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交流异步电动机转速闭环控制系统设计论文

2016届毕业设计说明书（论文）

交流异步电动机转速闭环控制系统设计

院、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

刘泰波

指导教师：

邓宝燕职称工程师

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气1205班

完成时间：

2016年5月

摘要

交流异步电机具有结构简单、制造容易、维护检修工作量小等一系列优点，在早期多用于不可拖动领域。

伴随着电力电子科技技术不断发展，和静止式变频器出现，交流异步电机在可拖动领域当中逐步得到了普遍的实际应用。

实现电机的调速有很多方法。

探究异步电动机的调速，寻求符合实际情况调速方法能够最大的限度节省资源，因此探究控制调速就显得很有一定的必要。

交流异步电机转速闭环控制是一种比较简便实用的调速系统，这个系统其拥有优异的运行、控制及经济性能，彰显了庞大的技术开发潜力。

此次设计介绍了交流异步电机转速闭环控制系统的几大组成部分，并且着重阐述了三相交流异步电动机、变频器、可编程控制器PLC（programmablelogiccontroller）的简单的工作原理。

在探究转速闭环控制基本原理的基础上，研究出了交流异步电机单闭环转速系统结构原理图。

还将具体分析本次实验器件选择方案的优缺点，叙述课题的硬件软件设计内容，介绍各个器件的详细资料。

以单闭环调速系统为例，如果选择电机调速，速度控制系统的范围是最小的，速度变量用来作为负反馈回路控制系统就能解决这个问题，使调速性能得到充分改善。

最后，经过理论分析并建立模型后，基于组态王人机界面开发仿真软件，并进行调试仿真实验，并且对仿真结果进行进一定的分析和改进。

关键词：

PLC；变频器；交流异步电动机；转速闭环控制；组态王

ABSTRACT

Acasynchronousmotorhassimplestructure,easymanufacture,smallmaintenanceworkloadandaseriesofadvantages,inthefieldofearlytonotdrag.Withthecontinuousdevelopmentofpowerelectronictechnology,andthestaticfrequencyconverter,acasynchronousmotortodragfieldgraduallywidelypracticalapplication.Therearesomanywaystoachievemotorspeedcontrol.Toexplorethespeedregulationofasynchronousmotor,seektoconformtotheactualsituationspeedregulationmethodcanmaximumlimittosaveresources,thustoexplorethecontrolspeedregulationisverynecessary.Acasynchronousmotorspeedclosed-loopcontrolisarelativelysimpleandpracticalcontrolsystem,thissystemhasgoodoperation,controlandeconomicperformance,revealsthehugepotentialoftechnologydevelopment.

Thedesignofacasynchronousmotorspeedclosed-loopcontrolsystemisintroducedseveralmajorcomponents,andemphaticallyexpoundsthethree-phaseacasynchronousmotor,frequencyconverter,PLC（programmablecontrollerprogrammablelogiccontroller）ofsimpleworkingprinciple.Intheinquiryspeedclosed-loopcontrol,onthebasisofbasicprinciple,researchoutoftheacasynchronousmotorsingleclosed-loopspeedsystemstructurediagram.Willalsobeaconcreteanalysistheadvantagesanddisadvantagesofthisexperimentdeviceoptions,hardwareandsoftwaredesigncontentsofnarrativesubject,introducedetailsofeachdevice.

Singleclosed-loopspeedcontrolsystem,forexample,ifyouchoosetomotorspeedcontrol,speedcontrolsystemisthesmallest,therangeofspeedvariableusedasanegativefeedbackloopcontrolsystemcansolvethisproblem,makethespeedregulatingperformancefullyimproved.

Finally,aftertheoreticalanalysisandestablishthemodel,simulationsoftwarebasedonkingviewman-machineinterfacedevelopment,anddebuggingsimulationexperiment,andthesimulationresultsareinacertainanalysisandimprovement.

