电气控制盘，数据可直接送入管理计算机，本钱可与继电器控制盘竞争，扩展时原系统改变最小。1969年，美国数字设备公司研制出第一台PLC型号为PDP-14,并在GM公司汽车生产线上试用成功，取得满意的效果。 1969年第一台PLC的问世之后，PLC引起了世界各国的普遍重视，日本日立公司引进并吸收美国技术，与1971年试制成了日本第一台PLC。德国西门子在1973年研制成功了欧洲第一台PLC。我国从1974年开始研制，197

12、7年开始工业应用。PLC的开展大概可分为四代： 第一代1969-1972：1位机，磁芯存储器，只有逻辑功能。 第二代1973-1975：8位机，半导体存储器，除逻辑功能外还有运算、传送、比拟、模拟量控制等功能。 第三代1976-1983向多功能及联网通信功能开展。随着高性能微处理器8位片式CPU在PLC中大量应用，PLC的处理速度大大提高，同时，增加了浮点运算、三角函数、脉冲调制输出、自诊断功能等。 第四代1983-现在：不仅全面使用了16位、32位高性能微处理器、高性能位片式微处理器、PISC精简指令系统CPU等高级CPU，而且在一台PLC中配置多个微处理器，进行多通道处理，同时产生含微处理

13、器的智能模块，使PLC具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能。数据处理功能等。 PLC连接变频器 PLC是的输出端子接变频器的多功能端子，变频器中设置多功能端子为多道速功能，并设置相应频率。通过PLC的输入输出端子的闭合和断开的组合，使变频器在不同转速下运行。其具有响应速度快，抗干扰能力强的优点。通过PLC和变频器上的通讯接口，采用PLC编程通信控制。其具有可以无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好的优点。通过PLC加数模转换模块，将PLC数字信号转换成电压信号，输入到变频器的模拟量控制端子，控制变频器工作。其具有可以无极调速的优点。第二章 变频器 变频器的开展已有数十年的历史

14、，在变频器的开展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器根本上有着图2.1所示的根本结构。 图2.1 变频器的根本构成 而对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中有时还有一个以DSP(数字信号处理器为主的转矩计算用CPU以及相应的磁通检测和调节电路。 虽然变频器的种类很多，但内部结构也各不相同，它们的区别仅仅是控制电路和检测电路实现的不同以及控制算法的不同而已。下面我将结合图2.1简单介绍一下变频器各局部电路的根本作用。 一般的三相变频器的整流电路由三项全波整流桥组成。它的主要作用是对外部电源进行整流，并给你变电路和控制电路提

15、供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式可以是直流电压源，也可以是直流电流源。 直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电路能够得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时直流中间电路的主要元器件是大容量电感组成，此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其他辅助电路。 逆变电路是变频器最主要的局部之一。它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出加时变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极基极驱动电路、外部电路、外部接

16、口电路以及保护电路等几个局部，也是变频器的核心局部。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极基极驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。此外，控制电路还通过A/D,D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备进行各种高性能的控制。 逆变电路的根本作用是将直流电源转换为交流电源。在逆变电路中，由六个开关组成了一个三相桥式电路。交替翻开和关断这六个开关，就可以在输出端得到相位上各相差120度电气角的三相交流电源。该交流电源的频率由

17、开关频率决定，而幅值那么等于直流电源的幅值。为了改变该交流电源的相序从而到达改变异步电动机转向的目的，只要改变各个开关翻开和关断的顺序即可。因为这些开关同时又起着改变电流流向的作用，所以它们又被称为换流开关或换流器件。 当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的变频器逆变电路中还没有各种相应的辅助电路，以保证逆变电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护。 在由逆变电路所完成的将直流电源转换为交流电源的过程中，开关器件起着非常重要的作用。由于机械式开关的开关频率和使用寿命都很有限，在实际的逆变电路中采用半导体器件作为开关器件。半导体开关器

18、件的种类很多，如晶体管、晶闸管、GTO、IGBT等。而变频器本身也常常根据气逆变电路中使用的半导体开关器件的种类而被称为晶闸管变频器、晶体管变频器等。 在介绍变频器的种类时我们将遇到变频器的分类方式的问题。变频器的分类可以有很多种方式，例如可以按其主电路工作方式进行分类，可以按其开关方式进行分类，可以按其控制方式进行分类，还可以按用途进行分类。下面就根据这几种分类方法对变频器进行简要介绍。 1按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时，变频器可以分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器的特点是将直流电压源转换为交流电源，而电流型变频器的特点那么是将直流电流源转换为交流电源。 电

