步进电机毕业设计

题目:利用P LC与变频器实现多速度控制专业:电气自动化技术班级:自控3 112作者: 王洋洋指导教师: 赵连娟摘要本文主要介绍了本人与本组同学研究和设计基于可编程控制器的变频调速系统的若干成果。

在本次的设计中，我主要学习了电子感应开关的电路设计，运算，校正，本文介绍了电子感应开关的原理及应用。

经过本次设计和研究，使我对所有器件有了新的认识，尤其对P LC有了更多的了解：P LC是能进行行逻辑运算，顺序运算，计时，计数，和算术运算等操作指令，并能通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程的工业计算机。

首先我们查阅各个器件的资料，先对其有个明确的认识，然后通过老师的指点明白了整个系统的大概工作原理框图后，通过学习资料与老师指点将硬件设备连接成功。

关键词：P LC、变频器目录第 1 章设计综述 (1)1.1课题研究的背景 (1)1.2开发环境的介绍 (2)1.3课题的主要任务和论文的组织 (3)第2章变频器与P LC技术概要 (4)2.1变频器概述 (4)2.2PLC概述 (6)2.2.1 PLC 的特点 (7)2.2.2 PLC 控制的优点 (8)2.3异步电动机调速 (9)2.3.1 变频调速方法 (9)第 3 章 R S—485 串行通讯 (11)3.1RS—485串行通讯的特点 (11)3.2RS—485串行接口标准 (11)3.3RS—485数据传输协议 (12)第 4 章系统的硬件开发 (16)4.1变频器的选择 (16)4.2变频器参数设置 (16)4.2.1 功能与参数范围 (17)4.2.2 频率给定功能 (18)4.2.3 具体参数设置 (20)4.3PLC的选择 (21)4.3.1 PLC 的选择 (21)4.3.2 I/O 点数的分配 (23)4.4通信系统硬件组成 (23)4.5硬件之间的连接 (25)4.5.1 变频器和电机的距离确定电缆和布线方法 (25)4.5.2 PLC 与输入/输出设备的连接 (26)第 5 章系统的软件开发第及系统的调试与实现 (28)5.1RS-485通信软件的设计 (28)5.2速度控制软件的设计 (30)5.3系统的调试 (31)5.4系统的实现 (34)第 6 章总结与展望 (37)6.1总结 (37)6.2展望 (37)致谢 (38)参考文献 (39)第1章设计综述1.1课题研究的背景众所周知，所有的生产机械、运输机械在传动时都需要调速。

首先，机械在起动时，根据不同的要求需要有不同的起动时间，这样就要求有不同的起动速度相配合；其次，机械在停止时，由于转动惯量的不等，所以自由停车时间也各不相同，为了达到人们所需求的停车时间，就必须在停车时采取一些调速措施，以满足对停车时间的要求；第三，机械在运行当中，根据不同的情况也要求进行调速。

如传送带在日常生产中是很常用的一种电力输送工具，但是往往要求传送带在检测到有物料时能够迅速的启动并运行，当物料运到相应的设备口时能准确的停止，对物料进行加工处理，期间传送带要根据加工要求以各种速度运行或者快速返回，最后还需要可靠停车。

传统的电动机一般有单一速度、双速、三速等，但是一个电机的各种速度值是固定的，使电动机在变速时会有明显的冲撞，因为它不能完成各种速度之间的无级变化。

当传感器检测到信号时电机启动或者停止往往有滞后现象，使物料不能按照指定的位置启、停，给生产带来了难以避免的误差。

P LC控制系统和传统的工业控制相比，它吸收了微电子技术和计算机技术的最新成果，得到了更新的发展。

P LC控制系统适用于各种普通的电动机，是以应用为中心、计算机技术为基础、辅助特定设备高质量的完成电动机对各种速度的要求。

而变频器可以很容易改变电动机的速度，且具有精度高、稳定性好、可靠性高、存储容量大、灵活性好等特点。

将变频器和P LC两者运用RS -485通讯使其相结合，可以充分发挥两者的忧点，具有良好的可扩展性和可维护性。

若把P LC程序中所需要的多种速度输出到变频器，然后通过变频器的参数变换实现迅速、可靠的对电动机多种速度控制，则可以解决传统电动机的速度单一和不能准确可靠启动、停止等问题和不足。

而在变频器和P LC之间运用RS -485通讯可以很容易和方便把两者相连接起来，而且RS -485还具有抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉的优点。

变频器和P LC之间的组合，变频器在该系统中所起的作用就是对笼型异步电动机进行无级调速。

P LC在该系统中所起的作用是对系统进行自动控制。

只要计算出P LC所需要多种速度、大小、时间的要求和变频器的频率控制相结合就可以完成，如启动速度和时间，低速、高速、刹车时间等。

本课题即是在这种背景下，对电动机特性和变频器系统及P LC系统进行硬件及软件的研究、分析和设计，并给出一套完整的解决方案，实现对一台电动机的起动、停止、变速等多种速度要求。

