畢業(yè)論文-機(jī)電變頻器與PLC在運(yùn)料小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、北京*技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目 變頻器與PLC在運(yùn)料小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc14082 摘要 PAGEREF _Toc14082 2 HYPERLINK l _Toc1561 第一章 緒論 PAGEREF _Toc1561 3 HYPERLINK l _Toc28036 PAGEREF _Toc28036 3 HYPERLINK l _Toc13134 1.2可編程控制器PLC PAGEREF _Toc13134 4 HYPERLINK l _Toc26363 1.3 PLC連接變頻器 PAG

2、EREF _Toc26363 4 HYPERLINK l _Toc4420 第二章 變頻器 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 可編程控制器 PAGEREF _Toc32627 16 HYPERLINK l _Toc15118 3.1 PLC的組成和根本工作原理 PAGEREF _Toc

4、15118 16 HYPERLINK l _Toc32247 3.1.1 PLC的組成 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的特點(diǎn)及分類 PAGEREF _Toc28108 23 HYPERLINK l _Toc8741 3.2.1 PLC的特點(diǎn) PAGEREF _Toc8741 23 HYPERLINK l _Toc16266 第四章 變頻器與PLC在運(yùn)料小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc16266 2

5、5 HYPERLINK l _Toc15354 4.1 運(yùn)料小車系統(tǒng)的控制要求 PAGEREF _Toc15354 25 HYPERLINK l _Toc31997 4.2 PLC輸入輸出變量和接線圖 PAGEREF _Toc31997 26 HYPERLINK l _Toc14959 PAGEREF _Toc14959 27 HYPERLINK l _Toc22108 PAGEREF _Toc22108 29 HYPERLINK l _Toc17595 4.5 PLC+變頻器控制運(yùn)料小車系統(tǒng) PAGEREF _Toc17595 35 HYPERLINK l _Toc13913 4.5.1 變

6、頻器的參數(shù)設(shè)置 PAGEREF _Toc13913 35 HYPERLINK l _Toc25022 第五章 致謝 PAGEREF _Toc25022 36 HYPERLINK l _Toc31618 第六章 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc31618 37摘 要 本文闡述了應(yīng)用西門子公司可編程控制器S7-200系列PLC及變頻器實(shí)現(xiàn)對運(yùn)料小車系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)充分利用了學(xué)習(xí)中講述的可編程控制器PLC的多方面的設(shè)計(jì)知識(shí)和方法，再加上變頻器兩者巧妙的配合精確的實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)料小車系統(tǒng)的控制。這一控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，充分表達(dá)了PLC系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用，以及根據(jù)設(shè)計(jì)和不同的需求改變，還可以使其應(yīng)用

7、的范圍更加廣泛。由于設(shè)計(jì)者的知識(shí)范圍及經(jīng)驗(yàn)，望老師諒解，給予批評改正。關(guān)鍵詞 可編程控制器PLC、變頻器第一章 緒論 直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)先后誕生于19世紀(jì)，距今已有100多年的歷史，并已成為動(dòng)力機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)裝置。但是，由于技術(shù)上的原因，在很長一段時(shí)期內(nèi)，占整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)80左右的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)中采用的是交流電動(dòng)機(jī)包括異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，而在需要進(jìn)行調(diào)速控制的拖動(dòng)系統(tǒng)中那么根本上采用的是直流電動(dòng)機(jī)。 但是，由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動(dòng)機(jī)存在以下缺點(diǎn)： 1需要定期更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，壽命較短； 2由于直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花，難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； 3結(jié)

8、構(gòu)復(fù)雜，難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動(dòng)機(jī)。 而與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)那么具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1結(jié)構(gòu)鞏固，工作可靠，易于維護(hù)保養(yǎng)； 2不存在換向火花，可以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； 3容易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動(dòng)機(jī)。 因此，很久以來，人們希望在許多場合下能夠用可調(diào)速的交流電動(dòng)機(jī)來代替直流電動(dòng)機(jī)，并在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方面進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作。但是，直至20世紀(jì)70年代，交流調(diào)速系統(tǒng)的研究開發(fā)方面一直未能得到真正令人滿意的成果，也因此限制可交流調(diào)速系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的諸如風(fēng)機(jī)、水泵等需要進(jìn)行調(diào)速控制的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中不得不

9、采用擋板和閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)速和流量。這種做法不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也造成了能源的浪費(fèi)。 經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代中期的第二次石油危機(jī)之后，人們充分認(rèn)識(shí)到了節(jié)能工作的重要性，并進(jìn)一步重視和加強(qiáng)了對交流調(diào)速技術(shù)的研究開發(fā)工作。隨著同時(shí)期內(nèi)電力電子技術(shù)的開展，作為交流調(diào)速系統(tǒng)中心的變頻器技術(shù)也得到了顯著的開展，并逐漸進(jìn)入了實(shí)用階段。 雖然開展變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)最初的目的主要是為了節(jié)能，但是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的開展，電力半導(dǎo)體器件和微處理器的性能不斷提高，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了顯著開展。隨著各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中的應(yīng)用，變頻器的性能不斷得到提高，而且應(yīng)用范圍也越來越廣。目前變頻器不但在

10、傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，并且在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品中也得到了廣泛應(yīng)用。 變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的根底之上，并隨著這些根底技術(shù)的開展而不斷得到開展。1.2可編程控制器PLC 隨著科學(xué)技術(shù)的開展和生產(chǎn)工藝要求的不斷提高，繼電器控制系統(tǒng)存在體積大、觸頭多、維修困難、控制功能單一、更改困難等缺點(diǎn)。另外，隨著市場競爭的加劇，產(chǎn)品周期不斷縮短，生產(chǎn)工藝參數(shù)不斷發(fā)生變化，如果采用繼電器控制系統(tǒng)用改變接線的方法來滿足工藝要求是非常困難的事情。所以在1968年美國通用汽車公司GM公開招標(biāo)

11、，并從用戶的角度提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，引起了開發(fā)熱潮。 這十大條件主要要求：編程方便，可現(xiàn)場修改程序，維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)，可靠性高于繼電器控制裝置，體積小于繼電氣控制盤，數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)，本錢可與繼電器控制盤競爭，擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司研制出第一臺(tái)PLC型號為PDP-14,并在GM公司汽車生產(chǎn)線上試用成功，取得滿意的效果。 1969年第一臺(tái)PLC的問世之后，PLC引起了世界各國的普遍重視，日本日立公司引進(jìn)并吸收美國技術(shù)，與1971年試制成了日本第一臺(tái)PLC。德國西門子在1973年研制成功了歐洲第一臺(tái)PLC。我國從1974年開始研制，197

