基于MM440变频器的交流电机调速控制毕业设计论文.docx

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基于MM440变频器的交流电机调速控制毕业设计论文

毕业设计（论文）报告

题目基于MM440变频器的交流电机调速控制

摘要

本课题是用可编程序控制器（PLC）和变频器控制交流电动机工作，由交流电动机带动流水线工作台运行，其运行转速按一定规律变化，并可在自动运行、单速运行及调整维护三种状态下进行切换。

Abstract

Acmotoriscontrolledbyprogrammablecontroller（PLC）andfrequencyconverterinthistopic,assemblylineisdrivedbyacmotor,itsoperationspeedchangesaccordingtocertainrules,andcanswitchinthreestates,automaticoperation,singlespeedoperationandmaintainswitch.

1变频器概述

1.1概况

1.1.1变频器的工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器的工作原理：

利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。

整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

再补充一下，在变频技术以前，电机用的是直流电调速，就是改变直流电电压，因为直流电机有电刷，维护复杂，还有电火花（危险场合不能用），基本淘汰。

相对来说直流调速，速度更稳定，所以还有使用。

1.1.2三相电机的调速原理

三相交流异步电动机工作原理：

三相对称绕组，通入三相对称交流电，将在空间产生旋转磁场，此磁场切割转子导体，将在转子中产生感应电动势及感应电流，并且转速低于同步速并与同步速方向相同旋转。

中国的工业用电（民用也是50Hz）频率是50Hz，产生的旋转磁场也是50Hz，相当于50/秒=3000/分，这就决定了电机的转速是1500（4极2对）。

电动机转速的计算公式是n=60f/t。

注：

n表示电机转速，f表示电源频率,我国为50赫兹，t表示电机磁极对数。

变频电机的工作原理与三相交流异步电动机工作原理一样，变频电机是通过改变输入三相交流电的频率改变电机的转速，变频是用来调速的。

普通的三相交流异步电动机也可以作变频电机使用，没有本质区别，只是变频电机在频率的影响上作了优化，变频电机的工作频率一般5Hz~100Hz.

1.2西门子MM440系列变频器

MICROMASTER440是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。

本系列有多种型号，额定功率范围从120W到200kW（恒定转矩（CT）控制方式），或者可达250kW（可变转矩（VT）控制方），供用户选用。

本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。

因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。

采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。

全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

MICROMASTER440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。

由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

MICROMASTER440既可用于单独传动系统，也可集成到‘自动化系统’中。

图1MICROMASTER440系列变频器

1.2.1MM440变频器特点

1）、主要特性

1、易于安装

2、易于调试

3、牢固的EMC设计

4、可由IT电源供电

5、对控制信号的响应是快速和可重复的

6、参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置

7、电缆连接简便

8、具有多个继电器输

9、具有多个模拟量输出（0~20mA）

10、6个带隔离的数字输入，并可切换可NPN/PNP接线

11、2个模拟输入：

ØADC1：

0~10V，0~20mA和-10至+10V

ØADC2：

0~10V，0~20mA

12、2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入

13、BICO技术

14、模块化设计，配置非常灵活

15、开关频率高（传动变频器可到16kHz），因而电动机运行的噪音低

16、内部RS485接口（端口）

17、详细的变频器状态信息和完整的信息功能

2）、性能特性

1矢量控制

Ø无传感器矢量控制（SLVC）

Ø带编码器的矢量控制（VC）

2、V/f控制

Ø磁通电流控制（FCC），用于改善动态响应和电动机的控制特性

Ø多点V/f特性

3、自动再启动

4、捕捉再启动

5、滑差补偿

6、快速电流限制（FCL）动能，适用于自由脱扣运行

7、电机停机抱闸

8、内置直流制动

9、复合制动功能改善了制动特性

10、内置制动单元（框架尺寸A至F）用于电阻制动（动力制动）

11、给定值输入，通过：

Ø模拟输入

Ø通讯接口

Ø点动（JOG）功能

Ø电动电位计

Ø固定频率

12、斜坡函数发生器

Ø有平滑功能

Ø无平滑功能

13、工艺调节器（PID）

14、参数组转换

Ø传动数据组（DDS）

Ø命令数据组和给定值源（CDS）

15、自由功能块

16、直流母线电压调节器

17、动能缓冲

18、定位控制的斜坡下降

3）、保护特性

1、过电压/欠电压保护

2、变频器过热保护

3、接地故障保护

4、短路保护

5、I2t电动机过热保护

6、PTC/KTY84电动机保护

1.2.2MM440变频器的控制端子

表1MM440变频器的控制端子

2可编程控制器

2.1可编程控制器基本知识

可编程控制器简称PC（ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。

为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。

1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

可编程控制器（PLC）是微电子技术、继电器控制技术和计算机及通信技术相结合的新型通用的自动控制装置。

PLC具有体积小、功能强、可靠性高、使用方便、易于编程控制、适于工业应用环境等一系列优点，因此广泛应用于各行业的控制系统中，如机械制造、电力、交通、轻工、食品加工等行业。

