現(xiàn)代電氣控制技術(shù)課件

第11章現(xiàn)代電氣、電機(jī)控制技術(shù)11.1PLC控制技術(shù)11.2異步電動機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)11.3交流伺服技術(shù)思考題與習(xí)題2025/2/25111.1PLC控制技術(shù)11.1.1可編程控制器概述可編程邏輯控制器簡稱PLC，是20世紀(jì)70年代以來在繼電—接觸器控制系統(tǒng)中引入微型計算機(jī)控制技術(shù)后發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設(shè)備。它的引入避免了繼電器控制系統(tǒng)的下列缺點：2025/2/252

（1）硬接線電路的故障率高。（2）電器觸頭的使用壽命有限。（3）診斷、排除故障的速度慢。（4）以硬接線實現(xiàn)控制邏輯，當(dāng)控制邏輯需要修改時難于改動接線。

PLC產(chǎn)品以軟件控制取代了常規(guī)電氣控制系統(tǒng)中的硬件控制，具有功能強(qiáng)，可靠性高，配置靈活，使用方便，體積小，重量輕等優(yōu)點，目前已在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域獲得廣泛使用，成為工業(yè)控制的支柱產(chǎn)品。

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國際電工委員會（IEC）對可編程控制器的定義是：可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出來控制各類機(jī)械的生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。2025/2/254

現(xiàn)代可編程控制器產(chǎn)品具有如下技術(shù)特點：（1）高可靠性與高抗干擾能力。PLC產(chǎn)品是專為工業(yè)控制環(huán)境設(shè)計的，機(jī)內(nèi)采取了一系列抗干擾措施，其平均無故障時間可高達(dá)4～5萬小時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過采用硬接線的繼電—接觸器控制系統(tǒng)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的計算機(jī)控制系統(tǒng)。PLC產(chǎn)品在軟件設(shè)計上采取了循環(huán)掃描、集中采樣、集中輸出的工作方式，設(shè)置了多種實時監(jiān)控、自診斷、自保護(hù)、自恢復(fù)程序；在硬件設(shè)計上采用了屏蔽、隔離、濾波、聯(lián)鎖等抗干擾電路結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的模塊化。PLC適應(yīng)于惡劣的工業(yè)環(huán)境，這是它優(yōu)于普通微機(jī)控制系統(tǒng)的首要特點。2025/2/255

（2）通用、靈活、方便。PLC作為專用微機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，采用了標(biāo)準(zhǔn)化的通用模塊結(jié)構(gòu)，其I/O電路又采用了足夠的抗干擾設(shè)計，既可以使用模擬量，也可以使用開關(guān)量，現(xiàn)場信號可以直接接入，用戶不需要進(jìn)行硬件的二次開發(fā)，控制規(guī)模又可以根據(jù)控制對象的信號數(shù)量與所需功能進(jìn)行靈活方便的模塊組合，具有接線簡單，使用、維護(hù)十分方便的優(yōu)點。2025/2/256

（3）編程簡單，易于掌握。這是PLC產(chǎn)品優(yōu)于普通微機(jī)控制系統(tǒng)的另一個特點?？删幊炭刂破鞯某绦蚓帉懸话悴恍枰呒壵Z言，其通常使用的梯形圖語言類似于繼電器控制原理圖，使未掌握專門計算機(jī)知識的現(xiàn)場工程技術(shù)人員也可以很快熟悉和使用，這種面向問題和控制過程的編程語言直觀、清晰、修改方便且易于掌握。當(dāng)然，不同機(jī)型PLC在編程語言上是多樣化的，但同一檔次不同機(jī)型的控制功能可以十分方便地相互轉(zhuǎn)換。2025/2/257

（4）開發(fā)周期短。設(shè)計一套常規(guī)繼電器控制系統(tǒng)需順序進(jìn)行電路設(shè)計、安裝接線、邏輯調(diào)試三個步驟，只有進(jìn)行完前一步才能進(jìn)入下一步，開發(fā)周期長，線路修改困難，工程越大這一缺點就越明顯。而使用PLC完成一套電氣控制系統(tǒng)，只要電氣總體設(shè)計完成，I/O點分配完畢，軟件設(shè)計模擬調(diào)試與硬件設(shè)計施工就可以同時分別進(jìn)行。在軟件調(diào)試方面，控制程序可以反復(fù)修改；在硬件施工方面，安裝接線只涉及輸入和輸出裝置，不涉及復(fù)雜的繼電器控制線路，硬件投資較少，故障率低。在軟、硬件分別完成之后的正式調(diào)試中，控制邏輯的修改也僅涉及軟件修改，大大縮短了開發(fā)周期。2025/2/258

（5）功能強(qiáng)，體積小，重量輕。由于PLC產(chǎn)品是以微型計算機(jī)為核心的，所以具有許多計算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。以日本三菱公司的FX2N-32MR小型可編程控制器為例，該PLC的外型尺寸是87mm×40mm×90mm，重量0.65kg，內(nèi)部包含各類繼電器3228個，狀態(tài)寄存器1000個，定時器256個，計數(shù)器241個，數(shù)據(jù)寄存器8122個，耗電量為150W，其應(yīng)用指令包括程序控制、傳送比較、四則邏輯運算、移位、數(shù)據(jù)（包括模擬量）處理等多種功能，指令執(zhí)行時間為每步小于0.1μs，無論在體積、重量上，還是在執(zhí)行速度、控制功能上，都是常規(guī)繼電器控制系統(tǒng)所無法相比的。2025/2/259PLC產(chǎn)品按I/O點數(shù)和存儲容量可分為小型、中型和大型PLC三個等級。小型PLC的I/O點數(shù)在256點以下，存儲容量為2k步，具有邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，目前的小型PLC產(chǎn)品也具有算術(shù)運算、數(shù)據(jù)通信和模擬量處理功能。中型PLC的I/O點數(shù)在256～2048點之間，存儲容量為2～8k步，具有邏輯運算、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷、數(shù)據(jù)通信、模擬量處理等功能，用于多種開關(guān)量、多通道模擬量或數(shù)字量與模擬量混合控制的復(fù)雜控制系統(tǒng)。2025/2/2510

大型PLC的I/O點數(shù)在2048點以上，存儲容量達(dá)8k步以上，具有邏輯運算、算術(shù)運算、模擬量處理、聯(lián)網(wǎng)通信、監(jiān)視記錄、打印等功能，有中斷、智能控制、遠(yuǎn)程控制能力，可完成大規(guī)模的過程控制，也可構(gòu)成分布式控制網(wǎng)絡(luò)，完成整個工廠的網(wǎng)絡(luò)化自動控制。2025/2/251111.1.2PLC的基本組成與功能

PLC實質(zhì)上是一種為工業(yè)控制而設(shè)計的專用微機(jī)控制系統(tǒng)，因此其硬件結(jié)構(gòu)與微型計算機(jī)控制系統(tǒng)相似，但輸入、輸出電路要求具有更強(qiáng)的抗干擾能力。一套可編程控制器在硬件上由基本單元（主機(jī)）、I/O擴(kuò)展單元及外圍設(shè)備組成，通過各自的端口連成一個整體。圖11-1為PLC的硬件結(jié)構(gòu)圖。2025/2/2512圖11-1PLC的硬件結(jié)構(gòu)圖2025/2/25131．PLC基本單元

PLC基本單元是以CPU為核心的一臺工業(yè)控制專用微機(jī)系統(tǒng)，主要由CPU、存儲器和I/O接口電路組成。

CPU的功能是：（1）接收編程器、PC機(jī)或其他外圍設(shè)備輸入的用戶程序、數(shù)據(jù)等信息。（2）掃描接收現(xiàn)場輸入信號，并存入指定內(nèi)部繼電器或寄存器。（3）讀取、解釋用戶程序，執(zhí)行用戶控制程序，獲得正確的邏輯運算或算術(shù)運算結(jié)果。2025/2/2514