12、7年開始工業(yè)應(yīng)用。PLC的開展大概可分為四代： 第一代1969-1972：1位機(jī)，磁芯存儲(chǔ)器，只有邏輯功能。 第二代1973-1975：8位機(jī)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，除邏輯功能外還有運(yùn)算、傳送、比擬、模擬量控制等功能。 第三代1976-1983向多功能及聯(lián)網(wǎng)通信功能開展。隨著高性能微處理器8位片式CPU在PLC中大量應(yīng)用，PLC的處理速度大大提高，同時(shí)，增加了浮點(diǎn)運(yùn)算、三角函數(shù)、脈沖調(diào)制輸出、自診斷功能等。 第四代1983-現(xiàn)在：不僅全面使用了16位、32位高性能微處理器、高性能位片式微處理器、PISC精簡指令系統(tǒng)CPU等高級CPU，而且在一臺(tái)PLC中配置多個(gè)微處理器，進(jìn)行多通道處理，同時(shí)產(chǎn)生含微處理

13、器的智能模塊，使PLC具有邏輯控制功能、過程控制功能、運(yùn)動(dòng)控制功能。數(shù)據(jù)處理功能等。 PLC連接變頻器 PLC是的輸出端子接變頻器的多功能端子，變頻器中設(shè)置多功能端子為多道速功能，并設(shè)置相應(yīng)頻率。通過PLC的輸入輸出端子的閉合和斷開的組合，使變頻器在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。其具有響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過PLC和變頻器上的通訊接口，采用PLC編程通信控制。其具有可以無級變速，速度變換平滑，速度控制精確，適應(yīng)能力好的優(yōu)點(diǎn)。通過PLC加數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將PLC數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入到變頻器的模擬量控制端子，控制變頻器工作。其具有可以無極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。第二章 變頻器 變頻器的開展已有數(shù)十年的歷史

14、，在變頻器的開展過程中也曾出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但是目前成為市場主流的變頻器根本上有著圖2.1所示的根本結(jié)構(gòu)。 圖2.1 變頻器的根本構(gòu)成 而對于采用了矢量控制方式的變頻器來說，由于進(jìn)行矢量控制時(shí)需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，其運(yùn)算電路中有時(shí)還有一個(gè)以DSP(數(shù)字信號處理器為主的轉(zhuǎn)矩計(jì)算用CPU以及相應(yīng)的磁通檢測和調(diào)節(jié)電路。 雖然變頻器的種類很多，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各不相同，它們的區(qū)別僅僅是控制電路和檢測電路實(shí)現(xiàn)的不同以及控制算法的不同而已。下面我將結(jié)合圖2.1簡單介紹一下變頻器各局部電路的根本作用。 一般的三相變頻器的整流電路由三項(xiàng)全波整流橋組成。它的主要作用是對外部電源進(jìn)行整流，并給你變電路和控制電路提

15、供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。 直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電路能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。當(dāng)整流電路是電壓源時(shí)直流中間電路的主要元器件是大容量電感組成，此外，由于電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻以及其他輔助電路。 逆變電路是變頻器最主要的局部之一。它的主要作用是在控制電路的控制下將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出加時(shí)變頻器的輸出，它被用來實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極基極驅(qū)動(dòng)電路、外部電路、外部接

16、口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)局部，也是變頻器的核心局部?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣。控制電路的主要作用是將檢測電路得到的各種信號送至運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供必要的門極基極驅(qū)動(dòng)信號，并對變頻器以及異步電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)。此外，控制電路還通過A/D,D/A等外部接口電路接收/發(fā)送多種形式的外部信號和給出系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)，以便使變頻器能夠和外部設(shè)備進(jìn)行各種高性能的控制。 逆變電路的根本作用是將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。在逆變電路中，由六個(gè)開關(guān)組成了一個(gè)三相橋式電路。交替翻開和關(guān)斷這六個(gè)開關(guān)，就可以在輸出端得到相位上各相差120度電氣角的三相交流電源。該交流電源的頻率由

17、開關(guān)頻率決定，而幅值那么等于直流電源的幅值。為了改變該交流電源的相序從而到達(dá)改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的目的，只要改變各個(gè)開關(guān)翻開和關(guān)斷的順序即可。因?yàn)檫@些開關(guān)同時(shí)又起著改變電流流向的作用，所以它們又被稱為換流開關(guān)或換流器件。 當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)處于開通狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的變頻器逆變電路中還沒有各種相應(yīng)的輔助電路，以保證逆變電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時(shí)對換流器件進(jìn)行保護(hù)。 在由逆變電路所完成的將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源的過程中，開關(guān)器件起著非常重要的作用。由于機(jī)械式開關(guān)的開關(guān)頻率和使用壽命都很有限，在實(shí)際的逆變電路中采用半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件。半導(dǎo)體開關(guān)器

18、件的種類很多，如晶體管、晶閘管、GTO、IGBT等。而變頻器本身也常常根據(jù)氣逆變電路中使用的半導(dǎo)體開關(guān)器件的種類而被稱為晶閘管變頻器、晶體管變頻器等。 在介紹變頻器的種類時(shí)我們將遇到變頻器的分類方式的問題。變頻器的分類可以有很多種方式，例如可以按其主電路工作方式進(jìn)行分類，可以按其開關(guān)方式進(jìn)行分類，可以按其控制方式進(jìn)行分類，還可以按用途進(jìn)行分類。下面就根據(jù)這幾種分類方法對變頻器進(jìn)行簡要介紹。 1按照主電路工作方式分類。當(dāng)按照主電路工作方式進(jìn)行分類時(shí)，變頻器可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器的特點(diǎn)是將直流電壓源轉(zhuǎn)換為交流電源，而電流型變頻器的特點(diǎn)那么是將直流電流源轉(zhuǎn)換為交流電源。 電

