毕业设计论文通用变频器在位置控制中的应用设计.doc

中原工学院毕业设计（论文）通用变频器在位置控制中的应用设计学 生： 指导老师： 2006年5月32中 原 工 学 院毕业设计（论文）任务书姓 名杨占胜电子信息学院（系） 电气工程及其自动化 专业 电气021班题 目通用变频器在位置控制中的应用设计设计任务设计、研究内容及分工： 1.位置控制中采用变频调速系统，电机功率5.5千瓦。转速960转/分，位置检测采用增量式光电编码器。分辨率1000脉冲/转。 2.根据位置控制调节特性设定时间变量，进行周期控制，电机转速按速度图要求控制，对变频器设定参数。 3.选位控器, 根据基本定位过程曲线设定速度. 4.绘制系统图，端子接线图,以及相关图纸. 5.选用PLC控制,对变频器端子传送设定参数. 6.介绍对变频器设定参数操作步骤与过程.时间进度12周, 完成译文; 阅读参考文献;24周, 收集资料, 作好读书笔记, 准方案构思, 组织素材,提出材料清单.56 周, 参加实习; 交译文; 完成实习报告.79 周, 深入研究设计题目, 明确指标要求, 完成设计方案, 写出提纲, 画出系统框图, 结构图, 流程框图, 主电路图, 以及电路原理图.1012周,画出接线图, 完成必要运算; 完成主电路,控制电路设计; 组织毕业设计论文结构,章节的分配与安排, 结束设计,准备撰写论文正稿.1314 周, 完成论文,打印装订,交指导老师批阅, 准备答辩.15 周,准备答辩提纲, 按时参加答辩.原 始 参资 考料 文和 献主要1 西门子通用变频器. 西门子公司出版社，20042 伍纯武 李长江，位置控制器与通用变频器构成的APC系统，冶金矿山设计与建设，19993 冯玉生，肖俊明 编著.变频器的原理与应用.-郑州，中原工学院电子信息学院，20054 王永华 主编.现代电气控制及 PLC 应用技术.-北京, 北京航空航空大学出版社, 20035 S7-200 Programmable Controller System Manual院长（系主任）签字 指导教师签字中 原 工 学 院毕业设计（论文）评审表（一）学号2002424112姓名杨占胜专业电气工程及其自动化班级电气021题目通用变频器在位置控制中的应用设计指导教师评语成绩（百分制）： 指导教师签名： 年 月 日评阅教师评语成绩（百分制）： 评阅教师签名： 年 月 日中 原 工 学 院毕业设计（论文）评审表（二）学号2002424112姓名杨占胜专业电气工程及其自动化班级电气021答辩资格审查 专业答辩委员会主任签字：年 月 日专 业 答 辩 委 员 会 评 答辩成绩（百分制）： 专业答辩委员会主任签字：总评成绩： 年 月 日通用变频器在位置控制中的应用设计摘 要APC控制系统是工业控制中广泛应用的一种控制系统，尤其在带材和板材生产过程中，为了提高生产效率，希望位置控制的机械能在最短的时间内到达给定目标的值，即走完制定的行程。目前在工业应用中，大多数采用的是普通的开环控制，闭环控制中应用的也仅仅采用了PID,因此在时间和效率上都没有达到最优。根据这种现状，对APC控制系统进行开发和应用。本文提出了一种有位置控制器与通用变频器构成的APC系统，介绍了该系统的构成分析了系统的原理和调节过程，在位置控制系统中用变频调速系统取代传统的直流调速系统。实际应用结果表明，本文基于S7-200PLC在位置控制系统中的应用。采用变频器进行速度调节，采用光电式编码器进行定位，采用GEL8310位置控制的APC控制系统，时间和效率都得到很大的提高。关键词:位置控制系统，位置检测，位置控制器，PLC，通用变频器Application of General Frequency Converter in Control of PositionAbstractAPC control system is new control system which is used extensively in industry control system, especially during strobe and ribbon machining procese. In order to improve producers efficiency, the mechanism , which requests position control can go to the position in the best times and in the best mode. now, in the industrial application, open-loop control system is more used, even though in the closed-loop control system only adopts PID regulator, so time and eficiency can not reach the best. This paper basing this actuality, design and apply the APC control system.This paper adopt the APC