基于s71500与变频器的异步电机调速控制设计.docx

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基于s71500与变频器的异步电机调速控制设计

基于s7-1500与变频器的异步电机调速控制设计

摘要：

文章利用西门子S7-1500的PLC，采纳PROFINET的通信方式，控制变频器输出频率的改变，变频器采纳G120_cu250s型号，利用WINCC触屏设定异步电机转数，经过PLC程序运算后，将运算后的数字量通过变频器端口送到变频器，进而控制调整电机转数和触屏设定转数相同，达到调速的目的。

异步电动机变频调速系统具有重要的有用价值和辽阔的市场空间。

研究和推广高性能变频器是提高生产生活水平、促进节能减排、减少电网污染的有效途径。

因此，实现科学技术进步和可持续进展也是人类社会的迫切需要。

在研究异步电动机相关控制技术和变频器硬件实现结构的基础上，重点研究了变频器驱动单元中的无速度传感器矢量控制技术，有助于降低系统成本，提高可靠性和适用性，提高了系统的可靠性和有用性。

e电源单元的主动前端实现结构，有助于提高网络侧的电流质量，提高能源利用效率，并提出了一些新的解决方案。

首先，在分析适用于无速度传感器矢量控制的磁链观测器结构的基础上，深入研究了速度自适应全阶磁链观测器。

通过对小信号模型的线性化，说明白传统设计方案在低速再生制动条件下的不稳定性，提出了一种改进的全阶观测器反馈增益矩阵设计方法。

然后，在异步电动机无速度传感器矢量控制硬件系统的设计与实现的基础上，试验结果表明，改进后的方案可以在低速范围内扩展无速度传感器控制的稳定工作范围。

其次，从实际应用的角度，分析了常见非理想因素对全阶磁链观测器的影响，并研究了相应的解决方案。

针对电机参数误差对全阶观测器磁链观测精度和速度估量精度的影响，在考虑磁链与速度重合关系的基础上，进行了详细的理论分析，总结了不同参数组合下观测误差的改变规律。

与系统仿真结果一致。

然后，对全静态自整定和电机参数在线辨识的方法进行了不同程度的分析和试验。

针对驱动单元逆变器硬件系统实现中的非理想因素，分别从数字化、采样和死区效应三个方面进行了研究。

分析了全阶磁通观测器常用离散化方法的优缺点，提出了一种前向差分与双线性变换相结合的离散化方案，并进行了试验验证。

该方案可以同时获得较高的精度和较低的计算量。

在一定程度上解决了高开关频率应用中离散全阶观测器的实际问题。

在采样问题中，主要分析了定子电流采样不同频率范围误差对全阶观测器速度估量和磁通观测的影响，并阐述了合理设计定子电流采样环节的关键问题。

针对死区效应问题，详细分析了电压源逆变器死区效应的机理及其对观测器定子电压重构的影响。

在此基础上，提出了一种考虑电流过零相位的电流状态推断电路和方法以及相应的死区补偿方案。

理论分析和试验结果表明，该方案能够推断逆变器输出电流的瞬时极性和两种不同的过零状态，并根据推断结果选择最合适的死区补偿量，提高死区补偿的精度，从而有效地降低了死区补偿量。

定子电压重构误差对磁通观测的影响。

最终，本文介绍了基于滤波器的变频器有源前端电源单元的设计，以及网络侧电流优化控制技术的研究与试验。

在分析系统硬件参数和控制方案设计原理的基础上，实现了以有源前端结构为电源单元的完整的变频器硬件样机，并对系统的驱动和反馈制动能力进行了试验。

同时，分析了电压畸变条件下抑制电网侧谐波电流的能力，说明白滤波器谐振问题对传统控制方案的局限性。

然后，对改进后的控制方案进行了研究和试验。

一方面，从稳定条件、补偿功能设计和谐波抑制特性等方面详细分析了两种结构的复合重复控制方案。

通过试验总结了这两种结构的优缺点。

另一方面，基于反馈电容电压的有源衰减方案，提出了用降阶观测器代替直流观测器来观测电容电压。

利用传感器对电容电压进行采样，实现有源衰减方案。

试验结果表明，该方案在不增加硬件成本和复杂度的前提下，可以实现有源衰减，提高控制性能。

并根据试验结果，比较了重复控制和有源衰减的优缺点。

总之本文对异步电动机变频器的一些关键技术进行了研究，旨在提高其性能和有用价值。

在研究过程中提出了一些新的思路或改进方案，并通过大量试验验证了分析和提出的方案。

关键词：

PROFINET；WINCC触屏；西门子S7-1500；变频调速系统；通信方式；变频器；无速度传感器矢量控制,自适应全阶观测器,数字控制,死区补偿,滤波器,重复控制,有源衰减

Speedcontroldesignofasynchronousmotorbasedons7-1500andfrequencyconverter

Abstract:

ThispaperusesSiemensS7-1500PLCandPROFINETcommunicationmodetocontroltheoutputfrequencyoftheconverter.TheconverteradoptsG120_cu250smodelandWINCCtouchscreentosetthespeedoftheasynchronousmotor.AftertheoperationofthePLCprogram,thecalculateddigitalquantityissenttotheconverterthroughtheportoftheconverter,andthenthemotorspeediscontrolledtobeadjustedthesameasthatofthetouchscreen.Toachievethepurposeofspeedregulation.

