三相异步电动机的转速转角控制 - 毕业设计论文

题目： 三相异步电动机转速和转角控制系统设计

摘要

摘 要

本文介绍三相异步电动机基于西门子S7-200系列PLC的变频调速与转角控制方法。 PLC在三相异步电动机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强、功能完善等优点，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需求。

目前,电力拖动是各行业生产机械的主要拖动形式;因此,三相异步电动机已经被广泛应用在各行各业和日常生活等领域。随着生产机械的不断更新和发展,对电动机的调速性能与转角问题要求越来越高。三相异步电动机由于三相异步电动机因其成本低,结构简单,可靠性高和维护少等优点在各种工业领域中得到广泛的应用,但其调速性能和转角性能都不如直流电动机,因此如何改进异步电动机的调速性能和转角问题,以提高调速性能和转角问题,就显得特别重要。

本篇文章通过对鼠笼式三相异步电动机工作过程的分析,着重讨论了三相异步电动机的调速和转角性能,尝试简单，有效的调速和调角度方法。

关键词：PLC；三相异步电动机；转速；转角

I

ABSTRACT

ABSTRACT

This article describes the three-phase asynchronous motor based on Siemens S7-200 series PLC frequency control and angle control methods.

PLC in the three-phase asynchronous motor control applications, with traditional relay control, compared with a control speed, high reliability, flexibility, functional, etc., for a variety of automated control equipment provides a very reliable control applications.It is able to provide safe and reliable automation and control applications and more complete solution for the current demand for automation of industrial enterprises.

Currently, the electric drive is the industry's main drag production machinery forms; therefore, three-phase asynchronous motor has been widely used in all walks of life and daily life and other fields.With constantly updated production machinery and development of the motor rotation speed performance issues with increasingly high demand.Three-phase asynchronous motor three-phase asynchronous motors because of its low cost, simple structure, high reliability and low maintenance, etc. in various industrial areas has been widely used, but its speed performance and rotation properties are not as DC motors, so how to improve the performance of asynchronous motor speed and rotation issues in order to improve the speed performance and the corner problem, it is especially important.

This article through the squirrel-cage induction motor work process analysis, focusing on the three-phase asynchronous motor speed and angle performance, try a simple and effective method for speed and angle adjustment.

Keywords： PLC， Three-phase asynchronous motor， speed， turn angle

II

目录

目 录

第一章 绪论 ............................................................................................ 1

1.1 三相异步电动机 ........................................................................................... 1

1.1.1三相异步电动机的结构与工作原理 .................................................. 1 1.2 PLC技术 ........................................................................................................ 7

1.2.1PLC的发展历史 ................................................................................... 7 1.2.2PLC的基本结构 ................................................................................... 8

1.2.3西门子S7-200系列PLC .................................................................... 9

1.3 变频器 ......................................................................................................... 10

1.3.1变频器基本原理 ................................................................................ 11 1.3.2变频器调速基本原理 ........................................................................ 12 1.4人机交互界面与西门子Smartline ............................................................. 13

1.4.1人机交互界面 .................................................................................... 13 1.4.2西门子Smartline ............................................................................... 14

第二章 PLC编程软件与HMI组态软件 ............................................ 15

2.1 STEP7-Micro/WIN ...................................................................................... 15

2.1.1软件介绍 ............................................................................................ 15 2.1.2程序组织 .......................................................................................... 15 2.1.3程序编辑要点 .................................................................................... 15 2.1.4PLC监控 ............................................................................................. 15 2.2 wincc flexible组态软件 .............................................................................. 16 2.2.1 wincc flexible简介 ............................................................................. 16 2.2.2 wincc flexible的组件 ......................................................................... 17

第三章 电动机转速控制 .................................................................................. 18

3.1系统设计的总体思路 .................................................................................. 18 3.2变频器参数设置 .......................................................................................... 18 3.3转速控制外部硬件连接图 .......................................................................... 19 3.4 PLC程序设计 .............................................................................................. 19 3.4.1 PID算法 ............................................................................................. 19

III

2013届本科毕业设计论文

3.4.2内存变量分配表 ................................................................................. 20 3.4.3速度反馈设计 ..................................................................................... 21 3.5调试与数据分析 .......................................................................................... 21 3.5.1 PID参数整定 ..................................................................................... 21 3.5.2运行结果 ............................................................................................. 22

第四章 电机转角控制 ....................................................................................... 25

4.1系统设计的总体思路 .................................................................................. 25 4.2变频器参数设置 .......................................................................................... 25 4.3硬件连接图 .................................................................................................. 25 4.4 PLC程序设计 .............................................................................................. 26 4.4.1电机角度控制设计思路 ..................................................................... 26 4.4.2程序地址分配 ..................................................................................... 27 4.5运行结果 ...................................................................................................... 27

第五章 wincc flexible 人机界面设计 .................................................... 28

5.1人机界面设计要求 ...................................................................................... 28 5.2人机界面设计及变量设置 .......................................................................... 28 5.3运行结果 ...................................................................................................... 29

第六章 总结…………………………………………………………...30 参考文献……………………………………………..………………...31 致谢………………..…………………………………………………...32 附录………………..…………………………………………………...323