system，this APC system made up of position controller and general frequency converter was proposed, the constitution of the system was introduced, and the principle and adjustment process of the system were analyzed. A Variable Frequency Speed Control system is designed for replacing DC speed control system in Positioning control system. Based to the practical result, this paper introduces the application of S7-200 PLC in APC control system, use the general frequency converter to speed regulation, use the photoeletricity coder to orient. we get a conclusion that adopting GEL8310 control method can get the best time and the best efficiency.Keywords: APC ,Position scan,Positioning controller,PLC, General frequency converter 目 录第一章 引 言1第二章 位置控制系统的发展现状2第三章 控制系统的分析33.1 系统控制方案的建立33.1.1 控制方式的选择33.1.2 调速方案的选择33.1.3 定位控制的选择33.1.4 控制方案建43.2系统实现的理论基础53.2.1 调速方案建立53.2.2控制方案的原理6第四章 位置控制系统的设计与应用74.1系统的构成74.1.1执行机构74.1.2位置控制器74.1.3变频器84.1.4可编程逻辑控制器134-2位置控制环节144.2.1位置控制的基本要求144.2.2定位过程分析144.2.3位置检测164-3变频调速环节164-3-1逆变器的控制方式174-3-2 DC制动在准确定位中的作用174-4控制系统流程图及硬件电路图18第五章结论23致 谢24参考文献25附录A附录B附录C第一章 引 言目前，在许多大型的轧钢企业中使用的APC系统，位置控制部分大多采用计算机或PLC加定位模块构成，其传动部分大多采用不调速的交流传动，对定位精度和快速性要求稍高的则采用直流调速传动系统。 随着计算机技术的飞速发展，专用化的位置控制产品逐渐成熟和发展起来。另一方面，变频器性能逐渐提高，而价格逐渐下降大有取代直流调速的趋势，成为许多生产厂家改造原有位置系统和新建控制系统与调速系统的首选产品。这里介绍一种基于变频器与位置控制器的APC控制系统。在指定时刻将被控对象的位置自动地控制到预给定的目标值上使控制后的位置与目标位置之差保持在偏差范围之内此种控制过程称为自动位置控制.通常简称APC。由于所要求的位置是预先给定的所以又称为预设定自动位置控制或叫APC设定。在冶金行业的控制过程中APC设定占有十分重要的地位.如设备的开口度设定，小车的行程控制等。第二章 位置控制系统的发展现状在现代工业生产过程中，有许多生产机械要求能够对其位置进行精确的控制，即APC控制系统 (Automation Position Control)所要解决的问题，它就是要完成那些对位置控制精度要求较高的生产机械进行控制。在现代工业加工过程中，生产的速度越来越快，要求得效率越来越高，因而要求位置控制的机械能在最短的时间内到达给定目标值，即走完预定的行程。问题是我们应按什么样的控制规律来调节驱动电机的速度，使生产机械在最短时间内以要求的精度到达指定的位置。为了达到要求的控制精度，问题在于应该什么时候发出制动信号，从而保证机械行程无超调地、准确的停止在制定的位置。目前，位置控制系统从位置控制精度要求来分类可以大概分为两种，一种就是精度要求不高的，这种系统主要从事冶金行业中的初步轧制工作和轧机中对精度要求不高的产品的轧制，运料小车的行程，平时我们所说的APC控制经常应用到这种系统中。另一种就是精度要求高的，这种系统主要特点是一般都有厚度检测环，也就是我们经常说的AGCUI (Automation Gauge Control)控制系统。位置控制系统从控制的对象来分类可以分成电动控制和液压控制。这里我们经常提到的控制系统多为电动控制。这里我们主要阐述一下APC控制系统的研究与应用。我们本文所阐述的是某轧钢厂运料小车的行程控制，由于当前在冶金行业中位置控制系统大多数使用的是开环控制且是点动控制，这种控制方法虽然实现起来简单，成本低廉。但是它定位不准确，控制系统可维护性、可扩展性不高，以及安全性低等一些缺点，为了提高生产效率和产品品质，为此，采用了上面提到的位置控制系统设计了其APC生产线。将从系统方案的实现论证我们提出的控制系统，并设计整个控制系统。