PLC既可用于旧设备改造，也可用于新产品开发，在机电一体化、工业自动化等方面应用极其广泛。

可编程控制器（PLC）广泛地应用于工业控制。

它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性好和实时处理能力强的优点。

PLC是把计算机技术与继电器控制技术有机地结合起来，为工业自动化提供近乎完美的现代化自动控制的装置。

2.2可编程控制器的特点

1可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障。

PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2硬件配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

5体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。

它的重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.3PLC的工作原理

1扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。

另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。

当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和

2.4可编程控制器的选择

目前，PLC产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。

在PLC选型时，反复比较，编者选中了目前流行的、有较高性价比的西门子S7200系列小型PLC。

该型号的PLC指令丰富、功能强大，其占有率在国内市场正处于上升趋势。

选择西门子S7-200的PLC，CPU224的结构图如图2所示。

本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

16K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

是具有较强控制能力的控制器。

图2S7-200PLC的结构图

2.4.1概述

S7-200CN系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200CN系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200CN系列具有极高的性能/价格比。

S7-200CN系列出色表现在以下几个方面：

Ø极高的可靠性

Ø极丰富的指令集

Ø易于掌握

Ø便捷的操作

Ø丰富的内置集成功能

Ø实时特性

Ø强劲的通讯能力

Ø丰富的扩展模块

S7-200CN系列在集散自动化系统中充分发挥其强大

功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

如：

Ø冲压机床

Ø磨床

Ø印刷机械

Ø橡胶化工机械

Ø中央空调

Ø电梯控制

Ø运动系统

S7-200CN系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。

2.4.2特点

1、结构

Ø西门子的最新获奖的牢固紧凑的塑料外壳

Ø易于接线，操作员控制及显示元件带前面罩保护

Ø通过安装孔或标准DIN导轨可以垂直或水平地安装在机柜上。

Ø端子排作为固定的接线配件（选用）

2、质量，安全特性

国际标准：

CPU22X系列符合VDE，UL，CSA和FM标准和船籍社船用电器认证。

在生产过程中使用的质量保证体系已取得ISO9001认证。

3、数据安全性

在内部EEPROM储存用户原程序和预设值。

另外，在一个较长时间段（典型、190小时），所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块可以确保停电后中间数据能保存200天（典型值）。