IV

第一章 绪论

1.1三相异步电动机

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。

在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。

1.1.1三相异步电动机的结构与工作原理 1．三相异步电动机的构造

三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。

此外还有端盖、风扇等附属部分，如图1.1所示。

图 1.1 三相电动机的结构示意图

（1）．定子

三相异步电动机的定子由三部分组成：

由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅定子铁心 钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。 定子 三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽定子绕组 内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。 机座 机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组 表1.1 定子组成

（2）．转子

三相异步电动机的转子由三部分组成：

由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅转子铁心 钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。 转子 转子绕组有两种形式： 转子绕组 鼠笼式 -- 鼠笼式异步电动机。 绕线式 -- 绕线式异步电动机。 转轴 转轴上加机械负载 表1.2 转子组成

鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。

为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。 2．三相异步电动机的转动原理

（1）．基本原理

图 1.2 三相异步电动机工作原理

如图1.2所示，当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式

导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。

转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。 （2）．旋转磁场

①．产生

图1.3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规

律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图1.4)。

?iU?Imsin?t?0i?Isin(?t?120)?Vm ?

0?iW?Imsin(?t?120)（1.1）

图1.3 三相异步电动机定子接线

当?t=00时，iA?0，AX绕组中无电流；iB为负，BY绕组中的电流从Y流入

iAAZXYBiBCiCB1流出；iC为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1.4（a）所示。

当?t=1200时，iB?0，BY绕组中无电流；iA为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；iC为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1.4（b）所示。

当?t=2400时，iC?0，CZ绕组中无电流；iA为负，AX绕组中的电流从X流

入A流出；iB为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图1.4（c）所示。

可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。

AA×Y×·ZY×ZY·A·ZiiAiBiCωtO120° 240° 360°

C×·BC·B·C××BXXX(a) ωt = 0° (b) ωt = 120° (c) ωt = 240° 图 1.4 旋转磁场的形成

②．旋转磁场的方向

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。

（3）．三相异步电动机的极数与转速 ①．极数（磁极对数p）

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；

当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋

转磁场具有两对极，即p=2；

同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角?的关系为：

0120??

（1.2）

p

②．转速n

三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

n0?（1.3）

由（1.3）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。

在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表1.3

60f1 pp n0 1 3000 2 1500 3 1000 表1.3

4 750 5 600 6 500 ③．转差率s

电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

旋转磁场的转速n0常称为同步转速。

转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即：

s?

n0?n?n? n0n0

(1.4)

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。

当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的

瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n>0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S<1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。

根据式(1.4),可以得到电动机的转速常用公式

(1.5)

n??1?s?n0

④．三相异步电动机的定子电路与转子电路

三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。

1.2 PLC技术

PLC= Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，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，是工业控制的核心部分。 1.2.1 PLC的发展历史

起源：1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器 PDP—14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可

编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC。

1969年，美国研制出世界第一台PDP-14 1971年，日本研制出第一台DCS-8 1973年，德国研制出第一台PLC 1974年，中国研制出第一台PLC

发展：20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。 1.2.2 PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

图1.5 S7-200 PLC CPU的外形模型图

1.电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 2.中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

3.存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 4.输入输出接口电路

①．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

②．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 5.功能模块

如计数、定位等功能模块。 6.通信模块

如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。 1.2.3 西门子S7-200系列PLC

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。

S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU使用。

1.CPU单元设计：

集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 2.不同的设备类型：

CPU 221~226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 3.本机数字量输入/输出点：

CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点。CPU 226具有24个输入点和16个输出点。 4.中断输入：

允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 5.高速计数器： CPU 221/222

4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的6.A/B相增量编码器 CPU224/226

6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。 7.CPU 222/224/226：

可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 8.模拟电位器： CPU221/222 1个 CPU224/226 2个

CPU221/222/224/226还具有 9.脉冲输出：

2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。

10.实时时钟：

例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 11.EEPROM存储器模块（选件）：

可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。

12.电池模块：

用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。

1.3 变频器

变频器是把工频电源(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 。 1.3.1 变频器基本原理

图1.6 交流低压直交直通用变频器系统框图

1.主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它主要由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 2.控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、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”组成。

（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

图1.7 变频器主电路

1.3.2 变频器调速基本原理

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。 电机磁场的转速称为同步转速，用N表示：

N=60f/p(r/min) （1.6）

式中：f—三相交流电源频率，一般为50Hz；p—磁极对数。当p=1时，N=3000r/min；p=2时，N=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速N越慢。

转子的实际转速n比磁场的同步转速N要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：

s=[n1－n）/n1]×100% （1.7)

当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=N，则s=0，即s在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）%。 综合式（1.6）和式（1.7）可以得出

n=60f（1－s）/p (1.8)

由式(1.8)可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

1.4 人机交互界面与西门子smartline

1.4.1 人机交互界面

HMI是Human Machine Interface 的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介， 它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

1.人机界面（HMI）产品的组成及工作原理

人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI 产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于 HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如wincc flexible画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

2.人机界面产品分类

薄膜键输入的HMI，显示尺寸小于5.7ˊ，属初级产品。如POP－HMI 小型人机界面

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