19、压型变频器。在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为具有所需要频率的交流电压。 在电压型变频器中，由于能量回馈给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以防止换流器件因电压过高而被破坏。 电流型变频器。在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中间电路的电抗将电流进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的作用，而电流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供应

20、电动机。在电流型变频器中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的。 对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电路的电压反向的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电源。 由于在采用电流控制方式是可以将能量回馈给电源，而且在出现负载短路等情况时也更容易处理，电流型控制方式更适合于大容量变频器。 2按照开关方式分类。当谈到变频器的开关方式是通常讲的都是变频器逆变电路的开关方式。而在按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类时，那么变频器可以分为PAM控制方式，PWM控制方式和高载频PWM控制方式三种。 PAM控制方式。PAM控制是Pulse A

21、mplitude Modulation脉冲振幅调制的简称，是一种在整流电路局部对输出电压(电流的幅值进行控制，而在逆变电路局部对输出频率进行控制的控制方式。因为在PAM控制的变频器中逆变电路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调速方式。 由于逆变电路换流器件的开关频率较低，在使用PAM控制方式的变频器进行调速驱动时具有电动机运转噪声小，效率高等特点。但是，由于种种控制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比拟复杂。此外，这种控制方式也还具有当电动机进行低速运转时波动较大的缺点。 PWM控制方式。PWM控制是 Pulse Width Modulation(脉冲宽度

22、调制控制的简称，是在逆变电路局部同时对输出电压电流的幅值和频率进行控制的控制方式。在这种控制中，并通过改变输出脉冲的宽度来到达控制电压电流的目的。 为了使异步电动机在进行调速运转时能够更加平滑，目前在变频器中多采取正弦波PWM控制方式。所谓正弦波PWM控制方式指的是通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。这种控制方式也称为SPWM控制。 采用PWM控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种不良影响，转矩波动小，而且控制电路简单，本钱低等特点，是目前在变频器中采用最多的一种逆变电路控制方式。但是，该方式也具有当载波频率不适宜时会产生较大的电动机运转噪声的缺点。为了克服这

23、个缺点，在采用PWM控制方式的新型变频器中都具有一哥可以改变变频器载波频率的功能，以便使用户可以根据实际需要改变变频器的载波频率，从而到达降低电动机运转噪声的目的。 高载频PWM控制方式。这种控制方式原理上实际是对PWM控制方式的改良，是为了降低电动机运转噪声而采用的一种控制方式。在这种控制方式中，载频被提高到人耳可以听到的频率以上，从而到达降低电动机噪声的目的。这种控制方式主要用于低噪声型的变频器，也将是今后变频器的开展方向。由于这种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求，所以用换流器件只能使用具有较高开关速度的IGBT或MOSFET等半导体元器件，目前在大容量变频器中的利用仍然受到一定限

24、制。但是，随着电力电子技术的反展，具有较高开关速度的环流元器件的容量将越来越大，所以预计采用这种控制方式的变频器也将越来越多。 PWM控制和高载频PWM控制都属于异步调速方式，即变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率。 3按照工作原理分类。当按照工作原理对变频器进行分类时，按变频器技术的开展过程可以分为V/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式三种。 V/f控制变频器。V/f控制是一种比拟简单的控制方式。它的根本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过使V/f电压和频率的比的值保持一定而得到所需的转矩特型。采用V/f控制方式的变频器控制电路本钱较低，多用于对精度要求不太高

25、的通用变频器。 转差频率控制变频器。转差频率控制方式是对V/f控制的一种改良。在采用这种控制方式的变频器中，电动机的实际速度由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率那么由电动机的实际转速与所需转差频率的和被自动设定，从而到达在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。 转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和V/f控制相比，在负载发生较大变化时仍能到达较高的速度精度和具有较好的转矩特性。但是，由于采用这种控制方式时需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较

