設計說明書

1.設計任務書

1.設計題目：非同步電動機變頻調速的plc控制系統設計

1.2目的意義：(1)綜合運用並鞏固所學機電一體化設計知識；

(2)採用程式設計的方法實現非同步電動機變頻調速系統設計。

1.3設計內容：

⑴變頻器：採用松下vf0超小型變頻器。

⑵要求輸出轉速按下圖（見附圖）函式變化，請編寫梯形圖控制程式，並完成除錯。

3 設計要求：

①按題意要求，畫出原理圖；

②plc段子接線圖；

③完成plc段子接線工作；

④plc梯形圖及程式；

⑤完成設計說明書（15頁）；

⑥設計上交內容：設計說明書（包括1、2、3、4、5項）

1.4設計步驟

⑴理解並確定設計要求

⑵確定整體控制方案

⑶選擇非同步電機、plc、變頻器

⑷編寫程式

⑸寫說明書

2.具體設計

2.1系統設計

非同步電動機調速系統種類很多，常見的有如下六種:

a.降電壓調速;

b.電磁轉差離合器調速;

c.繞線轉子非同步電機轉子串電阻調速;

d.繞線轉子非同步電機串級調速;

e.變極劉一數調速;

f.變頻調速

根據交流非同步電動機的基本結構和原理，從定子傳入轉子的電磁功率可分為兩部分:一部分是拖動負載的有效部分，另一部分是與轉差率成正比的轉差功率。從能量轉換的角度來看，轉差功率是否增大，是消耗掉還是**，是評價調速系統效率高低的一種標誌從這點出發，可以把非同步電動機調速系統分為三大類:

轉差功率消耗型調速系統、轉差功率回饋型調速系統和轉差功率不變型調速系統。其中最後一類效率最高上述的第e,f兩種調速分法屬於此類。變極對數調速是有級調速，應用場合有限。

只有變頻調速應用最廣，可以構成高動態效能的交流調速系統，取代直流調速，最有發展前途。目前的發展趨勢是一方面隨著電力電子器件和變頻技術的迅速發展，用交流電機的調速傳動系統代替直流電機調速傳動系統成為可能；另一方面，從節能的觀點要求把原來作恆速執行的交流電機傳動系統改為調速傳動。因而在電力傳動領域裡正在日益重視發展交流電機的調速傳動。

三相交流非同步電動機變頻調速系統，以可程式設計序控制器(plc)作為核心控制部件，通過可程式設計序控制器(plc)給出開關器件通斷的訊號，改變變頻器的工作頻率，從而改變電動機輸入電壓來調節電動機的轉速。系統原理如圖2-1所示。

圖2-1

2.2電子元器件的選擇

按照系統原理框圖2-1所示，此系統涉及到的電子元器件有可程式設計序控制器plc、d/a轉換電路、變頻器和電機等主要器件。

2.2.1 可程式設計序控制器plc的選擇

選擇可程式設計控制器plc的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及效能**比的最優化機型。在工藝過程比較固定、環境條件較好（維修量較小）的場合，建議選用整體式結構的plc；其它情況則最好選用模組式結構的plc。對於開關量控制以及以開關量控制為主、帶少量模擬量控制的工程專案中，一般其控制速度無須考慮，因此，選用帶a/d轉換、d/a轉換、加減運算、資料傳送功能的低檔機就能滿足要求。

而在控制比較複雜，控制功能要求比較高的工程專案中（如要實現pid運算、閉環控制、通訊聯網等），可視控制規模及複雜程度來選用中檔或高檔機。其中高檔機主要用於大規模過程控制、全plc的分布式控制系統以及整個工廠的自動化等。

可程式設計控制器plc是一種工業控制系統，它的控制物件是工業生產裝置或工業生產過程，工作環境是工業生產現場。它與工業生產過程的聯絡是通過i/o介面模組來實現的。通過i/o介面模組可以檢測被控生產過程的各種引數，並以這些現場資料作為控制資訊對被控物件進行控制。

同時通過i/o介面模組將控制器的處理結果送給被控裝置或工業生產過程，從而驅動各種執行機構來實現控制。plc從現場收集的資訊及輸出給外部裝置的控制訊號都需經過一定距離，為了確保這些資訊的正確無誤，plc的i/o介面模組都具有較好的抗干擾能力。根據實際需要，一般情況下，plc都有許多i/o介面模組，包括開關量輸入模組、開關量輸出模組、模擬量輸入模組、模擬量輸出模組以及其它一些特殊模組，使用時應根據它們的特點進行選擇。

根據控制系統的要求確定所需要的i/o點數時應再增加10%～20%的備用量，以便隨時增加控制功能。對於乙個控制物件，由於採用的控制方法不同或程式設計水平不同，i/o點數也應有所不同。模擬量輸入/輸出介面一般用來感知感測器產生的訊號。

這些介面可用於測量流量、溫度和壓力，並可用於控制電壓或電流輸出裝置。這些介面的典型量程為－10～+10v、0～+10v、4～20ma或10～50ma。

對於我們的課程設計來說，該系統只是乙個實驗型內容，所以比較簡單，控制器件不多，應選擇比較少點數的，滿足使用就好，最後採用40點i/o型omron sy**ac cpm1a型號plc，其主機電源ac100-240v,24入/16出外觀如圖2-2所示。

