三相异步电机的远程控制完整版毕业设计.docx

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三相异步电机的远程控制完整版毕业设计

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西安邮电大学

毕业设计（论文）

题目：

三相异步电机调速闭环控制系统设计

系别：

自动化学院

专业：

自动化专业

班级：

自动0703班

学生姓名：

导师姓名：

职称：

讲师

起止时间：

2006年01月10日至2006年06月17日

毕业设计（论文）诚信声明书

本人声明：

本人所提交的毕业论文《三相异步电机调速闭环控制系统设计》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。

本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。

论文作者签名：

时间：

年月日

指导教师签名：

时间：

年月日

西安邮电学院

毕业设计（论文）任务书

学生姓名

指导教师

职称

讲师

院（系）

自动化学院

专业

自动化

题目

三相异步电动机调速闭环控制系统设计

任务与要求

1、了解电动机调速的基本原理。

2、熟练掌握组态王6.52软件。

3、会使用组态王6.52软件画组态界面。

4、绘制电气原理图、装配图、接线图。

5、熟练掌握S7-300软件，具有一定的编程能力

开始日期

1月10日

完成日期

6月17日

院长（签字）

2011

年

1

月

10

日

西安邮电学院

毕业设计（论文）工作计划

学生姓名_苗晓强__指导教师___沈建冬______职称____讲师____

院（系）______自动化学院_________专业________自动化________

题目_三相异步电动机调速闭环控制系统设计

_______________________________________________________

工作进程

1月10日~4月5日了解电动机调速的基本原理

4月6日~4月20日熟悉S7-300软件编程环境及组态王软件

4月21日~5月4日画出组态王监控画面

5月5日~5月20日编写并调试电动机调速控制程序

5月21日~6月17日撰写毕业论文

主要参考书目（资料）

西安邮电学院

毕业设计（论文）开题报告

自动化学院自动化专业07级03班

课题名称：

三相异步电机调速闭环控制系统设计

指导教师：

沈建冬职称讲师

报告日期：

2010年03月30日

1．本课题所涉及的问题及应用现状综述

在电力系统中，以电动机为主电力传动系统广泛应用于工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中，其中很多场合有调速要求，如车辆、天梯、空调、机床及造纸机械等，而风机、水泵等位了节约电能同样也需要调速。

电力传动系统的控制性能和节能水平的不断提高时其技术进步的主要内容，变频调速技术及其系统的应用能够使电力系统的控制性能和节能水平有较大的幅度的提高，这一点已经被大家所公认。

在实际应用中，电动机作为把电能转化成机械能的主要设备，一是要具备较高的转换效率；二是可以根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的转速。

电动机的调速性能对提高产品的质量、提高劳动生产效率和节能有着直接的关系。

为了控制电动机的运行，需要为电动机配上控制装置。

由电动机、控制装置就构成了电力传动自动控制系统。

2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析

三相异步电动机工作原理如下分析：

当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。

由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。

由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。

转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。

电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。

通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

3．完成本课题的工作方案

第一周：

了解题目，寻找相关的资料。

第二周至第五周：

掌握变频调速原理，设计控制系统。

第六周至第七周：

熟悉S7-300软件和组态王软件。

第八周至第九周：

编写控制程序，画组态画面。

第十周：

仿真该控制方案，并进行实际操作。

第十一周至第十三周：

撰写论文。

第十四周：

提交论文，并进行答辩。

4．指导教师审阅意见

指导教师（签字）：

　　　　年月日

说明：

本报告必须由承担毕业论文（设计）课题任务的学生在毕业论文（设计）正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。