（4）更新有關(guān)的內(nèi)部繼電器或寄存器，并將運算結(jié)果傳送至輸出電路，以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的準(zhǔn)確動作控制。（5）如需輸出打印或狀態(tài)監(jiān)控，還需將有關(guān)信息傳送至外圍設(shè)備。不同檔次的PLC產(chǎn)品內(nèi)部使用的CPU芯片差異較大，三菱公司FX2系列小型PLC使用的微處理器是16位8096單片機(jī)，美國AB公司的PLC-3型大型PLC采用的微處理器是ADM-2900高速芯片。2025/2/2515

存儲器的功能是：（1）系統(tǒng)存儲器（ROM區(qū)）用于儲存PLC產(chǎn)品生產(chǎn)廠編寫的各種系統(tǒng)工作程序，用戶不能更改或調(diào)用。（2）用戶存儲器（RAM區(qū)）用來儲存用戶編寫的控制程序和用戶數(shù)據(jù)，該區(qū)域用戶可讀可寫，可隨意增加或刪減。在PLC中一般采用鋰電池對用戶程序進(jìn)行掉電保護(hù)（一般能保持5～10年，經(jīng)常帶負(fù)載可保存2～5年）。2025/2/2516I/O接口電路的功能是：（1）輸入接口電路的作用是將來自現(xiàn)場設(shè)備的輸入信號通過電平變換、速度匹配、信號隔離和功率放大，轉(zhuǎn)換成可供CPU處理的標(biāo)準(zhǔn)電平信號。圖11-2為PLC產(chǎn)品中常見的一種直流24V傳感器輸入電路。如輸入器件為按鈕、開關(guān)類無源器件，+24V端子仍需接24V電源，但輸入按鈕或開關(guān)則可直接連在輸入端子和COM端之間，電路更為簡單。只要程序運行，PLC內(nèi)部就可以識別輸入端子和COM之間的通或斷。2025/2/2517圖11-2直流24V輸入電路2025/2/2518

（2）輸出接口電路的作用是將CPU的程序運行結(jié)果經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換、隔離和功率放大，轉(zhuǎn)換成能帶一定負(fù)載的具體的輸出狀態(tài)?；締卧系妮敵鲂盘栆话銥殚_關(guān)量，輸出接口電路分繼電器輸出型、晶體管輸出型和晶閘管輸出型三種，如圖11-3所示。2025/2/2519

圖11-3PLC的輸出接口電路(a)繼電器輸出型；(b)晶體管輸出型；(c)晶閘管輸出型2025/2/25202．PLC的擴(kuò)展單元每個系列的PLC產(chǎn)品都有一系列與基本單元相匹配的擴(kuò)展單元，以便根據(jù)所控制對象的控制規(guī)模大小來靈活組成電氣控制系統(tǒng)。擴(kuò)展單元內(nèi)部不配備CPU和存儲器，僅擴(kuò)展輸入/輸出電路，各擴(kuò)展單元的輸入信息經(jīng)擴(kuò)展連接電纜進(jìn)入主機(jī)總線，由主機(jī)的CPU統(tǒng)一處理，執(zhí)行程序后，需要輸出的信息也由擴(kuò)展連接電纜送至各擴(kuò)展單元的輸出電路。PLC處理模擬量輸入/輸出信號時，要使用模擬量擴(kuò)展單元，這時的輸入接口電路為A/D轉(zhuǎn)換電路，輸出接口電路為D/A轉(zhuǎn)換電路。2025/2/25213．PLC的外圍設(shè)備小型PLC最常用的外圍設(shè)備是編程器和PC機(jī)。編程器的功能是完成用戶程序的編制、編輯、輸入主機(jī)、調(diào)試和執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控，是PLC系統(tǒng)故障分析和診斷的重要工具。PLC的編程器主要由鍵盤、顯示屏、工作方式選擇開關(guān)和外存儲器接口等部件組成，按功能可分為簡易型和智能型兩大類。以三菱FX2N系列PLC為例，它可以使用手持式簡易編程器FX2N-20P-E-SETO編程，也可以使用更高級的智能型圖形編程器GP-80FX-E來編程，后者的功能更強(qiáng)，但價格更高。2025/2/2522

由于PLC產(chǎn)品一般在程序調(diào)試或需要監(jiān)控時才插上編程器，當(dāng)電氣控制系統(tǒng)正常運行時不必使用編程器，所以目前對PLC編程在許多場合采用了個人電腦（裝載專用編程軟件）加PC-PLC專用連接電纜，而不使用專用編程器的編程方法，即用計算機(jī)鍵盤通過屏幕對話完成圖形編程、圖形顯示、通信聯(lián)網(wǎng)、修改調(diào)試、輸出打印等任務(wù)。目前各PLC公司均開發(fā)有相應(yīng)的編程軟件，另外，利用個人電腦還可以運行更多的工業(yè)控制軟件。2025/2/2523

圖11-4為三菱FX2N小型PLC產(chǎn)品主機(jī)及擴(kuò)展單元示意圖。圖中FX2N-32MR為基本單元，帶有32個I/O點（16入16出），M表示主機(jī)，R表示該單元為繼電器輸出型；FX2N-32ER為32點開關(guān)量擴(kuò)展單元，E表示該單元為擴(kuò)展單元；FX2N-2AD為兩路模擬量輸入擴(kuò)展單元；FX2N-2DA為兩路模擬量輸出擴(kuò)展單元。PLC產(chǎn)品的擴(kuò)展單元種類很多，擴(kuò)展單元的功能及與主機(jī)的配合細(xì)節(jié)可查閱有關(guān)手冊。2025/2/2524圖11-4三菱FX2N小型PLC產(chǎn)品示意圖2025/2/252511.1.3PLC的性能規(guī)格與內(nèi)部資源

1．PLC的性能規(guī)格

FX2N系列PLC的性能規(guī)格如表11-1所示。

2．PLC的內(nèi)部資源各種不同型號和檔次的PLC具有不同數(shù)量和功能的內(nèi)部資源，但構(gòu)成PLC基本特征的內(nèi)部軟元件是類似的?，F(xiàn)以FX2N系列小型PLC為例，介紹PLC的內(nèi)部資源。2025/2/2526表11-1FX2N系列PLC的性能規(guī)格

項目

性能規(guī)格運算控制方式

存儲程序反復(fù)運算方式、中斷命令輸入／輸出控制方式

批處理方式(執(zhí)行END指令時)，但是有I／O刷新指令程序語言

繼電器符號+步進(jìn)梯形圖方式(可用SFC表示)最大存儲容量16k步(含注釋文件寄存器最大16k)，有鍵盤保護(hù)功能

程序存儲器內(nèi)置存儲器容量8k步RAM(內(nèi)置鋰電池后備)，電池壽命約5年，使用RAM卡盒約3年

可選存儲卡盒RAM8k(也可配16k)／EEPR()M，8k／16k／EPROM8k(也可配16k)步不能使用帶有實時鎖存功能存儲卡盒2025/2/2527

項目

性能規(guī)格

指令種類順控步進(jìn)梯形圖

順控指令27條，步進(jìn)梯形圖指令2條應(yīng)用指令128種，298個

運算處理速度基本指令0．08／us／指令應(yīng)用指令l.52～數(shù)100us／指令擴(kuò)展并用時輸入點數(shù)X000～X267184點(8進(jìn)制編號)輸入輸出點數(shù)擴(kuò)展并用時輸出點數(shù)Y000～Y267184點(8進(jìn)制編號)擴(kuò)展并用時總點數(shù)256點2025/2/25282025/2/25292025/2/25302025/2/2531(1)輸入觸點X。FX2N的基本單元中的輸入點按照X000～X007，X010～X017…這樣的八進(jìn)制格式進(jìn)行編號。擴(kuò)展單元的輸入點則接著基本單元的輸入點順序進(jìn)行編號。來自現(xiàn)場設(shè)備的外部輸入信號與硬件上的輸入點一一對應(yīng)，被PLC掃描讀入后，存入輸入映像寄存器，表現(xiàn)為程序可多次調(diào)用的輸入觸點狀態(tài)。輸入觸點X的基本功能是可以讀取外部輸入信號的狀態(tài)。2025/2/2532(2)輸出繼電器Y。FX2N的基本單元中的輸出點按照Y000～Y007，Y010～Y017…這樣的八進(jìn)制格式進(jìn)行編號。擴(kuò)展單元的輸出點也接著基本單元的輸出點順序進(jìn)行編號。PLC運行時，要接受各路X的輸入狀態(tài)，運行控制程序，然后將運行結(jié)果傳送至輸出繼電器Y進(jìn)行輸出，因此，所有輸出繼電器都對應(yīng)一個硬件上的輸出信號，用來驅(qū)動PLC的各路負(fù)載。輸出繼電器Y的基本功能是可以在用戶程序的控制下改變負(fù)載的狀態(tài)。2025/2/2533(3)內(nèi)部繼電器M。在可編程控制器內(nèi)部可多次使用，但不能輸出的繼電器叫做內(nèi)部繼電器或輔助繼電器。內(nèi)部繼電器與輸出繼電器的不同是它只在程序中使用，既不能直接讀取外部輸入狀態(tài)，也不能直接驅(qū)動外部負(fù)載。內(nèi)部繼電器M在程序中的作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的中間繼電器，其功能是在程序中用于中間狀態(tài)暫存、移位、輔助運算或賦予特別用途。PLC的內(nèi)部繼電器分普通型（一般用）、掉電保持型（保持用）和賦予特殊用途型（特殊用）三類。2025/2/2534

