直流电机转速电流双闭环lc控制系统设计毕业设计.doc

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1、 摘要：传统的龙门刨床控制系统可靠性差，维护困难，成产效率低。如今PLC技术不断发展。本文针对传统的龙门刨床的控制系统进行数字化的改进，主要研究了基于PLC的直流电机逻辑无环流双环可逆调速系统，根据直流调速理论及自动控制系统的理论，介绍了PLC控制的双闭环调速系统的组成、工作原理和动态性能。本系统实现对直流电机双闭环调速系统进行全数字化的改造,使电流环和速度环控制器都由PLC系统来实现重点讨论了用FX2N系列PLC及其两个扩展模块来实现直流电机双闭环调速系统。应用PLC的PID功能指令来实现直流电机速度的闭环控制。系统具有人机接口，系统易于扩展，便于扩展各种I/O模块和功能模块。关键词：直流电

2、机；双闭环；可编程控制器Double housing planer machine PLC control system designAbstract：The traditional double planer control system reliability is poor, maintenance is difficult with the production of low efficiency. Now the PLC technology develop continuously .In this paper introduces the dc motor based on PL

3、C double closed-loop speed regulation system, according to the dc speed control theory and the theory of automatic control system, this paper introduces the PLC control of double closed-loop speed regulation system composition, working principle and the dynamic performance. This system implement a d

4、igital reform to the double closed-loop speed regulation system of the dc machine and make current loop and speed loop controller by PLC system are discussed to realize. The key is to discuss to realize dc motor double closed loop speed regulation system with FX2N PLC and both extension module. Appl

5、ication of PLC PID commands to realize dc machine speed closed-loop control. This system is easy to expand all kinds of I/O modules and function modules.Keywords：DC. machine；Double closed loop；Programmable Logic Controller(PLC) 目录目录第一章 绪论11.1 选题的目的与意义11.2 龙门刨床简介11.3 龙门刨床的发展趋势11.4 本课题主要讨论问题2第二章 系统总体设

6、计方案32.1系统总体设计32.1.1 理想的速度运行曲线32.1.2实现理想速度运行的方法42.2双闭环调速系统常用控制方法介绍52.3系统参数计算72.3.1主电路参数计算72.3.2电流环节（ACR）的设计72.3.4转速环（ASR）的设计9第三章 硬件设计113.1可编程控制器（PLC）介绍113.1.1PLC基本原理113.1.2PLC输入输出端口123.1.3 FX2N输入输出模块133.2执行机构变频器143.2.1变频器基本原理143.2.2变频器的控制方式143.3 检测单元153.3.1电流检测单元153.3.2速度检测单元163.4可控硅主回路的设计173.4.1反并联可

7、逆电路173.4.2逻辑控制的无环流可逆系统183.5电路保护193.5.1过电压保护193.5.2过电流保护203.5.3整流器件的选择20第四章 系统软件设计224.1主程序设计224.2 PLC中的PID功能234.2.1 PID控制的结构234.2.2 PID参数的整定244.2.3 FX2N的PID指令254.3速度初始化子程序26结束语28致谢29参考文献30附录1 主程序梯形图31附录2 英文文献及译文33第2页西安文理学院本科毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 选题的目的与意义龙门刨床因有一个由顶梁和立柱组成的龙门式框架结构而得名，工作台带着工件通过龙门框架作直线往复运动，多用

8、于加工大平面工件。选题目的在于通过PLC技术，以直流电动机为核心对龙门刨床驱动系统进行设计，采用了PLC控制的电流、速度双闭环逻辑无环流可逆直流调速系统以实现刨床的无级调速。如果PLC控制系统设计得当，包括分析系统要求，选型和程序设计，不仅能够提高工作效率，节约生产成本，还可以延长龙门刨床的使用寿命。1.2 龙门刨床简介龙门刨床是各类机加工厂中较为常见的设备，是具有门式框架和卧式长床身的刨床。龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角

