基于单片机的无刷直流电动机的调速控制Word文档格式.docx

1、1.2变频调速在供水行业中的应用6.2 供水系统的变频调速节能原理92.1 水泵调速运行的节能原理92.2 本系统总体介绍10.3 系统硬件的工作原理及硬件选择123.1 PLC的工作原理及选择123.1.1 PLC的简介12.3.1.2 PLC的选择13.3.2 变频调速系统原理及选择143.2.1 变频调速系统简介143.2.2 步进电机的选择153.2.3 变频调速控制方式163.2.4 变频器的输入输出电路173.3 压力传感器的选择193.4 高压水泵的选择193.5 鉴频鉴相问题213.5.1 大功率电机变频转工频存在的问题213.5.2 鉴频鉴相器在大功率电机平稳切换中用233.

2、6 控制电路244 系统软件开发264.1 PLC编程简介264.1.1 PLC应用的开发步骤264.1.2 PLC的工作方式284.1.3 S7-200编程语言和程序结构294.1.4 编程软件基本功能304.1.5 PLC接线图314.1.6 恒压供水的工艺流程324.2 PLC程序解释34致 谢37参考文献381 变频控制系统简介恒压供水控制系统设计设计要求：1设计一个采用全自动变频恒压控制方式来实现恒压供水的自控系统。2本系统主要以PLC来控制，按照控制要求选择器件，设计其硬件主控电路。3根据要求选择相应的传感器、驱动电机、阀门等；4按照设计要求设计相应算法，编制相应的PLC控制程序。

3、第一周：确定题目,查阅资料第二周：根据设计要求分析恒压供水的工作原理第三周：对硬件进行设计第四周：对软件进行设计第五周：进行调试,找出问题 第六周：改进设计中存在不足第七周：撰写设计论文 第八周：整理论文，准备答辩1.1变频调速供水控制系统简介变频调速供水控制系统是集现代变频调速技术、PLC技术、监控技术和计算机技术为一体的新一代给水控制系统。该系统完全可以取代传统的水塔、高位水箱和气压罐等给水方式。与传统的给水方式相比，该系统不但满足了现代工矿企业、城镇居民和高层建筑对新型给水系统的要求。系统采用内置变频调速器、先进的可编程控制器等现代控制技术，对水泵机组进行闭环控制，确保压力波动小、达到设

4、定压力时间短、且可随用水量的变化自动调节水泵转速及工作水泵台数，确保恒压变量供水。系统采用现代计算机数字控制技术和模块化、标准化的设计，满足多种本地和远程联网协议，系统的可扩展性强。 系统具有手动、自动操作方式，系统压力、电机电流、电机频率和电机累计运行千瓦时LED显示，变频器、电机工况与故障指示及防误操作等功能。系统具有输入电源缺相、不平恒、过压、过流、过载、短路、电机过热、飞速启动、断水及低水位停机等完善的安全保护功能，有效的提高了给水成套设备的安全可靠性。该系统还配有完善的故障自诊断、故障检修手动工作方式等功能，使维修工作十分轻松快捷。由于控制回路与负载回路之间是通过中间继电器实现电隔离

5、和信号耦合的，因此系统的抗干扰能力强。系统自动检测瞬时水压，并据此调节水泵的供水量，机组特性曲线接近管网损失特性曲线，节能效果显著。由于变频器对电机实行的是循环软启动控制，启动平稳无冲击，提高了电机、水泵和管道等的寿命，减少了管网的泄露。此外由于系统无需高位水箱等设备，不但节省了投资，而且无水质二次污染问题。 本系统还可以将生产、生活、消防等系统合为一体，投资省、占地少、经济效益明显。1.2变频调速在供水行业中的应用作为高性能的调速传动，直流电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的

6、调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到厂泛的应用。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管交流变成直流，再逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，

7、并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电40%-60%,节水15%-30%。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。 自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始

8、经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统

9、的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。2 供水系统的变频调速节能原理2.1 水泵调速运

10、行的节能原理全自动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器，通过安装在管网上的远传压力表，把水压转换成电信号，通过接口输入控制器内置的PID控制器上，用以改变水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大。当达到设定压力时，水泵恒速运转，使管网压力稳定在设定值上。反之当用户用水量少，管网压力高于设定压力时，变频调速器的输出频率将降低，水泵转速下降，供水量减少，使管网压力稳定在设定压力，这样反复循环就达到了恒压变量供水的目的。图2.1 供水系统原理图供水系统的工作原理如图2.1所示。由自来水管网或其它水源提供的水进入蓄水池经加