26、差。 矢量控制变频器。矢量控制是20世纪70年代由西德Blaschke等人首先提出来的对交流电动机的一种新的控制思想和控制技术，也是交流电动机的一种理想的调速方法。矢量控制的根本思想是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量励磁电流和与其相垂直的产生转矩的电流分量转矩电流并分别加以控制。由于在这种控制方式中必须同时控制异步电动机定子电流的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式称为矢量控制方式。 矢量控制方式使对异步电动机进行高性能的控制成为可能采用矢量控制方式的交流调速系统不仅在调速范围上可以与直流电动机相匹敌，而且可以直接控制异步电动机产生的转矩。所以已经在许多需要进行精密控制的领

27、域得到了应用。 由于在进行矢量控制时需要准确地掌握对象电动机的有关参数，这种控制方式过去主要用于厂家指定的变频器专用电动机的控制。但是，随着变频器调速理论和技术的开展以及现代控制理论在变频器中的成功应用，目前在新型矢量控制变频器中已经增加了自调整功能。带有这种功能的变频器在驱动异步电动机进行运转之前可以自动地对电动机的参数进行辨识并根据辨识的结果调整控制算法中的有关参数，从而使得对普通的异步电动机进行有效的矢量控制也称为可能。按照用途分类。在上面介绍的变频器分类方式中我们是按照变频器的工作原理对其进行分类的，但是，对于一个变频器的用户来说，他关心更多的也可能是变频器的用途而不是其工作原理。下面

28、，介绍一下按照用途对变频器进行分类是变频器的种类。 当按照用途对变频器进行分类时，变频器可以分为以下几种类型。 通用变频器。顾名思义，通用变频器的特点是其通用性。这里通用性指的是通用变频器可以对普通的异步电动机进行调速控制。 随着变频器技术的开展和市场需要的不断扩大，通用变频器也在朝着两个方向开展：低本钱的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器。这两类变频器分类变频器分别具有以下特点： 简易型通用变频器是一种以节能为主要目的而削减了一些系统功能的通用变频器。它主要应用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统的调速性能要求不高的场所，并具有体积小，价格低等方面的优势。 高性能多功能通用变频器在设计过程

29、中充分考虑了在变频器应用中可能出现的各种需要，并为满足这些需要在系统软件和硬件方面都做了相应的准备。在使用时，用户可以根据负载特性选择算法并对变频器的各种参数进行设定，也可以根据系统的需要选择厂家所提供的各种选件来满足系统的特殊需要。高性能多功能变频器除了可以应用于简易型变频器的所有领域之外，还广泛应用于传送带、升降装置以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有比拟高要求的许多场合。 过去，通用型变频器根本上采用的是电路结构比拟简单的V/f控制方式，与采用了转矩矢量控制方式的高性能变频器相比，在转矩控制性能方面要差一点。但是，随着变频器技术的开展和变频器参数自调整的实用化，目前一些厂家已

30、经推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用变频器，以适应竞争日趋剧烈的变频器市场的需要。这种高性能多功能通用变频器在性能上已经接近过去的高性能矢量控制变频器，但在价格方面却与过去采用V/f控制方式的通用变频器根本持平。因此，可以相信，随着电力电子技术和计算机技术的开展，今后变频器的性能价格比将会不断提高。 高性能专用变频器。随着控制理论，交流调速理论和电力电子技术的开展，异步电动机的矢量控制方式得到了充分地重视和开展，采用矢量控制方式控制高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上已经大到达和超过了直流伺服系统。此外，由于异步电动机还具有对环境适应性强、维护简单等许多直流伺服电动机对

31、不具备的优点，在许多需要进行高速高精度的应用中这种高性能交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。 与通用变频器相比，高性能专用变频器根本上采用了矢量控制方式，而驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机，并且主要应用于对电动机的控制性能要求较高的系统。此外，高性能专用变频器往往是为了满足某些特定产业或区域的需要，使变频器在该区域中具有最好的性能价格比而设计生产的。例如，在机床主轴驱动专用的高性能变频器中，为了便于和数控装置配合完成各种工作，变频器的主电路、回馈制动电路和各种接口电路等被做成一体，从而到达了缩小体积和降低本钱的要求。而在纤维机械驱动方面，为了便于大系统的维修保养，变频器那么采用了可以