普通型繼電器在斷電或停止運行時線圈將失電，機(jī)內(nèi)不記憶停電瞬間的狀態(tài)，再來電時從失電狀態(tài)開始執(zhí)行程序。FX2N系列PLC中，普通型內(nèi)部繼電器按十進(jìn)制編號，從M0～M499共500個。掉電保持型繼電器在斷電或停止運行時，機(jī)內(nèi)（用鋰電池）記憶停電瞬間的狀態(tài)，再來電時恢復(fù)停電瞬間的狀態(tài)，從此時狀態(tài)開始執(zhí)行程序。FX2N系列PLC中，掉電保持型內(nèi)部繼電器按十進(jìn)制編號，從M500～M1023共524個。2025/2/2535

賦予特殊用途的內(nèi)部繼電器有兩類，第一類信號由PLC的系統(tǒng)程序自動產(chǎn)生，用戶編程時可調(diào)用其觸點。如特殊繼電器M8000的功能是在程序RUN時保持ON狀態(tài)；M8002的功能是在程序RUN的第一個周期產(chǎn)生一個脈沖寬度為一個掃描周期（即一個程序執(zhí)行周期）的脈沖輸出，供用戶初始化使用；M8011～M8014的功能是提供10ms、100ms、1s、1min的周期性脈沖輸出等。第二類信號由PLC的用戶程序驅(qū)動，用戶編程時可置位其線圈。如程序置位M8033，則程序停止運行時輸出會保持；如程序置位M8034，則PLC的輸出全被禁止。2025/2/2536

（4）狀態(tài)寄存器S。狀態(tài)寄存器是用于步進(jìn)順序控制時表達(dá)工序號的繼電器。FX2N系列PLC中，狀態(tài)寄存器S按十進(jìn)制編號，從S0～S999共1000點，其中S0～S9供初始狀態(tài)使用，S10～S19供返回原點使用，S20～S499為普通型，S500～S899為斷電保持型，S900～S999供報警使用。狀態(tài)寄存器不作工序號使用時，可作為內(nèi)部繼電器使用。2025/2/2537(5)定時器T。定時器將可編程控制器內(nèi)的1ms、10ms、100ms等時鐘脈沖進(jìn)行加法計數(shù)，當(dāng)它達(dá)到規(guī)定的設(shè)定值時，其輸出點就工作。定時器利用內(nèi)部時鐘脈沖的可測量范圍為0.001～3276.7s。FX2N系列PLC中的定時器按十進(jìn)制編號，從T0～T255共256個，其中T0～T199是100ms普通定時器，當(dāng)定時線圈的驅(qū)動輸入變?yōu)镺FF時，當(dāng)前值不保持，線圈再得電時計數(shù)從零開始，這些定時器中，只有T192～T199可以用在子程序和中斷子程序中；2025/2/2538T200～T245為10ms普通定時器；T246～T249是10ms累積定時器，其當(dāng)前值為累積數(shù)，所以，當(dāng)定時線圈的驅(qū)動輸入為OFF時，當(dāng)前值被保持，作為累積操作使用；T250～T255是100ms累積定時器。2025/2/2539(6)計數(shù)器C。計數(shù)器的計數(shù)方式分為向上計數(shù)或向下計數(shù)，向上計數(shù)在線圈得電時從零開始對被計脈沖計數(shù)，計到預(yù)置值時觸點動作；向下計數(shù)則是在線圈得電時從預(yù)置值開始計數(shù)，計到零時觸點動作。FX2N系列PLC中的計數(shù)器按十進(jìn)制編號，從C0～C255共256個，其中C0～C99是16位向上計數(shù)的普通計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)線圈的驅(qū)動輸入變?yōu)镺FF時，當(dāng)前值不保持，線圈再得電時計數(shù)從頭開始；C100～C199是16位向上計數(shù)的斷電保持型計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)線圈的驅(qū)動輸入為OFF時，當(dāng)前值將被保持，線圈再得電時計數(shù)從原計數(shù)值開始，16位向上計數(shù)的范圍為1～32767；2025/2/2540C200～C219是32位可逆計數(shù)的普通計數(shù)器；C220～C234是32位可逆計數(shù)的斷電保持型計數(shù)器，32位可逆計數(shù)的范圍為-2147483648～+2147483648。這些計數(shù)器是可編程控制器的內(nèi)部信號用的，其應(yīng)答速度通常為數(shù)10Hz以下；其余的C235～C255計數(shù)器均為高速計數(shù)器，這些計數(shù)器直接對來自外部的高速脈沖（例如來自光電編碼器、光電編碼盤、光柵等）進(jìn)行32位可逆計數(shù)，其輸入脈沖可以由輸入點X000～X007輸入，計數(shù)值不受可編程控制器的運算控制，最高計數(shù)頻率為60kHz。2025/2/2541(7)數(shù)據(jù)寄存器D、V、Z。數(shù)據(jù)寄存器是存儲數(shù)值數(shù)據(jù)的元件。FX2N系列PLC中的數(shù)據(jù)寄存器全是16位的（最高位為正負(fù)位），用兩個寄存器組合就可以處理32位（最高位為正負(fù)位）數(shù)值，數(shù)值范圍可參考“計數(shù)器”的相關(guān)說明。D寄存器按十進(jìn)制編號，從D0～D8195共8196個，其中D0～D199是通用數(shù)據(jù)寄存器，D200～D511是斷電保持的數(shù)據(jù)寄存器，D512～D7999是斷電保持的專用數(shù)據(jù)寄存器，D8000～D8195是已被系統(tǒng)程序賦予了特殊用途的數(shù)據(jù)寄存器。數(shù)據(jù)寄存器之中還有尋址用的V、Z寄存器，范圍從V0～V7，Z0～Z7，共16點。2025/2/2542(8)常數(shù)與指針。PLC程序中使用常數(shù)數(shù)值時，K表示十進(jìn)制整數(shù)值，H表示十六進(jìn)制數(shù)值。PLC程序中指針有分支用和中斷用兩種。分支指針P用于指定條件跳轉(zhuǎn)或子程序調(diào)入地址。中斷指針I(yè)用于指定輸入中斷、定時中斷、計數(shù)中斷的中斷子程序。2025/2/254311.1.4PLC的基本指令編程法

PLC是一套專用的微型計算機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有繼電器、定時器、計數(shù)器或其他內(nèi)部電子器件的功能，低端用戶不需要學(xué)習(xí)高級的計算機(jī)語言，只要采用簡單的類似于繼電器電路的梯形圖語言就可以編制控制程序，指令系統(tǒng)容易掌握。而將編程器或PC機(jī)與PLC主機(jī)相連，又可方便地把梯形圖送入PLC內(nèi)存并進(jìn)行運行狀態(tài)監(jiān)控，所以操作使用也十分簡便。2025/2/2544PLC在運行狀態(tài)，采用周期循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序，一個用戶程序的掃描周期由三個階段構(gòu)成：（1）輸入采樣階段。本階段檢測每個輸入觸點的狀態(tài)（通為“1”，斷為“0”），然后順序存入輸入映像寄存器。（2）程序執(zhí)行階段。對用戶梯形圖程序按先左后右、從上到下的順序，逐句執(zhí)行指令，包括從輸入映像寄存器和各種內(nèi)部寄存器中讀取狀態(tài)和數(shù)據(jù)，完成程序要求的運算和把結(jié)果寫入有關(guān)內(nèi)部寄存器或輸出繼電器。2025/2/2545