Keywords:

PLC;Frequencyconverter;Acasynchronousmotor.Speedclosed-loopcontrol;kingview

1绪论

随着人类能源需求的发展,大大刺激了全世界工业经济的飞速提升，与发达国家工业经济发展相比之下我国的能源状况，也需要相应的提高资源的需求提升经济能力。

上个世纪末，我国工业高耗能机械设备就已经稳稳地超越了许多经济发达的欧美国家，但是面对高耗能的情形下，我国机械设备的综合电力能源使用率却仅仅只有百分之三十八，这个数值与发达国家相对比却低得很多，根据这个情况我国有必要发展新技术来提高电力能源的利用率，大力降低浪费的电力能源，提升工业经济能力。

电机已然是如今工业生产中能源的使用巨头其中之一，目前电机在全国范围内的总装机容量已超过4亿KW，每年已超过6千亿KW.h，其指标在生产当中达到百分之八十，而如今，在我国，超过百分之八十的电机主要都以中小型异步电动机为主，从这个粗略的数据可以得到一个信息，我国在电力设备特别是在电机领域还有很大潜力来大力降低综合能源的消耗促进经济的进一步发展。

通过分析电机的结构原理判断出电机频率是对能源消耗的关键所在，所以改变电机频率需要涉及到变频调速技术，由于变频调速技术杰出的节能优点、良好的调速功能和广泛的普及适用得到了工业领域的强烈欢迎和青睐。

虽然有很多实验研究所对变频调速技术有着深入的研究，但运用到生产经济当中产业化模块却是非常的不尽人意，我国技术市场的近百分之六十由海外工业机械设备占领。

大致相比之下，经过我国的变频调速技术几十年的发展，但还是与欧美发达国家技术有十年左右的差距水平。

在大功率交-交电机等变频器技术领域，我们国家只有为数不多的研究所有其自身的实力研究制造出来，但是与国外技术发达的国家相比，在数字化和系统可靠性方面还需要更进一步的提高。

异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，可以通过其坐标的变换让阶次降低并简化，但这对于非线性和多变量的本质来说是没有改变的。

转速开环的恒压频比调速控制系统和转速闭环的转差频率变频调速系统，它们的动态性能并不是能够得到满意的认可，很难准确的设计出调节器的参数。

主要在于没有涉及到非线性和多变量的本质，只是单独运用了单变量控制系统的概念。

1.1课题设计的目的

对于电动机转速的控制，开环系统其结构简单，电机触发电路由控制电压直接控制。

但转速变化很大，系统静特性差。

虽然闭环系统的结构是复杂的，但系统的特性曲线较硬，速度调节性能好，转矩变化几乎没有影响系统的速度。

在众多工业产业当中，电机转速能够符合给定的转速，所以选用闭环控制系统。

此次课题设计就是基于PLC可编程控制器的三菱变频器来实现转速闭环控制。

1.2课题设计内容及实现目标

通过变频器驱动三相异步电动机旋转，电机尾部接有旋转编码器，编码器高速脉冲信号接入PLC，通过高速计数器指令准确计算出电机的转速，依靠PLC内部的PID指令动态准确的调节电机的转速达到设定速度与反馈速度基本一致，实现功能。

1.3论文整体结构

此次论文课题设计的是基于可编程控制器PLC交流异步电动机转速闭环控制系统设计，需要使用三菱FR-E740系列变频器、PLC三菱FX系列可编程控制器、组态王人机界面仿真、交流异步电动机、光电旋转编码器对本课题进行完整的设计实施，能够使电机转速达到设定的速度与系统反馈的速度基本达成一致，实现功能目标。