11、压水泵进入用户管网管路。通过压力传感器按提供网的压力信号，传送给控制系统的PID，经PID运算后输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速进而保持供水管道的压力基本恒定。用户用水量大时，管网管路压力下降变频器频率就升高，水泵转速加快，反之频率下降，水泵减速运行，从而维持恒压供水。当用水量大于一台水泵的最 大供水量时，通过PLC自动切换电路工作再投入一台水泵，根据最多用水量的大小可投入数台水泵。在供水系统中，控制对象是水泵，控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。它的自动控制原理图见图2.2 。图2.2 变频式恒压供水自动控制原理图2.2 本系统总体介绍 本系统针对的

12、用户是自来水公司供水系统和水厂、泵站等各种泵类电机的调速和控制，控制对象应尽量做到通用型，系统功能设计和设备选择主要立足于通用性、可靠性和经济性和节能效果，而对于特殊情况下的供水系统不在本系统控制范围之列（事实上特殊供水系统也只是在通用系统功能实现的基础上充分考虑到特殊性，最根本的还是在于一般系统的研制）。在本论文中，我们以四台水泵为控制对象，建立一个模型，研制一种新型的控制系统使得水泵转速跟随用水量的变化而变化，实现变频、恒压、无级调速的供水系统，从而达到节能、节水、充分利用设备、高可靠性、高自动化程度的目的。如图2.3所示，供水系统由四台泵（二用二备）组成，由一台可编程控制器和一台变频器切

13、换控制任一台电机调速。水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供的变频回路组成，通过PLC和变频器将各台水泵按照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行，使整个的供水回路处于最佳的配置状态。变频器则具体的微调当前水泵的转速，使转速变化跟随管网压力变化（实际上是跟随用户用水量的变化）。图2.3 4台水泵控制原理图3 系统硬件的工作原理及硬件选择3.1 PLC的工作原理及选择3.1.1 PLC的简介PLC是以微机控制技术为基础，通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控以时，计数，运算等功能，并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。与传统的继电器控制盘相比，PLC控制系统体积小，可靠性高;更易使用和维护，且能

14、在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递信息的能力;通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关，接点直接相连，所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。它的发展大致经历了三个发展时期。1.形成期（1970-1974年）早期的PLC采用小规模的IC构成专用的逻辑处理芯片（CPU），采用机器语言或汇编语言编程，仅有逻辑控制指令，控制点少，功能简单，并没有获得广泛重视。2.成熟期（1974-1978年）随着单电源的8位处理器的出现，在小型化、高可靠性多功能及价格等方面，PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。PLC开始具有了多个CPU，设置了定时器

15、、计算器并具有了算术运算功能。图3.1 PLC结构示意图3.加速发展期（1978年以来）从70年代末到80年代，PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展的趋势。一方面研制出了高性能不同规模的PLC控制系统，开发了多种智能I/O模块，充分吸收了计算机和通讯技术，实现了分布式分级控制的PLC网络系统。另一方面也逐一生产一般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型PLC，对PLC普及应用起了重要推动作用。PLC的典型硬件系统构成见图3.1。3.1.2 PLC的选择可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起

16、着非常重要的作用。所以，对PLC的正确选择是非常重要的。1.工作量这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。（本设计中开关量16个，控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入）2.工作环境工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。（该设计环境正常，故不用特殊型号）3.通信网络现在PLC已不是简单的现场控

17、制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。（故尽量选取比较常用的品牌）4.编程程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内（要求有良好的编程软件）。5.可延性这里包括三个方面含义：（1）产品寿命。大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。（2）产品连续性。生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。（3）产品的更新周期。当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。这

18、时应考虑选择当时比较新型的PLC。6.性价比由上面的的挑选规范，我挑选西门子公司的S7-200 CPU226作为本系统采用的PLC，它的具体性能如下。本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K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。2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。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更

19、强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。3.2 变频调速系统原理及选择3.2.1 变频调速系统简介在变频器没有出现以前，调速系统一般采用直流调速图，但是由于结构上的原因，直流电动机存在着很多缺点（诸如需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命短，机构复杂，难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机等），所以人们一直在寻找交流调速系统。而变频器的出现刚好解决了这个问题。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起

20、停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。特别是对于工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。3.2.2 步进电机的选择 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性

21、的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选

22、型、使用、及整机改进时有所帮助。反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m（m-1