9、度，并可沿横梁作横向进给运动；刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动；横梁可在两立柱上作上下调整。一般在两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。机床工作台的驱动可用发电机电动机组或用可控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。1.3 龙门刨床的发展趋势龙门刨床的电力传动系统由始至今一般有以下两种方式：工作台主传动系统在历史上曾经采用电机扩大机-直流发电机-直流电动机组成的直流调速系统，简称K-F-D系统。利用这种直流机组传动克服了古老刨床机械结构复杂、难以调速的毛病，系统可靠性相对较高一些，调速范围较宽，因它只受电枢压降

10、的影响，但K-F-D系统有扩大机组和发电机组，故成本高，占地面积大，噪音大，且K-F-D系统是机组变流，变流过程损耗大，效率低，其系统的惯性除受直流电动机影响外，还受到发电机和电机扩大机电磁惯性的影响，故惯性大，换向时冲击大。随着电力电子技术的发展，从上世纪七八十年代起，工作台主传动系统是以可控硅-直流电动机系统，简称SCR-D系统为主。SCR-D系统可省掉扩大机组和发电机组，节省成本，其系统的效率几乎与负载无关，适宜于负载变动较大的情况，且可控硅基本上属于无惯性环节，反应速度较快，电磁惯性可以减到很少，但SCR-D系统可靠性稍差。因可控硅电压与电流过载能力小，在过压、过流、电压和电流上升率太

11、大的情况下容易损坏，且受温度影响，特性易变化，触发部分用的半导体元件其特性受温度影响也易发生变化，受外界干扰，易产生误动作。另外，SCR-D系统的调速范围，除了受电动机电枢压降影响外，还受可控整流线路参数的影响，在低速时可控硅控制角增大，管压降增大，致使静差度增大，调速范围低。龙门刨床的主拖动系统在加工过程中起主要作用，而现有的龙门刨床主拖动系统都存在着投资大、消耗量大、调节精度不高、换向冲击大等一系列缺点，因此对龙门刨床电控系统进行改造势在必行。近些年来，随着科学技术的高度发展，控制领域的数字化进程加快，全数字直流调速技术不断完善，部分龙门刨床己改造成各种各样的数控机床，工作效率大大提高，老

12、式龙门刨床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被全数字控制系统完全取代。1.4 本课题主要讨论问题利用PLC对龙门刨床的直流电动机调速系统进行设计。首先讨论直流电机双闭环调速系统组成、数学模型和动态性能。接着对可控硅整流电路进行讨论，并主要讨论逻辑无环流可逆调速系统。最后讨论利用PLC的PID功能指令来实现直流电机速度的闭环控制。第二章 系统总体设计方案2.1系统总体设计2.1.1 理想的速度运行曲线龙门刨床横梁、刀架等部件的控制可以用可编程控制器来完成，而要提高龙门刨床的工作效率，解决工作台的换向冲击等问题，必须平滑精确地调节工作台运行速度及过渡过程的加、减速，使其实现可逆运行。其理想的速度运行图

13、37如图2.1所示：图2.1 工作台理想速度运行图图中：LQ工作行程；LH返回行程；VQ切削速度；VH返回速度；0-t1工作台前进加速至稳定工作速度阶段；t1-t2稳定工作速度阶段；t2-t3减速至零前进换向；t3-t4后退加速阶段；t4-t5后退稳定速度阶段；t5-t6减速至零后退换向。由图2.1可见，工作台换向时加、减速平滑且时间短，能很好地消除因换向时速度突变产生的机械冲击，大大提高工作效率。2.1.2实现理想速度运行的方法1.速度反馈：安装直流测速发电机。直流测速发电机能够产生和电动机转轴角速度成比例的电信号，为速度控制系统提供转轴速度负反馈，具有在宽广的范围内提供速度信号等优点。2.

14、电流反馈：限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采用的一种限流措施。当直流电动机全压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流；运行过程中，如电动机遇到堵转的情况，电流也不会大大超过允许值。过大的电流不仅对电机换向不利，对过载能力底的晶闸管来说，更是不能允许的。根据反馈控制原理，要维持哪一物理量基本上不变，就应该引入那个物理量的负反馈。因此，引入电流负反馈应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。但是，这种作用只应在启动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，使静特性保持较好的硬度，让电流自由地随着负载增减。这样一来，一旦电流超过某一规定值时，电流负反馈即投入运行，