19、壓型變頻器。在電壓型變頻器中，整流電路或者斬波電路產(chǎn)生逆變電路所需要的直流電壓，并通過直流中間電路的電容進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起直流電壓源的作用，而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需要頻率的交流電壓。 在電壓型變頻器中，由于能量回饋給直流中間電路的電容，并使直流電壓上升，還需要有專用的放電電路，以防止換流器件因電壓過高而被破壞。 電流型變頻器。在電流型變頻器中，整流電路給出直流電流，并通過中間電路的電抗將電流進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用，而電流源輸出的直流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電流，并被分配給各輸出相后作為交流電流提供應(yīng)

20、電動(dòng)機(jī)。在電流型變頻器中，電動(dòng)機(jī)定子電壓的控制是通過檢測電壓后對電流進(jìn)行控制的方式實(shí)現(xiàn)的。 對于電流型變頻器來說，在電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)的過程中可以通過將直流中間電路的電壓反向的方式使整流電路變?yōu)槟孀冸娐罚⒇?fù)載的能量回饋給電源。 由于在采用電流控制方式是可以將能量回饋給電源，而且在出現(xiàn)負(fù)載短路等情況時(shí)也更容易處理，電流型控制方式更適合于大容量變頻器。 2按照開關(guān)方式分類。當(dāng)談到變頻器的開關(guān)方式是通常講的都是變頻器逆變電路的開關(guān)方式。而在按照逆變電路的開關(guān)方式對變頻器進(jìn)行分類時(shí)，那么變頻器可以分為PAM控制方式，PWM控制方式和高載頻PWM控制方式三種。 PAM控制方式。PAM控制是Pulse A

21、mplitude Modulation脈沖振幅調(diào)制的簡稱，是一種在整流電路局部對輸出電壓(電流的幅值進(jìn)行控制，而在逆變電路局部對輸出頻率進(jìn)行控制的控制方式。因?yàn)樵赑AM控制的變頻器中逆變電路換流器件的開關(guān)頻率即為變頻器的輸出頻率，所以這是一種同步調(diào)速方式。 由于逆變電路換流器件的開關(guān)頻率較低，在使用PAM控制方式的變頻器進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)具有電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小，效率高等特點(diǎn)。但是，由于種種控制方式必須同時(shí)對整流電路和逆變電路進(jìn)行控制，控制電路比擬復(fù)雜。此外，這種控制方式也還具有當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)波動(dòng)較大的缺點(diǎn)。 PWM控制方式。PWM控制是 Pulse Width Modulation(脈沖寬度

22、調(diào)制控制的簡稱，是在逆變電路局部同時(shí)對輸出電壓電流的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式。在這種控制中，并通過改變輸出脈沖的寬度來到達(dá)控制電壓電流的目的。 為了使異步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠更加平滑，目前在變頻器中多采取正弦波PWM控制方式。所謂正弦波PWM控制方式指的是通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近于正弦波。這種控制方式也稱為SPWM控制。 采用PWM控制方式的變頻器具有可以減少高次諧波帶來的各種不良影響，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，而且控制電路簡單，本錢低等特點(diǎn)，是目前在變頻器中采用最多的一種逆變電路控制方式。但是，該方式也具有當(dāng)載波頻率不適宜時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲的缺點(diǎn)。為了克服這

23、個(gè)缺點(diǎn)，在采用PWM控制方式的新型變頻器中都具有一哥可以改變變頻器載波頻率的功能，以便使用戶可以根據(jù)實(shí)際需要改變變頻器的載波頻率，從而到達(dá)降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲的目的。 高載頻PWM控制方式。這種控制方式原理上實(shí)際是對PWM控制方式的改良，是為了降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲而采用的一種控制方式。在這種控制方式中，載頻被提高到人耳可以聽到的頻率以上，從而到達(dá)降低電動(dòng)機(jī)噪聲的目的。這種控制方式主要用于低噪聲型的變頻器，也將是今后變頻器的開展方向。由于這種控制方式對換流器件的開關(guān)速度有較高的要求，所以用換流器件只能使用具有較高開關(guān)速度的IGBT或MOSFET等半導(dǎo)體元器件，目前在大容量變頻器中的利用仍然受到一定限

24、制。但是，隨著電力電子技術(shù)的反展，具有較高開關(guān)速度的環(huán)流元器件的容量將越來越大，所以預(yù)計(jì)采用這種控制方式的變頻器也將越來越多。 PWM控制和高載頻PWM控制都屬于異步調(diào)速方式，即變頻器的輸出頻率不等于逆變電路換流器件的開關(guān)頻率。 3按照工作原理分類。當(dāng)按照工作原理對變頻器進(jìn)行分類時(shí)，按變頻器技術(shù)的開展過程可以分為V/f控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制方式三種。 V/f控制變頻器。V/f控制是一種比擬簡單的控制方式。它的根本特點(diǎn)是對變頻器輸出的電壓和頻率同時(shí)進(jìn)行控制，通過使V/f電壓和頻率的比的值保持一定而得到所需的轉(zhuǎn)矩特型。采用V/f控制方式的變頻器控制電路本錢較低，多用于對精度要求不太高

25、的通用變頻器。 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器。轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對V/f控制的一種改良。在采用這種控制方式的變頻器中，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器和變頻器控制電路得到，而變頻器的輸出頻率那么由電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率的和被自動(dòng)設(shè)定，從而到達(dá)在進(jìn)行調(diào)速控制的同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的。 轉(zhuǎn)差頻率控制是利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制，并可以在一定程度上對輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，所以和V/f控制相比，在負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí)仍能到達(dá)較高的速度精度和具有較好的轉(zhuǎn)矩特性。但是，由于采用這種控制方式時(shí)需要在電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器，并需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差，通常多用于廠家指定的專用電動(dòng)機(jī)，通用性較

26、差。 矢量控制變頻器。矢量控制是20世紀(jì)70年代由西德Blaschke等人首先提出來的對交流電動(dòng)機(jī)的一種新的控制思想和控制技術(shù)，也是交流電動(dòng)機(jī)的一種理想的調(diào)速方法。矢量控制的根本思想是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量勵(lì)磁電流和與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量轉(zhuǎn)矩電流并分別加以控制。由于在這種控制方式中必須同時(shí)控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值和相位，即控制定子電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制方式。 矢量控制方式使對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高性能的控制成為可能采用矢量控制方式的交流調(diào)速系統(tǒng)不僅在調(diào)速范圍上可以與直流電動(dòng)機(jī)相匹敵，而且可以直接控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。所以已經(jīng)在許多需要進(jìn)行精密控制的領(lǐng)