第三章 控制系统的分析 3.1 系统控制方案的建立上一章对整个控制系统的现状进行了分析，并提出了新的控制系统设计，同时针对某轧钢厂APC控制系统进行了设计。下面我们从分析控制系统入手。3.1.1 控制方式的选择分析现代冶金的运料小车系统我们可以得出:1.系统有较高的柔性要求。这体现在以下几个方面：首先，小车的每次所在的位置不同，并且我们每次要求小车到达的位置也不一定相同。2.系统的控制比较复杂。系统中调速的实现、定位控制的实现都不是通过简单的继电器回路能够实现的。而且涉及的器件比较多，动作逻辑也比较复杂。由于上面两种明显的特点，本文采用了以可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller)为核心，结合继电器网络进行控制，以PLC的内部继电器的逻辑部分取代传统的继电器接触器的固定逻辑线路。因为PLC具有计算机的优点、并具有编程能力，灵活、通用性好。在技术上也能够满足复杂系统工业控制的需要。而且最大的特点是可靠性极高，调试、维护方便，能够节省大量的开发时间和费用1。3.1.2 调速方案的选择在我们调整小车的位置时候，由于小车运动的距离不是一定的，所以我们既要准确的定位，又要能够迅速的定位，这就要求我们能够快速的改变电机的速度。由于小车要准确的达到指定的位置，这就要有制动环节和减速环节。改变异步电动机转速可以通过三种方法来实现:第一、改变极对数来调速。第二、依靠改变定子电压(改变电源电压或定子串阻抗)，或绕线型电动机转子串电阻，或带转差离合器的异步电机调节励磁电流都可实现变转差率调速。第三、连续地改变电源频率。这里采用的是变频调速。3.1.3 定位控制的选择上面己经解决了调速控制的问题，但是与系统关系更加紧密的是定位控制方法的问题。系统最后输送到PLC中小车的位置和小车要运行的距离完全由系统返回到控制器中的位置决定的。而且定位精度，也是完全决定于我们的控制方法和选区的控制元件。1、定位元件的选择定位控制元器件包括我们控制小车运行的电机和反馈控制系统中的位置信号的采集器件，这里我们采用了三相交流普通鼠笼电机，它主要用来完成能量的变换。具有较高的力能指标。即效率、功率因素等方面。由于电机通过减速箱经丝杆带动小车运动需要很大的力矩，这就需要我们采用能产生较大的力矩电机。另外，电机要便于控制，我们根据不同的电压极性实现电机的正反转，能够及时的停止转动。位置检测装置是位置控制系统中重要的部分，实践证明，一个完备的闭环系统，其定位精度主要是由检测装置决定的。位置检测装置主要部分就是光电编码器。光电编码器是一种高分辨率，高精度的数字式的位置检测元件，它是由以下几个部分组成:光源、转盘、光敏元件和整形放大电路。光电脉冲编码器共输出三组方波脉冲，如图3.1所示，如电机正向旋转，则A项比B超前90，如电机负向旋转，则B比A超前90. C是标记脉冲，本文所采用的光电编码器其分辨率为1000脉冲/转(ppr)，为了提高系统分辨率，一般将光电编码器所产生的脉冲经光电隔离。图 3-1 光电编码器输出信号3.1.4 控制方案建根据目前的位置控制系统的现状以及存在的问题，本章将要建立和分析与工业控制需要的位置控制系统的。目前在工业控制中，定位系统的主要环节还是由伺服电机完成的，对伺服电机的控制是主要解决的问题。利用伺服电机来构造的定位控制系统可以有很多种方式，基本上可以分成两类:开环控制，闭环控制。本系统设计中采用了闭环控制闭环控制方法利用伺服电机转速反馈与输入给定电压之间的线性关系来控制伺服电机运转，但是还辅助以速度和位置反馈信号(实际上，电机本身还有电流反馈)，而且目标位置与实际位置之间的偏差值以及速度偏差值，用来实现对系统的精确控制，这里的系统是通过位置反馈的闭环控制。系统框图如图3-2所示:图3-2 闭环控制框图3.2系统实现的理论基础3.2.1 调速方案建立在方案的论证过程中涉及到多种控制设备和控制方法，对于这些设备与方法的选择，是经过反复的研究和论证确定的，下面就针对其中的几项关键技术的理论依据进行简要的讨论。1变频调速的原理由于异步电动机的同步转速n1(即三相绕组上产生的空间旋转磁场的旋转频率)与电源的频率成正比，即:其中：P为电动机极对数，f1为定子电源供电频率;所以改变电源的频率就可以改变电动机同步转速n1，即改变了电机的实际转速。从而实现调速，这就是变频调速的基本思路。在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极上的磁通量m，为不变的额定值。怎样才能保持磁通恒定呢?我们知道，异步电动机中旋转磁场切割定子绕组，在每相绕组上产生的感应电势为:因为如果忽略定子压降则上式可以近似为:由表达式可以看出，要保持磁通量不变，必须使定子电压随定子频率成正比变化。即:=常数这种与的配合变化称为恒磁通变频调速中的协调控制。根据/的协调方式不同，可以得到不同的调速特性。变频调速可以获得与直流电动机调压调速相似的硬度和机械特性。在交流变频调速中，在变频的同时，也要协调的改变电动机的端电压，否则，电动机将出现过励磁或欠励磁。为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压(Variable Voltage)变频(Variable Frenquency)器，即VVVF.