论文主要分为六部分，各部分内容如下：

第一部分：

绪论，大体上介绍本篇课程设计中交流异步电动机转速闭环控制系统的背景以及设计目的意义，设计内容介绍和设计的预期实现目标。

第二部分：

叙述整体硬件方案的选择，选取适合的硬件进行设计。

第三部分：

控制系统各个硬件的简介以及介绍硬件工作原理特点，并总结其控制系统的接线组成和组成控制原理。

第四部分：

介绍了制作过程中所需要的系统软件设计，输入输出分配表以及设计当中的软件程序的流程图说明。

第五部分：

进行系统的仿真调试，并分析仿真数据总结。

第六部分：

总结设计功能与不足；如何进行改善提高性能；设计中应用的参考文献、致谢及附录。

2整体方案选择

对于变频调速技术，为了实现交流异步电动机调速的技术目标，要通过改变交流电动机供电频率的方式来达成目的。

众所周知，按照一般的情况下电机划分为直流和交流两种电机。

由于直流电机相比交流电机性能良好，易实现调速功能，所以为了调速功能的实现很多情况下使用的是直流电动机。

但是由于选用了直流电源的直流电动机，它需要经常拆换滑环和碳刷，所以它的拆换需要耗费大量的工时，并且拆换零件成本极高，它的这个自身缺点给使用者带来了很多的麻烦。

因此，希望简单和可靠的廉价笼型交流电机也可以作为直流电动机那样的调速。

在电机转速控制系统的选择上虽然开环系统结构较简单，但是转速变化很大具有不可控性，系统的静特性较差。

而单闭环系统结构复杂，但是系统调速好，系统特性曲线硬，转矩的变化对电机转速的干扰几乎很小。

所以综上所述，电机采用交流异步电动机，转速系统采用单闭环控制系统。

2.1变频器的选择

如今变频器具有巨大的变频调速的技术优势和各方面综合性价比的逐步升高，在工业领域当中的各个方面得到了全面普及化。

当前，具有变频调速功能的专用变频器已经被研发并在市场上出售，具有灵敏和强大的功能，但市场价格却极其昂贵。

当前，在工业应用当中使用通用类型的变频器和交流电机品牌型号众多，它们的控制系统结构原理和控制思想方法都基本相似。

为了使控制驱动系统可靠正常的运行，采用恰当的变频器型号规格是首先要考虑的第一步要素。

首先我们必须清楚地了解变频器的使用目的，并根据生产机械的类型、响应速度、转速范围和起动转矩、控制精度要求，全面的解析变频器的驱动负载特性，再确定构成控制系统中需要使用什么功能类型的通用型变频器。

然后再决定选用哪种控制的方式最恰当。

在设计过程中使用的通用变频器不仅符合工业生产工艺上的要求，而且又能在经济技术指标上满足。

如果系统设计过程中，一般变频器的选择和使用不恰当时，通常会导致通用型变频器不能够达到所预期的功能目标正常工作，甚至有可能使系统设备损坏故障，造成不必要的损失。

此外，地线的接通也是确保变频器能够长久的正常工作。

对于我们在大学期间学习过的三菱PLC程序语言和工业上通用的西门子系列的变频器、欧姆龙系列变频器，选择性很广泛，因此此次设计采用我们在校期间接触过的三菱FR-E740-0.75K-CHT型变频器。

2.2可编程控制器的选择

可编程逻辑控制器凭借着自身的优点：

灵活、可靠、简便，迅速的在工业控制领域占领了优势。

逐步发展为了更先进的工业控制设备，并在全球风靡。

在工业生产中PLC可选择三菱系列、西门子系列、欧姆龙系列、A-B系列，此次课题设计采用的是在校期间学习过的

晶体管输出型的可编程控制器。

2.3组态软件的选择

由于实物设计成本较高，需要用到HMI和组态软件进行人机界面触摸屏连接可编程控制器、变频器和交流异步电动机。

结构复杂，实物成本昂贵，所以根据课题情况，可使用GTDesigner3软件、西门子Smart700、组态王软件，经过了解探究，决定选用组态王进行简易的模拟实物仿真。

2.4光电旋转编码器的选择

旋转编码器它的主要功能是测量设备转速速率，通常情形下编码器分成双路输出与单路输出类型。

旋转编码器的技术参数指标有从几十个计数至几千个计数不等的每转脉冲计数。

编码器的双路输出是有两组相位相差90度的脉冲，对于单路输出是指旋转编码器输出量只是一组脉冲，根据这两组脉冲计算不但能够对转速进行衡量测试出数据值，而且能够由此数据来判断出它的旋转方向。

