PLC与变频器结合实现电动机恒转矩控制
摘要
本文介绍了一种由西门子PLC和变频器构成的恒转矩控制系统.采用PROFIBUS协议实现了PLC与变频器的通讯. 介绍PROFIBUS通信协议,以德国西门子公司MICROMASTER 440型变频器为例,介绍了PLC与变频器进行通信的硬件连接。依据该协议,实现了以PLC作为控制器,在PLC环境下编制程序对变频器进行远程控制.该系统可以对各变频器的运行参数进行在线监测,并进行远程控制。
文中介绍了关于钢板的清洗工艺,以系统的实际应用来说明本系统的实际价值，调节刷辊的转矩来控制对钢板的刷洗力度。最后附以程序,有PLC和变频器的通讯的程序和PLC与变频器结合控制电动机恒转矩的PLC程序. 实践证明,该系统能有效地减少系统布线、提高系统的抗干扰能力,为恒转矩控制系统提供了一个低成本和高性能的方案。
关键词：PLC，变频器，PROFIBUS协议
PLC Combining With Frequency-converter Achieving Constant
Torque Control Of Electric Motor
Abstract
This paper introduces a control system for instance torque composed of SIEMENS PLC and frequency-converter. The serial communication between PLC and frequency-converter is realized based on the PROFIBUS protocol. The PROFIBUS protocol is introduced in detail. Hardware link of communication between PLC and frequency-converter are introduced with an example of SIEMENS frequency-converter MICROMASTER 440. According to this protocol, remote control of inverter is realized with SIEMENS PLC being controller under the environment of visual PLC. The presented system is very convenient to monitor the parameters of every frequency-converter on line and realize the distance control.
The paper introduced steel cleaning processes for the system to illustrate the practical application of the actual value of the system, Adjusting brush roller torque to control brush roller intensity on the skin of steel. At last, together with procedures, there are communication procedures of PLC and frequency-converter and the procedures of PLC combining with frequency-converter achieving constant torque control of electric motor. Practice has proved that the method can reduce electric connections and improve the anti-jamming capability of the system. Thereby a scheme for PLC combining with frequency-converter to achieve constant torque control of electric motor with low-cost and high-performance is provided.
Keyword: PLC，frequency-converter，PROFIBUS protocol
目录
摘要...................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 1 绪论.. (1)
1.1选题的背景 (1)
1.2PLC和变频器的发展 (1)
1.3系统综述 (2)
2 三相异步电动机 (4)
2.1异步电动机的旋转原理 (4)
2.2异步电动机的电磁转矩 (4)
2.3异步电动机的机械特性 (5)
3 变频器的恒转矩控制 (6)
3.1变频器的工作原理 (6)
3.2转矩控制时的运行特点 (6)
3.3转矩给定信号与电动机转矩 (6)
4 STEP7-300简介 (8)
4.1PLC的定义 (8)
4.2STEP7-300软件 (8)
5 分布式外围设备现场总线（PROFIBUS-DP） (9)
5.1PROFIBUS-DP简介 (9)
5.2PROFIBUS-DP的物理连接 (9)
5.3PROFIBUS-DP的报文结构 (9)
6 系统的实现 (11)
6.1系统的硬件连接 (11)
6.2MICROMASTER440标准型变频器设置 (11)
6.3MICROMASTER440控制字和状态字的设置 (13)
6.4PROFIBUS-DP主站与MICROMASTER440的连接 (13)
6.5PLC与变频器的通讯程序设计 (14)
6.6系统的实际应用 (18)
结论 (31)
致谢 (32)
参考文献 (33)
附录A（英文文献） (34)
附录B（中文译文） (41)
1 绪论
1.1 选题的背景
随着我国工业生产自动化程度的不断提高，PLC和变频器相结合的系统广泛地应用在冶金、建材、电力、化工、食品等行业中。我国现在广泛使用的调速系统还比较落后，直接影响了产品的质量。
过去传统的电动机调速系统多采用变频器直接控制电动机的方法进行速度控制，由于操作人员有限，不能安排太多人员在现场，现场外部工作环境又很恶劣，工厂车间闷热，同时效率也很低，维修、维护麻烦，造成工作故障多，影响正常生产；另外由于变频器技术仍未成熟，控制不稳定，精度低，调试烦琐，使用极不方便。根据所掌握的资料，结合现代先进控制技术，采用可编程序控制器控制MICROMASTER 440型变频器拖动电动机方案，以弱电控制强电远程控制技术取代传统的直接控制方式。
实践证明，该系统效率高，节约劳动力，为工作人员创造了舒适的工作环。由于以上的优点，PLC和变频器相结合的系统会有更广阔的发展空间。
1.2 PLC和变频器的发展
1、PLC的发展
PLC将朝着体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展。二是向大型化、网络化、多功能方向发展。近年来，小型PLC的应用十分普遍，超小型PLC的需求日益增多。据统计，美国机床行业应用小型PLC几乎占据了市场的1/4，国外许多PLC 厂家正在积极地研制开发各种超小型微型PLC。例如德国西门子公司S7-200既可以单机运行也可以联网实现复杂的控制。S7-200的最小配置是8个数字量输入和6个数字量输出，还可以根据实际情况进行扩展2~7个模块，最多可达128个输入和120个输出，此外S7-200还可以进行模拟量控制，是一种性能价格比较好的微型PLC.