（3）輸出刷新階段。將輸出繼電器狀態(tài)輸出至輸出鎖存器，經(jīng)隔離、功放、輸出端子去驅(qū)動負(fù)載。程序執(zhí)行一次的時間稱為掃描周期，一個掃描周期可以分為上述輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段，小型PLC的掃描周期在十幾毫秒至幾十毫秒之間。2025/2/25461．輸入觸點X的編程工業(yè)控制系統(tǒng)輸入電路中的選擇開關(guān)、按鈕、限位開關(guān)等在梯形圖中以輸入觸點表示，在編程時輸入觸點X可由常開-丨丨-和常閉-丨丨-兩種指令來編程，但梯形圖中的常開或常閉指令與外電路中X實際接常開還是常閉觸頭并無對應(yīng)關(guān)系，無論外電路使用什么樣的按鈕、旋鈕、限位開關(guān)，無論使用的是這些開關(guān)的常開或常閉點，當(dāng)PLC處于RUN方式時，掃描輸入只遵循如下規(guī)則：2025/2/2547(1）梯形圖中的常開觸點-丨丨-X與外電路中X的通斷邏輯相一致。如外接線中X5是導(dǎo)通的（無論其外部物理連接是常開點還是常閉點），程序中的-丨丨-X5即處理為閉合（ON）。反之，如外部X5連線斷開，則程序中的-丨丨-X5就處理為斷開（OFF）。2025/2/2548(2）梯形圖中的常閉觸點-丨丨-X與外電路中X的通斷邏輯相反。如外接線中X5是導(dǎo)通的（無論其外部物理連接是常開點還是常閉點），程序中的-丨丨-X5處理為斷開（OFF）。反之，如外部X5連線斷開，則程序中的-丨丨-X5就處理為閉合（ON）。梯形圖中幾個觸點串聯(lián)表示“與”操作，幾個觸點并聯(lián)表示“或”操作。2025/2/2549

按上述規(guī)則，將PLC應(yīng)用于電機(jī)的起動停車控制，外部按圖11-5接線，則采用圖11-6所示梯形圖即可實現(xiàn)按鈕X0啟動，輸出Y0得電并自鎖，按鈕X1停車的控制邏輯。用一個接觸器KM控制電動機(jī)的主電路見第10章。上述兩個按鈕接線時均使用了常開觸點，如果工程中需連接停車按鈕的常閉觸點，則圖11-6所示梯形圖中將常閉X1換成常開X1，仍能實現(xiàn)控制功能。甚至可以將啟停兩個按鈕都連接常閉點，只要相應(yīng)修改軟件邏輯即可，充分體現(xiàn)了應(yīng)用PLC控制的方便之處。2025/2/2550圖11-5PLC控制的起動停車電路接線圖2025/2/2551

圖11-6起動停車梯形圖2025/2/25522．輸出繼電器Y和內(nèi)部繼電器M的編程繼電器具有邏輯線圈及可以多次調(diào)用的常開觸點、常閉觸點。輸出繼電器和普通內(nèi)部繼電器的簡單程序如圖11-7所示。

PC進(jìn)入RUN方式時，輸出線圈Y0通電，相應(yīng)的0#輸出指示燈亮。當(dāng)接通輸入觸點X10后，內(nèi)部線圈M100通電，M100的常閉觸點斷開，常開觸點導(dǎo)通，因此輸出端Y0失電，0#燈熄滅，Y1得電，相應(yīng)的1#燈亮。掉電保持型繼電器M510的簡單程序如圖11-8所示。2025/2/2553

圖11-7繼電器簡單程序2025/2/2554圖11-8掉電保持型繼電器簡單程序2025/2/2555

初始狀態(tài)(PC進(jìn)入RUN后)輸出線圈Y1和Y7不通電，1#和7#輸出信號燈不亮。使輸出端子X11接通一下，梯形圖中X11的常開點即閉合，內(nèi)部線圈M100通電，常開觸點M100通電閉合，對線圈M100起自保作用。另一個閉合的M100觸點則接通輸出線圈Y1，使1#輸出燈亮。與上述動作同時，M510起類似M100的作用，使7#輸出燈亮，這兩者的差別在于如果將PC置于HALT（暫停）狀態(tài)，仍然再返回RUN方式，或者使PC斷電后再復(fù)電，那么1#燈不會亮（因為輸入端X11沒有接通），但7#燈仍然亮，這就表明了線圈M510的鎖存作用。2025/2/25563．定時器T的編程以100ms普通定時器為例，圖11-9(a)為T0定時器的梯形圖，11-9(b)為執(zhí)行該程序的時序圖。2025/2/2557

圖11-9普通定時器的簡單程序(a)定時器梯形圖；(b）定時器時序圖2025/2/2558

初始狀態(tài)時，線圈Y0、T0均不通電，0#輸出信號燈滅。X0閉合時，定時器T0的線圈通電，并開始記時，K123表示計數(shù)值為常數(shù)123，定時時間為100ms×123=12.3s。當(dāng)T0線圈通電夠12.3s后，定時器動作，其常開觸點T0閉合，使Y0輸出燈亮，從定時器開始計時到定時器觸點動作，其間延遲時間由程序確定。定時器在計時過程中，如果線圈失電后再通電時，定時器相當(dāng)于自動復(fù)位，重新從預(yù)置值開始計時。2025/2/25594.計數(shù)器C的編程以16位向上計數(shù)的普通計數(shù)器C0為例。圖11-10(a)為C0定時器的梯形圖，11-10(b)為執(zhí)行該程序的時序圖。2025/2/2560

圖11-10普通計數(shù)器的簡單程序(a)計數(shù)器梯形圖；(b）計數(shù)器時序圖2025/2/2561

圖11-10中，X001為計數(shù)脈沖輸入端子，計數(shù)線圈C0的計數(shù)值為常數(shù)5；X000為計數(shù)復(fù)位輸入端子，當(dāng)X000為ON時，計數(shù)線圈C0不允許計數(shù)且計數(shù)值被清零，只有當(dāng)X000為OFF時，計數(shù)線圈C0才對X000的輸入脈沖進(jìn)行加1計數(shù)。在允許計數(shù)期間，如計數(shù)線圈C0計數(shù)夠5個，則C0動作，常開觸點閉合，Y0得電。C0計滿動作后如出現(xiàn)X000變?yōu)镺N，則C0的觸點、線圈均清零復(fù)位。2025/2/25625.上升或下降沿檢測的編程上升沿或下降沿檢測指令用來將輸入信號的上升或下降沿檢出并通過線圈輸出一個掃描周期的電信號。圖11-11(a)為上升、下降沿檢出的梯形圖，11-11(b)為執(zhí)行該程序的時序圖。2025/2/2563圖11-11上升、下降沿檢出的簡單程序

(a)梯形圖；(b)時序圖2025/2/2564

程序中，X000為外部信號輸入端子，PLS表示取上升沿，X000信號由OFF變ON時，內(nèi)部繼電器M0得電一個掃描周期；X001為另一路外部信號輸入端子，PLF表示取下降沿，X001信號由ON變OFF時，內(nèi)部繼電器M1得電一個掃描周期；程序中M0與M1兩個觸點的任務(wù)分別是將內(nèi)部繼電器M50置位與復(fù)位；END為程序結(jié)束符，用于所有主程序結(jié)束。FX2N系列PLC的程序指令除了梯形圖格式之外，還有語句表格式，除了上述基本指令編程法之外，還有其他更復(fù)雜的指令編程法，本節(jié)僅介紹PLC編程的初步知識。2025/2/256511.1.5FX系列PLC應(yīng)用舉例可編程控制器對環(huán)境要求低，能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，無需空調(diào)，平均無故障時間在2萬小時以上，幾乎任何一個過程控制和生產(chǎn)管理都是有步驟進(jìn)行的，生產(chǎn)中的各種自動控制設(shè)備均需要利用程序進(jìn)行控制，因此PLC在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。2025/2/25661．電動機(jī)的Y-△起動電路將電動機(jī)三相繞組接成星形起動時，起動電流是直接起動的1/3，在達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速后，再切換為三角形運轉(zhuǎn)。這種減小電流的起動方法適合于容量大、起動時間長的電動機(jī)，或者是因容量限制，避免起動時造成電源電壓下降的電動機(jī)使用。圖11-12(a）為電動機(jī)主電路，接觸器KM1、KM2同時接通時，電動機(jī)工作在星形起動狀態(tài)；而當(dāng)接觸器KM2、KM3同時接通時，電動機(jī)就轉(zhuǎn)入三角形接法正常工作狀態(tài)。2025/2/2567圖11-12電動機(jī)Y-△起動電路