圖2-2

2.2.2 d/a轉換電路的選擇

為了實現非同步電動機變頻無極調速的功能，採用了d/a轉換電路，其元件選用了dac0832晶元和兩個放大器組成雙極性dac轉換電路。

dac0832是cmos工藝製造的8位單片d/a轉換器，屬於r-2rt型電阻網路的8位d/a轉換器，建立時間150ms，為電流輸出型，**低廉(10～20元)，並且片內帶輸入數字鎖存器。dac0832與8031接成的是單緩衝方式，由於dac0832是電流輸出，而我們用的是模擬電壓，在這種情況下，要將輸出的電流轉換成電壓，轉換電路接成同相電壓輸出形式，其輸出電壓vout=ir(1+r2/r1)。在d/a轉換電路中，ile接+5v，「寫」選通線wr1和wr2都和8031的「寫」訊號線連線，cpu對0832執行一次「寫」操作，把乙個資料直接寫入dac暫存器，dac0832的輸出模擬訊號隨之對應變化。

這樣，由cpu送來的資料sd0～sd7，通過dac0832轉換成電流輸出，由兩個放大器將電流訊號轉換得到電壓訊號。

dac0832的引腳和邏輯結構如圖2-3所示（20個引腳、雙列直插式）。

圖2-3

2.2.3 變頻器的選擇

通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。其總的原則是首先保證可靠地實現工藝要求，再盡可能節省資金。根據控制功能可將通用變頻器分為三種型別：

普通功能型u/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高效能型u/f控制變頻器（也稱無跳閘變頻器）和向量控制高效能型變頻器。變頻器型別的選擇要根據負載的要求進行。對於風機、幫浦類等平方轉矩，低速下負載轉矩較小，通常可選擇普通功能型的變頻器。

對於恆轉矩類負載或有較高靜態轉速精度要求的機械採用具有轉矩控制功能的高功能型變頻器則是比較理想的。因為這種變頻器低速轉矩大，靜態機械特性硬度大，不怕負載衝擊，具有挖土機特性。本系統是個實驗性系統負載不大，沒什麼太多要求，可以選用松下vf0超小型變頻器或者緊湊型微型plc-simatic s7-200系列的西門子產品。

現在以松下vfo超小型變頻器為例進行研究說明，其外觀如圖2-4所示。

圖2-4

其具體引數如下：

①為了滿足各類機器小型化的需要，實現了同類產品中最小型化的目標

②0.2kw和0.4kw型，寬78mm×高110mm，體積僅松下公司過去產品的40%～50%

③可與plc直接調節頻率、直接接收plc的pwm訊號並可控制電動機頻率

④採用了新設計的調頻電位器，用操作盤就可容易地操作正轉/反轉

⑤內裝8段速控制制動功能（0.2kw無制動功能），再試功能等

無再生制動標準適用電機輸出(kw)

bfv00022d0.2kw

bfv00042d0.4kw

bfv00072d0.75kw

bfv00152d1.5kw

有再生制動標準適用電機輸出(kw)

bfv00042g0.4kw

bfv00072g0.75kw

bfv00152g1.5kw

2.2.4 電機的選擇

查閱最新變頻器國家強制性標準實施與設計選型使用技術手冊可知常用變頻器規格型號與技術指標為：

1. d1000系列標準型變頻器

2、ⅱ2000系列通用型變頻器

3、td2100系列供水、供油專用型變頻器

4、1ri)3000系列向量控制變頻器

5、rd3loo系列電梯專用變頻器

6、hfv系列高效能變頻調速器

7、n2系列泛用型交流變頻器

8、v2系列無感測向量控制交流變頻器

由於我們用到的變頻器是松下vfo超小型變頻器，是小功率的變頻器，所以選用的電動機不能太大，要用小於0.4kw。y2系列三相非同步電動機是全封閉，自扇冷鼠籠三相非同步電動機。

該系列電動機較y系列效率高、起動轉矩大、且提高了防護等級（ip54）、絕緣等級（f級）、降低了噪音。

其引數如下：

機座號　 h80～355

功率　 0.18～90kw

同步轉速 3000，1500，1000，750rpm

電壓　 380v

頻率　 50hz

防護等級 ip54

絕緣等級 f

冷卻方式　 ic411

工作方式連續（s1）

環境溫度　 -15～+40℃

y2系列電動機一般只用乙個軸伸，以上資料都符合這次設計需要。

2.3硬體設計

2.3.1 變頻器外控操作方式設定

變頻器在外部端子操作方式下，通過變頻器的接線端子，可以實現對變頻器的正/反轉控制、多段轉速選擇及頻率給定等功能，其中執行頻率的給定可以通過電壓、電流或外接電位器的方式調節。變頻器必調的8大引數: 1、控制方式 2、頻率給定方式 3、加速時間 4、減速時間 5、基本頻率 6、過流幅值 7、上限頻率 8、下限頻率。

plc與變頻器連線時，首先通過變頻器的操作面板設定變頻器的工作引數，對與本系統使用的松下vfo超小型變頻器，應設定「外控操作模式」。

①將執行/停止、正轉/反轉變為遙控。即將引數p08的資料由0改為2,此時變頻器端子5為0n時執行，off時停止；端子6為on時反轉，off時正轉。

②將頻率設定訊號變為外控（0－10v）。即將引數p09的資料由0改為4，此時變頻器端子2接正極，端子3接負極。

完成資料設定後即可進入執行的狀態。

2.3.2 系統接線

系統接線圖如圖2-5所示。

圖2-5

2.3.3 接線引腳說明

接線圖中涉及到的接線引腳說明如下：

1.plc輸入埠01(0ch)連線乙個按鈕sa1，其作用是開啟變頻器到執行狀態。

2．plc輸入埠02(0ch)連線乙個按鈕sa2，其作用是遙控使變頻器變成反轉狀態。

3.plc輸入埠00(0ch)連線乙個按鈕sa3，其作用是開啟plc的「重複中斷模式」和保持向dac0832的ile埠輸入乙個高電平。

4．plc輸入埠10(0ch)連線乙個按鈕sa4，其作用是停止變頻器。

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