32、简单地进行拆装的盒式结构。 高频变频器。在超精密加工和高性能机械区域中常常要用到高速电动机。为了满足这些高速电动机驱动的需要，出现了采用PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器。这类变频器的输出频率可以到达3kHz,所以在驱动两级异步电动机时电动机的最高转速可以到达180000r/min。 单相变频器和三相变频器。交流电动机可以分为单相交流电动机和三相交流电动机两种类型，与此相对应，变频器也分为单相变频器和三相变频器。二者的工作原理相同，但电路的结构不同。 由于单相电动机和三相电动机的有功功率P与电压的有效值E，电流的有效值I以及功率系数cos之间有如下关系 单相 P = EIcos 三相 P

33、= 3EIcos 为了的得到相同的驱动转矩即有功功率，采用三相变频器时的驱动电流只是单相变频器驱动电流的1/3。由于在使用单相变频器时需要给出更大的驱动电流，所以在选择变频器时也应加以注意。2.3.1 V/f控制对于异步电动机，只要改变其他供电电源的频率，既可以改变电动机的转速，到达进行调速运转的目的。但是，对于一个实际的交流调速控制系统来说，事情远远不是那么简单。这是因为当电动机电源的频率被改变时，电动机的内部阻抗也将随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁缺乏或励磁过强的情况。在励磁缺乏的情况下电动机将难以给出足够的转矩，而在励磁过强时电动机又将出现磁饱和，造成电动机功率因数和效

34、率的下降。因此，为了得到理想的转矩-速度特性，在改变电源频率进行调速的同时，必须采取必要的措施来保证电动机的气隙磁通处于高效状态即保持磁通不变。这就是V/f控制的出发点。 在异步电动机等效电路中，设电动机的气隙磁通用表示，那么可以看出，励磁电流IM，感应电势E和气隙磁通之间有如下关系 =MIM (2.1) E=j2fMIM=j2f (2.2) 因此，为了改变使气隙磁通在整个调速过程中保持不变，只需在改变电源频率f的同时改变感应电动势E，使其满足 E/f = 常值 (2.3) 即可。 但是，在电动机的实际调速控制过程中，由于E为电动机的感应电动势，无法直接进行检测和控制，必须采用其他方法才能使式

35、(2.3) 得到满足。 另一方面，从异步电动机的等效电路还可以得知。 V = I1Z1+ E (2.4) 其中，Z1 = j2L1 +r1为定子阻抗。 因此，当定子阻抗上的压降与定子电压相比很小时，由于VE，所以，只要控制电源电压和频率，使得 V/f = 常值 (2.5) 即可使式(2.3)近似得到满足。 基于式(2.5)的变频器被称为采用了V/f控制方式的变频器，简称为V/f控制变频器。而与此相对应，基于式(2.3)的变频器那么被称为E/f控制变频器。很明显，E/f控制变频器的特性要优于V/f控制变频器。 初期的通用型变频器根本上采用的是V/f控制方式。但是，由于在实际的电路中存在着定子阻抗

36、上的压降，尤其是电动机进行低速运转时感应电动势较小，定子阻抗上的压降更不能忽略。因此，为了得到与E/f控制相近的特性，必须对这局部压降进行补偿。为了改善V/f变频器在低频时的转矩特性，使之得到与E/f控制变频器相近的特性，各个厂家都在自己的产品中采取了不同的补偿措施，以保证当电动机在低速区域运行是仍然能够得到较大的输出转矩。这种补偿也称为变频器的转矩增强功能或转矩提升功能。 变频器的转矩增强功能可以分为起始转矩增强功能和全范围转矩自动增强功能。所谓起始转矩增强功能指的是在变频器的低频输出区域按照某一规那么在变频器的输出电压上加上一定的补偿，从而到达提高输出转矩的目的。而在具有全范围转矩自动增强

37、功能的变频器中，电压补偿是在电动机的整个运行范围中进行的。 在具有全范围转矩自动增强功能的变频器中，检测电路对电动机的电流和电压进行实时检测，而CPU那么按照E/f一定的要求进行计算后求出所需的压降补偿。这种控制方式更接近真正的E/f控制，并且在性能方面优于只采用了简单的起始转矩增强补偿额变频器。 由于E/f控制和V/f控制在控制原理上并无不同，这两种控制方式通常统称为V/f控制。 V/f控制变频器虽然结构简单，但是，由于这种变频器采用的是开环控制方式，其精度和动态特性并不是十分理想，尤其是在低速区电压调整比拟困难，难以的得到较大的调整范围。所以采用这种控制方式的变频器一般是对控制性能要求不太