西安邮电学院毕业设计（论文）成绩评定表

学生姓名

苗晓强

性别

男

学号

专业班级

自动0703班

课题名称

三相异步电动机调速闭环控制系统设计

课题

类型

理论研究

难度

一般

毕业设计（论文）时间

2011年　1月　10日～　6月　17日

指导教师

沈建冬（职称讲师）

课题任务

完成情况

论文（千字）；设计、计算说明书（千字）；图纸（张）；

其它（含附件）：

指导教师意见

分项得分：

开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；

论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分

指导教师审阅成绩：

　　　　指导教师（签字）：

　　　　　　　　　年　月　日

评

阅

教

师

意见

分项得分：

选题分；开题调研论证分；课题质量（论文内容）分；创新分；

论文撰写（规范）分；外文翻译分

评阅成绩：

　　　　评阅教师（签字）：

　　　　　　　　年　月　日

验收小组意见

分项得分：

准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分

验收成绩：

　　　验收教师（组长）（签字）：

　　　　　　　　　年　月　日

答

辩

小组

意

见

分项得分：

准备情况分；陈述情况分；回答问题分；仪表分

答辩成绩：

答辩小组组长（签字）：

　年月日

成绩计算方法

（填写本系实用比例）

指导教师成绩（％）评阅成绩（％）验收成绩（％）答辩成绩（％）

学生实得成绩（百分制）

指导教师成绩评阅成绩验收成绩

答辩成绩总评

答辩委员会意见

毕业论文（设计）总评成绩（等级）：

系答辩委员会主任（签字）：

系（签章）

年月日

备

注

西安邮电学院毕业论文（设计）成绩评定表（续表）

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题研究的意义1

1.2电动机调速发展现状1

1.3变频调速国内外现状2

1.3.1国内现状2

1.3.2国外现状2

1.4课题研究的主要工作3

2电动机的调速原理及方法4

2.1异进电动机的简介与分类4

2.2三相异步电动机的工作原理4

2.3异步电动机调速5

2.3.1调速原理5

2.3.2电动机调速系统的基本结构5

2.3.3三相异步电动机的调速方法6

3电动机的闭环变频调速原理9

3.1电动机变频调速技术9

3.2变频器10

3.2.1变频器的功用及原理10

3.2.2变频器容量的确定11

3.3编码器12

3.3.1光电编码器的介绍及分类12

3.3.2光电编码器的测量方法13

3.4PID控制的基本原理14

3.4.1PID控制概述14

3.4.2比例（P）控制15

3.4.3积分（I）控制16

3.4.4比例微分（PD）控制环节16

3.4.5比例积分微分（PID）控制17

3.5三相异步电动机的闭环变频调速控制系统原理分析18

3.6系统硬件设计19

4编程软件及程序设计20

4.1S7-300的简介20

4.1.1系统组成20

4.1.2功能及通讯21

4.2编程软件简介22

4.2.1项目的组建与硬件组态22

4.2.2程序编写24

4.2.3程序流程图25

4.3程序设计26

5组态设计及系统监控29

5.1组态设计29

5.1.1新建工程29

5.1.2创建组态画面30

5.1.3变量连接31

5.2系统组态监控实现34

5.3结论35

结束语37

参考文献38

致谢39

摘要

电机广泛应用于工业控制的各个领域，因此如何更经济有效地控制电机对于工业自动化地发展尤为重要，直流电机的特点是调速简单但制造昂贵且噪音大，而交流电机虽然克服了直流电机的上述缺点但调速较为困难，但随着交流变频技术的发展，通过变频器来改变交流电的频率，从而改变交流电机的调速，本课题就是主要通过PLC控制变频器实现对电机转速的控制，编码器做信号反馈，即实现闭环控制，这样实时地反馈电机的当前转速送给PLC进行运算处理，使得对电机转速的控制更加精确，反应实时性更高，通过系统的组态仿真我们可以清晰的看到该控制系统的优越性。