1.2 开发环境的介绍本系统的开发环境由硬件环境与软件环境两部分组成。

其中硬件开发环境采用了亚龙YL——235A 型光机电一体化实训考核装置。

它包含了三菱P LC主机、三菱变频器、皮带输送机部件、电动机、电源、按钮、气管、P LC编程线缆、计算机、键盘。

硬件开发环境见图1— 1。

图1- 1系统硬件开发环境软件开发环境为对应的P LC编程环境。

它提供了一套完备的面向变频器和电动机的开发和调试工具，包含编程器、编译器、连接器、转换器、调试器。

配合变频器和电动机可以完善直接的在线调试。

软件开发环境主界面见图1－2。

图 1-2 P LC 编程主界面1.3课题的主要任务和论文的组织课题研究的主要内容是以电脑和键盘对三菱P LC进行编程，通过RS -485连接三菱变频器，根据P LC和变频器的通信协议，用程序控制变频器工作；根据变频器的的多种频率变化改变电动机的多种速度控制；电动机通过联轴器和传送带轴相连使传送带实现正转、反转、起动、停止、加速、减速等多种速度变化。

重点研究内容主要有：·电动机调速机械特性和调速原理；·变频器基本形式和调速原理；·P LC的特点和工作原理；·P LC和变频器之间的连接方法和通信协议；第2章变频器与P LC技术概要2.1变频器概述一、变频器的组成异步电动机用变频器调速运转时通常由变频器主电路给异步电动机提供调压调频电源，此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。

而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。

对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏外，还应保护异步电动机及传动系统等。

1、主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。

主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“转动回路”。

2、控制回路给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。

控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。

二、变频原理在交—直—交变频调速系统中，变频器有3种主要结构形式。

1、用可控整流器调压如图2- 1，这种装置结构简单，控制方便。

但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压或转速调得较低时，电网端的功率因数较低；输出环节多采用由功率开关元件组成的三相六拍逆变器（每周换流6次），输出的谐波较大，这是该种调压控制方法的缺点。

图2-1 整流电流2、用不可控整流器整流，斩波器调压如图2-2，这种调压控制方法是在主回路增设的斩波器上用脉宽调压，而整流环节采用二极管不可控整流器。

这样显然多增加了一个功率环节，但输入功率因数高，克服了前种方法的一个缺点，而逆变器输出信号的谐波仍较大。

图2-2 斩波调压3、用不可控整流器整流，PWM型逆变器调压如图2-3，在这种控制方法中，由于采用不可控整流器整流，故输入功率因数高；采用PWM型逆变器则输出谐波可以减少。

这样，前两种调压控制方法中存在的缺点问题都解决了。

采用可控关断的全控式功率开关元件以后，开关频率才得以大大提高，逆变器的输出波形几乎是正弦波，因此成为当前被采用的一种调压控制方法。

图2-3 PWM调压1、多速度控制功能工作时能保证在整个频率范围内实现精确的转矩控制。

2、快速响应功能变频器采用了单片机控制，特别是采用了高速数字信号处理器（DSP ），其计算速度快，转速调整响应快，因此在提升设备中应用，对防止“滑落”很有效。

3、A VR功能保证了高启动转矩的实现当线电压下降时，使用A VR（自动电压调整）功能，可以维持高启动转矩。

4 、电动机参数自动调整功能变频器与电动机参数调整的步骤自动进行，从而简便了使用操作，因此可以更有效也更易于实现强力运行。

5、模糊逻辑加、减功能此功能根据电动机负载和制动要求自动地计算出最佳加速/减速时间，这就省掉了试机并避免了出错，负载固定时在某一电压下电动机的电流达最小，当电流最小时，功率最小，自动追踪最小的电压。

6、降低能源消耗，自动节能运行功能变频器会自动地选择操作参数，使电动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行，这就使之与传统变频器相比，更能降低能源消耗。

7、多段转速功能内装速度设定和定时器设定功能，因而能进行7段转速特性曲线运转（能选择连续、继续、保持最终值），对各种速度，都用任意加速时间、旋转方向、运转时间。

8、内装PI或PID调节功能。

9、由于采用SV PWM控制和高工作频率的IGBT、IPM，其输出电流波形大为改善，而且消耗电流大为降低。

2.2 PLC 概述1、P LC的扫描用户程序通过编程器输入并存放在P LC的用户存储器中，当P LC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理工作，即每一时刻只执行一个操作。

由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的。

这种按分时原则、顺序执行程序的各种操作的过程称为CPU对程序的扫描。

执行一次扫描的时间称为扫描周期。

当P LC投入运行时，它首先执行系统程序和CPU自检等工作，然后开始顺序执行用户程序。

P LC的用户程序由若干条指令（语句）组成，这些指令在存储器中是按步序号的顺序排列的。

用户程序的执行是按顺序扫描工作方式完成的。

在没有中断或跳转控制的情况下，CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。