38、高的通用变频器。 在对交流调速系统进行研究的过程中人们发现，如果在对异步电动机进行控制过程中能够像控制直流电动机那样，用直接控制电枢电流的方法控制转矩，那么就可以用异步电动机来得到与直流电动机同样的静、动态特性。而转差频率就是这样一种直接控制转矩的方法。 从异步电动机等效电路可以求得I2 = E/(r2/s)2 +2fL22 2.6 定义转差频率f为 Fs = sf 2.7 那么可以得到 I2 = E/f1/r2/fs2 +2L22 2.8 而转矩那么由下式给出 T = mp/4(E/f)2fsr2/r22+2fsL22 2.9 从式 (2.9)可知，当转矩频率fs较小时，如果E/f =常数,

39、那么电动机的转矩根本上与转差fs成正比。异步电动机的这个特征意味着，在进行E/f控制的根底上，只要对电动机的转差频率fs进行控制，就可以到达控制电动机输出转矩的目的。这就是转差频率控制方式的根本出发点。另一方面，对于异步电动机来说，其定子电压频率fs以电动机的实际频率nn作为同步转速时的电源频率fn，以及转差频率fs三者的关系可以由 f = fn + fs 2.10 输出。所以，在进行E/f控制的根底上，只要知道了异步电动机的实际转速nn对应的电源频率fn，并根据希望得到的转矩对应于某一转差频率fs0按照式(2.10)调节变频器的输出频率f，就可以使电动机具有某一所需的转差频率fs0，即使电动

40、机给出所需的输出转矩。而采用转差频率控制方式的变频器正是按照上述原理进行控制的。 此外，从式(2.8)还可以看出，当E/f为一定时，控制电动机的转差频率还可以到达控制电动机转子电流的目的。在采用了转差频率控制方式的变频器中，上述特性被用于对象电动机的保护。这是因为，只要能够控制电动机的转差频率。使之不超过电动机最大过载能力时的转差频率，就可以限制电动机转子的最大电流，从而起到保护电动机的作用。因为在采用转差频率控制方式时需要检测电动机的实际转速，所以需要在异步电动机轴上安装速度传感器。而电动机的转速检测由速度传感器和变频器控制电路中的运算电路完成。控制电路还将通过适当的算法根据检测到的电动机速

41、度产生转差频率和其他的控制信号。此外，在采用了转差频率控制方式的变频器中往往还加有电流负反响，对频率和电流进行控制，所以这种变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 矢量控制的根本思想是认为异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理，即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流的积，而异步电动机的定子电流那么可以分为产生磁场的电流分量磁场电流和产生转矩的电流分量(转矩电流)。因此，通过控制电动机定子电流的大小和相位即定子电流矢量，即可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而到达控制电动机转矩的目的。 目前在变频器中得到实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制

42、的矢量控制方式和无速度检测器的矢量控制方式两种。 前面我们已经提到，矢量控制的根本原理是通过控制电动机定子电流的幅值和相位即电流矢量，来分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而到达控制电动机转矩电流特性的目的. 从电流矢量图可以看出，当需要将电动机的转矩电流从I2变为I2时，在改变电动机定子电流的幅值，使得I1变为I1的同时，还必须改变I1的相位，使得变为，即必须对定子电流矢量进行控制，才能保证转矩电流的平稳变化，而在转差频率控制方式中，虽然通过对转差频率的控制到达了控制转矩电流I2幅值的目的，但是，由于在这种控制方式中并没有对电动机定子电流的相位进行控制，在转矩电流从I2变为I2的过渡

43、过程中将存在一定的波动，并造成电动机输出转矩的波动. 根据等效电路图得知，定子电流I1、转矩电流I2、励磁电流IM三者之间有如下的关系 I1 = (I22 + IM2) 2.11 2fMIM = I2r2/s 2.12 由于转差频率定义为 fs = sf 所以从式2.12可得 fs = I2/2T2IM 2.13其中，T2 = M/r2为电动机转子电路时间常数。 与转差频率控制方式相同，基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行E/f控制的根底上，通过检测电动机的实际速度得到与实际转矩nn对应的电源频率fn，并根据希望得到的转矩按照式2.13对变频器的输出频率f进行控制的，因此，二者的定常特性