(a)主電路；(b)控制電路2025/2/2568

圖11-12(b）是PLC的輸入、輸出外接電路，其中X1接起動按鈕，X2為停止按鈕，HL為電動機(jī)運行狀態(tài)指示燈。此外，在輸出回路中KM1、KM3利用輔助觸點實現(xiàn)互鎖。2025/2/2569

電動機(jī)的Y-△起動電路梯形圖如圖11-13(a)所示。定時器T1確定起動時間，其預(yù)置值（TS）應(yīng)與電機(jī)相配。當(dāng)電動機(jī)繞組由星形切換到三角形時，在繼電器控制電路中利用常閉點斷開在先而常開點的閉合在后這種機(jī)械動作的延時，保證KM1完全斷開后，KM3再接通，從而達(dá)到防止短路的目的。但PLC內(nèi)部切換時間很短，為了達(dá)到上述效果，必須使KM1斷開和KM3接通之間有一個鎖定時間TA，這是靠定時器T2來實現(xiàn)的。圖11-13(b)為工作時序圖。2025/2/2570圖11-13Y-△起動梯形圖和時序圖

(a)梯形圖；(b）時序圖2025/2/25712．電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制異步電動機(jī)由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)，或由反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)切換時，使用兩個接觸器KM1、KM2去切換三相電源中的任何兩相即可，在設(shè)計控制電路時，必須防止由于電源換相引起的短路事故。例如，由正向運轉(zhuǎn)切換到反向運轉(zhuǎn)，當(dāng)發(fā)出使KM1斷電的指令時，斷開的主回路觸點由于短時間內(nèi)產(chǎn)生電弧，這個觸點仍處于接通狀態(tài)，如果這時立即使KM2通電，KM2觸點閉合，就會造成電源故障，必須在完全沒有電弧時再使KM2接通。2025/2/2572

械動作的繼電器控制電路不同，在其內(nèi)部處理中，觸點的切換幾乎沒有時間延時，因此必須采用防止電源短路的方法，例如使用定時器來設(shè)計切換的時間滯后。圖11-14（a）為PLC控制的電動機(jī)可逆運行外部電路接線圖，（b）為相應(yīng)的梯形圖。X1、X2接正、反轉(zhuǎn)控制按鈕，是常開型；X3接停止按鈕，是常閉型。梯形圖中M101、M102為內(nèi)部繼電器；T1、T2為定時器，分別設(shè)置對正轉(zhuǎn)指令和反轉(zhuǎn)指令的延遲時間。2025/2/2573圖11-14電動機(jī)正反轉(zhuǎn)接線圖與梯形圖（a）接線圖；（b）梯形圖2025/2/25743.加熱反應(yīng)爐自動控制系統(tǒng)圖11-15為加熱反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)示意圖。加熱反應(yīng)的工藝過程分為以下三個階段。第一階段為進(jìn)料控制，其過程如下：（1）檢測下液面(X1)、爐溫(X2)、爐內(nèi)壓力(X4)是否都小于給定值（均為邏輯0），即PLC輸入點X1、X2、X4是否都處于斷開狀態(tài)。2025/2/2575圖11-15加熱反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)圖2025/2/2576

（2）若是，則開啟排氣閥Y1和進(jìn)料閥Y2。（3）當(dāng)液面上升到位使X3閉合時，關(guān)閉排氣閥Y1和進(jìn)料閥Y2。（4）延時20s，開啟氮氣閥Y3，使氮氣進(jìn)入爐內(nèi)，提高爐內(nèi)壓力。（5）當(dāng)壓力上升到給定值時(X4=1)，關(guān)斷氮氣閥Y3，進(jìn)料過程結(jié)束。2025/2/2577

第二階段為加熱反應(yīng)控制，其過程如下：（1）此時溫度肯定低于要求值（X2=0），應(yīng)接通加熱爐電源Y5。（2）當(dāng)溫度達(dá)到要求值(X2=1)后，切斷加熱電源。（3）加溫到要求值后，維持保溫10min，在此時間內(nèi)爐溫實現(xiàn)通斷控制，保持X2=1。2025/2/2578

第三階段為泄放控制，其過程如下：（1）保溫夠10min時，打開排氣閥Y2，使?fàn)t內(nèi)壓力逐漸降到起始值(X4=0)。（2）維持排氣閥打開，并打開泄放閥Y4，當(dāng)爐內(nèi)液面下降到下液面以下時（X1=0），關(guān)閉泄放閥Y4和排氣閥Y2，系統(tǒng)恢復(fù)到原始狀態(tài)，重新進(jìn)入下一循環(huán)。根據(jù)上述工藝規(guī)律設(shè)計PLC梯形圖，如圖11-16所示。2025/2/2579

圖11-16反應(yīng)爐控制梯形圖2025/2/258011.2異步電動機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)

目前市場上，實現(xiàn)交、直流電動機(jī)調(diào)速的驅(qū)動器產(chǎn)品有多種，就調(diào)速性能來說，無論對直流電動機(jī)還是對交流電動機(jī)都可以實現(xiàn)十分優(yōu)良的無級調(diào)速；但從電動機(jī)本身的現(xiàn)場使用來說，交流電動機(jī)遠(yuǎn)優(yōu)于直流電動機(jī)，主要原因在于直流電動機(jī)內(nèi)部有碳刷和換向片，需要經(jīng)常檢修，不能適用于惡劣的環(huán)境，耐壓和容量也受限制。因此，近年來交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)在使用上取得了絕對優(yōu)勢，在交流電動機(jī)的各種調(diào)速技術(shù)中，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)最具代表性。2025/2/2581

我們知道，電網(wǎng)提供的交流電是恒壓恒頻的，變頻器產(chǎn)品的作用是改變電源的頻率和電壓，對交流異步電動機(jī)實現(xiàn)無級變速。變頻調(diào)速技術(shù)是功率電子技術(shù)、微電子技術(shù)與微機(jī)控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，在變頻器—交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器具有升速快，無級變速范圍寬，動特性好等優(yōu)點，而交流電動機(jī)又具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，維修簡單，價格低等優(yōu)勢，這使得變頻調(diào)速技術(shù)在機(jī)械、鋼鐵、有色金屬、礦山、石油化工、紡織、電力、建材、輕工、醫(yī)藥、造紙、卷煙、自來水等行業(yè)中均獲得廣泛應(yīng)用。2025/2/258211.2.1變頻調(diào)速的控制方式與機(jī)械特性由第7章知道，異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

因此，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的定子供電頻率f1，就可以平滑調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1。由于轉(zhuǎn)子是跟隨旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n=n1(1-s)，所以變頻能通過同步轉(zhuǎn)速的改變實現(xiàn)異步電動機(jī)的無級調(diào)速。2025/2/2583

表面看來，只要改變定子電壓的頻率f1就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的大小，但是事實上，只改變f1并不能正常調(diào)速。參考異步電動機(jī)的電壓方程

U1≈E1=4.44f1K1N1Φ

假設(shè)現(xiàn)在只改變f1進(jìn)行調(diào)速，設(shè)供電頻率f1上下調(diào)節(jié)，而供電電壓U1不變，因K1N1為常數(shù)，則異步電動機(jī)的主磁通Φ必將改變：如f1向上調(diào)，則Φ會下降，這使得拖動轉(zhuǎn)矩T下降，2025/2/2584