目前常用的方式是将VV与VF集中到逆变器一起来完成:即前面为不可控整流器，中间直流电压整定，而后由逆变器完成变频这种方式为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)简称PWM方式。SPWM是通过调节正弦波的频率或者幅值，便可以相应的改变逆变器的输出电压基波的频率或者幅值。这种SPWM调制是一种比较完善的调制方式。目前国际上生产的变频调速装置几乎全部采用这种方式。3.2.2控制方案的原理图3-3 位置控制调节原理图图3-3中Vt为速度预设定时间变量，St为位置预设定时间变量，S=Vtdt，Ksp为比例放大器比例系数，V为输出速度，Kvu为速度电压变换器的变换系数，Ua认为输出电压。控制器调节过程如下，控制器根据传动装置的机器参数，预先设定的位置和速度值，计算出速度时间特性曲线Vt和St。在每一周期的开始时的将速度值Vt预设定到传动装置上进行速度预控制，同时反馈回来的实际值Sf与设定值St进行比较计算，得出偏差，此偏差值乘以比例系数Ksp，得到Vk叠加在设定值Vt上，得出传动装置应具有的速度控制信号V，经过速度电压变换装置变换以后，向传动系统的速度控制装置发出控制信号电压Ua，控制执行机构定位，调节Ksp的值可以使系统无超调和无振荡。第四章 位置控制系统的设计与应用4.1系统的构成系统构成如图4.1所示。它主要由执行机构、位置控制、变频器驱动三大部分组成。PLC控制器为生产线中自动化系统的一部分。图4.1系统框图4.1.1执行机构普通鼠笼电机M通过减速箱经丝杆带动小车作往返行走。小车最大行程1000mm,减速变比为6.34，丝杆丝距为db10mm。电机功率5.5kW，转速为960r/min。位置检测PG为一增量式光电编码器，与丝杆同轴联接，分辨率1000脉字/转。由上面的要求我们选择的普通鼠笼电机型号为Y132M2-6其铭牌参数为：额定功率5.5KW 额定电流12.6A 额定转速960r/min 效率85.3功率因数0.784.1.2 位置控制器本系统中位置控制器采用德国Lenord+Bauer公司GEL8310A型位控器。它采用微处理器全数字控制，模块式结构。主要由CPU底板、开关量I/0板、模拟量I/0板，通信接口板组成，其它功能模块可根据系统需要进行选用。其定位的主要特点如下：(1)高精度高速度定位，使用3000r/min的伺服电机，可达到以36m/min的速度实现送进1微米的精度。而且转矩波动小，低速运转平滑。 (2)PLC与伺服总线相结合，可以在PLC上对定位参数进行设定。 (3)系统内备有各种功能，如电动机的热保护功能，有定时制动功能，带电源接触器。提供控制诊断功能，例如速度环增益检查、位置环增益检查、旋转方向检查、转矩跟踪、控制报告等功能。(4)体积小，功能强，可以同时控制13个轴系统。GEL8310A型位控器是一种智能化的模块。它将定位的条件、定位的速度、暂停时间(减速时间、爬行时间与惯性滑动时间之和)和定位地址等数据分别存在缓冲存储器的各个数据区。由CPU读解这些设定数据，由内部生成命令脉冲与反馈脉冲的差值，由偏差计数器进行计数，再由D/A模块将此计数值变换为模拟电压翰出。GEL8310A型位控器的模拟量输出电压为-10V+10V，各个参数的输人、调整、显示都可以在该位控器的面板上实现，也可以通过RS-232接口在计算机上实现。该位控器还具有一个通信接口，可以构成RS - 485总线。一台PLC终端通过该RS-485总线可以与多台位控器连接.最多可达32个站。使用该位控器可以方便的进行系统的扩展，最大量的满足生产的需要，使用非常方便2。图4.2位置控制器接线示意图图中，A1、A2，A5、A6是两路电路上彼此独立的电源；M4、M3，A4、A3接到编码器,编码器将实际位置信号以脉冲形式送到位置控制器,供位置控制器将实际值与给定值进行比较用。D1、D2是位置控制器输出的010V的直流信号,用作直流传动设备的给定信号。当不到给定位置时,给出正信号，使运料小车前进，并在接近给定位置时能使运料小车按不同的曲线进行减速；当超过给定位置时，给出负信号,使运料小车后退。N6、N7、N8、N10、N11、N12都是PLC用于控制位置控制器的输出信号。N10是起动信号,N11是停止信号,N12是复位信号、N6、N7、N8用于选通位置控制器的程序。根据到达位置距离的长短不同,可在位置控制器中编写多组不同的程序,每组程序包括位置给定值、速度给定值(即D1、D2输出的直流模拟信号)和相应的机器功能。每次PLC根据给定的实际长度选通位置控制器的一组程序，使运料小车达到指定位置5。4.1.3变频器MM4系列通用变频器概述MM4系列通用变频器具有多种控制特性，其中，矢量控制功能采用了最新软件及高性能32位微处理器实现的，利用磁通电流控制（FFC）功能增强了系统动态响应特性和电动机的控制特性，具有对输入信号高速响应特性，可以在各种频率和负载状态下优化电动机的端电压，具有电动机参数识别功能及自动调整功能，从而保证了变频器在瞬变负载下具有对跳闸、失速的抗扰性，并且在提供足够负载转矩的情况下，保证电动机的热效应最小；转差补偿功能可以在负载变化是维持电动机的速度恒定；利用快速电流限制（FCL）功能实现了无跳闸运行；“捕捉再启动”功能可以在电源短时断电的情况下，自动搜寻电动机的速度并再启动；多点U/F控制特性曲线，可以用于驱动同步电动机和磁阻电动机；具有参数化PI控制器功能，可用于一般的过程控制。