27、域得到了應(yīng)用。 由于在進(jìn)行矢量控制時(shí)需要準(zhǔn)確地掌握對象電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)，這種控制方式過去主要用于廠家指定的變頻器專用電動(dòng)機(jī)的控制。但是，隨著變頻器調(diào)速理論和技術(shù)的開展以及現(xiàn)代控制理論在變頻器中的成功應(yīng)用，目前在新型矢量控制變頻器中已經(jīng)增加了自調(diào)整功能。帶有這種功能的變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)并根據(jù)辨識(shí)的結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而使得對普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制也稱為可能。按照用途分類。在上面介紹的變頻器分類方式中我們是按照變頻器的工作原理對其進(jìn)行分類的，但是，對于一個(gè)變頻器的用戶來說，他關(guān)心更多的也可能是變頻器的用途而不是其工作原理。下面

28、，介紹一下按照用途對變頻器進(jìn)行分類是變頻器的種類。 當(dāng)按照用途對變頻器進(jìn)行分類時(shí)，變頻器可以分為以下幾種類型。 通用變頻器。顧名思義，通用變頻器的特點(diǎn)是其通用性。這里通用性指的是通用變頻器可以對普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。 隨著變頻器技術(shù)的開展和市場需要的不斷擴(kuò)大，通用變頻器也在朝著兩個(gè)方向開展：低本錢的簡易型通用變頻器和高性能多功能的通用變頻器。這兩類變頻器分類變頻器分別具有以下特點(diǎn)： 簡易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主要目的而削減了一些系統(tǒng)功能的通用變頻器。它主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等對于系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高的場所，并具有體積小，價(jià)格低等方面的優(yōu)勢。 高性能多功能通用變頻器在設(shè)計(jì)過程

29、中充分考慮了在變頻器應(yīng)用中可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。在使用時(shí)，用戶可以根據(jù)負(fù)載特性選擇算法并對變頻器的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，也可以根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇廠家所提供的各種選件來滿足系統(tǒng)的特殊需要。高性能多功能變頻器除了可以應(yīng)用于簡易型變頻器的所有領(lǐng)域之外，還廣泛應(yīng)用于傳送帶、升降裝置以及各種機(jī)床、電動(dòng)車輛等對調(diào)速系統(tǒng)的性能和功能有比擬高要求的許多場合。 過去，通用型變頻器根本上采用的是電路結(jié)構(gòu)比擬簡單的V/f控制方式，與采用了轉(zhuǎn)矩矢量控制方式的高性能變頻器相比，在轉(zhuǎn)矩控制性能方面要差一點(diǎn)。但是，隨著變頻器技術(shù)的開展和變頻器參數(shù)自調(diào)整的實(shí)用化，目前一些廠家已

30、經(jīng)推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用變頻器，以適應(yīng)競爭日趨劇烈的變頻器市場的需要。這種高性能多功能通用變頻器在性能上已經(jīng)接近過去的高性能矢量控制變頻器，但在價(jià)格方面卻與過去采用V/f控制方式的通用變頻器根本持平。因此，可以相信，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，今后變頻器的性能價(jià)格比將會(huì)不斷提高。 高性能專用變頻器。隨著控制理論，交流調(diào)速理論和電力電子技術(shù)的開展，異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方式得到了充分地重視和開展，采用矢量控制方式控制高性能變頻器和變頻器專用電動(dòng)機(jī)所組成的調(diào)速系統(tǒng)在性能上已經(jīng)大到達(dá)和超過了直流伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動(dòng)機(jī)還具有對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡單等許多直流伺服電動(dòng)機(jī)對

31、不具備的優(yōu)點(diǎn)，在許多需要進(jìn)行高速高精度的應(yīng)用中這種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。 與通用變頻器相比，高性能專用變頻器根本上采用了矢量控制方式，而驅(qū)動(dòng)對象通常是變頻器廠家指定的專用電動(dòng)機(jī)，并且主要應(yīng)用于對電動(dòng)機(jī)的控制性能要求較高的系統(tǒng)。此外，高性能專用變頻器往往是為了滿足某些特定產(chǎn)業(yè)或區(qū)域的需要，使變頻器在該區(qū)域中具有最好的性能價(jià)格比而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。例如，在機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)專用的高性能變頻器中，為了便于和數(shù)控裝置配合完成各種工作，變頻器的主電路、回饋制動(dòng)電路和各種接口電路等被做成一體，從而到達(dá)了縮小體積和降低本錢的要求。而在纖維機(jī)械驅(qū)動(dòng)方面，為了便于大系統(tǒng)的維修保養(yǎng)，變頻器那么采用了可以

32、簡單地進(jìn)行拆裝的盒式結(jié)構(gòu)。 高頻變頻器。在超精密加工和高性能機(jī)械區(qū)域中常常要用到高速電動(dòng)機(jī)。為了滿足這些高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要，出現(xiàn)了采用PAM控制方式的高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器。這類變頻器的輸出頻率可以到達(dá)3kHz,所以在驅(qū)動(dòng)兩級異步電動(dòng)機(jī)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可以到達(dá)180000r/min。 單相變頻器和三相變頻器。交流電動(dòng)機(jī)可以分為單相交流電動(dòng)機(jī)和三相交流電動(dòng)機(jī)兩種類型，與此相對應(yīng)，變頻器也分為單相變頻器和三相變頻器。二者的工作原理相同，但電路的結(jié)構(gòu)不同。 由于單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)的有功功率P與電壓的有效值E，電流的有效值I以及功率系數(shù)cos之間有如下關(guān)系 單相 P = EIcos 三相 P

33、= 3EIcos 為了的得到相同的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩即有功功率，采用三相變頻器時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流只是單相變頻器驅(qū)動(dòng)電流的1/3。由于在使用單相變頻器時(shí)需要給出更大的驅(qū)動(dòng)電流，所以在選擇變頻器時(shí)也應(yīng)加以注意。2.3.1 V/f控制對于異步電動(dòng)機(jī)，只要改變其他供電電源的頻率，既可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，到達(dá)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。但是，對于一個(gè)實(shí)際的交流調(diào)速控制系統(tǒng)來說，事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是那么簡單。這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)電源的頻率被改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部阻抗也將隨之改變，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁缺乏或勵(lì)磁過強(qiáng)的情況。在勵(lì)磁缺乏的情況下電動(dòng)機(jī)將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩，而在勵(lì)磁過強(qiáng)時(shí)電動(dòng)機(jī)又將出現(xiàn)磁飽和，造成電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效