44、相同。 但是，在基于转差频率控制的矢量控制方式中，除了按照上述方式对异步电动机进行定常状态时的控制外，还要根据 = arc tan(I2/Im) 2.14的条件对电动机定子电流的相位进行控制，以消除转矩电流过渡过程中的波动。 无速度传感器的矢量控制方式是在磁场定位矢量控制方式的根底上开展而来的。虽然磁场定位矢量控制方式在理论上早已得到了验证，但由于实现这种控制方式时需要在异步电动机内安装刺痛监测装置，一直未能得到推广和应用。因此，早期的矢量控制变频器根本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。但是，随着传感器技术的开展和现代控制理论在变频调速技术中的应用，人们发现，即使不在异步电动机中直接

45、安装磁通监测装置，也可以在变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。 无速度传感器矢量控制方式的根本控制思想是：分别对作为根本控制量的励磁电流或者磁通和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流或者磁通和转矩电流的指令值和检测值到达一致，从而实现矢量控制。 当按照上述方式实现矢量控制时，就可以根据式2.15对电动机的实际转速进行推算，从而实现无速度传感器的矢量控制。 对异步电动机进行有效的矢量控制是以电动机的内部参数为前提，这点从式2.13即可得知。所以，对异步电动机进行矢量控制和进行转差频率控制时一样，除了必须准确地检测电动机的转速外

46、，还必须准确掌握电动机的内部参数M和r2并将这些参数输入变频器的控制算法。如果所掌握的参数值有误差，那么电动机的控制性能将直接受到影响。为了保证进行矢量控制时变频器控制算法中所得到的参数实际参数一致，在新型变频器中通常都没有参数自调整功能。但是，由于变频器的参数自调整功能是在电动机开始工作之前对电动机的参数进行辨识，不能解决系统开始工作后由于温度上升所造成的参数变化问题。例如，电动机转子的等效电阻r2就很容易受到温度的影响而发生变化，而这种变化又将直接造成变频器中控制参数的误差和引起电动机输出转矩的变化。在某些情况下，当温度发生80左右的变化时电动机的转矩甚至会发生30左右的变化。为了解决上述

47、问题，通常采用在电动机定子绕组中设置温度检测器件，并根据检测结果对r2值进行估算后进行补偿的方式。而在希望得到更高的转矩控制性能时，那么通常采用根据转矩电流的指令值和检测值之间的误差对r2进行修正的自适应控制的方法。由于r2的设定值随着温度的增加而得到补偿，保证了输出转矩的稳定。第三章 可编程控制器3.1 PLC的组成和根本工作原理3.1.1 PLC的组成 PLC的核心是微处理器，所以它的组成和计算机相似，由硬件和软件两大局部组成。 PLC硬件系统组成如图3.1所示。 图3.1 PLC的硬件系统组成1中央处理器单元 微处理器：PLC的核心，它的主要任务有：自诊断PLC内部电路故障和编程语法错误

48、；和外部设备变频器。打印机、上位计算机等通讯处理；扫描输入装置状态和数据，并存入印象存放器；在PLC处于运行状态时，按顺序逐条执行用户程序，根据执行结果更新有关的存放器和输出印象存放器；将与输出相关的数据存放器和输出印象存放器的内容送给输出电路。存储器：用来存放系统程序、用户程序级运行数据。存储器的类型如图3.2所示。 微处理器I/O接口：负责微处理器及存储器与外部设备的信息交换。2输入/输出接口 输入/输出接口是PLC与外界输入/输出设备进行连接的接口电路。外设输入到PLC的各种控制信号，如限位开关、操作接钮、行程开关以及一些传感器的输出的开关量等，通过输入接口转化成中央处理器单元能接收到的

49、信号，中央处理器单元输出的弱电控制信号通过输出接口变为电磁阀、接触器等执行元件的驱动信号。关量输入接口电路 直流输入接口电路 如图3.3所示途中只画出了一个输入端口电路，R1、R2为分压电阻，C为滤波电容，T为光电耦合器。IN为输入端，COM为输入公共端。当输入端开关S闭合时，光电耦合器T导通，TTL高电平信号送PLC内部电路。它为DC12-24V直流输入接口电路。图3.3 直流输入接口电路 交流输入接口电路 如图3.4所示，C为隔直电容。当输入端开关S闭合，双向光电耦合器T导通，TTL高电平信号送PLC内部电路。它为交流100-200或者200-240V交流输入接口电路。 交、直流输入接口电