加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能，如起始和结束段带平化圆弧或起始和结束段不带平滑圆弧，采用直流制动器或复合制动方法实现快速制动，能保护电动机的减速停车时间最短，并具有快速电流限制功能。带有集成EMC（电磁兼容性）滤波器和制动斩波器，还有一个制动断路器。可由IT（中性点不接地）电源供电。MM4系列通用变频器可以用于简单的位置控制，具有良好的信号阶跃响应、跟随特性和控制精度。通过外部控制器也可双轴同步系统进行控制。其中：MM 440矢量型通用变频器是一种应用广泛的无速度传感器磁通电流矢量控制方式的多功能标准变频器，具有低速高转矩输出、良好的动态特性和过载能力强等特点。矢量控制方式构成闭环矢量控制和闭环转矩控制方式，并具有线性U/f控制、二次方U/f控制、可编程多点设定U/f控制、节能控制、纺织机械U/f控制等控制方式，可编程的加速/减速范围0650s，斜坡函数的上升/下降时间可任意选择、斜坡函数的起始段和结束段的平滑圆弧功能；具有6个数字量输入、2个模拟量输入、2个模拟量输出、3个继电器输；内置PID控制器，参数自整定；具有15个可编程固定频率，4个可编程跳转频率；集成RS485通信接口，可选ProfibusDP/DeviceNet通信模块，可实现主/从控制及力矩控制方式。过载能力为200%额定负载电流、持续事件3s和150%额定负载电流、持续时间60s；内置制动单元；具有过电压、欠电压保护、变频器和电动机过热保护、接地故障保护、短路保护、防失速保护、采用PIN编号实现参数连锁。MM440矢量型通用变频器的功率范围为200240（110%）V，单相/三相，0.1245kW；380480（110%）V，三相0.37250 kW。 除上述外，MM4系列通用变频器还有以下与众不同的显著特点：采用内部功能互联技BiCo。具有可选的文本显示操作面板。丰富的控制和调试软件。参数结构友好。结构新颖。复合制动技术7。综上所述西门子MM系列通用变频器性能优良，而且可以应用在需要精确起/停的场合，可实现精度制动和最小的减速时间，在低频时也具有高质量的控制性能，故我们在本系统中选择西门子的MM440通用变频器1. 通用变频器的选型表4-1小车电机的铭牌数据电动机型号额定功率KW额定电流A额定转速r/min效率功率因数重量KgY132M2-65.512.696085.30.7824连续恒载运行时所需的变频器容量的计算式为： （1） （2） （3）式中，-负载所要求的电动机的轴输出功率； -电动机的效率（通常约0.85）； -电动机的功率因数（通常约0.75）； -电动机电压（V）； -电动机电流（A）； -电流波形的修正系数（PWM方式时取1.05-1.1）； -变频器的额定容量（KAV）； -变频器的额定电流（A）。由上表和公式（1）（2）（3）可计算得： 8.96KW 选择变频器额定容量为10KW。 13.2A 取13.2A根据计算这里我选用的西门子MM440变频器的订货号为：6SE6430-2UD31-8SA0，此型号变频器的技术参数如下表：表4-2 输入电压范围 3 AC 380 V - 480 V 10 %（带内置A级滤波器）订货号： 6SE64402AD25-5CA1电动机的额定输出功率（KW）5.5输出功率（KVA）10.1CT最大输出电流（A）13.2CT输入电流（A）11.6VT输入电流（A）16.0VT最大输出电流（A）18.4推荐安装的熔断器（A）20进线电缆的最小截面积2.5进线电缆的最大截面积10.0电动机电缆的最小截面积2.5电动机电缆的最大截面积10.0重量5.7外形尺寸宽高深185.0245.0195.02 MM440通用变频器基本操作和使用方法（1） MM440通用变频器的电气原理图。（见附录A）图中，电源和模拟输入端1、2，输入电压（010V），可标定。输出继电器触头，AC250V，最大2A（感性负载）；DC30V，最大5A（电阻负载）。模拟输出端为020V输出。当模拟输入端作为附加数字输入（DIN7、DIN8）时，外部的电路连接方法不同。（2）机械安装时必须进行良好的接地处理。即使变频器不工作时，主机输入端子、直流回路端子和电动机端子上也带电压，断开电源后、进行任何安装工作之前，要等待5min，让设备放电后才能进行操作（3）电气安装前将电源频率设定成欧洲（国内）或北美制式，国内用户将DIP开关2保持在缺省的50Hz的位置（向下）。若MM 440通用变频器经过一年以上时间存放之后才安装应遵照操作说明可参考手册对其进行通电或其它方法处理7。 图4-3 电动机、电源及变频器的典型电气接线（4）MM 440通用变频器的调试。1）用状态显示板SDP调试，其参数是缺省设置。其基本安装调试步骤是：机械安装电气安装连接一个起停开关连接一个设置速度用的电位器连接一个换向开关将电动机的名牌数据输入到使用SDP进行调试，设定控制方式为线性U/f方式，并由电位器控制命令源：缺省（P0700=0）使用外部起停开关起动电动机。