34、率的下降。因此，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，必須采取必要的措施來保證電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通處于高效狀態(tài)即保持磁通不變。這就是V/f控制的出發(fā)點(diǎn)。 在異步電動(dòng)機(jī)等效電路中，設(shè)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通用表示，那么可以看出，勵(lì)磁電流IM，感應(yīng)電勢E和氣隙磁通之間有如下關(guān)系 =MIM (2.1) E=j2fMIM=j2f (2.2) 因此，為了改變使氣隙磁通在整個(gè)調(diào)速過程中保持不變，只需在改變電源頻率f的同時(shí)改變感應(yīng)電動(dòng)勢E，使其滿足 E/f = 常值 (2.3) 即可。 但是，在電動(dòng)機(jī)的實(shí)際調(diào)速控制過程中，由于E為電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢，無法直接進(jìn)行檢測和控制，必須采用其他方法才能使式

35、(2.3) 得到滿足。 另一方面，從異步電動(dòng)機(jī)的等效電路還可以得知。 V = I1Z1+ E (2.4) 其中，Z1 = j2L1 +r1為定子阻抗。 因此，當(dāng)定子阻抗上的壓降與定子電壓相比很小時(shí)，由于VE，所以，只要控制電源電壓和頻率，使得 V/f = 常值 (2.5) 即可使式(2.3)近似得到滿足。 基于式(2.5)的變頻器被稱為采用了V/f控制方式的變頻器，簡稱為V/f控制變頻器。而與此相對應(yīng)，基于式(2.3)的變頻器那么被稱為E/f控制變頻器。很明顯，E/f控制變頻器的特性要優(yōu)于V/f控制變頻器。 初期的通用型變頻器根本上采用的是V/f控制方式。但是，由于在實(shí)際的電路中存在著定子阻抗

36、上的壓降，尤其是電動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢較小，定子阻抗上的壓降更不能忽略。因此，為了得到與E/f控制相近的特性，必須對這局部壓降進(jìn)行補(bǔ)償。為了改善V/f變頻器在低頻時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，使之得到與E/f控制變頻器相近的特性，各個(gè)廠家都在自己的產(chǎn)品中采取了不同的補(bǔ)償措施，以保證當(dāng)電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)域運(yùn)行是仍然能夠得到較大的輸出轉(zhuǎn)矩。這種補(bǔ)償也稱為變頻器的轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)功能或轉(zhuǎn)矩提升功能。 變頻器的轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)功能可以分為起始轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)功能和全范圍轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能。所謂起始轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)功能指的是在變頻器的低頻輸出區(qū)域按照某一規(guī)那么在變頻器的輸出電壓上加上一定的補(bǔ)償，從而到達(dá)提高輸出轉(zhuǎn)矩的目的。而在具有全范圍轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)

37、功能的變頻器中，電壓補(bǔ)償是在電動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行范圍中進(jìn)行的。 在具有全范圍轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器中，檢測電路對電動(dòng)機(jī)的電流和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，而CPU那么按照E/f一定的要求進(jìn)行計(jì)算后求出所需的壓降補(bǔ)償。這種控制方式更接近真正的E/f控制，并且在性能方面優(yōu)于只采用了簡單的起始轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)補(bǔ)償額變頻器。 由于E/f控制和V/f控制在控制原理上并無不同，這兩種控制方式通常統(tǒng)稱為V/f控制。 V/f控制變頻器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是，由于這種變頻器采用的是開環(huán)控制方式，其精度和動(dòng)態(tài)特性并不是十分理想，尤其是在低速區(qū)電壓調(diào)整比擬困難，難以的得到較大的調(diào)整范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對控制性能要求不太

38、高的通用變頻器。 在對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中人們發(fā)現(xiàn)，如果在對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制過程中能夠像控制直流電動(dòng)機(jī)那樣，用直接控制電樞電流的方法控制轉(zhuǎn)矩，那么就可以用異步電動(dòng)機(jī)來得到與直流電動(dòng)機(jī)同樣的靜、動(dòng)態(tài)特性。而轉(zhuǎn)差頻率就是這樣一種直接控制轉(zhuǎn)矩的方法。 從異步電動(dòng)機(jī)等效電路可以求得I2 = E/(r2/s)2 +2fL22 2.6 定義轉(zhuǎn)差頻率f為 Fs = sf 2.7 那么可以得到 I2 = E/f1/r2/fs2 +2L22 2.8 而轉(zhuǎn)矩那么由下式給出 T = mp/4(E/f)2fsr2/r22+2fsL22 2.9 從式 (2.9)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩頻率fs較小時(shí)，如果E/f =常數(shù),

39、那么電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩根本上與轉(zhuǎn)差fs成正比。異步電動(dòng)機(jī)的這個(gè)特征意味著，在進(jìn)行E/f控制的根底上，只要對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率fs進(jìn)行控制，就可以到達(dá)控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制方式的根本出發(fā)點(diǎn)。另一方面，對于異步電動(dòng)機(jī)來說，其定子電壓頻率fs以電動(dòng)機(jī)的實(shí)際頻率nn作為同步轉(zhuǎn)速時(shí)的電源頻率fn，以及轉(zhuǎn)差頻率fs三者的關(guān)系可以由 f = fn + fs 2.10 輸出。所以，在進(jìn)行E/f控制的根底上，只要知道了異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速nn對應(yīng)的電源頻率fn，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于某一轉(zhuǎn)差頻率fs0按照式(2.10)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率f，就可以使電動(dòng)機(jī)具有某一所需的轉(zhuǎn)差頻率fs0，即使電動(dòng)