15、使静特性急剧地“软化”。随着电流的增加，电动机转速不断下降，当电流增加到某一数值（即堵转电流）时，电动机停止转动。这种当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，简称截流反馈。针对原系统的缺陷和改造要求实现的功能，对于本论文而言，根据具体情况，系统选用转速、电流双闭环直流调速系统。这是由于以下的原因：对于龙门刨床这样电机经常正反转运行的调速系统，尽量缩短制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流马上降低下来。使转

16、矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这时，起动电流呈方形波，而转速足线性增长的，这是在最大电流(转矩)受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。如图2.2所示。图2.2 理想起动过程波形系统总体设计根据前述，采用PLC及其外部接口设备对电机进行检测和控制。对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。转速、电流双闭环直流调速系统如图2.3所示

17、。PLCA/D电流反馈电动机数字触发器数字PI数字PI变频器U1Un*U1*Uk*数字给定Un数字I电流自适应环节速度反馈图2.3 转速、电流双闭环直流调速系统框图为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。PLC要从外部输入电流反馈和转速反馈信号，输出触发脉冲信号，其余工作均在PLC内部完成，数字给定也是用软件方法

18、在PLC内部设定。2.2双闭环调速系统常用控制方法介绍双闭环调速系统采用矩形逼近离散化方法时，这种算法分析简单，转速调节器和限幅器的作用是分开的，由于转速调节器有积分饱和作用，c(k)值将会变得很大，转速将会出现较大的超调量，使速度调节时间变得很长。在此，限幅器并没有限制c(k)的值，而只是限制了u(k)的值。采用双PI调节器，动静态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗负载和电网扰动，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型型。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型型系统。双闭环调速系统采用PID算法可实现直流电动机软起动，而且时间可调。模块内有积分环节，可实现直流

19、电机软起动。根据用户实际需要，可调起动时间，给用户预留了2个端口，调节2个电位器，可改变积分时间长短，从而改变电机起动时间。积分环节适用于起动过渡过程平稳的场合。如果用户要求在负载一定的条件下，电机以最短的时间起动，即以最大的等加速度起动，可把积分环节去掉，模块所留出的2个端口作为电流环和速度环的输出限幅，调节电流的输出限幅，改变电机的最大起动电流，获得理想的过度过程。1、调速方式的选择直流电动机电枢回路的电压平衡方程为 (2.1) 电枢反电势为 (2.2)由此得到转速特性方程如下 (2.3)由转速特征方程可以看出，调节直流电动机的调速方法有如下3种：（1）调节电枢电压调速 改变电枢电压主要是

20、从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机励磁调速改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速，从电机额定转速向上调速，属于恒功率调速方法。If 变化时间遇到的时间常数同Ia 变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，所需电源容量较小。（3）改变电枢电阻调速在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，空载时几乎没什么调速作用还会在调速电阻上消耗大量电能。对于

21、要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，改变电阻只能有级调速；弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压调速方案，在基速以上作小范围的升速。所以本次设计采用调压调速。2.3系统参数计算2.3.1主电路参数计算1、直流电动机：、，允许过载倍数=1.5；2、晶闸管装置放大系数：；3、回路总电阻：R=3.3；4、时间常数：，；5、电流反馈系数：；6、转速反馈系数：。 设计要求：（1）静态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量；（3）空载起动到额定转速时的转速超调量。2.3.2电流环节（ACR）的设计1、确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电

22、路的平均失控时间；（2）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有，因此取；（3）电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。2、确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求电流超调量，保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。3、电流调节器的结构选择电流调节器选用PI型，其传递函数为： (2.9)4、选择电流调节器参数ACR超前时间常数：；电流环开环增益：因为要求，故应取，因此 (2.10)于是，ACR的比例系数为。5、计算电流调节器的电路参数按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下： ，取； (2.11)，取； (2.12) ，取。 (2.