关键词：

三相异步电机，编码器，西门子变频器，S7-300

Abstract

Motoriswidelyusedinindustrialcontroleachdomain,thereforedevelopmentparticularlyimportant,dcmotorspeedthecharacteristicsofsimplebutmanufacturingisexpensiveandnoise,andacmotoralthoughovercamedcmotoroftheabove-mentioneddrawbackbutspeedisverydifficult,butwithacfrequencyconversiontechnologydevelopment,throughtheinvertertochangethefrequencyofthealternatingcurrent,whichchangesacmotorspeedcontrol,thistopicismainlycontrolledbyPLCinvertertotherealizationofthemotorspeedcontrol,encoder,i.e.signalfeedbackclosed-loopcontroltoachievesuchreal-timefeedbackmotorforthecurrentspeedPLCforcomputing,whichmakesthemotorspeedcontrolismoreaccurate,reaction,throughthesystemmorereal-timeconfigurationsimulationwecanclearlyseethesuperiorityofthecontrolsystem.

Keywords:

three-phaseasynchronousmotor,encoders,SiemensS7-300transducer.

1绪论

1.1课题研究的意义

在电力系统中，以电动机为主电力传动系统广泛应用于工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中，其中很多场合有调速要求，如车辆、天梯、空调、机床及造纸机械等，而风机、水泵等位了节约电能同样也需要调速。

电力传动系统的控制性能和节能水平越来越被人们重视，变频调速技术恰好能够使电力系统的控制性能和节能水平有较大的幅度的提高，这一点已经被大家所公认。

在实际应用中，电动机作为把电能转化成机械能的主要设备，一是要具备较高的转换效率；二是能够根据生产工艺的具体要求控制和调节电动机的转速。

电动机的调速性能对提高产品的质量、提高劳动生产效率和节能有着直接的关系。

为了更精确和实时地控制电动机的转速及运行，需要为电动机配上控制装置（如PLC）和反馈装置（如编码器）。

由电动机、控制装置和反馈装置就构成了电力传动自动控制系统。

现代工业控制系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向发展。

本设计也将把现场总线通信与变频控制技术统一起来，对该电机闭环调速系统进行组态监控，将推动交流电机群控制技术以及设备远程控制技术的发展。

Profibus作为一种通用的现场总线，已经得到很广泛的应用，很多厂商的工控器、plc、变频器、智能IO与AD模块具备profibus通讯接口。

用Profibus总线控制电动机的调速，能更加精确的调节电动机的转速，从而提高电动机的效率。

同时，通过该设计，回顾大学知识，作为进入社会的一次实践，提高我们对知识的应用能力。

1.2电动机调速发展现状

电动机调速系统的发展实际上是依赖电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变技术以及交流电动机制造技术的发展。

智能控制理论的应用和电力电子器件的技术、计算机控制技术的迅速更新是推动电机调速系统不断进步的动力。

电机调速是目前电力电子技术应用的最大领域之一，具有极强的吸引力，同时也具有较强的挑战性。

它的市场大，据报道，全球大约有100亿以上各种电机在工作。

2006年我国空调的产量已达到5500万台，仅此一项说明市场已非常庞大；另外，其应用领域及其广泛，例如数控机床、电梯、电力机车、家用电器、汽车、航空航天、船舶、造纸和纺织行业等。

直流电机由于其转矩便于控制，因此它作为调速电动机的代表在20世纪的大部分年代广泛应用于工业生产中。

虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟，但由于电动机的单机容量、最高转速及负载能力等主要技术指标受机械转向制约，限制了直流调速的发展。

随着电力电子技术的发展，各种新型器件和先进的控制方法在电机调速系统中广泛应用，很多场合直流电机正逐渐被交流电动机所代替，因此有的学者认为，在二十一世纪，直流电机将会在电气传动领域消失，而异步电动机和其它类型的交流电动机的应用范围将逐步增加。

特别是鼠笼型交流异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，体积小（与同容量的直流电动机相比），并且坚固耐用，具有的转动惯量小，运行可靠，维护简单等优点，是工业领域中广泛使用的一种电气设备。

从前面的叙述我们可以看出，与直流电机相比，异步电机具有适应性强、结构简单、价格低廉、容易实现高速和大容量化等特点，因此未来电机调速传动领域，将以异步电动机等交流电机为主。