40、機(jī)給出所需的輸出轉(zhuǎn)矩。而采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器正是按照上述原理進(jìn)行控制的。 此外，從式(2.8)還可以看出，當(dāng)E/f為一定時(shí)，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率還可以到達(dá)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流的目的。在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器中，上述特性被用于對象電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。這是因?yàn)椋灰軌蚩刂齐妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。使之不超過電動(dòng)機(jī)最大過載能力時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率，就可以限制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的最大電流，從而起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。因?yàn)樵诓捎棉D(zhuǎn)差頻率控制方式時(shí)需要檢測電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，所以需要在異步電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器。而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測由速度傳感器和變頻器控制電路中的運(yùn)算電路完成?？刂齐娐愤€將通過適當(dāng)?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測到的電動(dòng)機(jī)速

41、度產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率和其他的控制信號。此外，在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器中往往還加有電流負(fù)反響，對頻率和電流進(jìn)行控制，所以這種變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。 矢量控制的根本思想是認(rèn)為異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩為磁場和與其相垂直的電流的積，而異步電動(dòng)機(jī)的定子電流那么可以分為產(chǎn)生磁場的電流分量磁場電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)。因此，通過控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位即定子電流矢量，即可以分別對電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而到達(dá)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 目前在變頻器中得到實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制

42、的矢量控制方式和無速度檢測器的矢量控制方式兩種。 前面我們已經(jīng)提到，矢量控制的根本原理是通過控制電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值和相位即電流矢量，來分別對電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而到達(dá)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電流特性的目的. 從電流矢量圖可以看出，當(dāng)需要將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流從I2變?yōu)镮2時(shí)，在改變電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值，使得I1變?yōu)镮1的同時(shí)，還必須改變I1的相位，使得變?yōu)?，即必須對定子電流矢量進(jìn)行控制，才能保證轉(zhuǎn)矩電流的平穩(wěn)變化，而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式中，雖然通過對轉(zhuǎn)差頻率的控制到達(dá)了控制轉(zhuǎn)矩電流I2幅值的目的，但是，由于在這種控制方式中并沒有對電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制，在轉(zhuǎn)矩電流從I2變?yōu)镮2的過渡

43、過程中將存在一定的波動(dòng)，并造成電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng). 根據(jù)等效電路圖得知，定子電流I1、轉(zhuǎn)矩電流I2、勵(lì)磁電流IM三者之間有如下的關(guān)系 I1 = (I22 + IM2) 2.11 2fMIM = I2r2/s 2.12 由于轉(zhuǎn)差頻率定義為 fs = sf 所以從式2.12可得 fs = I2/2T2IM 2.13其中，T2 = M/r2為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路時(shí)間常數(shù)。 與轉(zhuǎn)差頻率控制方式相同，基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進(jìn)行E/f控制的根底上，通過檢測電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度得到與實(shí)際轉(zhuǎn)矩nn對應(yīng)的電源頻率fn，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩按照式2.13對變頻器的輸出頻率f進(jìn)行控制的，因此，二者的定常特性

44、相同。 但是，在基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式中，除了按照上述方式對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行定常狀態(tài)時(shí)的控制外，還要根據(jù) = arc tan(I2/Im) 2.14的條件對電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動(dòng)。 無速度傳感器的矢量控制方式是在磁場定位矢量控制方式的根底上開展而來的。雖然磁場定位矢量控制方式在理論上早已得到了驗(yàn)證，但由于實(shí)現(xiàn)這種控制方式時(shí)需要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝刺痛監(jiān)測裝置，一直未能得到推廣和應(yīng)用。因此，早期的矢量控制變頻器根本上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。但是，隨著傳感器技術(shù)的開展和現(xiàn)代控制理論在變頻調(diào)速技術(shù)中的應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動(dòng)機(jī)中直接

45、安裝磁通監(jiān)測裝置，也可以在變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。 無速度傳感器矢量控制方式的根本控制思想是：分別對作為根本控制量的勵(lì)磁電流或者磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測，并通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓的頻率使勵(lì)磁電流或者磁通和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值到達(dá)一致，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。 當(dāng)按照上述方式實(shí)現(xiàn)矢量控制時(shí)，就可以根據(jù)式2.15對電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行推算，從而實(shí)現(xiàn)無速度傳感器的矢量控制。 對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制是以電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部參數(shù)為前提，這點(diǎn)從式2.13即可得知。所以，對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制和進(jìn)行轉(zhuǎn)差頻率控制時(shí)一樣，除了必須準(zhǔn)確地檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速外

46、，還必須準(zhǔn)確掌握電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部參數(shù)M和r2并將這些參數(shù)輸入變頻器的控制算法。如果所掌握的參數(shù)值有誤差，那么電動(dòng)機(jī)的控制性能將直接受到影響。為了保證進(jìn)行矢量控制時(shí)變頻器控制算法中所得到的參數(shù)實(shí)際參數(shù)一致，在新型變頻器中通常都沒有參數(shù)自調(diào)整功能。但是，由于變頻器的參數(shù)自調(diào)整功能是在電動(dòng)機(jī)開始工作之前對電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，不能解決系統(tǒng)開始工作后由于溫度上升所造成的參數(shù)變化問題。例如，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的等效電阻r2就很容易受到溫度的影響而發(fā)生變化，而這種變化又將直接造成變頻器中控制參數(shù)的誤差和引起電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化。在某些情況下，當(dāng)溫度發(fā)生80左右的變化時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩甚至?xí)l(fā)生30左右的變化。為了解決上述

47、問題，通常采用在電動(dòng)機(jī)定子繞組中設(shè)置溫度檢測器件，并根據(jù)檢測結(jié)果對r2值進(jìn)行估算后進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?。而在希望得到更高的轉(zhuǎn)矩控制性能時(shí)，那么通常采用根據(jù)轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值之間的誤差對r2進(jìn)行修正的自適應(yīng)控制的方法。由于r2的設(shè)定值隨著溫度的增加而得到補(bǔ)償，保證了輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定。第三章 可編程控制器3.1 PLC的組成和根本工作原理3.1.1 PLC的組成 PLC的核心是微處理器，所以它的組成和計(jì)算機(jī)相似，由硬件和軟件兩大局部組成。 PLC硬件系統(tǒng)組成如圖3.1所示。 圖3.1 PLC的硬件系統(tǒng)組成1中央處理器單元 微處理器：PLC的核心，它的主要任務(wù)有：自診斷PLC內(nèi)部電路故障和編程語法錯(cuò)誤