50、路 如图3.5所示，和直流输入接口电路有些相似，它为交、直流12-24V输入接口。图3.5 交、直流输入接口电路 上述三种输入电路都采用了光电耦合电路，由于外部输入信号是通过光电耦合送到PLC内部电路，没有电路上的连接，所以具有抗干扰能力。 开关量输出接口电路 晶体管直流输出接口电路 如图3.6所示图中只画出了一个输出电路，虚线框内为PLC内部电路，框外为输出端与负载的联线。晶体管输出接口电路只是用于直流负载为感性时，需要在负载两端并联释放电路。 图3.6 晶体管直流输出接口电路 晶闸管交流输出接口电路 如图3.7所示图中只画出了一路输出电路，当内部电路有输出时，固态继电器的晶闸管导通；当内部

51、电路取消输出，晶闸管在下半周期关断，所以晶闸管输出接口电路只适用于交流负载。 图3.7 晶闸管交流输出接口电路 继电器交、直流输出接口电路 如图3.8所示，继电器输出接口电路本身有隔离的功能，当内部有输出时，相应的继电器吸合，使外部负载电路接通。继电器输出接口适用交、直流。当用于交流时。负载两端并联阻容吸收；当用于直流时，负载两端并联续流二极管。图3.8 继电器交、直流输出接口电路3电源 PLC一般使用220V单相交流电源，也有的使用24V直流电源。电源部件将外接电源转换为PLC的中央处理器、存储器等电路工作所需的5V直流电源。对于交流220V的小型整体式PLC，其内部有一个开关电源，此电源一

52、方面为PLC内部电路提供5V工作电源，另一方面可为外部输入元件提供直流24V电源。对于组合式PLC，有的采用单独电源模块。 4I/O扩展电路 小型PLC的输入输出接口是与中央处理器单元CPU集成在一起的，为了满足被控制设备输入输出接口点数较多的要求，常需要扩展数字量输入输出模块；为了满足模拟量控制要求，需要扩展模拟量输入输出模块，如A/D、D/A。 5通讯接口 用于与触摸屏等人机界面、上位PC机、其它PLC、打印机等外部设备通讯的接口。 6编程器 编程器一种是专用编程器，如手持式或台式专用编程器。另一种编程器是基于个人电脑加编程软件和监控软件的编程系统。 PLC软件系统由系统软件和用户软件两大

53、局部。 系统软件PLC制造商编写的，固化在PLC内的ROM中，用以控制 PLC本身的运作。 软件 用户程序PLC使用者编写的，用于实现具体控制任务的。 系统管理程序 1系统程序 用户指令解释程序 供程序调用的标准程序模块 运行时需分配管理何时输入？何时输出？何时执行 系统管理 用户程序？何时通讯？何时自检？ 程序功能 存储空间分配管理将用户使用的数据参数、存储地址 化为实际的物理地址。 系统自检测内部电路故障、用户程序语法错误。警戒 时钟等。 用户指令解释程序将用户指令变成机器语言二进制机器码。 供程序调用的标准程序模块由不同功能的各种程序块组成，如输入输出处理、PID运算、高速计数等。 2用

54、户程序 用户程序是用户根据工程现场的生产过程和工艺要求、使用PLC生产厂家提供专用编程语言而自行编制的应用程序。PLC提供梯形图LAD、指令表STL、功能图块SFC编程语言。3.1.2 PLC的根本工作原理 PLC虽然具有与微机相似的结构特点，但它的工作方式与微机不同。微机一般是等待命令的工作方式，如键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作那么转入相应的子程序，无键按下那么继续扫描。 PLC那么采用循环扫描的工作方式，整个工作过程可分为5个阶段：自诊断，通讯处理，扫描输入，执行程序，刷新输出，其工作过程如图3.9所示。 开始 自诊断 通讯处理 扫描输入 执行程序刷新输出图3.9 P