因為T=CTΦI2cosφ2

，電動機(jī)的拖動能力會降低，對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載會因拖不動而堵轉(zhuǎn)；如f1向下調(diào)，則Φ會增強(qiáng)，這會帶來更大的危險，因為電機(jī)鐵磁材料的磁化曲線不是直線而具有飽和特性，設(shè)計電機(jī)時為了建立更強(qiáng)的磁場，其工頻下的工作點已經(jīng)接近磁飽和，如再增強(qiáng)磁場勢必引起勵磁電流（體現(xiàn)在定子電流上）急劇升高，最終燒壞電機(jī)。2025/2/2585

由上可知，只改變頻率f1實際上并不能正常調(diào)速。在許多場合，要求在調(diào)節(jié)定子供電頻率f1的同時，調(diào)節(jié)定子供電電壓U1的大小，通過U1和f1的不同配合實現(xiàn)安全的調(diào)頻調(diào)速。2025/2/25861．保持U1/f1=常數(shù)的近似恒磁通控制方式由于Φ∝E1/f1≈U1/f1，故調(diào)節(jié)三相異步電動機(jī)的供電頻率f1時，按比例調(diào)節(jié)供電電壓的U1的大小可以近似實現(xiàn)Φ為常數(shù)。以星形接法的電機(jī)為例，變頻調(diào)速時，如供電50Hz對應(yīng)220V相電壓（一般為額定點），則25Hz需提供110V相電壓，10Hz需提供44V相電壓。2025/2/2587

圖11-17保持U1/f1=常數(shù)控制方式的機(jī)械特性2025/2/2588

在機(jī)械特性上，保持U1/f1=常數(shù)的近似恒磁通控制方式的機(jī)械特性曲線族體現(xiàn)為近似恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)，如圖11-17所示。由機(jī)械特性曲線可以看出，U1/f1=常數(shù)調(diào)速方式在低頻低速運行時拖動力矩不足，顯然，U1/f1=常數(shù)的調(diào)速方式并不是真正的恒磁通調(diào)速，這是因為電動機(jī)的主磁通Φ與E1/f1成正比例，嚴(yán)格意義上不是與U1/f1成正比，外加電壓U1只是在不計定子內(nèi)阻時才近似等于反電勢E1，2025/2/2590

當(dāng)供電頻率和電壓變得較低時，內(nèi)阻的影響增大，E1達(dá)不到要求值，就出現(xiàn)了低速下拖動轉(zhuǎn)矩明顯不足的問題。解決這個問題的方法是采用E1/f1=常數(shù)的嚴(yán)格恒磁通控制方式。2025/2/2591

2．保持E1/f1=常數(shù)的嚴(yán)格恒磁通控制方式

在三相異步電動機(jī)中，E1不是一個可以直接測量和控制的物理量，所以變頻調(diào)速所能做的仍然是通過控制供電電壓U1來間接控制反電勢E1。在通用變頻器產(chǎn)品中，通常采用的措施是低頻段電壓補(bǔ)償法，使U1與f1滿足圖11-18的配合關(guān)系。圖中U1N和f1N分別為電動機(jī)的額定電壓和額定頻率。2025/2/2592

利用圖11-18實現(xiàn)嚴(yán)格恒磁通的基本思路是以近似恒磁通控制方式為基礎(chǔ)，在U1/f1=常數(shù)的基礎(chǔ)上加一定的供電電壓U1提升，以補(bǔ)償定子內(nèi)阻壓降對反電勢E1的影響，使E1/f1=常數(shù)。低頻低速運行時內(nèi)阻壓降較小，需要加強(qiáng)U1的補(bǔ)償量；而額定工作點附近（50Hz）內(nèi)阻壓降較小，可以不加補(bǔ)償。2025/2/2593圖11-18實現(xiàn)嚴(yán)格恒磁通的U1與f1配合關(guān)系2025/2/2594圖11-19保持E1/f1=常數(shù)控制方式的機(jī)械特性2025/2/2595

嚴(yán)格恒磁通控制方式下，變頻調(diào)速電動機(jī)的機(jī)械特性如圖11-19所示，特性曲線族呈現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。實際補(bǔ)償時，必須根據(jù)不同參數(shù)的電動機(jī)運用不同的補(bǔ)償曲線才能取得理想的補(bǔ)償效果，補(bǔ)償不足會造成拉力不足，過度補(bǔ)償則會造成起動時電流過大。此外，在變頻調(diào)速時，如果將頻率調(diào)到額定頻率以上（大于50Hz），則不允許將供電電壓比例上調(diào)，U1只能保持在U1N不變，因為所有的用電器都不允許超過額定電壓。2025/2/259611.2.2變頻器的工作原理

1.變頻器概述對交流電動機(jī)實現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻CVCF（ConstantVoltageConstantFrequency）交流電變換為變壓變頻VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）交流電，通過變頻伴隨變壓，對交流電動機(jī)實現(xiàn)無級調(diào)速。變頻器可分為交—交變頻器與交—直—交變頻器兩大類型，其結(jié)構(gòu)對比如圖11-20所示。2025/2/2597

圖11-20兩種類型的變頻器(a)交－交變頻器；(b)交—直－交變頻器2025/2/2598

交—交變頻器沒有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，電網(wǎng)交流電被直接變成可調(diào)頻調(diào)壓的交流電，又稱為直接變頻器。而交—直—交變頻器先把電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)過中間濾波環(huán)節(jié)之后，再經(jīng)過逆變才轉(zhuǎn)換為變頻變壓的交流電，故稱為間接變頻器。從圖11-20(a)、(b)的對比中可以看出，交—直—交變頻器有一個明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，按照這個中間濾波環(huán)節(jié)是電容性或是電感性可以將交—直—交變頻器劃分為電壓（源）型或電流（源）型交—直—交變頻器。2025/2/2599

目前通用變頻器產(chǎn)品最常用的是交—直—交電壓型電路形式，其結(jié)構(gòu)如圖11-21所示。該電路首先用二極管整流器接入電網(wǎng)，將交流電變成直流電，整流之后采用電容濾波，獲得平直的直流電壓，再由逆變器將直流能量逆變成可以調(diào)頻調(diào)壓的新交流電。2025/2/25100圖11-21交—直—交電壓型變頻器的結(jié)構(gòu)形式2025/2/25101

現(xiàn)代變頻器中，逆變電路是變頻器的核心。因二極管整流的直流電壓幅度不可調(diào)節(jié)，逆變器的輸出電壓調(diào)節(jié)靠改變電壓輸出脈沖的寬度來完成，所以現(xiàn)代變頻器產(chǎn)品的主導(dǎo)設(shè)計思想是在逆變器側(cè)采用脈沖寬度調(diào)制（PluseWidthModulation,PWM）技術(shù)以合成變頻變壓的交流輸出波形。2025/2/25102

脈寬調(diào)制變頻的設(shè)計思想源于通信系統(tǒng)中的載波調(diào)制技術(shù)，1964年由德國科學(xué)家率先提出并付諸實施。用這種技術(shù)構(gòu)成的PWM變頻器，使近代交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)上升到了新的水平。2025/2/251032.SPWM逆變器的脈寬調(diào)制原理圖11-22是PWM變頻器的主電路示意圖。整流電路采用三相二極管整流橋，相對比較簡單；中間濾波環(huán)節(jié)的電解電容在實際變頻器中可能只有一個，也可能根據(jù)容量或耐壓需要串、并聯(lián)幾個。圖中的0點僅僅是為了原理分析引入的零電位參考點，并非實際接線點。逆變器的變壓變頻控制主要通過控制圖中的六個功率開關(guān)VT1～VT6的規(guī)律性通斷來實現(xiàn)，因此，逆變器中六個開關(guān)的通斷控制規(guī)則即脈沖寬度調(diào)制方法對變頻器的輸出性能具有根本上的影響。2025/2/25104圖11-22PWM變頻器的主電路示意圖2025/2/25105

脈寬調(diào)制的方法從調(diào)制脈沖的極性上看有單極性和雙極性之分。變頻器輸出三相交流電U、V、W，現(xiàn)以U相交流電的波形合成為例進(jìn)行說明。2025/2/25106