23、13) 6、校验近似条件电流环截止频率：（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足。因为，所以满足近似条件。（2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足。现在，满足近似条件。（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件。现在，满足近似条件。2.3.4转速环（ASR）的设计1、确定时间常数（1）电流环等效时间常数为；（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取；（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。2、确定将转速环设计成何种典型系统由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环。3、转速调节器的结构选择转速调节器选

24、用PI型，其传递函数为： 。 (2.14)4、选择转速调节器参数按跟随和抗绕性能都较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数：；转速开环增益：；于是ASR的比例系数为：。5、计算转速调节器的电路参数 按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下： ，取； (2.15)，取； (2.16)，取。 (2.17)6、校验近似条件转速环截止频率。（1）校验电流环传递函数的近似条件是否满足。现在，满足简化条件。（2）校验小时间常数的近似处理是否满足条件。现在，满足近似条件。（3）校核转速超调量。当h=5时，不能满足设计要求，实际上这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应

25、该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。第三章 硬件设计3.1可编程控制器（PLC）介绍可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。PLC控制技术代表着当前程序控制的先进水平，PLC装置已成为自动化系统的基本装置。本系统采用三菱FX2N-48MR型号PLC。3.1.1PLC基本原理整个扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段，全过程扫描一次所需要的

26、时间称为扫描周期。内部处理阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信服务阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令、更新编程器的显示内容等。当PLC处于停止(STOP)状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行(RUN)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。(1) 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通电断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在此输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容不会

27、发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。(2)程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左右后上下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令时则根据跳转条件是否满足决定程序的跳转地址。用户程序涉及到输入输出状态时，PLC输出映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每个器件而言，器件映像寄存器中所存的内容，会随着程序执行过程而变化。(3) 输出处理程序执行完毕后，将输出映像寄存器，既器件映像寄存器中的寄存器状态。在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱

28、动外部负载。扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。PLC的扫描时间取决于扫描速度和用户程序的长短，毫秒级的扫描时间对于一般工业常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的。但是对某些I/O快速响应的设备，则应采取相应的处理措施。如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数器模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响I/O滞后的主要原因有：输入滤波器的惯性、输出继电器接点的惯性、程序执行的时间、程序设计不当的附加影响等。对用户来说选择一个PLC，合理的编制程序是缩短响应的关键。3.1.2PLC输入输出端口1、I/O系统的功能与组成接口是两个

29、系统或两个部件之间的相交接部分，可以是两种硬件设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间共同的逻辑边界。I/O接口通常是指主机与外部设备之间设置的硬件电路及其相应的软件控制。一般来讲，不同的外部设备均有其独立的设备控制器，设备控制器需要通过I/O接口与主机进行联系。（1）I/O系统的基本功能 为信息的传输操作选择设备； 在选定的输入输出设备和计算机主机（CPU或内存）之间交换信息。（2）I/O系统的组成 由I/O系统要实现的功能，I/O系统也包括了硬件及其相应的软件。各种外围设备不能与计算机主机直接联系，必须通过I/O系统联接。输入/输出接口：用来完成外围设备与CPU交换信息时在速度、代码形式上

30、的相互匹配。在CPU中，数据的传送速度是纳秒级的，而外围设备的速度则是毫秒级的，最快是微秒级的，两者相差悬殊。CPU中的二进制数据是并行传输的，并且有标准的电位要求，而外围设备因其种类的不同，其数据的传输方式有串行的，有并行的，还有串并行的。接口部件的功能就是进行外设与CPU之间的信息转换，使其形式上能互相适应，速度上能互相匹配。同时能根据CPU的控制要求，对I/O系统的工作进行控制与检测。接口部件是计算机系统的重要组成部分，不同的输入输出方式，不同的系统结构形式，都影响接口部件的组成。而接口部件的质量好坏，也将直接影响计算机系统的性能。2、通道的工作过程通道的工作过程可分为启动通道、数据传输

31、、通道程序结束三个部分。（1）启动通道在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。广义指令由一条访管指令和若干个参数组成，访管指令的地址码部分实际上是这条访管指令要调用的管理程序入口地址。当用户程序执行到要求进行输入输出操作的访管指令时，产生自愿访管中断请求。CPU响应这个中断请求后，转入管理程序入口。管理程序根据广义指令提供的参数，如设备号、交换长度和主存起始地址等信息来编制通道程序，在通道程序的最后，用一条启动输入输出指令来启动通道开始工作。（2）数据传输通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据输入输出工作。通道被启动后，CPU就可