大型的多层次分布式控制系统与集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。系统设计、组态也更为灵活方便，地域分布也广，是当前控制系统发展的主要潮流。为了适应这种发展，实现工厂自动化，世界上各PLC生产厂家不断地研制开发功能更强的PLC 网络系统。这种PLC网络一般是多级的，网络的最底层是现场执行级，中间是协调级，网络上的最上层为组织管理级。
现场执行级可以由多个PLC或远程I/O工作站所组成,中间一级由PLC或计算机构
成。最高一级一般由高性能的计算机组成。它们之间采用工业以太网和工业现场总线相连构成一个多级分布式PLC。随着自动控制技术的发展，这种多级分布式PLC控制系统功能不再是单一的，除控制功能外，还可以实现在线优化、生产过程的实时调度、产品计划、统计管理等功能，成为一种测、控、管一体化的多功能综合系统。目前许多PLC开发商己经注意到了PLC的兼容性，不仅是PLC与PLC兼容，而且还注意到PLC 与计算机的兼容，使之可以充分利用计算机现有的软件资源。例如西门子的S7-300采用SIMATIC S7的模块，它的软件编程、监控都可以在Window操作平台上操作和运行。今后PLC将采用速度更快、功能更强的CPU、容量更大的存储器，并将更充分地利用计算机资源.PLC控制系统将与智能控制系统工业控制计算机、集散控制系统、嵌入式计算机等更进一步地相互渗透和结合，这必将更进一步拓宽PLC的应用领域和空间。
2、变频器的发展
随着技术的不断发展，变频器技术的发展也越来越迅速，变频器将朝着以下几个方面发展：
（1）实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略。
（2）开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。
（3）缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度。
（4）高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。
（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
1.3 系统综述
本文介绍了利用PLC与变频器结合控制刷辊电动机恒转矩系统在钢板厂的应用，介绍了刷辊对钢板刷洗的力度控制，通过对电机的力矩控制，实现了力度控制，从而对钢板刷洗均匀.干净。本系统是对电机的恒力矩控制，介绍了三相异步电动机、
MICROMASTER 440变频器、和S7-300的相关知识，为系统的设计做一些铺垫。
本套系统采用西门子公司S7-300可编程控制器（PLC）作为中央控制核心，刷辊控制采用西门子公司的MICROMASTER 440系列标准变频器，PLC同变频器之间采用PROFIBUS现场总线通讯协议进行控制，恒转矩控制采用了集成在变频器内部的PID模块，通过转矩的给定值和反馈值进行比较，达到输出稳定的功能。PLC同上位机之间通过工业以太网，PLC采用STEP7 CPU 315-2DP，通过TCP/IP协议进行通讯。整体来说，该电气自动化系统设计紧凑、控制方式先进、自动化程度高、控制方法灵活、适应性强。
本文着重讲述了利用PROFIBUS-DP协议进行PLC与变频器之间的组态，实现PLC 对变频器的控制，首先必须把变频器和PLC之间用电缆连接起来，本套系统所采用的连接电缆是双绞线（如常用的以太网缆）。然后就是对他们进行网络组态，设置STEP7 CPU 315-2DP为DP主站，MICROMASTER 440变频器为DP从站。分别设置他们的通讯地址，利用STEP7-300内部的通讯功能块SFC 14和SFC 15来读写MICROMASTER 440变频器的数据。利用输入转矩和反馈的实际转矩，通过变频器本身的PID进行转矩恒定运行，利用PLC编写控制程序来实现通讯，再利用PLC程序对系统恒转矩进行控制。
PLC和变频器相结合的调速系统逐渐的被广泛的应用。变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信技术于一体的高科技技术。它具有很好的调速、节能性能, 在各行业中获得了广泛应用。可编程序控制器(PLC) 是近年来发展极为迅速、应用面极广的工业控制装置。PLC 具有较高的可靠性,可以通过PLC 串口实现与不同控制设备间的数据传输,从而可使PLC 的应用范围扩大。所以结合PLC与变频器各自的优点，PLC 和变频器相结合的调速系统会应用的更广阔的领域。
2 三相异步电动机
2.1 异步电动机的旋转原理
三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。在磁场中的转子在磁场中切割磁力线产生感应电流，带电的转子在磁场的作用下受到力的作用，即电动机转子开始旋转。旋转磁场的转速为：
n=60f/P
式中：f 为电源频率、
P 是磁场的磁极对数、 n 的单位是：每分钟转数。
一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n 。因为假设n=n1，则转子绕组与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n 。为此我们称三相电动机为异步电动机。 2.2 异步电动机的电磁转矩
电磁转矩是异步电动机的驱动转矩，本节着重介绍电磁转矩的计算公式。
电磁
转矩基本公式：
与直流电机类似的公式：
]
1[22'1122'111111
22'22'11cos 60602cos 44.4cos ?φ?φ?I C p
f I k N f m I E m P T M w M =?=Ω=Ω=
式中:
112
'
22'112'22'12'2'
160
2160216021
M P n s R I m s n s s R I m n s s R I m P T
转子电流：
2.3 异步电动机的机械特性
电动机的机械特性是指电磁转矩与转速之间的关系曲线,如图2.1所示。
异步电动机的机械特性就是t-s曲线。几个关键点：起动点C、最大转矩点B、额定工作点A。
图 2.1 异步电动机机械特性
3 变频器的恒转矩控制
3.1 变频器的工作原理
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC ），这个过程叫整流。把直流电（DC ）变换为交流电（AC ）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即]1[。 3.2 转矩控制时的运行特点
1 拖动系统的状态拖动系统的状态取决于系统的动态转矩j T
l m j T T T -=
式中 j T --动态转矩，单位为Nm ；
m T --电动机的转矩，单位为Nm ；
l T --负载转矩，单位为Nm ； j T ＞0--系统加速； j T ＜0--系统减速； j T ＝0--系统等速运行。
3.3 转矩给定信号与电动机转矩
一方面，电动机的输出转矩取决于转矩给定信号：当负载转矩小于电动机转矩时，拖动系统必加速；另一方面，变频器在转矩控制模式下运行时，必须设置上限频率：当拖动系统的转速上升到接近于上限频率所对应的同步转速时，根据异步电动机的原理，
由于转子切割磁力线的速度下降，所产生的转矩也必下降，直至输出转矩等于负载转矩时，拖动系统将在上限转速下稳定运行。因此，当拖动系统的转速上升到上限转速时，电动机的转矩并不取决于转矩给定信号，但转矩给定信号保证了拖动系统将在上限转速下运行。转矩控制与转速控制的区别两种控制方式的区别如表3.1所示。
表3.1转矩控制和转速控制的区别
控制方式转速控制转矩控制
转速大小由频率给定信号决定不能控制，只能上、下限值
转矩大小与负载转矩相平衡，有上限值由转矩给定信号决定
系统的加速度有给定信号的增加或减小决定由动态转矩的正、负来决定
4 STEP7-300简介
4.1 PLC的定义
PLC可编程序控制器：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
4.2 STEP7-300软件