Thevariablefrequencyspeedcontrolsystemofasynchronousmotorhasimportantpracticalvalueandbroadmarketspace.Researchandpromotionofhigh-performancefrequencyconverterisaneffectivewaytoimproveproductionandlivingstandards,promoteenergysavingandemissionreduction,andreducegridpollution.Therefore,therealizationofscientificandtechnologicalprogressandsustainabledevelopmentisalsoanurgentneedofhumansociety.Onthebasisofstudyingtherelatedcontroltechnologyofasynchronousmotorandthehardwareimplementationstructureoffrequencyconverter,thespeedsensorlessvectorcontroltechnologyinthedriveunitoffrequencyconverterismainlystudied,whichhelpstoreducethecostofthesystem,improvethereliabilityandapplicability,andimprovethereliabilityandpracticabilityofthesystem.Theactivefront-endarchitectureofEpowersupplyunitishelpfultoimprovethecurrentqualityandenergyefficiencyofnetworkside,andsomenewsolutionsareputforward.

Firstly,onthebasisofanalyzingthestructureoffluxobserversuitableforspeedsensorlessvectorcontrol,thespeedadaptivefull-orderfluxobserverisdeeplystudied.Bylinearizingthesmallsignalmodel,theinstabilityofthetraditionaldesignschemeundertheconditionoflow-speedregenerativebrakingisillustrated,andanimprovedfull-orderobserverfeedbackgainmatrixdesignmethodisproposed.Then,basedonthedesignandimplementationofspeedsensorlessvectorcontrolhardwaresystemforinductionmotor,theexperimentalresultsshowthattheimprovedschemecanextendthestableworkingrangeofspeedsensorlesscontrolinlowspeedrange.

Secondly,fromthepointofviewofpracticalapplication,theinfluenceofcommonnon-idealfactorsonthefull-orderfluxobserverisanalyzed,andthecorrespondingsolutionsarestudied.Inviewoftheinfluenceofmotorparametererrorsonfluxobservationaccuracyandspeedestimationaccuracyoffull-orderobserver,adetailedtheoreticalanalysisiscarriedoutconsideringtheoverlaprelationshipbetweenfluxandspeed,andthevariationlawofobservationerrorsunderdifferentparametercombinationsissummarized.Thesimulationresultsareconsistentwiththoseofthesystem.Then,themethodsoffullstaticself-tuningandon-lineidentificationofmotorparametersareanalyzedandexperimentedtovaryingdegrees.Aimingatthenon-idealfactorsintheimplementationofthehardwaresystemofthedriveunitinverter,threeaspectsofdigitization,samplinganddead-timeeffectarestudiedrespectively.Theadvantagesanddisadvantagesofcommondiscretizationmethodsforfull-orderfluxobserversareanalyzed.Adiscretizationschemecombiningforwarddifferenceandbilineartransformationisproposedandverifiedbyexperiments.Theschemecanachievehighaccuracyandlowcomputationalcomplexityatthesametime.Tosomeextent,itsolvesthepracticalproblemofdiscretefull-orderobserverinhighswitchingfrequencyapplications.Inthesamplingproblem,theinfluenceofdifferentfrequencyrangeerrorsofstatorcurrentsamplingonfull-orderobserverspeedestimationandfluxobservationismainlyanalyzed,andthekeyproblemsofreasonabledesignofstatorcurrentsamplinglinkareexpounded.Aimingatthedead-timeeffect,themechanismofthedead-timeeffectofvoltagesourceinvertersanditseffectonstatorvoltagereconfigurationareanalyzedindetail.Onthisbasis,acurrentstatejudgmentcircuitandmethodconsideringzero-crossingphaseofcurrentandcorrespondingdead-timecompensationschemeareproposed.Thetheoreticalanalysisandexperimentalresultsshowthattheschemecanjudgetheinstantaneouspolarityoftheoutputcurrentoftheinverterandtwodifferentzero-crossingstates,andselectthemostsuitabledead-timecompensationaccordingtothejudgmentresults,soastoimprovetheaccuracyofdead-timecompensation,thuseffectivelyreducingthedead-timecompensation.Theinfluenceofstatorvoltagereconstructionerroronfluxobservation.