32、以退出操作系统的管理程序，返回到用户程序中继续执行原来的程序，而通道开始传输数据。（3）通程序结束当通道处理机执行完通道程序的最后一条通道指令“断开通道指令”时，通道的数据传输工作就全部结束了。通道程序结束后向CPU发出中断请求。CPU响应这个中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对输入输出中断进行处理。如果是正常结束，管理程序进行必要的登记等工作；如果是故障、错误等异常情况，则进行例外情况处理。然后CPU返回到用户程序继续执行。3.1.3 FX2N输入输出模块FX-2N-4AD 模拟量输入模块是FX -2N系列专用的模拟量输入模块。该模块有4 个输入通道（CH），通过输入端子变换，可以

33、任意选择电压或电流输入状态。电压入时，输入信号范围为-10+10v，输入阻抗为200k，分辨率为5mv；电流输入时，输入信号范围为-2020mA或者是420mA输入阻抗为250，分辨率为20uA。FX2N-4AD 模块将接收的模拟信号转换成12 位二进制的数字量，并以补码的形式存于16 位数据寄存器中，数值范围是-2048+ 2047。它的传输速率为15ms/K，综合精度为量程的1。FX2N-4AD 的工作电源为DC24V，模拟量与数字量之间采用光电隔离技术，但各通道之间没有隔离。FX-4AD 消耗PLC 主单元或有源扩展单元5V 电源槽30mA 的电流。FX2N-4AD 占用基本单元的8 个

34、映像表，即在软件上占8个I/O 点数，在计算PLC 的I/O 时可以将这8 个点作为PLC 的输入点来计算。FX2N-4AD 模拟量模块内部有一个数据缓冲寄存器区，它由32 个16 位的寄存器组成，编号为BUF#0#31，其内容与作用如表3-1 所示。数据缓冲寄存器区内容，可以通过PLC 的 FROM 和 TO 指令来读、写。零点与增益的调整可采用编程方法设置BFM2124 值进行，也可通过调节外部旋扭实现。当通道预置为-10V+10V 输入时，预置对应的值为-2000+2000。当通道预置为420mA 输入时，预置对应的值为-0+1000。当通道预置为-20+20mA 输入时，预置对应的值为

35、-1000+1000。当然，以上对应数值可重新调整，最大值不超过4096。FX2N-4AD使用前，要对通道进行初始化，初始化由缓冲器BFM#0 中4 位16进制数字来控制，从右到左第一位字符控制通道1（CH1），第四位控制通道4（CH4）等。0 表示设置电压输出（-10 至+10V），对应输出数据为-2000 至+2000。1 表示设置电源输出（4 至20mA），对应输出数据为0 至1000。2 表示设置电流输出（0 至20mA）对应输出数据为0 至1000。3.2执行机构变频器FRS500系列在三菱变频器家族中属于多功能、通用型、轻负载适用的变频器。根据设计要求，本系统选用单相 220V F

36、RS500系列,其功率范围为0.21.5KW, 频率设定电流信号：输入DC4-20mA，4mA对应0Hz，20mA对应50Hz。最大容许输入电流为30mA ，输入阻抗约250。电流输入时请把信号AU设定为ON 。图3.1 变频器的构成3.2.1变频器基本原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。3.2.2变频器的控制方式在变频调速领域，异步电机的控制方

37、式多种多样，但从转矩的响应性和过渡特性来看，变频调速的控制方式分为以下几种：(1)V压控制V压控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持V用为常数，来保证转子磁通的恒定。然而V压控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数(如加/减速度等)还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。这种控制方式多用于调速精度不高的场所。(2)转差频率控制转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制。与V用控制相比，调速精度要求较高，且系统容易稳定，即能在宽广的调速范围内，将电动机的

38、转矩、功率因数及效率控制在最佳状态。但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行，同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，尽管这种系统的静态精度较高，但由于快速性较差，故适用于对响应的快速性要求不高的系统。(3)矢量控制矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上，通过一系列的坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制，实现对瞬时转矩的控制。目前，实用中多采用转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，

39、已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，收到了较好的效果。(4)直接转矩控制直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解祸运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速的目的。由于DTC直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。3.3 检测单元3.3.1电流检测单元电流检测部分是为了实现电流环的闭环控制，由电流互感器、二极管