STEP7是专门为S7-300设计的在个人计算机Windows操作系统下操作的编程软件。该标准软件功能强大，支持自动任务创建程序的各个阶段--建立和管理项目，对硬件和通讯作组态和参数赋值，管理符号，创建程序，下载程序到可编程控制器，测试自动化系统，诊断设备故障。STEP7软件的用户接口，基于当前最新水平的人机控制工程设计，简单易学，用户能轻松使用。STEP7为用户提供了三种编程语言STL(语句表)，FBD(功能块图)和LADDER(梯形图语言)。用户可以在这三种语言中随意切换，便于不同类型的用户使用。STEP7还给用户提供了丰富的指令集，可以对非常复杂的功能的进行编程。其中为梯形图语言就提供了一百多条指令，包括浮点数运算指令、程序控制指令、跳转指令等。
STEP7除提供逻辑块OB(组织块，决定用户程序的结构，一般主程序放置在该块内). FB(功能块，带有自己存储区域的块). FC(功能，包含经常使用的功能的例行程序，可放置子程序)以及系统功能块外，还提供数据块DB用于存放用户数据。与PLC通信简单，只需将CPU通过PC/PPI电缆或插在计算机中的CP5611通讯卡与计算机进行通信，就可上、下传程序。通过STEP7的硬件诊断功能，可以在线或离线取得模板信息和工作方式。
STEP7还具有程序测试功能，当CPU检测到程序处理过程中错误(同步错误）和PLC 中的错误(异步错误)时，CPU会调用适当的中断类型组织块，这些组织块可对这些错误相应处理]2[。
5 分布式外围设备现场总线（PROFIBUS-DP）
5.1 PROFIBUS-DP简介
PROFIBUS-DP是PROFIBUS组成之一，PROFIBUS有三部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA（Process Automation,过程自动化）和PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification,现场总线报文规范）。在PROFIBUS现场总线中，PROFIBUS-DP的应用最广。DP协议主要用于PLC与分布式I/O和现场设备的高速数据通信。典型的DP配置是单主站结构，也可以是多主站结构。
5.2 PROFIBUS-DP的物理连接
PROFIBUS-DP可以使用多种通信介质（电、光、红外、导轨以及混合方式）。传输速率9.6K-12Mbit/s。每个DP从站的输入数据和输出数据最大为224B。使用屏蔽双绞线电缆是最长通信距离为9.6km，使用光缆是最长90km,最多可以接127个从站。
PROFIBUS-DP可以使用灵活的拓扑结构，支持线形、树形、环形结构。PROFIBUS-DP符合EIA RS-485标准（也称为H2），采用价格便宜的屏蔽双绞线电缆。一个总线段的两端各有一套有源的终端电阻。一个总线最多32个站，带中继器最多127个站。每段的电缆最大长度与传输速率有关。
5.3 PROFIBUS-DP的报文结构
PROFIBUS-DP的报文结构如图5.1所示：
图5.1 PROFIBUS-DP的报文结构
过程数据区（PZD），即控制字和设定值或状态信息和实际值。参数区（PKW）用读写参数，例如读出故障，并且读出一个参数的特征信息，诸如最小/最大限制等。
当总线启动时，这种用于PROFIBUS-DP主站到变频器通讯类型的PPO能够从主站来配置。选择哪种类型的PPO，取决于在自动化网络中传动装置的任务。过程数据一直被传送。在传动装置中，它们具有最高的优先级和最短的时间等。
PPO有五种类型：可用数据无参数区，有两个字或六个字的过程数据。或可用数据
有参数区，且有两个，六个或十个字的过程数据，具体见图 5.2。在本设计系统中采用了PPO2类型]3[。
图5.2 参数过程数据对象（PPO型）
6 系统的实现
6.1 系统的硬件连接
1、如果干扰比较大，可采用屏蔽双绞线。
2、一般情况下，PROFIBUS通讯电缆采用双绞线即可（如常用的以太网缆）。
3、在采用屏蔽双绞线作为通讯电缆时，把具有不同电位参考点的设备互连会在互连电缆中产生不应有的电流，从而造成通讯口的损坏。要确保通讯电缆连接的所有设备，或是共用一个公共电路参考点，或是相互隔离的，以防止不应有的电流产生。屏蔽线必须连接到机箱接地点或9 针连接的插针1。建议将传动装置上的0V 端子连接到机箱接地点。
4、尽量采用较高的波特率，通讯速率只与通讯距离有关，与干扰没有直接关系。
5、终端电阻的作用是用来防止信号反射的，并不用来抗干扰。如果在通讯距离很近，波特率较低或点对点的通讯的情况下，可不用终端电阻]4[。
6.2 MICROMASTER 440标准型变频器设置
将变频器连接到PLC 之前必须确认变频器已有以下的系统参数,使用变频器小键盘设定参数。
1、将变频器复位到工厂设定值可选的按P 键显示P000 按向上或向下箭头键直到显示器显示P944 按P 键输入参数P944=1。
2、允许读/写所有参数按P 键按向上或向下箭头键直到显示器显示P009 按P键输入参数P009=3。
3、检查变频器的电动机设定值设定值随所用的电动机而变按P 键按向上或向下箭头键直到显示器显示电动机的设定值为止按P 键输入参数：
P081=电动机的额定频率Hz，
P082=电动机的额定速度RPM，
P083=电动机的额定电流A，
P084=电动机的额定电压V，
P085=电动机的额定功率KW/HP。
4、设定就地/远程控制方式按P 键按向上或向下箭头键直到显示器显示P910 按P键输入参数P910=1远程控制方式。
5、设定PROFIBUS-DP接口的波特率按P 键按向上或向下箭头键直到显示出P092按P 键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器显示出与你的PROFIBUS-DP接口相对应的波特率数字为止按P 键输入参数P092 3 1200波特，
4 2400波特，
5 4800波特，
6 9600波特缺省值，
7 19200波特。
6、输入从站地址每个变频器最大31 可经过总线运行按P键按向上或向下箭头键直到出现P 091为止按P 键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器显示出所需要的从站地址按P 键输入P091=0至31。
7、增速时间可选的这是以秒表示的电动机加速到最大频率所需的时间按P 键按向上或向下箭头键直到出现P002 为止按P 键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器出现所需要的增速时间为止按P 键输入参数P002=0-650.00。
8、斜坡减速时间任选这是以秒表示的电动机减速到完全停止的需要的时间按P键按向上或向下箭头键直到出现P003 为止按P 键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器出现所需要的减速时间为止按P 键输入P003=0-650.00。
9、串行链路超时这是二个输入数据报文之间的最大允许时间间隔这一特性用于通信发生故障时断开变频器收到了有效的数据报文后开始定时如果在规定的时间间隔内没有收到其它的数据报文变频器跳闸并显示故障代码F008 将值设定为0 断开控制回路变频器进行状态轮询之间的时间，按P 键按向上或向下箭头键直到出现P093为止按P 键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器出现所需要的串行链路超时为止按P 键输入P093=0-240 0是缺省值时间单位为秒。
10、串行链路额定系统设定点这个值可以改变但是典型情况是相当于50Hz或60Hz 它定义了相当于100%的PV 或SP 的数值按P 键按向上或向下箭头键直到出现P094 为止按P 键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器出现所需要的串行链路额定系统设定点为止按P 键输入P094=0-400.00。
11、EEPROM 存储器控制任选按P 键按向上或向下箭头键直到出现P 971 按P 键输入参数按向上或向下箭头键直到显示器出现所需要的相应于EEPROM存储器控制的数值为止按P 键输入P971=0 当断电时丢失更改的参数设定值包括P9711 缺省值断
电期间仍保持更改的参数设定值。
12、运行显示按P 键退出参数方式P]5[。
6.3MICROMASTER 440 控制字和状态字的设置
PPO2 类型: 4 PKW 字6 PZD 字