48、；和外部設(shè)備變頻器。打印機(jī)、上位計(jì)算機(jī)等通訊處理；掃描輸入裝置狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入印象存放器；在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，按順序逐條執(zhí)行用戶程序，根據(jù)執(zhí)行結(jié)果更新有關(guān)的存放器和輸出印象存放器；將與輸出相關(guān)的數(shù)據(jù)存放器和輸出印象存放器的內(nèi)容送給輸出電路。存儲(chǔ)器：用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序級運(yùn)行數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的類型如圖3.2所示。 微處理器I/O接口：負(fù)責(zé)微處理器及存儲(chǔ)器與外部設(shè)備的信息交換。2輸入/輸出接口 輸入/輸出接口是PLC與外界輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行連接的接口電路。外設(shè)輸入到PLC的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作接鈕、行程開關(guān)以及一些傳感器的輸出的開關(guān)量等，通過輸入接口轉(zhuǎn)化成中央處理器單元能接收到的

49、信號，中央處理器單元輸出的弱電控制信號通過輸出接口變?yōu)殡姶砰y、接觸器等執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)信號。關(guān)量輸入接口電路 直流輸入接口電路 如圖3.3所示途中只畫出了一個(gè)輸入端口電路，R1、R2為分壓電阻，C為濾波電容，T為光電耦合器。IN為輸入端，COM為輸入公共端。當(dāng)輸入端開關(guān)S閉合時(shí)，光電耦合器T導(dǎo)通，TTL高電平信號送PLC內(nèi)部電路。它為DC12-24V直流輸入接口電路。圖3.3 直流輸入接口電路 交流輸入接口電路 如圖3.4所示，C為隔直電容。當(dāng)輸入端開關(guān)S閉合，雙向光電耦合器T導(dǎo)通，TTL高電平信號送PLC內(nèi)部電路。它為交流100-200或者200-240V交流輸入接口電路。 交、直流輸入接口電

50、路 如圖3.5所示，和直流輸入接口電路有些相似，它為交、直流12-24V輸入接口。圖3.5 交、直流輸入接口電路 上述三種輸入電路都采用了光電耦合電路，由于外部輸入信號是通過光電耦合送到PLC內(nèi)部電路，沒有電路上的連接，所以具有抗干擾能力。 開關(guān)量輸出接口電路 晶體管直流輸出接口電路 如圖3.6所示圖中只畫出了一個(gè)輸出電路，虛線框內(nèi)為PLC內(nèi)部電路，框外為輸出端與負(fù)載的聯(lián)線。晶體管輸出接口電路只是用于直流負(fù)載為感性時(shí)，需要在負(fù)載兩端并聯(lián)釋放電路。 圖3.6 晶體管直流輸出接口電路 晶閘管交流輸出接口電路 如圖3.7所示圖中只畫出了一路輸出電路，當(dāng)內(nèi)部電路有輸出時(shí)，固態(tài)繼電器的晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)內(nèi)部

51、電路取消輸出，晶閘管在下半周期關(guān)斷，所以晶閘管輸出接口電路只適用于交流負(fù)載。 圖3.7 晶閘管交流輸出接口電路 繼電器交、直流輸出接口電路 如圖3.8所示，繼電器輸出接口電路本身有隔離的功能，當(dāng)內(nèi)部有輸出時(shí)，相應(yīng)的繼電器吸合，使外部負(fù)載電路接通。繼電器輸出接口適用交、直流。當(dāng)用于交流時(shí)。負(fù)載兩端并聯(lián)阻容吸收；當(dāng)用于直流時(shí)，負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。圖3.8 繼電器交、直流輸出接口電路3電源 PLC一般使用220V單相交流電源，也有的使用24V直流電源。電源部件將外接電源轉(zhuǎn)換為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路工作所需的5V直流電源。對于交流220V的小型整體式PLC，其內(nèi)部有一個(gè)開關(guān)電源，此電源一

52、方面為PLC內(nèi)部電路提供5V工作電源，另一方面可為外部輸入元件提供直流24V電源。對于組合式PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊。 4I/O擴(kuò)展電路 小型PLC的輸入輸出接口是與中央處理器單元CPU集成在一起的，為了滿足被控制設(shè)備輸入輸出接口點(diǎn)數(shù)較多的要求，常需要擴(kuò)展數(shù)字量輸入輸出模塊；為了滿足模擬量控制要求，需要擴(kuò)展模擬量輸入輸出模塊，如A/D、D/A。 5通訊接口 用于與觸摸屏等人機(jī)界面、上位PC機(jī)、其它PLC、打印機(jī)等外部設(shè)備通訊的接口。 6編程器 編程器一種是專用編程器，如手持式或臺(tái)式專用編程器。另一種編程器是基于個(gè)人電腦加編程軟件和監(jiān)控軟件的編程系統(tǒng)。 PLC軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和用戶軟件兩大

53、局部。 系統(tǒng)軟件PLC制造商編寫的，固化在PLC內(nèi)的ROM中，用以控制 PLC本身的運(yùn)作。 軟件 用戶程序PLC使用者編寫的，用于實(shí)現(xiàn)具體控制任務(wù)的。 系統(tǒng)管理程序 1系統(tǒng)程序 用戶指令解釋程序 供程序調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊 運(yùn)行時(shí)需分配管理何時(shí)輸入？何時(shí)輸出？何時(shí)執(zhí)行 系統(tǒng)管理 用戶程序？何時(shí)通訊？何時(shí)自檢？ 程序功能 存儲(chǔ)空間分配管理將用戶使用的數(shù)據(jù)參數(shù)、存儲(chǔ)地址 化為實(shí)際的物理地址。 系統(tǒng)自檢測內(nèi)部電路故障、用戶程序語法錯(cuò)誤。警戒 時(shí)鐘等。 用戶指令解釋程序?qū)⒂脩糁噶钭兂蓹C(jī)器語言二進(jìn)制機(jī)器碼。 供程序調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)程序模塊由不同功能的各種程序塊組成，如輸入輸出處理、PID運(yùn)算、高速計(jì)數(shù)等。 2用