Finally,thispaperintroducesthedesignofactivefront-endpowersupplyunitoffrequencyconverterbasedonfilter,andtheresearchandexperimentofnetworksidecurrentoptimizationcontroltechnology.Basedontheanalysisofthesystemhardwareparametersandthedesignprincipleofcontrolscheme,acompleteprototypeoffrequencyconverterwithactivefront-endstructureaspowerunitisrealized,andthedrivingandfeedbackbrakingcapabilityofthesystemistested.Atthesametime,theabilityofrestrainingharmoniccurrentonthegridsideundervoltagedistortionisanalyzed,andthelimitationoffilterresonancetotraditionalcontrolschemeisexplained.Then,theimprovedcontrolschemeisstudiedandtested.Ontheonehand,thecompositerepetitivecontrolschemesofthetwostructuresareanalyzedindetailfromtheaspectsofstabilityconditions,compensationfunctiondesignandharmonicsuppressioncharacteristics.Theadvantagesanddisadvantagesofthesetwostructuresaresummarizedthroughexperiments.Ontheotherhand,basedontheactiveattenuationschemeoffeedbackcapacitorvoltage,areduced-orderobserverisproposedtoreplacetheDCobservertoobservecapacitorvoltage.Thecapacitorvoltageissampledbysensorstorealizetheactiveattenuationscheme.Theexperimentalresultsshowthattheschemecanachieveactiveattenuationandimprovecontrolperformancewithoutincreasinghardwarecostandcomplexity.Accordingtotheexperimentalresults,theadvantagesanddisadvantagesofrepetitivecontrolandactiveattenuationarecompared.

Inaword,thispaperstudiessomekeytechnologiesofasynchronousmotorfrequencyconverterinordertoimproveitsperformanceandpracticalvalue.Inthecourseoftheresearch,somenewideasorimprovementschemesareputforward,andtheanalysisandtheproposedschemesareverifiedbyalargenumberofexperiments.

KeyWords:

PROFINET;WINCCtouchscreen;SiemensS7-1500;frequencyconversionspeedregulationsystem;communicationmode;frequencyconverter;speedsensorlessvectorcontrol,adaptivefull-orderobserver,digitalcontrol,dead-timecompensation,filter,repetitivecontrol,activeattenuation

第1章概述

随着人类科学技术的不断进步，电传动系统实现了电能与机械能的转换，在工农业生产、军事国防、现代社会的日常生活等领域发挥了重要作用。

根据粗略的统计数字[1]，全球约65%的能源消耗与输电系统有关。

如果将这些电驱动的应用领域划分为两种基本形式：

材料加工和材料传输，其中很大一部分需要实现可调的电驱动，例如用于加工金属、木材、纸张和其他明确的立体打印工艺的切割机和印刷机，以及用于加工的电驱动。

食品、塑料和其他不确定性。

物料输送形式使用的搅拌机、离心机，包括输送包括人在内的固体物料的电梯、输送带、起重机等，输送水、油等液体物料的泵，输送空气等气体物料的风机、压缩机等，只有实现电机的速度控制，才能在上述应用领域中，我们满足了精确控制传动系统速度和扭矩的要求。

在流量控制的应用领域，与传统的节流控制方法相比，电机转速控制还可以提供30%的节能潜力，在能源危机和环境问题日益严峻的现代社会具有更重要的现实意义。

虽然电机应用的历史已经超过100年，但对电机速度控制的研究从未停止过。

在电机调速的早期应用领域，直流传动曾经占有肯定的主导地位，因为直流电机可以通过使用非常简洁的变换器和控制方案来实现非常好的速度和转矩控制特性。

但直流电机也存在着价格高、维护成本高、可靠性低、使用环境有限等缺点，因为它们需要独特的电刷和换向器结构。

相反，交流电动机，格外是笼型感应电动机，具有结构简洁、成本低、可靠耐用、适用于恶劣环境等明显优点。

由于其非线性和物理模型的强结合，对速度控制系统的设计提出了很高的要求。

大多数交流电机只能用于恒速应用领域，或在早期与节流阀结合使用。

然而，近几十年来电力电子器件和电流技术的快速进展为实现高性能交流调速提供了可能。

同时，针对异步电动机模型设计的控制方案，格外是转子磁场定向矢量控制和直接转矩控制的诞生，使交流传动系统具有与直流传动系统相当的调速性能。

因此，在目前的实际应用中，变频调速系统在交流传动控制中的应用越来越广泛。

交流电机控制变频器自20世纪60年代左右问世以来，80年代在发达国家推广应用，据调查数据，1990年交流传动在全球调速应用领域的市场份额已超过直流传动60%。

在接下来的一段时间里，交流传动的市场份额仍以接近10%的速度持续增长，而直流传动的市场份额基本保持不变。

全球变频器市场的龙头企业主要来自欧洲、美国和日本等发达国家，包括瑞士的ABB、德国的西门子、日本的安川和三菱、美国的艾默生。

相对而言，我国变频器的应用起步较晚，直到20世纪90年代末才得到广泛推广。

然而，如图1-1所示，中国的变频器行业自成立以来已经呈现出惊人的增长速度。

2007年以前，市场规模以年均20%以上的速度增长。

虽然2008年全球经济危机的增长速度明显放缓，但也达到了7%的增长水平。

国家经济刺激打算4万亿元，2009年后市场规模恢复较快增长。

2010年，整体市场规模超过164亿元。

图1-1国内通用变频器市场规模及增长改变趋势

与国内变频器市场的快速进展相比，国