PZD1:状态字1
PZD2:线速度实际值
PZD3:转矩实际值
PZD4:状态字2
PZD5:故障字
PZD6:马达电流实际值
对于STW 的含义，如表6.1所示。与STW 相对应的是ZSW，它的含义如表6.2所示]5[。
6.4 PROFIBUS-DP主站与MICROMASTER 440的连接
本套系统采用的是CPU 315-2DP作为DP主站，MICROMASTER 440作为DP从站。它们之间要进行通讯，必须在它们之间建立连接。其具体做法如下：
(1)生成一个STEP7项目
打开SIMATIC Manager(管理器)，建立一个新项目，选择第一个站的CPU为CPU 315-2DP，项目名称自拟。在管理器中已经生成“SMATIC 300 Station”对象，双击”Hardware”图标，进入”HW Config”（硬件组态）窗口后，在
CPU 315-2DP的机架中添加电源模块、一块16点输入模块和一块16点输出模块，并设置该站的参数。
(2)设置PROFIBUS网络
有鼠标右键点击管理器左边最上面的“项目”对象，在打开的快捷菜单中选择命令“Insert New Object”->”PROFIBUS”,将会生成网络对象PROFIBUS（1），在自动打开的网络组态工具NetPro中，有红色的MPI网络线、紫色的PROFIBUS网络线和CPU 315-2DP的图标，可以对MPI和PROFIBUS网络组态。
双击图中的PROFIBUS网络线，在出现的对话框中打开“Network Settings”选项卡，点击“OK”按钮确认系统推荐的默认的参数，即设置传输率为 1.5Mbit/s，总线行规
（Profile）为DP。也可以在对话框中选择PROFIBUS子网络的的网络参数。对于单主站的PROFIBUS网络，主站的地址默认值为126。
(3)设置主站的通讯属性
在”SIMATIC Manager”主屏幕中。选择屏幕左边的SIMATIC 300站对象后，双击屏幕右边的Hardware（硬件）对象，打开HW Config工具。此时屏幕左边的窗口中只有生成项目时设置的S7-300的机架和机架中的CPU 315-2DP模块，双击机架中DP所在的行，在打开的对话框的“Operating Mode”选项卡中，选择该站为DP主站（DP Master）.
点击“General”选项卡中的“Properties”按钮，在”Parameters”选项卡中可以设置地址，默认的站地址为2。”Subnet”列表中的“not network”为不联网，可以选择连接已经建立的PROFIBUS（1）子网络。
(4)组态DP从站
在“SIMATIC Manager”的主屏幕中，选择屏幕左边的SIMATIC 300站对象后，双击屏幕右边的Hardware（硬件）对象，打开HW Config工具。在这个窗口下，点击屏幕右边硬件目录窗口中最上面的“PROFIBUS-DP”文件夹，在其中选择事先下载到STEP7的“MICROMASTER440”。用鼠标将它拖到屏幕上方的PROFIBUS网络线上，这样就把该DP从站连接到DP主站系统了。此时将自动打开“Properties- PROFIBUS”对话框，设置该DP从站的地址为3，点击“OK”按钮返回“HW Config”屏幕。
在网络中选中该从站后，在屏幕左下部的窗口中将显示它的详细资料，例如它占用的输入/输出地址。双击表中某一行输入或输出，在打开的“DP Slave Properties”对话框中，可以更改输入/输出地址]6[。
6.5 PLC与变频器的通讯程序设计
本系统通讯利用S7-300的装入/传输指令。软件采用STEP7.V5.2。硬件采用CPU315C-2DP，MICROMASTER 440标准型变频器。系统采用STL语言编程。由于本系统只研究转矩，所以程序中有些地方只出现转矩信号，通讯程序如下：
1.接受变频器输入信号
PPO2 类型: 4 PKW 字6 PZD 字
PZD1:状态字1
PZD3:转矩实际值
PZD4:状态字2
PZD5:故障字
Network1
L #P_Adress //传动起始地址SLW 3
LAR1
L PIW [AR1,P#0.0]
T #T_PKE
L PIW [AR1,P#2.0]
T #T_IND
L PIW [AR1,P#4.0]
T #T_PWE_H
L PIW [AR1,P#6.0]
T #T_PWE_L
L PIW [AR1,P#8.0]
T #T_STSW_1
L PIW [AR1,P#10.0]
T #T_XV
T #T_STSW_2
L PIW [AR1,P#16.0]
T #T_FLT
L PIW [AR1,P#18.0]
T #T_I_ACT
Network2
L #T_STSW_1
T #STSW_1
L #T_STSW_2
T #STSW_2
L #T_FLT
T #FLT
L #T_TQ_ACT
ITD
DTR
L 1.638400e+004
/R
L #NTQ
*R
T #TQ_ACT
L #T_PKE
T #PKE
L #T_IND
T #IND
L #T_PWE_H
T #PWE_H
L #T_PWE_L
T #PWE_L
2.输出信号到变频器
PPO2 类型: 4 PKW 字6 PZD 字
PZD1:控制字1
PZD4:控制字2
PZD5:线速度设定值
PZD6:转矩设定值
Network1
L #P_Adress
SLW 3
LAR1
L #PKE
T PQW[AR1，P#0.0] /将PKE传送到外设
L #IND
T PQW [AR1,P#2.0]
L #PWE_H
T PQW [AR1,P#4.0]
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变频器矢量控制的基本原理分析 矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U/f＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。
一．扭矩模式 1.说明：此扭矩模式是用于外部控制器控制输入给伺服器的电 压来实现电机扭矩大小的输出。 2.接线：将控制器控制的能输出可变电压的引脚直接连接到 CN1的18引脚，将控制器的GND与伺服器CN1的19脚连接 3.参数设定： P2-15，P2-16，P2-17都设定为0，消除初始状态下AL013 的预警状态。 P1-01：03，将电机设定为转矩模式 P1-02：01，速度限制，电机在没有负载的情况下会转很快 P1-07：500，设置电机加减速的时间，减少通电与断电的时 对于轴与外设的冲击 P1-09=设定电机最高转速 P2-12：00，将TCM0设定为0 P2-13：00，将TCM1设定为0 P2-12与P2-13的作用是将扭矩的命令设定为外部电压来控 制。详情见数据手册144页设定速度，当不设定此项时，电 机只有力矩，没有转速 P1-41：200，表示输入5V模拟电压，达到100%额定转矩 P2-10：01，启动电机 当此时电机不转时，重启伺服器即可。（建议重启） 要关闭电机则将P2-10设定为00,并保存，然后将开关关闭
并重启即可完成电机的关闭。 二．位置模式 1.说明：当前位置模式是通过外部控制器输出的PWM来控制伺 服电机的位置以及速度，其中PWM频率控制电机速度，PWM 的个数与P1-44与P1-45的结合控制电机的具体位置。使用 的脉冲输入为开集极NPN设备输入，电源为内部24v电源。 2.接线： 上图中的白线是控制器的脉冲输出线，用于输出PWM，蓝色线是控制 板的GND的连接线，用于控制器与伺服器的共地作用。 上图是伺服器CN1的接线，其中褐色线是CN1的41引脚， 其中的PWM信号是控制器的PWM输出的引脚串接一个电阻通 过一个NPN三极管之后连接到CN1的引脚。其中控制器的 pwm输出引脚连接NPN三极管的基极，三极管的发射极连接 CN1 的14脚（COM-），集电极连接到41引脚。35引脚与17 引脚需要短接，CN1的COM-也就是14引脚必须要与控制器 的GND连接，否则电机将不会转动。在位置模式下将伺服电 机的GND（19脚）与控制器的GND单独连接，电机将不会转 动。其他的线的连接方式见数据手册67页C3-1 3.设定： P2-15，P2-16，P2-17都设定为0，消除初始状态下AL013 的预警状态。 P1-00：02，表示脉冲+方向控制方式