2.4.3西门子PLC的基本指令

1位逻辑指令

主要包括：

位逻辑运算指令、位操作指令和位测试指令，逻辑操作结果（RLO）用以赋值、置位、复位布尔操作数，也控制定时器和计数器的运行。

名称

梯形图

说明

操作数

置位指令

指令执行，将1状态写入从bit地址开始的n个位中。

一次可以置位1～255个位。

bit操作数为I、Q时，代表输入/输出映像存储器I/O位。

Bit（位）：

I、Q、M、V、SM、T、C、S、L

n（字节或常数）：

IB、QB、MB、VB、SMB、LB、AC、常数

（设置范围：

1～255）

复位指令

指令执行，将0状态写入从bit地址开始的n个位中。

一次可以复位1～255个位。

bit操作数为I、Q时，代表输入/输出映像存储器I/O位。

立即置位指令

指令执行，将1状态写入从bit地址开始的n个输出映像存储器位中，并不受扫描周期时段的限制，直接将对应的PLC输出点刷新，输出点闭合。

一次可以立即置位1～128个位

Bit（位）：

Q

n（字节或常数）：

IB、QB、MB、VB、SMB、LB、AC、常数

（设置范围：

1～128）

立即复位指令

指令执行，将0状态写入从bit地址开始的n个输出映像存储器位中，并不受扫描周期时段的限制，直接将对应的PLC输出点刷新，输出点断开。

一次可以立即复位1～128个位

图3置位复位指令

2定时器指令

S7—200PLC的定时器为增量型定时器，用于实现时间控制，可以按照工作方式和时间基准（时基）分类，时间基准又称为定时精度和分辨率。

1、工作方式：

按照工作方式，定时器可分为通电延时型（TON）保持型（又称有记忆的通电延时型）（TONR）、断电延时型（TOF）三种类型。

2、时基标准：

按照时基标准，定时器又分为1毫秒、10毫秒、100毫秒三种类型，不同的时基标准，定时精度、定时范围和定时器的刷新方式不同。

1）定时精度：

定时器的工作原理时定时器使能输入有效后，当前值寄存器对PLC内部的时基脉冲增1计数，最小计时单位为时基脉冲的宽度

2）延时范围：

定时器使能输入有效后，当前值寄存器对时基脉冲递增计数，当计数值大于或等于定时器的设定值后，状态位置1。

从定时器输入有效，到状态位输出有效经过的时间位定时时间。

定时时间T等于时基乘设定值，时基越大，定时时间越长，但精度越差

3）定时器的刷新方式：

1毫秒定时器每隔1毫秒定时器刷新一次，定时器刷新与扫描周期和程序处理无关。

扫描周期较长时，定时器一个周期内可能多次被刷新（多次改变当前值）

10毫秒定时器在每个扫描周期开始时刷次年。

每个扫描周期之内，当前值不变

100毫秒定时器时定时器指令执行时被刷新，下一条执行的指令即可使用刷新后的结果，但应当注意，如果该定时器的指令不是每个周期都执行（比如条件跳转时），定时器就不能及时刷新，可能会导致出错

CPU22X系列PLC的256个定时器分属TON（TOF）和TONR工作方式，以及三种时基标准，TOF与TON共享一组定时器，不能重复使用。

详细分类方法及定时范围见下表2所示。

表2定时器工作方式及类型

工作方式

用毫秒表示的分辨率

用秒表示的分辨率

定时器号

TONR

1

32.767

T0,T64

10

327.67

T1～T4，T65～T68

100

3276.7

T5～T31，T69～T95

TON/TOF

1

32.767

T32,T96

10

327.67

T33～T36,T97～T100

100

3276.7

T37~T63,T101～T255

使用定时器时应参照上表的时基标准和工作方式合理选择定时器编号，同时要考虑刷新方式对执行程序的影响。

3、下面从原理、应用等方面分别叙述通电延时型（TON）、保持型（TONR）、断电延时型（TOF）等三种类型定时器的使用方法。

1）通电延时型定时器（TON）。

当使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从0开始递增，大于或等于设定值（PT）时，定时器输出状态位置为1，（输出触电有效），当前值的最大值为32767.使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置为0）。

一般用于单一时间间隔的定时。

通电延时型定时器应用程序如下图所示

图4通电延时定时器

其中IN是使能输入端，编程范围T0T255；PT是设定值输入端，最大预置值32767；PT数据类型：

INT。

2）、保持型定时器（TONR）。

使能端（IN）输入有效时（接通），定时器开始计时，当前值递增，当前值大于或等于设定值（PT）时，输出状态位置为1，使能端输入无效（断开）时，当前值保持（记忆），使能端（IN）再次接通有效时，在原记忆值的基础上递增计时。

有记忆通电演示型（TONR）电视前采用线圈的复位指令（R）进行复位操作，当复位线圈有效时，定时器当前值清零，输出状态位置为0。

一般用于故障时间后的时间延时。

3）、断电延时型定时器（TOF）。

使能端（IN）有效时，定时器输出状态位立即置1，当前值复位（为0）。

使能端（IN）断开时，开始计时，当前值从0递增，当前值到达预置值时，定时器状态位复位置0，并停止计时，当前值保持。

一般用于累计许多时间间隔。

3子程序调用

指令格式及功能见表3。

表3子程序调用指令

梯形图LAD

语名表

功能

操作码

操作数

CALL

SBR_n

子程序调用与标号（CALL）把程序的控制交给子程序（SBR_n）

CRET

有条件子程序返指令（CRET）根据该指令前面的逻辑关系，决定是否终止子程序（SBR_n）

无条件子程序返回指令（RET）立即终止子程序执行。

说明：

子程序调用指令编写在主程序中，子程序返回编写在子程序中。

子程序标号n的范围是0～63。

子程序可以不带参数调用，也可以带参数调用。

无条件子程序返回指令（RET）为自动默认，不需要在子程序结束时输入任何代码。

子程序调用可嵌套，嵌套深度最多为8层。

3三相电机的多段速控制

3.1控制要求

用可编程序控制器（PLC）和变频器控制交流电动机工作，由交流电动机带动流水线工作台运行，交流电动机运行转速变化情况如下图5所示，且能连续运转。

本课题所用三相交流异步电机参数：

电机额定功率0.18~0.23KW，额定电压380V，额定电流0.88~1.24A，额定频率50HZ，电机额定转速1330~1880r/min。

图5电机运行转速变化情况表

根据交流电动机运行转速变化的情况，利用“单速运行、自动运行、调整维护”选择开关S1切换电机工作状态。

（1）当选择开关处于“自动运行”位，编制半自动循环运行程序，按下SB0启动按钮，交流电动机以n1启动，经过T1时间后，交流电机以减速停止，再以n2反向启动，以此方式工作，直至n5结