基于三菱fx系列plc的变频调速电机控制研究

基于三菱fx系列plc的变频调速电机控制研究内容摘要：

有信息保持不变。 可由特殊方式擦出，主要存储需要永久保持的系统或用户程序。 （ 3） 电可擦出只读存储器（ EEROM） :使用编程器能容易的进行修改的存储 单元。 同样，作为只读存储器，其内存储的数据断电情况下保持不变。 通常也可 根据项目设计的需要， 使用专用内存卡片方式扩充 (但扩充能力得依各厂牌与型号有所不同 )。 输入 /输出单元 PLC 的对外功能，主要是通过各种 I/O 接口 模块 与外界联系的，按 I/O 点数确定 模块 规格及数量， I/O 模块 可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架 中 槽数 的 限制。 I/O 模块 集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 7 输入单元是用来连结撷取输入元件的信号动作并 透过内部总线将资料送进内存由 CPU 处理驱动 程序 指令部分。 一切的开关量都来自于此。 PLC 输入 模块 ： PLC 系统的架构和输入 模块 产品的选择应视被监测的输入讯号位准而定。 换句话来说，项目设计的确定，确定了输入讯号的数量，也就确定了 PLC 输入点数的数量。 而输入单元接口电路的“全能性”，使其能接受多种类型工业流程中所使用的传感器与流程控制的变量讯号，可以涵盖从177。 10mV 至177。 10V 的输入讯号范围。 输出单元是用来驱动外部负载的接口，主要原理是由 CPU 处理已经写入 PLC 里的用户程序指令，判断驱动输出单元再进而控制外部负载 （如指示灯、电磁阀、继电器、气 (油 )压阀等）。 由于 PLC 输出 模块 用于在工业环境中用来控制制动器、气阀及马达等，所以 PLC系统类比输出范围包括177。 5V、177。 10V、 0V到 5V、 0V 到 10V、 4 到 20mA、或 0 到 20mA等，详细输出类型由 PLC 型号决定。 在特殊项目中，特别是需要注意项目中是应该选择晶体管输出还是继电器输出。 晶体管输入和输出没有电隔离 .而继电器是电隔离的 .在体积有限制的时候 .响应时间要很短的时候 .都往往采用晶体管控制 .而在电压比较高 .电流比较大 .要注意人身安全时 .往往用继电器。 电源 模块 顾名思义， PLC 系统的主要能源都来自于此， PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。 有些 PLC 中的电源是与 CPU 模块 合二为一的，有些则是分开的，其主要用途是为 PLC 各 模块 的集成电路提供工作电源。 同时，有的还为输入电路提供 24V的工作电源。 电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流 220VAC 或 110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为 24V。 不过，作为一种设备可靠性的优先级很高的控制设备， PLC 中的电源都有着多种保护措施。 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。 编程器 编程器 是 PLC 最重要的外围设备，也是 PLC 不可缺少的一部分。 它不仅可以写入用户程序，还可以对用户程序进行见检查、修改和调试，以及在线监视 PLC 的工作状 8 态，它通过接口与 CPU 联系，完成人机对话的功能。 编程器 一般分为简易 编程器 和图形 编程器 两种。 （ 1）简易 编程器 功能较少，一班只能用编程语句形式进行编程，通常需要联机才能工作。 简易编程器使用时直接与 PLC 的专用插座相连接，由 PLC 提供电源。 它体积小，重量轻，便于携带，适合小型的 PLC 使用。 （ 2） 图形编程器 既可以用指令语句惊醒编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程又可脱机编程，操作方便，功能强，一般有液晶显示的便携式和阴极射线式两种。 新型的图形 编程器 还可以与打印机、绘图仪等设备连接，价格较高。 但是在实验室中，我们还可以用微型计算机配以相应的配套软件和借口，就可以利用包括梯形图在内的各种编程语言进行编程。 工作原理及特性 虽然 PLC 所使用的 梯形图程序 中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但 PLC 内部并非实体上具有 这些硬件，而是以内存与 程序 编程方式做逻辑控制编辑，并借 由输出元件连接外部机械装置做实体控制。 因此能大大减少控制器所需的 硬件空间。 实际上 PLC 执行 梯形图程序 的运作方式是逐行的先将 梯形图程序 码以扫描方式读入 CPU 中并最后执行控制运作。 在整个的扫描过程包括三 个阶段 ，“输入状态检查”、“ 程序 执行”、“输出状态 刷新 ”说明如下： 第一阶段 “输入状态检查”： PLC 首先检查输入端元件所连接的各点开关或传感器状态（ 1 或 0 代表开或关，模拟原始继电器开关量），并将其状态写入内存中对应 的 位置 Xn 暂存。 第二阶段 “ 执行程序 ”： 将 梯形图程序 逐行取入 CPU 中运算，若 程序 执行中需要输入接点状态， CPU 直接自内存中查询取出。 输出线圈 的 运算结果则存入内存中对应 的 位置，也就是输出锁存端，暂不反应至输出端 Yn。 第三阶段 “输出状态 刷新 ”： 将步骤二中 的 输出状态更新至 PLC 输出端结点，并且重回第一步再次开始。 这三个步骤称为 PLC 的 扫描周期，而完成所需的时间称为 PLC 的反应时间，用户程序每一步的扫描需要一定的时间，程序越长， PLC 的反应时间也越长。 