变频器的运转指令方式 变频器的运转指令方式是指如何控制变频器的基本运行功能，这些功能包括启动、停止、正转与反转、正向电动与反向点动、复位等。 与变频器的频率给定方式一样，变频器的运转指令方式也有操作器键盘控制、端子控制和通讯控制三种。这些运转指令方式必须按照实际的需要进行选择设置，同时也可以根据功能进行相互之间的方式切换。 1操作器键盘控制 操作器键盘控制是变频器最简单的运转指令方式，用户可以通过变频器的操作器键盘上的运行键、停止键、点动键和复位键来直接控制变频器的运转。 操作器键盘控制的最大特点就是方便实用，同时又能起到报警故障功能，即能够将变频器是否运行或故障或报警都能告知给用户，因此用户无须配线就能真正了解到变频器是否确实在运行中、是否在报警（过载、超温、堵转等）以及通过led数码和lcd液晶显示故障类型。 按照前面一节的内容，变频器的操作器键盘通常可以通过延长线放置在用户容易操作的5m以内的空间里。同理，距离较远时则必须使用远程操作器键盘。 在操作器键盘控制下，变频器的正转和反转可以通过正反转键切换和选择。如果键盘定义的正转方向与实际电动机的正转方向（或设备的前行方向）相反时，可以通过修改相关的参数来更正，如有些变频器参数定义是“正转有效”或“反转有效”，有些变频器参数定义则是“与命令方向相同”或“与命令方向相反”。 对于某些生产设备是不允许反转的，如泵类负载，变频器则专门设置了禁止电动机反转的功能参数。该功能对端子控制、通讯控制都有效。 2端子控制 2.1基本概念 端子控制是变频器的运转指令通过其外接输入端子从外部输入开关信号（或电平信号）来进行控制的方式。 这时这些由按钮、选择开关、继电器、plc或dcs的继电器模块就替代了操作器键盘上的运行键、停止键、点动键和复位键，可以在远距离来控制变频器的运转。
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。 1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式： 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 电压空间矢量（SVPWM）控制方式： 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 矢量控制（VC）方式： 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 直接转矩控制（DTC）方式：
目录 目录 (1) 第一章系统的功能设计分析和总体思路 (2) 1.1 概述 (2) 1.2 系统功能设计分析 (3) 1.3 系统设计的总体思路 (3) 第二章PLC和变频器的型号选择 (4) 2.1 PLC的型号选择 (4) 2.2 变频器的选择和参数设置 (5) 2.2.1 变频器的选择 (5) 2.2.2 变频调速原理 (6) 2.2.3 变频器的工作原理 (6) 2.2.4 变频器的快速设置 (7) 第三章硬件设计以及PLC编程 (9) 3.1 开环控制设计及PLC编程 (9) 3.1.1 硬件设计 (9) 3.1.2 PLC软件编程 (10) 3.2 闭环控制设计 (14) 3.2.1 硬件和速度反馈设计 (14) 3.2.3 闭环的程序设计以及源程序 (16) 第四章实验调试和数据分析 (21) 4.1 PID 参数整定 (21) 4.2 运行结果 (22) 第五章总结和体会 (22) 第六章附录 (24) 6.1 变频器内部原理框图 (24) 第七章参考文献 (25)
第一章系统的功能设计分析和总体思路 1.1 概述 调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。在科学研究和生产实践的诸多领域中调速系统占有着极为重要的地位特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。 可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。 目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。 变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，
PWM型变频器的基本控制方式 通用的PWM型变频器是一种交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即保持压频比基本恒定。 PWM型变频器一般采用电压型逆变器。根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。 (1)变幅PWM型变频器这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控制方式，其基本电路如图3-3所示。中间环节是滤波电容器。 图2-3 变幅PWM型变频器 晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角α来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。逆变器只作输出频率控制，它一般是由6个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。 图3-4所示是另一种直流电压可调的PWM变频电路。它采用二极管不可控整流桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大小，通过逆变器输出三相交流电。 图2-4 利用斩波器的变频电路图 以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出直流电压的减小而降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。另外，就动态响应的快速性来说后者比前者好。 (2)恒幅PWM型变频器
恒幅脉宽调制PWM式变频电路如图3.3所示，它由二极管整流桥，滤波电容和逆变器组成。逆变器的输入为恒定不变的直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都是由逆变器承担。此系统是目前使用较普遍的一种变频系统，其主电路简单，只要配上简单的控制电路即可。它具有下列主要优点： 1）简化了主电路和控制电路的结构。由二极管整流器对逆变器提供恒定的直流电压。在PWM逆变器内，在变频的同时控制其输出电压。系统只有一个控制功率级，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性好。 2）由二极管整流器代替晶闸管整流器，提高了装置的功率因数。 3）改善系统的动态性能。PWM型逆变器的输出功率和电压，都在逆变器内控制和调节。因此，调节速度快，调节过程中频率和电压配合好，系统动态性能好。 4）对负载有较好的供电波形。PWM型逆变器的输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的电动机发热和转矩降低问题，改善了电动机运行性能。 图2-5 PWM型逆变器 但PWM型逆变器也有如下缺点： 1）在调制频率和输出频率之比固定的情况下，特别是在低频时，高次谐波影响较大，因而电动机的转矩脉动和噪声都较大。 2）在调制频率和输出频率之比作有级变化的情况下，往往使控制电路比较复杂。 3）器件的工作频率与调制频率有关。有些器件的开关损耗和换相电路损耗较大，而且需要采用导通和关断时间短的高速开关器件。 2.2.2 PWM型逆变器的基本工作原理