40、整流电路和A/D转换电路组成。利用电流互感器从三相电源引出电流，将大电流转换为小电流。经二极管整流电路整流后变为直流，送给A/D转换模块。A/D转换模块内部的A/D转换器分辨率为12位，输入电流范围为020mA，电压范围为010V。A/D转换器将电流模拟量转变为数字量，传送给PLC进行处理。电流信号一般采用电流互感器或霍尔传感器来测量。1、电流互感器电流互感器就是初次级绕组通过铁芯进行电磁耦合，初次级电流比与匝比相同。用于测量40-20kHZ的正弦波电流。测量精度一般为比差0.1%，比差非线性度0.1%，相位差15分。特点：不需电源，价格便宜，精度高；缺点：不能用于有直流分量场合。2、霍尔传感

41、器初级绕组绕在径向开有缺口的环型（矩形等）铁芯上，霍尔元件置于缺口中。当初级绕组有电流流过时，霍尔元件检测出铁芯中的磁感应强度B的大小（V=KBi，K霍尔元件灵敏度，B磁感应强度，i霍尔元件的控制电流。）该瞬时电压与初级绕组瞬时电流是线性关系。对该电压（mV级）进行放大输出，就是跟踪输出型直检式霍尔电流传感器，也可以转换成标准信号输出。用于测量DC-1kHz的各种波形电流。由于输出电压与控制电流成正比，恒流源的稳定性很关键，磁路中的剩磁对输出有教大影响。测量精度一般为1%，非线性度0.5%，响应速度10S，跟踪速度di/dt 50A/S。特点：需提供12V电源，结构简单，可以测量各种波形电流；

42、缺点：温漂大，精度低一些。综上，双闭环调速系统中电流检测的应该选用的方法是用电流互感器作为电流反馈信号的检测器。在三相桥式整流电路中，交流侧的电流与直流整流电路之间的关系如下： 因此测量交流电流的大小同样可以反应直流整流电流的大小。三相分别用三个电流互感器，再经过桥式整流及滤波后输出直流电压Ui。主回路为三相全控桥，电流反馈信号整流也为三相桥式电路，因此电流反馈信号波形与主回路波形具有相同的重复频率，无须很大的滤波环节来滤平反馈信号。3.3.2速度检测单元速度检测部分是为了实现速度环的闭环控制，由光栅传感器和信号处理电路等组成，信号处理包括整形电路和放大电路等。转速检测的精度和快速性对整个控制

43、系统的静、动态指标影响非常大。光栅盘刻线数为1024线，它产生的脉冲列频率与电动机转换成固定的比例关系。光栅传感器将角位移转换成电脉冲，由计数器统计脉冲的个数，每转能检测到的脉冲的多少将直接影响角位移的分辨精度。整形电路使脉冲信号升沿符合输入采样要求，放大电路使脉冲信号电平符合PLC高速计数输入电平的要求，高电平不低于15V。转速信号的检测可以用直流测速发电机和光电编码器来测量。1、测速发电机由永久磁铁与感应线圈组成，用电枢获取速度信号。它具有灵敏度高、结构简单等特点，常用于高精度低速伺服系统，也可与永磁式直流电动机组成低速脉宽调速系统。直流测速发电机的输出信号是与输入轴的转速成正比的直流电压

44、信号，信号幅度大，信号调理电路简单。由于输出电压信号有波纹，一般需要配置滤波电路。 2、光电编码器（增量式）主要由旋转孔盘和光电器件组成。它具有体积小、使用方便、测量精度高等特点，常与直流电机配合使用构成脉宽调速系统。增量式光电编码器输出的是与转角成比例的增量脉冲信号，可以通过脉冲计数获得角位置信号，也可以定时取样脉冲数的增量实现角速度测量。因此，可以同时测量转角和转速。通过电阻分压，接入A/D转换器,再接入PLC，有的PLC自带A/D转换器，就不用外接了，使用PLC时配用旋转编码器的效果更好，精度更高，成本也是最低的。因此，在该系统中选择用光电编码器来测量。3.4可控硅主回路的设计3.4.1

45、反并联可逆电路龙门刨床要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。图3.1 三相桥式电路的反并联可逆电路a)主电路 b)简图三相桥式电路的反并联可逆电路中存在环流问题。采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。环流有危害。环流加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