而我们要研究的就是如何使交流电机的转速调速精度高、输出性能最佳。

1.3变频调速国内外现状

1.3.1国内现状

我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。

作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。

我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kW以下的中小型异步电动机。

我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。

因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。

现在，我国有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。

随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。

很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。

国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的成绩。

但应看到，由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖仍很严重。

很多国内生产制造的产品（如家电）还是与国外的产品有着一定的差距，究其原因还是我们国内的变频核心技术有待提高，不管是从节约能源的角度出发还是从使中国国内产业超越国外产品出发，研究变频调速这一课题已刻不容缓。

1.3.2国外现状

（1）市场有大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得了显著的经济效益。

（2）功率器件发展迅速变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。

近年来，高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT以及智能模块IPM（IntelligentPowerModule）等器件的生产以及并联、串联技术应用的发展，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。

 （3）控制理论和微电子技术的支持在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。

1.4课题研究的主要工作

（1）本文主要研究电动机闭环调速控制，根据变频调速原理，设计控制系统，使电动机的调速更精确、简单、快速。

（2）研究编码器在电动机调速系统中的应用，设计好的控制系统用s7-3编程实现控制。

（3）对控制方案进行组态监控，确定其可行性和系统运行情况。

2电动机的调速原理及方法

2.1异进电动机的简介与分类

异步电机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转自绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩，所以，异步电机又叫感应电机。

异步电动机的优点是结构简单、容易制造、运行可靠、价格低、坚固耐用、运行效率较高且适用性强，缺点是功率因数较差。

异步电机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。

但电网的功率因数可以别的方法进行补偿，所以并不妨碍异步电机的广泛使用。

目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。

异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类。

例如：

（1）按定子相数分，有单相、两相、三相异步电动机。

（2）按转子结构分，有绕线式异步电动机和鼠笼式异步电机。

其中鼠笼式异步电动机又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机及深槽式异步电动机。

（3）按有无换向器分，有无换向器异步电动机和换向器异步电动机。

2.2三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机工作原理如下分析：

当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。

由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。

由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。

转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。

电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。

通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

2.3异步电动机调速

2.3.1调速原理

调速即速度调节或速度控制，是通过改变电动机的参数、结构或外加电气量（如供电电压、电流的大小或频率）来改变电动机的速度，以满足工作机械的要求。

调速要靠改变电动机的特性曲线来改变。

如图2-1（a）中工作机械即负载特性曲线为线ML,通过调速装置改变的电动机特性曲线为线M1、M2、和M3与线ML的交点分别为点1、2、3，于此相对应的角速度为φ1、φ2和φ3，亦即电动机将有不同的角速度值，实现调速。

与此相反，不改变电动机的特性，而靠改变负载转矩虽也可以使速度变化，如图2-1（b）中负载转矩由ML1增加到ML2、ML3虽也可以使电动降速，但这不是调速，而属于扰动，一般是不希望的，并且是要实现稳速所要克服的重要问题。

（a）调速时的特性曲线（b）负载变化时的特性曲线

2--1电动机调速变化曲线

2.3.2电动机调速系统的基本结构

图2-2示出电动机调速系统的主要组成部分。

电动机M是以一定转矩和转速带动工作机械运动的受控对象，其主要空置量是定子侧电压U1、电流I1、频率f1或磁通Φ1，或者转子侧电压U2、电流I2、频率f2或磁通Φ2。

其输出量为转矩M或角速度φ。

变流装置将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量的功率装置，起电能变换和控制作用。

调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。

反馈装置用以检验和变换反馈信号。

在电动机调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等。

控制装置时根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。

在要求不很高的场合，没有反馈装置而采用开环控制，但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。

图2-2电动机调速系统的基本结构图

2.3.3三相异步电动机的调速方法

三相异步电动机转速公式为：

n=60fp（1-s）（2-1）

从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。

从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。

在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。

改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。

从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：

高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。

有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。

一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。

（1）变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：

a具有较硬的机械特性，