变频器调整必须知道的几个参数 变频器功能参数很多，一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。实际应用中，没必要对每一参数都进行设置和调试，多数只要采用出厂设定值即可。但有些参数由于和实际使用情况有很大关系，且有的还相互关联，因此要根据实际进行设定和调试。 因各类型变频器功能有差异，而相同功能参数的名称也不一致，为叙述方便，本文以富士变频器基本参数名称为例。由于基本参数是各类型变频器几乎都有的，完全可以做到 触类旁通。 一加减速时间 加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。通常用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。在电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以防止过电压。 加速时间设定要求：将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失速而引起变频器跳闸；减速时间设定要点是：防止平滑电路电压过大，不使再生过压失速而使变频器跳闸。加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。 二转矩提升 又叫转矩补偿，是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低，而把低频率范围f/V增大的方法。设定为自动时，可使加速时的电压自动提升以补偿起动转矩，使电动机加速顺利进行。如采用手动补偿时，根据负载特性，尤其是负载的起动特性，通过试验可选出较佳曲线。对于变转矩负载，如选择不当会出现低速时的输出电压过高，而浪费电能的现象，甚至还会出现电动机带负载起动时电流大，而转速上不去的现象。 三电子热过载保护 本功能为保护电动机过热而设置，它是变频器内CPU根据运转电流值和频率计算出电动机的温升，从而进行过热保护。本功能只适用于“一拖一”场合，而在“一拖多”时， 则应在各台电动机上加装热继电器。
plc控制变频器调速 苏州市职业大学 课程设计任务书 课程名称: PLC应用技术起讫时间: 2011年6月20日至24日院系: 电子信息工程系班级: 09电气(4) 姓名: 王田兵 指导教师: 丁金林系主任: 张红兵 第一章绪论 1.1 PLC的发展与应用 可编程控制器(PLC)是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发出来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。 如今，PLC在我国各个工业领域中的应用越来越广泛。在就业竞争日益激烈的今天，掌握PLC设计和应用是从事工业控制研发技术人员必须掌握的一门专业技术。 任何生产机械电气控制系统的设计，都包括两个基本方面:一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用以及维修的需要。因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两个方面。前者决定一台设备使用效能和自动化程度，即决定着生产机械设备的先进性、合理性，而后者决定着电气控制设备生产可行性、经济性、外观和维修等方面的性能。 在现代控制设备中，机-电、液-电、气-电配合得越来越密切，虽然生产机械的种类繁多，其电气控制设备也各不相同，但电气控制系统的设计原则和设计方法基本相同。
在最大限度满足生产设备和生产工艺对电气控制系统要求的前提下，力求运行安全、可靠，动作准确，结果简单、经济，电动机及电气元件选用合理，操作、安装、调试和维修方便。 要完成好电气控制系统的设计系统，除要求我们掌握必要的电气设计基础知识外，还要求我们必须经过反复实践，深入生产现场，将我们所学的理论知识和积累的经验技术应用到设计中来。本次课程设计正是本着这一目的而着手实施的实践性环节，它是一项初步的模拟工程训练。通过这次课程设计，我感到更深地了解一般电气控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。 1.2 PLC的特点 PLC是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 1. 可靠性高，抗干扰能力强 为了限制故障的发生或者在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。 2. 通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。 3. 功能强，适应面广 现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 4. 编程简单，容易掌握
直接转矩控制 直接转矩控制（Direct Torque Control——DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control——DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。 直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20 世纪80 年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。1987 年，直接转矩控制理论又被推广到弱磁调速范围。 直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进，主要体现在以下几个方面： （1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究 在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此，无速度传感器的研究便成了交流传动系统中的一个重要的研究方向，且取得了一定的成果。对转子速度估计的方法有很多，常用的有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发，利用转子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统，只要选择适当的参数自适应律，速度辨识器就可以比较准确地辨识出电机速度。 （2）定子电阻变化的影响
台达ASD-B2伺服ECMA-C20401GS电机控制文档 一．扭矩模式 1.说明：此扭矩模式是用于外部控制器控制输入给伺服器的电 压来实现电机扭矩大小的输出。 2.接线：将控制器控制的能输出可变电压的引脚直接连接到 CN1的18引脚，将控制器的GND与伺服器CN1的19脚连 接 3.参数设定： P2-15，P2-16，P2-17都设定为0，消除初始状态下AL013 的预警状态。 P1-01：03，将电机设定为转矩模式 P1-02：01，速度限制，电机在没有负载的情况下会转很快 P1-07：500，设置电机加减速的时间，减少通电与断电的时 对于轴与外设的冲击 P1-09=设定电机最高转速 P2-12：00，将TCM0设定为0 P2-13：00，将TCM1设定为0 P2-12与P2-13的作用是将扭矩的命令设定为外部电压来控 制。详情见数据手册144页6.4.1 P2-14:14,设定速度，当不设定此项时，电机只有力矩，没有 转速 P1-41：200，表示输入5V模拟电压，达到100%额定转矩
P2-10：01，启动电机 当此时电机不转时，重启伺服器即可。（建议重启） 要关闭电机则将P2-10设定为00,并保存，然后将开关关闭 并重启即可完成电机的关闭。 二．位置模式 1.说明：当前位置模式是通过外部控制器输出的PWM来控制 伺服电机的位置以及速度，其中PWM频率控制电机速度， PWM的个数与P1-44与P1-45的结合控制电机的具体位置。 使用的脉冲输入为开集极NPN设备输入，电源为内部24v 电源。 2.接线：
上图中的白线是控制器的脉冲输出线，用于输出PWM，蓝色线是控制板的GND的连接线，用于控制器与伺服器的共地作用。 上图是伺服器CN1的接线，其中褐色线是CN1的41引脚， 其中的PWM信号是控制器的PWM输出的引脚串接一个 1.5K电阻通过一个NPN三极管之后连接到CN1的引脚。其