55、LC工作过程诊断 每次扫描程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O局部、存储器、CPU等，假设发现异常，那么停机，并显示出错；假设正常，那么继续向下扫描。 通讯处理 PLC检查通讯接口的外设，如编程器、计算机、人机界面等是否有通讯请求，如有那么进行通讯处理。然后进入下一步。 扫描输入 PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，并将输入状态送到输入印像存放器。 执行程序 如果PLC处于运行状态，中央处理器CPU将逐条执行用户指令程序，记按程序要求对数据进行逻辑、算术运算，再将接过送到状态存放器中。 刷新输出 当所有的指令执行完毕后，将输出印象存放器中所有的输出存放器状态送到输出锁存器中

56、，通过一定输出电路驱动外部负载。 PLC经过这5个过程，称为一个扫描周期，一个扫描周期完成后，又重新执行上述过程，如此周而复始不断循环。 2. PLC的工作过程 输入采样阶段 扫描输入端子，将各输入状态存入对应的输入印象存放器中，此时输入印象存放器被刷新，其值保持到下一个扫描周期。 执行程序阶段 PLC根据从左到右，先上后下的顺序扫描原那么，逐点扫描。逐条执行用户程序，并将执行的结果存入元件映像存放器。 刷新输出阶段 在所有的指令执行完之后，将元件映像存放器中所有与输出相关的存放器状态送给输出存放器。 从上面的工作过程可以看出，PLC控制系统是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序

57、，任意时刻只能执行一条指令，是“串行的工作方式的，这也是PLC控制系统与继电器控制系统的重要区别之一，继电器控制系统是按“并行的方式工作的，也就是说是按同时执行的工作方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时工作。 总之，循环扫描、分别工作是PLC控制系统工作的特点。3.2 PLC的特点及分类3.2.1 PLC的特点 PLC是一种工业控制系统，在结构、性能、功能及编程手段等方面有独到的特点。 1在结构上具有模块结构特点。根本单元和功能齐全的扩展模块均可按积木式组合，有利于维护和功能的扩展，结构紧凑，系统简单便于安装。 2在性能上具有可靠性。PLC的平均无故障运行时间为5-10万小时，通

58、过良好的整机结构设计、元器件选择、抗干扰技术的使用、先进电源技术的采用，以及监控、故障诊断等技术的采用，同时配以严格的制造工艺，使PLC在工业环境中可靠的工作。 3在功能上可进行开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、数据采集及监控、多PLC分布式控制等功能。适用于机械、冶金、化工、轻工、效劳和汽车等行业的工程领域。 4在编程手段上直观、简单、方便，易于各行各业的工程技术人员掌握。 1按I/O点数和功能分小型PLC总点数在256点以下，以开关量控制为主。用户程序存储容量在4K左右。现在高性能的小型PLC具有一定的通讯能力。这类PLC的价格低廉，体积小，适用于单台设备开发。典型的机型有欧姆龙的CP

59、M2A系列，三菱公司的FX系列，西门子公司的S7-200系列等。 中型PLC 总点数在256-1024之间的称为中型机，用户程序存储容量在4K左右。它除了具有逻辑、模拟量控制功能外，还具有强大的计算能力、通讯功能和模拟量处理能力，如PID调节，浮点运算等。典型的机型有欧姆龙的CH200系列，西门子公司的S7-300系列等。适用于温度、压力、流量、速度等过程控制的场所。 大型PLC 总点数大于1024点，具有计算、控制、调节等功能，强大的网络结构和通讯能力，CRT显示，用于自动化生产线的控制、工厂自动化控制和集散控制系统。典型的机型有西门子公司的S7-400系列，欧姆龙的CVMI和CSI系列，A

60、B公司的SLC5/05系列等。 随着PLC技术的飞速开展，某些小型PLC也具有中型机和大型机的功能，这也是PLC开展的趋势。 2按结构形式分 整体式结构 整体式结构的PLC是将中央处理单元CPU、存储器、输入单元、输出单元、电源、通讯接口、I/O扩展接口等组装在一个箱体内，如图3.10所示。 图3.10 整体式PLC组成示意图 组合式结构 组合式结构的PLC是将中央处理器单元CPU、存储器、输入单元、智能单元、通讯单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块间通过总线底板连接。如图3.11所示。 图3.11 组合式PLC组成示意图第四章 变频器与PLC在运料小车控制系统中的应用4.1 运料小车系统