用SDP操作时的缺省设置：表 4-3 缺省设置下的参数数值端子参数缺省操作数字输入15P0701 = 1ON，正向运行数字输入26P0702 = 12反向运行数字输入37P0703 = 9故障确认数字输入48P0704 = 15固定频率数字输入516P0705 = 15固定频率数字输入617P0706 = 15固定频率数字输入7经由AIN1P0707 = 0不激活数字输入8经由AIN2P0708 = 0不激活2）用基本操作面板（BOP）进行调试利用基本操作面板（BOP）可以改变变频器的各个参数。为了利用BOP设定参数，必须首先拆下SDP，并装上BOP。本生产线需要用BOP对变频器进行调试，估详细的介绍了其调试步骤。基本操作面板（BOP）上的按钮说明见附录B。3.用基本操作面板（BOP）更改参数的数值 具体说明见附录C。4.变频器基本参数的设定表4-4变频器参数设置P0003 用户访问级P0003=1（标准级）P0010 快速调试P0010=1P0100 功率单位P0100=0（KW，f的缺省值50Hz)P0205变频器的应用对象P0205=0（恒转矩负载）P0300选择电动机的类型P0300=1（异步电动机）P0304电动机的额定电压P0304=380VP0305电动机的额定电流P0305=12.6AP0307电动机的额定功率P0307=5.5KWP0308电动机的额定功率因数0.78（COS）P0309电动机的额定效率85.3（%）P0310电动机的额定频率P0310=50HZP0311电动机的额定转速P0311=960r/minP0700选择命令源0（工厂设置值）P1000选择频率设定值3（固定频率设定值）P1080电动机最小频率P1080=0HZP1082电动机最大频率P1082=50HZP1300控制方式0（线性V/F控制）P3900结束快速调试15举例说明变频器的参数设置例如对PO300电动机类型的设置操作步骤显示的结果1 按访问参数 r00002 按直到显示出P0300 p03003 按进入参数数值访问级 04 按或选择电动机类型 15 按确认和存储p0300 的设定值 p03006 按直到显示出r0000 r00007 按返回标准的变频器显示（由用户定义）6. 进行快速调试（P0010=1） 在进行“快速调试”之前，必须完成变频器的机械和电气安装。P0010 的参数过滤功能和P0003 选择用户访问级别的功能在调试时是十分重要的。MICROMASTER 4变频器有三个用户访问级：标准级，扩展级和专家级。进行快速调试时，访问级较低的用户能够看到的参数较少。这些参数的数值要麽是缺省设置，要麽是在快速调试时进行计算。快速调试包括电动机的参数设定和斜坡函数的参数设定。快速调试的进行与参数P3900 的设定有关，在它被设定为1 时，快速调试结束后，要完成必要的电动机计算，并使其它所有的参数（P0010=1 不包括在内）复位为工厂的缺省设置。在P3900 = 1，并完成快速调试以后，变频器即已作好了运行准备；只是在快速调试方式下才是这种情况。快速调试的流程图(QC)（见附录C）4.1.4可编程逻辑控制器目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量继电器控制装置的替代物，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要，另外，新的PLC产品还在不断地涌现。本系统的系统结构不很复杂，被控对象数目不很多，系统中的难点是位置控制。除此之外，其余部分基本是顺序控制，并没有太大的难度。综合来看，使用单台PLC进行多个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC，完全能够胜任。而且可以节省大量的网络通信费用、硬件购置费用等。我们采用的PLC方案的工作原理图如图4-4。图4-4 PLC工作原理图选用本方案后，我们还要充分估计被控对象和工厂今后发展的需要，所选的PLC的I/O点数应留有一定的余量。由于SIEMENS的PLC在使用以及价格上都比较优秀，性价比比较高，我们选用了PLC为S7-200。选择PLC时考虑主要原则是:要能完全满足被控对象的控制要求；选用的PLC不仅要着眼于现在，还要适当的考虑将来发展的需要；选用的PLC应使系统具有良好的性能价格比，又要是系统良好的运行状况和定位效果。因此，采用的CPU为22411。4-2位置控制环节下面我们具体介绍位置控制环节4.2.1位置控制的基本要求电动机的速度一般按梯形速度图进行控制，在不同的使用情况下，最优的或最合理的速度图是不同的，图4-5是两种最常用速度图，图中的最高速Vmax是允许电机最大的加速度和最大减速度，所以保证定位时间最省。图4中加速度阶段近似于指数函数，开始时，加速逐渐增长，可以避免冲击;减速阶段到最后的速度越来越小，有利于准确停在目标位置上。 图4-5 速度曲线图为了准确对轧制设备进行位置控制，一般有以下要求：(1)电机转矩不得超过电机和机械系统的最大允许转矩；(2)能在最短时间完成定位动作，并且定位符合规定的定位要求;(3)在控制过程不产生超调现象系统稳定，因此位置调节器常采用纯比例型。 