变频器的V/F控制与矢量控制 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 一、矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 V/F控制与矢量都是恒转矩控制。U/F相对转矩可能变化大一些。而矢量是根据需要的转矩来调节的，相对不好控制一些。对普通用途。两者一样 1、矢量控制方式—— 矢量控制，最简单的说，就是将交流电机调速通过一系列等效变换，等效成直流电机的调速特性，就这么简单，至于深入了解，那就得深入了解变频器的数学模型，电机学等学科。 矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理，根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制。 在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。 具体做法是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。 2、V/F控制方式—— V/F控制，就是变频器输出频率与输出电压的比值为恒定值或成比例。例如，50HZ时输出电压为380V的话，则25HZ时输出电压为190V。 变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制
PLC控制变频器转速 2008-09-09 3:19 本文以三菱PLC为例介绍了模拟量控制，并结合变频调速基本原理及特点，重点阐述了如何通过PLC模拟量控制来实现对变频器的速度调节。 1、引言 近年来可编程序控制器(PLC)以及变频调速技术日益发展，性能价格比日益提高，并在机械、冶金、制造、化工、纺织等领域得以普及和应用。为满足温度、速度、流量等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量进行控制，PLC模拟量控制模块的使用也日益广泛。 通常情况下，变频器的速度调节可采用键盘调节或电位器调节方式，但是，在速度要求根据工艺而变化时，仅利用上述两种方式则不能满足生产控制要求，因此，我们须利用PLC灵活编程及控制的功能，实现速度因工艺而变化，从而保证产品的合格率。 2、变频器简介 交流电动机的转速n公式为： 式中: f—频率; p—极对数; s—转差率(0～3%或0～6%)。 由转速公式可见，改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调(恒功率调速)，也可以从基频向下调(恒转距调速)。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。 3、PLC模拟量控制在变频调速的应用 PLC包括许多的特殊功能模块，而模拟量模块则是其中的一种。它包括数模转换模块和模数转换模块。例如数模转换模块可将一定的数字量转换成对应的模拟量(电压或电流)输出，这种转换具有较高的精度。
在设计一个控制系统或对一个已有的设备进行改造时，常常会需要对电机的速度进行控制，利用PLC的模拟量控制模块的输出来对变频器实现速度控制则是一个经济而又简便的方法。 下面以三菱FX2N系列PLC为例进行说明。同时选择FX2N-2DA模拟量模块作为对变频器进行速度控制的控制信号输出。如图1所示，控制系统采用具有两路模拟量输出的模块对两个变频器进行速度控制。、 图1 对变频器进行速度控制的信号输出 图2为变频器的控制及动力部分，这里的变频器采用三菱S540型，PLC的模拟量速度控制信号由变频器的端子2、5输入。
错误！未找到目录项。 通用的PWM型变频器是一种交—直—交变频，通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流负载。异步电动机调速时，供电电源不但频率可变，而且电压大小也必须能随频率变化，即保持压频比基本恒定。 PWM型变频器一般采用电压型逆变器。根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分成两种基本控制方式。 (1)变幅PWM型变频器这是一种对变频器输出电压和频率分别进行调节的控制方式，其基本电路如图3-3所示。中间环节是滤波电容器。 图2-3 变幅PWM型变频器 晶闸管整流器用来调压，与一般晶闸管调压系统一样，采用相位控制，通过改变触发脉冲的延迟角α来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压。逆变器只作输出频率控制，它一般是由6个开关器件组成，按脉冲调制方式进行控制。 图3-4所示是另一种直流电压可调的PWM变频电路。它采用二极管不可控整流桥，把三相交流电变换为恒定的直流电。分立斩波器电路，来改变输出直流电压的大小，通过逆变器输出三相交流电。 图2-4 利用斩波器的变频电路图 以上两种调压式变频电路，都需要两极可控功率级，相比较，采用晶闸管整流桥可以获得更大功率的直流电，由于可控整流桥采用相位控制，输入功率因数将随输出直流电压的减小而降低；而斩波式调压，输入功率变流级采用的是二级管整流桥，所以输入端有很高的功率因数，代价是多了一个斩波器。另外，就动态响应的快速性来说后者比前者好。 (2)恒幅PWM型变频器
恒幅脉宽调制PWM式变频电路如图3.3所示，它由二极管整流桥，滤波电容和逆变器组成。逆变器的输入为恒定不变的直流电压，通过调节逆变器的脉冲宽度和输出交流电压的频率，既实现调压又实现调频，变频变压都是由逆变器承担。此系统是目前使用较普遍的一种变频系统，其主电路简单，只要配上简单的控制电路即可。它具有下列主要优点： 1）简化了主电路和控制电路的结构。由二极管整流器对逆变器提供恒定的直流电压。在PWM逆变器内，在变频的同时控制其输出电压。系统只有一个控制功率级，从而使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性好。 2）由二极管整流器代替晶闸管整流器，提高了装置的功率因数。 3）改善系统的动态性能。PWM型逆变器的输出功率和电压，都在逆变器内控制和调节。因此，调节速度快，调节过程中频率和电压配合好，系统动态性能好。 4）对负载有较好的供电波形。PWM型逆变器的输出电压和电流波形接近正弦波，从而解决了由于以矩形波供电引起的电动机发热和转矩降低问题，改善了电动机运行性能。 图2-5 PWM型逆变器 但PWM型逆变器也有如下缺点： 1）在调制频率和输出频率之比固定的情况下，特别是在低频时，高次谐波影响较大，因而电动机的转矩脉动和噪声都较大。 2）在调制频率和输出频率之比作有级变化的情况下，往往使控制电路比较复杂。 3）器件的工作频率与调制频率有关。有些器件的开关损耗和换相电路损耗较大，而且需要采用导通和关断时间短的高速开关器件。 2.2.2 PWM型逆变器的基本工作原理
变频调速系统PLC控制 1 变频调速系统PLC控制设计 1.1 设计目的 通过变频调速系统PLC控制的设计，对专业知识进行巩固，并熟悉掌握组态软件的使用。在完成课程学习的同时实际动手设计，通过理论和实践相结合，把专业的理论知识应用到实际设计中，既能对所学知识加深理解，又能对专业知识的应用有更深刻的熟悉和掌握，从而将变频调速系统PLC的相关知识理解的更扎实透彻，完整掌握PLC的相关内容。 1.2 设计概要 1.2.1 设计任务 完成一个由组态软件为上位机控制，PLC为下位机控制，变频器、异步电动机组成的变频调速控制系统的设计，并完成组态控制界面的设计，控制梯形图以及PLC接线图。利用实验装置实现上下位机的联通，完成PLC端子、变频器以及异步电动机的接线，然后利用PC 机输入梯形图控制程序，并在实验室内进行调试。 1.2.2 控制系统的要求 PLC、变频器以及异步电动机共同组成了控制系统。其中可编程控制器（PLC）的作用是处理各种信息的逻辑问题，并向变频器发出起、停等指令，同时变频器也会将工作状态信号反馈回PLC，形成双向联通的关系，这是此系统的核心部分。变频器能对电机进行调速控制。按下启动键，可选择工频或变频控制，能完成自动控制和手动控制之间的转换，即自动转换和手动输入，同时实现高、低速的转换。 1.2.3 设计过程 调速系统由PLC控制变频器，同时由变频器实现电机的调速。变频调速系统主要分为两部