PLC 输入讯号保持的时间若小于这个反应时间，则有误读的可能性。 每次 程序 执行后与下一 次 9 程序 执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程序循环扫描”。 输 入 端 子输 入 映 像 寄 存 器执 行 程 序输 出 映 像 寄 存 器输 出 锁 存输 出 端 子输 入 状 态 检 查执 行 程 序输 出 状 态 刷 新寄 存 器 输 入 状 态锁 存 输 出 状 态以 驱 动 负 载程 序 执 行 结 果读写读用 户 输 出 设 备用 户 输 入 设 备 图 PLC 工作原理 三菱 F2NX系列介绍及所选型号 FX2N 系列，是 FX 系列中最 先进的超级微型 PLC，出了具有输入输出 24~256 点的一半用途外，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制功能。 （ 1） 集成性 amp。 高性能 CPU、电源、输入输出三位一体，对六种基本单元，可以以最小 8点为单位连续输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出 256 点。 10 （ 2） 高 速运算 此系列的 PLC 基本指令时间： m/指令，应用指令： ~100μ m/指令。 （ 3） 安心、宽裕的存储器规格 内置 8000 布 RAM 存储器，安装存储盒扩展后，最大能扩展到 24000 步，给用户程序充分的发挥空间。 （ 4） 丰富的软元件范围 辅助继电器 3072 点，定时器 256 点，计数器 235 点；数据寄存器 8000 点。 （ 5） 指令 基本指令 27 个 ，步进梯形图指令 2个，应用指令 132 种 （ 6） 高速处理 有输入输出刷新指令、输入滤波器调整指令、输入中断功能、定时器中断功能、计数器中断功能、脉冲捕捉功能。 （ 6） 功能扩展 最多可连接 8块 脉冲输出模块和定位模块充分使用模拟量和高速 计数器等扩展设备，使用功能扩展板进行系统升级，实现网络数据通讯等功能。 由于实验室中 现有三菱 FX2N 系列 PLC 多台，本模型设计需要点数较少，故直接采用拥有 24 个 I/O 单元设备，同时，由于控制输出的频率不是很高，直接选取较为普通的继电器型 PLC，最终型号选定为 FX1N40MR。 表 设备特性 型 号 I/O 总数 输入 输出 尺寸（ mm） 宽厚高 点数 点数 类型 40 24 16 继电 器型 130 87 90 三、 变频调速系统 变频器是 在保证电机原有性能的情况下，通过 改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。 变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器 +交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只 11 能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。 它根据电机 的不同负载分别实现节能、提高生产效率、提高产品质量、实现自动化、增加设备使用寿命并使设备小型化等多种用途，广泛的应用在了钢铁、轻工、化学、纤维、汽车、机械加工、食 品、造纸、水泥、采矿、煤气、交通、物流装载、建筑业、工业、生活服务、电力系统、石油等领域。 系统基本结构 变频器通常分为 4 部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。 （ 1） 整流单元 ： 将工作频率固定的交流电转换为直流电 ，一般情况下也被称为交 直流变换部分。 此部分一般通过六个二极管组成三项整流桥（也有两项接入型），将交流变换为直流。 如果三项线电压为 UL，则整流后的直流电压 UD为： UD= （ ） （ 2） 高容量电容 ： 存储转换后的电能。 转换后直流电能暂时储存在 这里 ，内部为多电容。 （ 3） 逆变器 ： 是整个变频器最核心的部分， 由大功率开关晶 体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。 这部分虽然可以算是直 交变换部分，但是现在产生的波形依然还不是真正意义上 交流电。 由于逆变器在 导通 和判断的瞬间，其电压和电流的变化率较大，可能使逆变管 受到 损伤。 因此，每个逆变管旁边还会接入不同类型的缓冲 电路 ，目的就是 减缓电压和电流的变化率，但是内部结构我们就不在此详细讨论。 （ 4） 控制器 ： 按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电（电压、频率可调） ，驱动交流电动机。 控制电路 由以下的电路组成：频率、电压运算电路，主电路电压、电流检测电路，电机速度检测电路，将运算电路控制信号放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路。 12 运 算 电 路驱 动 电 路V/I检测速度检测I / O 电 路 保 护 电 路电 源速 度 检 测电 机图 变频器控制电路 变频调速基本原理 当在一台三项异步电机的定子绕组上加上三项交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。 当磁场旋转时，位于该磁场中 的 转子绕组将 切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流， 而感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，及转矩，使转子跟随旋转磁场旋转，当将三相异步电动机绕组的任意两项供电进行交换时，所产生的 旋转 磁场的方向将发生改变。 因此，电动机的 转向 也将发生改变。 异步电动机定子。