（1）單極性脈寬調(diào)制。參考信號為正弦波的脈沖寬度調(diào)制叫做正弦波脈沖寬度調(diào)制（SPWM）。作脈沖寬度調(diào)制需要控制波和載波，單極性脈寬調(diào)制方法的特征是控制信號與載波信號都是單極性弱電信號。圖11-23為單極性SPWM調(diào)制波形圖，這種調(diào)制方式中，U相控制信號為單極性正弦波urU，載波為高頻三角波ut；圖中中間的倒向信號作區(qū)分正、負(fù)半周的矩形波使用，高電平表示在正半周，低電平表示在負(fù)半周；uUo即為圖11-22中負(fù)載U相的交流輸出信號（相對于0點）。變頻器的這種輸出波形是由表11-2所示的單極性的調(diào)制規(guī)律決定的。2025/2/25107圖11-23單極性SPWM調(diào)制波形2025/2/25108表11-2單極性SPWM調(diào)制規(guī)律正半周urU>ut導(dǎo)通VT1VT4截止urU<ut關(guān)斷VT1負(fù)半周urU>ut導(dǎo)通VT4VT1截止urU<ut關(guān)斷VT42025/2/25109

U相的輸出電壓uUo主要取決于圖11-22中VT1與VT4兩個功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)。按照11-2表中指示的調(diào)制規(guī)律，控制信號在正半周時，在正弦波urU＞載波ut的時間段，應(yīng)設(shè)法使VT1閉合、VT4斷開，U對0點來講相當(dāng)于獲得直流電壓的正一半，為Ud/2；在正弦波urU＜載波ut的時間段，應(yīng)使VT1、VT4都斷開，對0點來講認(rèn)為U點獲得電壓為零；于是整個正半周的輸出電壓由一系列恒幅且不等寬（寬度受urU控制的正弦規(guī)律窄—寬—窄變化）的脈沖波列組成。2025/2/25110

而當(dāng)控制信號在負(fù)半周時，在正弦波urU＞載波ut的時間段，控制使VT4閉合、VT1斷開，U對0點來講又相當(dāng)于獲得直流電壓的負(fù)一半，為-Ud/2；在正弦波urU＜載波ut的時間段，使VT1、VT4都斷開，對0點來講也認(rèn)為U點獲得電壓為零；于是整個負(fù)半周的輸出電壓也由一系列恒幅且不等寬（寬度受urU控制的正弦規(guī)律窄—寬—窄變化）的負(fù)脈沖波列組成。由此可見，采用SPWM控制的逆變器輸出的交流電壓uUo脈沖寬度基本上呈正弦分布，各脈沖與正弦曲線下對應(yīng)的面積近似成正比，對三相異步電動機(jī)來講，這是一種可實現(xiàn)且比較理想的交流供電波形。2025/2/25111

實現(xiàn)了接近正弦規(guī)律的基本電壓輸出波形，調(diào)節(jié)控制波可以控制它的調(diào)頻與調(diào)壓。從圖11-23中可以看出，如果加大（或減小）控制波urU的幅值，必然引起輸出脈沖的寬度整體變寬，從而使得輸出電壓uUo的有效值增大（或減?。?；如果改變控制波urU的頻率，必然改變輸出脈沖的正、負(fù)半周交替周期，從而改變U相輸出電壓uUo的頻率，使得輸出的新交流電既可變壓又可變頻（VVVF）。V、W兩相交流電的合成方法與U相原理相同。2025/2/25112

（2）雙極性脈寬調(diào)制。使用雙極性脈寬調(diào)制時，控制信號與載波信號都是雙極性弱電信號。圖11-24為雙極性SPWM調(diào)制波形圖，這種調(diào)制方式中，U、V、W三相控制信號均為互差120°的普通正弦波urU、urV、urW，載波為雙極性高頻三角波ut，三相雙極性控制信號本身有正負(fù)，不需要倒向信號來區(qū)分正負(fù)；圖中的uUo、uVo、uWo即為負(fù)載U、V、W三相的交流輸出信號（相對于0點）。2025/2/25113

以U相為例，雙極性SPWM的調(diào)制規(guī)律為不分正負(fù)半周，在正弦波urU＞載波ut的時間段，使VT1閉合、VT4斷開，Ｕ對0點來講相當(dāng)于獲得直流電壓的正一半，為Ud/2；在正弦波urU＜載波ut的時間段，使VT1斷開、VT4閉合，對0點來講認(rèn)為Ｕ點獲得直流電壓的負(fù)一半，為-Ud/2。由圖11-24可知，采用雙極性SPWM控制的輸出交流電uUo盡管在正半周會出現(xiàn)-Ud/2，負(fù)半周又會出現(xiàn)Ud/2，但脈沖寬度仍基本上呈正弦分布。2025/2/25114

雙極性脈沖寬度調(diào)制方式控制的逆變器，其調(diào)壓調(diào)頻方式與單極性相同。如要改變輸出交流電壓uUo的大小，則需要調(diào)節(jié)弱電控制電壓urU的幅值；而對輸出交流電壓uUo的變頻，則要靠改變控制波urU的頻率來實現(xiàn)。在實際的變頻器控制中，各控制波信號及載波信號的產(chǎn)生及VT1～VT6功率開關(guān)的開關(guān)點實時控制均由微機(jī)程序配合大規(guī)模專用集成電路來完成。變頻器的變頻范圍越大，分辨率越高，計算機(jī)存儲的曲線數(shù)值就越多，實時計算就越困難。通用變頻器產(chǎn)品的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍一般從零點幾赫茲到幾百赫茲。2025/2/25115圖11-24雙極性SPWM調(diào)制波形2025/2/2511611.2.3變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外圍接線

1.通用變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖11-25為目前常見的通用變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，由主電路、給定電路、微機(jī)（單片機(jī)）控制系統(tǒng)、隔離驅(qū)動電路、保護(hù)電路、顯示電路等部分組成。2025/2/25117圖11-25通用變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2025/2/25118

在實際的變頻主電路中，功率開關(guān)VT1～VT6并不使用有觸點開關(guān)，而是使用各種被稱為現(xiàn)代功率器件的無觸點功率開關(guān)，本圖中所示為絕緣柵晶體管，文字符號為IGBT。這種管子的開通和關(guān)斷受其柵極的電壓控制，屬于全控型功率器件，目前其耐壓可達(dá)到一千多伏，電流達(dá)到幾百安。主開關(guān)反并聯(lián)的二極管為續(xù)流二極管，用于上下開關(guān)高速切換時為負(fù)載提供電流通路，防止電感性負(fù)載電流突變引起高壓造成元件擊穿。2025/2/25119

給定電路用來選擇變頻器的運行頻率，一般由鍵盤設(shè)定，也可以用電位器設(shè)定。微機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)用戶所要求的運行頻率，在內(nèi)部進(jìn)行圖11-18所示的恒磁通補(bǔ)償運算，算出與頻率相匹配的電壓數(shù)值，產(chǎn)生各相控制電壓、載波電壓，并進(jìn)行SPWM開關(guān)點運算，給主電路的六個功率元件發(fā)出弱電的通斷信號。隔離驅(qū)動電路的作用是將微機(jī)控制系統(tǒng)計算發(fā)出的弱電信號加以強(qiáng)弱電隔離，并進(jìn)行功率放大，送往功率開關(guān)VT1～VT6的控制電極。通用變頻器具有多種檢測及保護(hù)電路，如過電流、過電壓、功率器件的溫度過高等。2025/2/25120

出現(xiàn)故障后，微機(jī)系統(tǒng)必須進(jìn)行正確快速的判斷、處理和報警。顯示電路也需要進(jìn)行多種顯示，如對用戶設(shè)置的電機(jī)參數(shù)、運行頻率、運行模式等進(jìn)行參數(shù)或模式顯示，運行時顯示當(dāng)前的頻率、電壓、電流等數(shù)據(jù)，故障時顯示故障代碼等。2025/2/251212.通用變頻器的外圍接線圖11-26為日本富士公司FRENIC5000P9S400V系列變頻器產(chǎn)品的外圍接線圖。該變頻器有9個強(qiáng)電接線端子及多組弱電接線端子。強(qiáng)電接線端子中，L1、L2、L3為功率輸入端子，接電網(wǎng)三相交流電；U、V、W為交流輸出端子，接電動機(jī)；P1、P之間用來連接功率因數(shù)校正電抗器；P、N之間用來連接制動單元。R0、T0為輔助控制電源輸入端，小功率變頻器不設(shè)置這兩個端子。2025/2/25122