分：手动控制和自动控制。手动控制可以选择电机正转或是反转，在一到七速之间也能自由转换。自动控制则是先将电机设置为正转或反转，然后逐渐从低速升为高速，通过复位能自动从高速降回低速。最后手动控制停止可以直接切换成自动控制。 1.2.4 电气设备详细表 电源控制屏：提供三相四线制380V、220V电压；变频调速装置；三菱PLC主机；异步电动机；力控监控组态软件实战指南；力控监控组态软件。 2 PLC设计系统思考 2.1 设计系统过程中出现问题及解决方法 第一，根据控制要求直接编写控制程序，始终不知道如何动手。对于该问题的解决方法为从头开始了解硬件，学习变频器资料，掌握变频器和电机的使用，在熟练掌握的基础上才会知道怎么去控制。 第二，在编写梯形图完成后，plc始终没有输出。该问题的出现主要是因为没有熟练使用plc 编程步骤，编写程序中没有end。仔细检查，一步一步从新学习plc编程，从最简单的控制开始。 第三，电机在接线时不知道是星型接线还是三角形接线。笔者为了更好的解决该问题，在回去后仔细研究电机发现，我们使用的是小型异步电动机不带负载，可以直接启动，星型和三角形接线影响不大。 第四，手动程序在plc上可以直接实现控制，而把变频器和电动机连起来，电动机直接受变频器控制，我们的手动程序没有用。该问题的出现主要是变频器资料没有学习深入，我们始终让变频器运行在内部(PU)模式，这款FR-S500没有通讯功能。在PU模式下可以直接在变频器上调节电动机不同速度，而用plc程序控制必须使变频器工作在外部（exit）模式下。第五，手动程序和自动程序不能结合起来。导致这种情况的出现与自己没有太深入的了解三
选购要点：伺服电机的三种控制方式 伺服电机速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求以及满足何种运动功能来选择。接下来，松文机电为大家带来伺服电机的三种控制方式。 如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。 如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。 就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。 对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。 一般说驱动器控制的好不好，每个厂家的都说自己做的最好，但是现在有个比较直观的比较方式，叫响应带宽。当转矩控制或者速度控制时，通过脉冲发生器给他一个方波信号，使电机不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时，表示已经失步，此时的频率的高低，就能显示出谁的产品牛了，一般的电流环能作到1000Hz以上，而速度环只能作到几十赫兹。 换一种比较专业的说法： 1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm：如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。 应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。 2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。
变频器常用的几种控制方式 变频调速技术就是现代电力传动技术的重要发展方向,而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素,除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外,对变频器采用什么样的控制方式也就是非常重要的。本文从工业实际出发,综述了近年来各种变频器控制方式的特点,并展望了今后的发展方向。 1、变频器简介 1、1 变频器的基本结构 变频器就是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。 1、2 变频器的分类 变频器的分类方法有多种,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器与电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器与高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器与矢量控制变频器等;按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器与三相变频器等。 2、变频器中常用的控制方式 2、1 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 (1) V/f控制 V/f控制就是为了得到理想的转矩-速度特性,基于在改变电源频率进 行调速的同时,又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的,通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单,但就是这种变频器采用开环控制方式,不能达到较高的控制性能,而且,在低频时,必须进行转矩补偿,以改变低频转矩特性。 (2) 转差频率控制 转差频率控制就是一种直接控制转矩的控制方式,它就是在V/f控制的基础上,按照知道异 步电动机的实际转速对应的电源频率,并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率,就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式,在控制系统中需要安装速度传感器,有时还加有电流反馈,对频率与电流进行控制,因此,这就是一种闭环控制方式,可以使变频器具有良好的稳定性,并对急速的加减速与负载变动有良好的响应特性。 (3) 矢量控制 矢量控制就是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小与相位,以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流与转矩电流分别进行控制,进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序与时间以及零矢量的作用时间,又可以形成各种PWM波,达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的
变频器u/f控制方式 U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压(Voltage)与频率(Frequency)之比，称为U/f控制。恒定U/f控制存在的主要问题是低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化;其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒U/f变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。 高性能U/F控制通用变频器有哪些特点？ 答：所谓高性能U/F控制通用变频器，是指在开环情况下具有转矩控制功能的 U/F控制式通用变频器。这类变频器大多采用32位数字信号处理器（DSP）或双16位CPU进行控制，运算速度大幅提高。在控制方法上，大多采用了磁通补偿功能，转差补偿功能和电流限制功能等控制策略，用以实现转矩控制功能。 采用这种控制方式，可使极低速度下的转矩过载能力达到或超过150%；频率设定范围达到1：30；由于转差补偿的作用，电动机速度
可实现准确控制；电动机的静态机械特性的硬度高于在工频额定电压下时的情况；具有过电流抑制功能，可实现挖土机特性。 变频器的U/F控制方式有哪些不足之处？ 答：1）采用U/F控制方式，利用人为选定U/F曲线方法，很难根据负载转矩的变化恰当的调整电动机转矩。特别是在低速时，由于定子阻抗压降随负载转矩变化，当负载较重时可能补偿不足，当负载较轻时又可能产生过补偿，造成磁路过饱和。这两种情况均可能引起变频器过电流跳闸。 2）采用U/F控制方式，无法准确地控制交流电动机的实际转速。因为变频器的频率设定值均为定子频率，即电动机的转差率随负载的变化而波动，所以电动机的实际转速也随之变化，故这种方式的速度静态稳定性不高，不适合对速度要求较高的拖动系统。 3）采用U/F控制方式，在转速很低时，转矩不足。