54、戶程序 用戶程序是用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求、使用PLC生產(chǎn)廠家提供專用編程語言而自行編制的應(yīng)用程序。PLC提供梯形圖LAD、指令表STL、功能圖塊SFC編程語言。3.1.2 PLC的根本工作原理 PLC雖然具有與微機(jī)相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但它的工作方式與微機(jī)不同。微機(jī)一般是等待命令的工作方式，如鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，當(dāng)有鍵按下或I/O動(dòng)作那么轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無鍵按下那么繼續(xù)掃描。 PLC那么采用循環(huán)掃描的工作方式，整個(gè)工作過程可分為5個(gè)階段：自診斷，通訊處理，掃描輸入，執(zhí)行程序，刷新輸出，其工作過程如圖3.9所示。 開始 自診斷 通訊處理 掃描輸入 執(zhí)行程序刷新輸出圖3.9 P

55、LC工作過程診斷 每次掃描程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為I/O局部、存儲(chǔ)器、CPU等，假設(shè)發(fā)現(xiàn)異常，那么停機(jī)，并顯示出錯(cuò)；假設(shè)正常，那么繼續(xù)向下掃描。 通訊處理 PLC檢查通訊接口的外設(shè)，如編程器、計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面等是否有通訊請求，如有那么進(jìn)行通訊處理。然后進(jìn)入下一步。 掃描輸入 PLC的中央處理器對各個(gè)輸入端進(jìn)行掃描，并將輸入狀態(tài)送到輸入印像存放器。 執(zhí)行程序 如果PLC處于運(yùn)行狀態(tài)，中央處理器CPU將逐條執(zhí)行用戶指令程序，記按程序要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算，再將接過送到狀態(tài)存放器中。 刷新輸出 當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢后，將輸出印象存放器中所有的輸出存放器狀態(tài)送到輸出鎖存器中

56、，通過一定輸出電路驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 PLC經(jīng)過這5個(gè)過程，稱為一個(gè)掃描周期，一個(gè)掃描周期完成后，又重新執(zhí)行上述過程，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。 2. PLC的工作過程 輸入采樣階段 掃描輸入端子，將各輸入狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入印象存放器中，此時(shí)輸入印象存放器被刷新，其值保持到下一個(gè)掃描周期。 執(zhí)行程序階段 PLC根據(jù)從左到右，先上后下的順序掃描原那么，逐點(diǎn)掃描。逐條執(zhí)行用戶程序，并將執(zhí)行的結(jié)果存入元件映像存放器。 刷新輸出階段 在所有的指令執(zhí)行完之后，將元件映像存放器中所有與輸出相關(guān)的存放器狀態(tài)送給輸出存放器。 從上面的工作過程可以看出，PLC控制系統(tǒng)是以反復(fù)掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序

57、，任意時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，是“串行的工作方式的，這也是PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的重要區(qū)別之一，繼電器控制系統(tǒng)是按“并行的方式工作的，也就是說是按同時(shí)執(zhí)行的工作方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個(gè)電器同時(shí)工作。 總之，循環(huán)掃描、分別工作是PLC控制系統(tǒng)工作的特點(diǎn)。3.2 PLC的特點(diǎn)及分類3.2.1 PLC的特點(diǎn) PLC是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)、性能、功能及編程手段等方面有獨(dú)到的特點(diǎn)。 1在結(jié)構(gòu)上具有模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。根本單元和功能齊全的擴(kuò)展模塊均可按積木式組合，有利于維護(hù)和功能的擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)簡單便于安裝。 2在性能上具有可靠性。PLC的平均無故障運(yùn)行時(shí)間為5-10萬小時(shí)，通

58、過良好的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、抗干擾技術(shù)的使用、先進(jìn)電源技術(shù)的采用，以及監(jiān)控、故障診斷等技術(shù)的采用，同時(shí)配以嚴(yán)格的制造工藝，使PLC在工業(yè)環(huán)境中可靠的工作。 3在功能上可進(jìn)行開關(guān)邏輯控制、閉環(huán)過程控制、位置控制、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控、多PLC分布式控制等功能。適用于機(jī)械、冶金、化工、輕工、效勞和汽車等行業(yè)的工程領(lǐng)域。 4在編程手段上直觀、簡單、方便，易于各行各業(yè)的工程技術(shù)人員掌握。 1按I/O點(diǎn)數(shù)和功能分小型PLC總點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下，以開關(guān)量控制為主。用戶程序存儲(chǔ)容量在4K左右?，F(xiàn)在高性能的小型PLC具有一定的通訊能力。這類PLC的價(jià)格低廉，體積小，適用于單臺(tái)設(shè)備開發(fā)。典型的機(jī)型有歐姆龍的CP

59、M2A系列，三菱公司的FX系列，西門子公司的S7-200系列等。 中型PLC 總點(diǎn)數(shù)在256-1024之間的稱為中型機(jī)，用戶程序存儲(chǔ)容量在4K左右。它除了具有邏輯、模擬量控制功能外，還具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、通訊功能和模擬量處理能力，如PID調(diào)節(jié)，浮點(diǎn)運(yùn)算等。典型的機(jī)型有歐姆龍的CH200系列，西門子公司的S7-300系列等。適用于溫度、壓力、流量、速度等過程控制的場所。 大型PLC 總點(diǎn)數(shù)大于1024點(diǎn)，具有計(jì)算、控制、調(diào)節(jié)等功能，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通訊能力，CRT顯示，用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制、工廠自動(dòng)化控制和集散控制系統(tǒng)。典型的機(jī)型有西門子公司的S7-400系列，歐姆龍的CVMI和CSI系列，A

60、B公司的SLC5/05系列等。 隨著PLC技術(shù)的飛速開展，某些小型PLC也具有中型機(jī)和大型機(jī)的功能，這也是PLC開展的趨勢。 2按結(jié)構(gòu)形式分 整體式結(jié)構(gòu) 整體式結(jié)構(gòu)的PLC是將中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通訊接口、I/O擴(kuò)展接口等組裝在一個(gè)箱體內(nèi)，如圖3.10所示。 圖3.10 整體式PLC組成示意圖 組合式結(jié)構(gòu) 組合式結(jié)構(gòu)的PLC是將中央處理器單元CPU、存儲(chǔ)器、輸入單元、智能單元、通訊單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊間通過總線底板連接。如圖3.11所示。 圖3.11 組合式PLC組成示意圖第四章 變頻器與PLC在運(yùn)料小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1 運(yùn)料小車系統(tǒng)