为了满足上述要求，必须按最佳控制曲线进行控制3。4.2.2定位过程分析基本定位过程曲线如图4-6所示图4-6 定位过程曲线0t1为加速起动段，其加速率为Am；t1t2最高速运转段其速度为Vm.，t2t3为减速制动段，其减速率为Am；t3t4为自由滑行段。t3时刻为调整机械进入允许误差2的边缘，在此时刻撤掉速度给定，调整设备靠惯性继续向前滑，在机械摩擦力的作用下最终使其停下来。定位过程的关系如下： （1）式中 S位置偏差； 初始位置偏差。于是到达Vm的时间为：将代入（1）式则此时的偏差位置为 （2）式中的是在加速阶段移动的距离。设自由滑行的行程为Se，摩擦力产生的加速度为a，时刻的运行速度为，根据式（1）和式（2）可得：对于定位精度要求不高或机械转动惯量不太大，并且电机带抱闸的APC系统，上述曲线完全可以满足生产工艺的要求。但对于定位精度要求较高、且机械转动惯量大或电机无抱闸的系统，由于传动系统滞后影响和允许误差带太窄，采用上述定位曲线还不能令人满意。由式(3)可知，要确保定位误差小于Se，可以降低V3或提高机械摩擦力以增大减速率a两方而来减小Se。在实际应用中，利用变频器直流制动的功能增大a的办法获得很好的效果。4.2.3位置检测 增量式光电编码器的输出如图4-7所示。图4-7增量式光电编码器输出示意图A、B两路脉冲相差90这样可以方便地判断转向。C脉冲也可叫零脉冲，用于基准定位。位置分辨率为u，u由编码反馈脉冲数Pf和编码器一转所对应的机械位移量L共同决定：由于编码器与丝杆直接相连，故=db所以位置分辨率 =db/pf =10/1000 =0.01mm/脉冲丝杆的最大行程速度： =25.24mm/s4-3变频调速环节变频器的主电路主要包括整流电路、中间直流电路和逆变电路三部分，其中，中间直流电路又由电源再生单元、限流单元、滤波器、制动电路以及直流电源检测电路等组成。控制电路主要由中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）、A/D和D/A转换电路、IO接口电路、通信接口电路、输出信号检测电路、数字操作盘电路以及控制电源等组成。变频器的基本结构如图4-8所示。分述如下： 图 4-8 变频器的基本构成在本文的位置控制系统中变频调速环节是很重要的一部分，在系统中的具体应用如下4-3-1逆变器的控制方式 异步电动机调速传动时，需要根据电机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制，逆变器具有这种控制功能。但它采用不同的控制方式，所得到的调速性能，特性及用途是不相同的。 控制方式一般分为二种:V /f控制、转差频率控制和矢量控制。转差频率控制和矢量控制一般都是闭环控制，需要速度反馈信号，控制性能较V /f控制优良，特别是矢量控制，可以实现与直流电机电流控制相匹敌的传动性能。但与此同时，由于控制内容复杂化，对电机有特殊要求，调整因素增加等使成套装置的价格提高了，所以目前只用于有特殊要求的专用机上。因此，在这种系统中，MM440虽有V /f和矢量两种控制功能，但该系统只使用V /f控制方式。4-3-2 DC制动在准确定位中的作用 通用变频器向异步电机的定子通直流电流，异步电动机便处于能耗制动状态，这种情况下变频器的输出频率为零，异步电机的定子磁场不再旋转，转动着的转子切割这个静止磁场而产生制动转矩，旋转系统存储的动能换成电能消耗于电机的转子回路中。 这种变频器输出直流的制动方式，称为直流制动或叫DC制动。根据前面的定位过程分析的t3t4变频器DC制动的情况如图4-9所示。图4-9 DC制动过程定位制动过程如下：在t3时刻，机械设备进入允许误差带的2边缘，此时位控器速度给定值为零相应的变频器的频率给定为零，电机转子频率达到DC制动起始频率fDB以内，电机进行DC制动状态，使机械快速准确到达定位位置2。4-4控制系统流程图及硬件电路图这部分程序由于涉及到PLC对位控器的控制，而关于位控器的资料有限，在这里我们只讲述一下系统的流程图。系统开机自动运行，这也是系统中最重要的组成部分，它是我们整个系统的核心。通过程序实现了实时控制系统。1.本系统应用软件主要分为两大功能区:现场按钮站工作区和机房操作工作台工作区。下图4-10为系统主程序程序框图。图4-10系统主程序程序框图系统PLC程序中，实现了对位控器的控制，在提高系统的定位精度上采取了如下措施:(1)、提高系统位置分辨率。本系统选用的脉冲编码器为每转1000脉冲，丝杆的螺距是10mm，通过高速计数器的4倍频电路，可得到每转1000脉冲，即得一位数字量代表0.01mm位移。(2)、尽量减少系统的采样时间，即在满足采样定理的前提下尽量减少检测量输入和控制量输出的滞后时间，实现实时控制。由于高速计数器PLC与CPU的每一个扫描周期通讯一次，所以尽量减少CPU的扫描周期，即在保证完成系统各种功能的前提下，压缩程序量和尽量采用子程序。