（1）三個頻率設(shè)定電位器輸入端，當(dāng)需要從外部輸入模擬量的速度給定時使用。（2）輔助設(shè)定電壓輸入或電流輸入端，只在構(gòu)成簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)時使用。（3）控制輸入端，輸入電路與可編程控制器的輸入電路類似，接通生效，但輸入點的定義是固定的，用戶不能改變。各端子功能如下：FWD為變頻器正轉(zhuǎn)控制端；REV為反轉(zhuǎn)控制端；2025/2/25123THR為外接保護(hù)控制端，如有熱保護(hù)或其他故障使THR與公用點接通，變頻器會立即停止運行；RST為復(fù)位控制端，如在排除故障后欲恢復(fù)運行應(yīng)將此端子與公用點接通一次；X1、X2、X3為多擋轉(zhuǎn)速選擇端，使用這三個端子與公用點之間的不同通斷狀態(tài)組合，可以預(yù)選設(shè)定變頻器的多擋工作速度，如000表示選擇第0擋速度，001表示第1擋速度，…，111表示第7擋速度；X4、X5為多擋升降速強(qiáng)度控制端，這兩點的通斷狀態(tài)配合決定變頻器升降速時的強(qiáng)度擋，如00表示選擇第0擋加減速時間，01表示選擇第1擋加減速時間。2025/2/25124

弱電控制端子中用于連接外部輸出的有：（1）模擬式頻率計或數(shù)字式頻率計輸入端子。當(dāng)需要在離變頻器較遠(yuǎn)的地方顯示運行頻率時，可以從FMA或FMP處引出接線至儀表。（2）運行繼電器輸出端子及報警繼電器輸出端子。運行繼電器輸出端子內(nèi)部提供一對觸頭，在變頻器運行時閉合，如果有些電路需要在變頻器運行后才能動作，則可以受該觸頭控制。報警繼電器輸出端子內(nèi)部提供兩對觸頭（一常開一常閉），在變頻器故障時動作，對外可控制需要故障時動作的保護(hù)電路。2025/2/25125

（3）晶體管輸出端Y1～Y5。輸出電路與晶體管輸出型可編程控制器類似，對外不提供電源，只是當(dāng)輸出有效時Y端子與公用端子間導(dǎo)通，用來控制需要的邏輯電路。這些輸出點的定義也是固定的，RUN為運行信號，SU為頻率到達(dá)信號，OL為變頻器過載，LU為供電電壓不足，F(xiàn)AT為報警信號。2025/2/25126圖11-26變頻器產(chǎn)品的外圍接線圖2025/2/2512711.3交流伺服技術(shù)

交流伺服技術(shù)將傳統(tǒng)的電動機(jī)、電力電子電路、微機(jī)控制電路及現(xiàn)代控制算法集成為一個不可分割的整體，充分體現(xiàn)了機(jī)電一體化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使各類電動機(jī)的固有特性得到改善，出現(xiàn)了理想的人工運行特性。比較有代表性的兩個范例是無刷直流伺服電動機(jī)與異步電動機(jī)的矢量變換控制系統(tǒng)，前者主要應(yīng)用于機(jī)械加工中的小功率進(jìn)給軸位置驅(qū)動，后者主要應(yīng)用于大功率交流主軸的位置與速度驅(qū)動。2025/2/2512811.3.1無刷直流伺服電動機(jī)無刷直流伺服電動機(jī)又稱為無換向器電動機(jī)，由永磁式同步電動機(jī)、磁極位置傳感器和功率電子開關(guān)電路三部分組成。永磁式同步電動機(jī)的定子繞組可采用三相或多相繞組，空間上均勻分布，只要通以錯開一定相位的交流電就能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。其轉(zhuǎn)子磁極由永久磁體構(gòu)成，當(dāng)定子通電時，轉(zhuǎn)子受旋轉(zhuǎn)磁場的牽引作同步旋轉(zhuǎn)。磁極位置傳感器安裝于永磁式同步電動機(jī)的內(nèi)部，用來檢出轉(zhuǎn)子磁極的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)位置，常用傳感器有光電器件、霍爾元件或旋轉(zhuǎn)編碼器位置傳感器。2025/2/25129

電子開關(guān)電路則根據(jù)位置傳感器檢出的轉(zhuǎn)子位置信號，運算判斷后決定下一步向定子繞組的哪些相送電，以維持轉(zhuǎn)子的繼續(xù)受力轉(zhuǎn)動。由于電子開關(guān)電路的作用與直流電動機(jī)的電刷換向功能類似，且上述三部分結(jié)合之后的整體控制性能可以達(dá)到直流伺服電動機(jī)的控制性能，故使用了無刷直流伺服電動機(jī)這個術(shù)語。但就控制對象（永磁式同步電動機(jī)）來講，無刷直流伺服電動機(jī)屬于交流伺服電動機(jī)的控制范疇。2025/2/251301.三相繞組無刷直流伺服電動機(jī)圖11-27為一個三相繞組無刷直流伺服電動機(jī)的電機(jī)本體示意圖，圖中A—A′、B—B′、C—C′分別為三相定子繞組的首末端；中心的N、S為轉(zhuǎn)子永久磁極；2/3扇形片為遮光板，裝于轉(zhuǎn)子上，隨該N、S極一起轉(zhuǎn)動；VP1～VP3為三個光電器件，均由光源和感光器組成，不隨轉(zhuǎn)子和遮光板轉(zhuǎn)動。這三個光電器件在遮光板轉(zhuǎn)動時，如果光線不被遮光板擋住（透光），則識別為高電平；如果光線被遮光板擋?。ú煌腹猓?，則識別為低電平，以此來檢測轉(zhuǎn)子的位置。2025/2/25131圖11-27三相繞組無刷直流伺服電動機(jī)的電機(jī)本體示意圖2025/2/25132

欲使該電機(jī)的轉(zhuǎn)子向逆時針方向旋轉(zhuǎn)，參考圖11-27(a)的轉(zhuǎn)子位置，VP1、VP2、VP3三個傳感器中，VP1開始透光，為高電平，VP2、VP3不透光，為低電平。這時可控制定子電路讓A相通電，獲得定子旋轉(zhuǎn)磁場位置如圖11-27(a）中的N′—S′所示，轉(zhuǎn)子的受力方向即為逆時針。2025/2/25133

轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)過120°，走到圖11-27(b)的轉(zhuǎn)子位置，三個傳感器中，VP2開始透光，VP1、VP3不透光，為了保證轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆向旋轉(zhuǎn)，應(yīng)控制定子電路讓B相通電，獲得定子旋轉(zhuǎn)磁場位置如圖11-27(b)中的N′—S′所示，轉(zhuǎn)子的受力方向即為逆時針。轉(zhuǎn)子逆時針方向再轉(zhuǎn)過120°，走到圖11-27(c)的轉(zhuǎn)子位置，位置傳感器檢出VP3開始透光為高電平，VP1、VP2不透光為低電平，這時控制定子電路讓C相通電，獲得定子旋轉(zhuǎn)磁場位置如圖11-27(c)中的N′—S′所示，轉(zhuǎn)子的受力方向又為逆時針。這樣，轉(zhuǎn)子可以受力逆向轉(zhuǎn)回到圖11-27(a）的位置，只要定子電路的供電控制模式保證旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生連續(xù)的逆向拉力，轉(zhuǎn)子就能連續(xù)旋轉(zhuǎn)。2025/2/25134

圖11-28為三相繞組無刷直流伺服電動機(jī)的單相半控橋式電子開關(guān)電路示意圖。其電路功能是接受三個轉(zhuǎn)子位置傳感器的電平信號，將它們送到運算判斷電路及功率開關(guān)驅(qū)動電路，控制功率開關(guān)VT1、VT2、VT3按特定通電模式運行