编码器通过信号原理来具体区分的话，可以分为绝对型编码器和增量型编码器。

二者通常都用于速度控制或作为位置控制系统的检测元件。

增量型编码器一般为旋转型。

在此次系统中，选用欧姆龙光电旋转编码器的型号有E6A2-C系列、E6B2-C系列、E6B3-C系列、E6C4-C系列等。

根据设计的需要，选择一个E6B2-CWZ3E型高精度的编码器，分辨率高达1000（脉冲/旋转）。

2.5整体方案说明

经过以上的硬件软件说明和型号的选择，选用FR-E740-0.75K-CHT型变频器、

晶体管输出型PLC、E6B2-CWZ3E型编码器、组态王仿真软件、鼠笼式异步电机、

模拟量模块进行组成闭环调速控制系统设计。

经由计算机梯形图编程给定速度信号送至PLC输入端与电机转速通过编码器的测量得到的速率值相互比较得到差值，PLC根据梯形图程序PID控制计算得到控制量，经

模拟模块输出模拟量给变频器，若实际速度高于设定值则对应调低电机转速，若实际速度低于设定值则对应提高电机转速，全程实时比较监控调节电机转速。

3控制系统硬件设计

3.1系统硬件配置简介

转速闭环系统主要由三大部分进行组成，可编程控制器、变频器和交流异步电机。

首先把设定的给定值速度输入给PLC内部处理，接着通过

模块把PID控制输出的模拟量输送至变频器进行控制工作，再接着经过变频器的调速功能控制交流异步电机的转速，最后将交流异步电动机的运行转速通过编码器反馈回PLC，经过数据相互对比后再输出至变频器以便达成无静差调速的目的。

3.1.1变频器的简介

FR-E740-0.75K-CHT变频器是日本三菱公司面向全球大力推广的二十一世纪通用类型变频器之一。

FR-E740-0.75K-CHT变换器不仅实现了V/F的控制原理，还实现了矢量控制功能，在无速度传感器的自动调谐功能下，轻而易举的获得高起动转矩和较大的调速范围。

FR-E740-0.75K-CHT变频器的特点如下：

（1）包含电流矢量控制在内四种控制方式均能够实现标准化。

（2）有大量的内藏和选择性功能。

（3）由于采取了最新式的硬件，所以，功能齐全、体积小巧。

（4）保护功能完善、维修性好。

（5）调速平滑、调速范围大。

（6）调速精度高。

（7）动态品质好。

（8）可以将频率减少到零后反向运行，容易实现方向的转变。

（9）大大减少电力能源的浪费。

外部供电电源为系统中交流异步电动机提供的工作电信号是频率信号，因此这个数值可以在电动机的系统外部调整后再为电动机供给，如此交流异步电动机就可以自由的掌控电机的旋转速率。

变频调速装置是电机调速装置的首选装置。

所以，最好的电动机控制方式就是通过改变电压大小和频率大小的方式来实现目的。

在设计过程中，选用三菱FR-E740-0.75K-CHT型变频器，三相变频器的电压额定参数为380V，输出的功率范围为0.4～15KW，采用磁通矢量控制，实现1Hz运行150%转矩输出，内置RS485通讯口，柔性PWM，实现低噪音运行。

它的电气主电路采用交－直－交电路。

它具有以下这三种控制方式：

（1）矢量控制（VC）方式；

（2）直接转矩控制（DTC）方式；

（3）

控制方式。

比较典型的V/F曲线有这以下四种如图1所示。

U,VU,V

380380

f,Hzf,Hz

050050100

（a）（b）

U,VU,V

650380

317

220

f,Hzf,Hz

020040005060

（c）（d）

图1FR－E740基本V/F曲线的四种类型

图1（a）所示，普遍出现在我国采矿行业当中：

当X轴频率从0Hz提升到50Hz时，电压按照线性比例从0V成正比的升到380V。

图1（b）所示，前期的增长线性图规律和图（a）相似，而在50Hz拐点后期的线性图当中电压保持最高380V不变，而频率可以提高100Hz。

图1（c）所示，当频率提升到200Hz时，电压提升到220V，如果频率继续提升至近400Hz时，电压也提高到650V。

图1（d）所示，其基本频率为60Hz、最大输出电压为380

时基本V/F曲线，通常在这种情况下，当频率为50Hz时，它的输出电压只有317V左右。

而FR-E740-0.75K-CHT基本V/F曲线的基本特征是:

（1）

（2）

（3）

式中

—电压调节比；

—频率调节比；

—变频器输出频率，

；

—当变频器的输出频率为

时输出电压，

；

，

—电动机的额定频率与额定电压。

V/F控制时的一般电流变化规律是：

曲线实际意义，分为以下这两种情况。

（1）变动负载中V/F的设定

对于转矩变化比较大的负载，采用V/F的控制方式，正确设置V/F是非常重要的。

不可否认，大多数人起初重视的是：

低频运行时的电动机不知是否带动起最沉重的负载，于是就易于把V/F值设置得过高。

但是，根据大量的实验数据说明，如V/F过大的话，则空载运行易跳闸。

所以，在调试过程中，应该要V/F由小逐步加大，如果每增添一个档位，就必须观察是否携带得起沉重的负荷，直到可以携带的起，也该反过来察看空载运行会不会跳闸停止。

（2）二次方律负载的低速跳闸

当二次方律负载在低速运行时负载电阻的转矩值很小，若变频器的V/F因某些原因设置较大，可能会跳闸。

在实际工程应用中，若恒转矩负载，变频器转矩补偿预置得较大。

当改用到风机上运行时，低速时的负载转矩却很小，所以会发送低速跳闸的现象。

通过把V/F设定得较小便可正常运行。

序号

变频器参数

出厂值

设定值

功能说明

1

P0304

230

380

电动机额定电压（380V）

2

P0305

3.25

2.6

电动机额定电流（2.6A）

3

P0307

0.75

0.75

电动机额定功率（750W）

4

P0310

50.00

50.00

电动机额定频率（50Hz）

5

P0311

0

2825

电动机额定转速（2825r/min）

6

P1000

2

1

操作面板（BOP）控制频率升降

7

P1080

0

0

电动机的最小频率（0Hz）

8

P1082

50

50.00

电动机的最大频率（50Hz）

表1FR-E740-0.75K-CHT型变频器参数设定

通过以上说明，控制方式决定了变频器的使用性能，V/F控制方式具有控制电路简单、结构简单、机械性好、硬度高、满足通常的平滑速度控制的驱动要求，在工业领域中得到广泛应用。

变频器参数设定规格如上表所示。

为了能够达成系统调速的目标可通过变频器的方式改变电动机定子绕组供电的频率。

（4）

对于磁极数目确定、转差率变化小的出厂电机，电机的转速随着电源的频率的增加而线性增加，改变输入电源频率就可改变电机的同步速度，从而实现调试目的。

变频器的工作原理：

把线电压（380V、50Hz）通过以整流器的方式转换成平滑直流，再用由半导体器件（GTR、GTO或IGBT）构成的三相逆变器，把直流电转化成具有可变频率和可变电压的交流电。

三菱FR-E740-0.75K-CHT型变频器外部端子接线图如下图2所示。

图2FR-E740-0.75K-CHT型变频器端子接线图

3.1.2可编程控制器简介

在转速闭环系统中，采用日本三菱公司

可编程控制器PLC做为基本的控制模块，其输入输出点数各16点，一共32点。

系列三菱FX家族系列当中最先进的，大范围的具备许多特点，更完整的通信，运行速度快，为工厂自动化应用提供最大限度的控制能力和灵活性。

它的基本指令执行时间可0.08us，其8KB步内置的用户存储，可扩展到16KB步，最大可扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块和功能扩展板，可实现多轴定位控制。

其具有较强功能的数学指令集，比方有开平方、浮点数运算和三角函数等这些指令集。

当今日本三菱FX系列是中国大陆销售最大的微型控制器。

系列PLC是属于整体式的类型结构，其内部共具有三种不同类型的单元，即扩展单元、基本单元和特殊单元。

基本单元包括存储器，微处理器和输入/输出接口电路。

每一个控制系统必须有一个基本单元。

若是要增加I/O的点数，可以连接扩展单元。

如果要增加控制功能，则可以连接到相应的专用单元，如模拟单元、高速计数单元等。

可编程控制器PLC是一种集自动控制技术、继续计算机和通信技术为一体的新型自动工业控制计算机。

PLC具有如下几点优势特点：

（1）通用性、灵活性强。

（2）抗干扰能力强，可靠性高。

（3）使用方便，编程简单。

（4）可扩展，功能强大。

可编程控制器由于功能扩展和硬件配置方便灵活，所以根据控制要求可随时改变特定功能单元数量和类型，再对应的修改用户程序就可达到增加和变换控制功能的目的。

可编程控制器本质上就是一种专门用于工业生产控制领域的计算机，其硬件结构基本上和计算机大致一致，如图3所示。

a.中央处理单元

可编程控制器的核心控制中枢是CPU（中央处理单元CentralProcessingUnit）。

它是按照可编程控制器系统程序的功能，接收和存储从程序员输入的用户数据和程序；检查