2.PLC控制小车的定位过程操作人员通过编程器从PLC终端输入一定尺小车的位置设定值，PLC通过RS-485总线将这一设定值传送给位置控制器，等待PLC给位置控制器和变频器分别发出启动、运行信号后，位置控制器经过处理就输出一个0l0V电压值，再经过电压/电流隔离变换为420mA的电流信号，作为变频器的给定。变频器按照位置控制器输出曲线给定值控制电动机的加速、运行、调整和减速制动停车，最后使小车停止在设定的位置上。图4-11为控制流程图2。图4-11控制流程图3.I/O点及地址分配表5-1输入/输出点代码和地址编号名 称代 码地址编号输 入 信 号手动启动位控器按钮SB1I0.0手动停止位控器按钮SB2I0.1手动启动变频器按钮SB3I0.2手动停止变频器按钮SB4I0.3输 出 信 号接触器闭合KMQ0.0变频器正转/停车KA1Q0.1变频器反转KA2Q0.2变频器故障复位KA3Q0.3起动位控器KA4Q0.4停止位控器KA5Q0.5复位位控器KA6Q0.64.下图4-12为PLC的端子接线图图4-12 PLC的端子接线图2. 下图4-13为变频器的端子接线图图4-13为变频器的端子接线图4.系统主电路图如图4-14所视为电控系统主电路。控制一台电机。QF为电机主电路的自动空气开关，FU为主电路的熔断器，KM为接触器，FR为电机主电路的热继电器。它们的型号分别为：QF为DZ15L-40/390，其额定电流为40A，跳脱电流为20A。FU为RT0-50，熔断器额定电流为50A，熔体额定电流等级为20A。KM为CJ10-20，额定工作电流为20A。FR为JR16-20/3，其额定电流为20A，热元件额定电流为16A。图4-14 系统主电路图第五章 结论本系统在现代轧钢企业中应用广泛，而原来的系统小车运料机的位置控制设计是由可编程控制器的智能位置控制模块向直流传动系统发给定和控制信号但经过一段时间的运行,这种控制方式暴露出不少问题:因位置控制没有实现真正的闭环,当位置控制不准时引起定位困难,可编程控制器PLC发出故障信息和生产设备停机,严重影响生产的顺利进行和生产节奏的提高；PLC有关位置控制的部分只能用语句表编程,出现故障时难以判断程序的执行流向,增加故障处理难度进料定位不准。为此,我们设计了这套系统:对小车的位置控制改为各一台GEL8310型位置控制器配合PLC和变频器完成。改造后的新系统,PLC的起停控制信号送到位置控制器,位置控制器输出10V的模拟信号经电压/电流隔离变换作为变频器的给定值。光电编码器的实际位置值送到位置控制器作为位置反馈信号,实现真正意义上的位置闭环控制。位置控制器还能在实际运行距离接近给定值时,使电机按预先设定的曲线减速停车。改造后的新系统完全可以克服原系统存在的弊端。 用位置控制器与通用变频器构成的APC系统，具有设计和调试容易，使用方便、通用性强、定位性好、投资小等优点。可广泛用于定位精度要求不很高的场合，已基本取代传统的直流调速系统。致 谢在这学期的毕业设计中，我学会了很多，对我们专业有了更深的了解，对我学的知识也有了全面的复习，对我今后的工作必将产生深远的影响，在本论文完成之际，我首先要感谢导师玉生副教授对我的关心、指导和教海。老师渊博的知识，对知识的追求孜孜不倦、精益求精的治学态度，给我留下了深刻的印象，也使我在做毕业设计期间受益匪浅。在毕业设计期间，老师提供和创造了一切可能的条件，为我毕业设计的顺利完成提供了极大的支持和保证。老师严以律己、宽以待人的崇高品质更将是学生一生的榜样。我在此衷心的感谢冯老师为我所作的一切。感谢本专业的老师们的帮助和支持，他们为我们营造了科学、严谨、求实、进取的学习氛围，感谢他们对我们所遇到的各种问题的热情解答。感谢我们同组的同学。在毕业设计的准备阶段和进行过程中，他们给予我的帮助使毕业设计得以顺利完成的重要因素。感谢我的同学和朋友们，是他们陪我一起面对和克服了学习和生活中的一切困难，谢谢他们对我一如既往的关心和帮助。最后，我还要感谢我的家人，尤其是我的父母。他们辛勤的劳作和不求回报的关爱是我得以不间断求学的根本原因，他们的关心和对我一如既往的支持，则是我得以顺利进行学习和不断进取的力量源泉。参考文献1 胡茂金，APC控制系统开发与应用M，河北工业大学，20022 伍纯武 李长江，位置控制器与通用变频器构成的APC系统J，冶金矿山设计与建设，19993 刘壮智，位置控制器与通用变频器APC系统J，山西冶金，2003，014 刘颖慧，基于变频器的APC系统在钢铁行业中的应用J，机械设计与制造，2005，055 周立求，位置控制器在自动位置控制和物料跟踪中的应用J，冶金自动，2002，056 赵建辉，PLC和位置控制器在冶金设备控制中的应用J，冶金矿山设计与建设，1998，017冯玉生 肖俊明，变频器的原理与应用M，中原工学院，P206-P2478Benjamin C.KUO Farid Golnaraghi，Automatic Control Systems,Higher Education Press9 S7-200 Programmable Controller System Manual，Edition08/200510S7-200CN 可编程序控制器使用手册，版本12/200511MICROMASTER440通用型变频器使用大全，版本12/200312陈伯时，电力拖动自动控制系统M，北京，机械工业出版社13王永华 主编.