1、湖 南 工 程 學 院課 程 設(shè) 計 課程名稱 運動控制系統(tǒng) 課題名稱 龍門銑床的變頻調(diào)速控制 專業(yè)班級 自動化0903 姓 名 汪洋 學 號 4 指導教師 趙葵銀 唐勇奇等 2012年12月19日湖南工程學院課程設(shè)計任務(wù)書 課程名稱： 運動控制系統(tǒng) 題 目：龍門銑床的變頻調(diào)速控制 專業(yè)班級： 自動化0903 學生姓名： 汪洋 學號： 14 指導老師： 趙葵銀、唐勇奇等 審 批： 任務(wù)書下達日期 2012年12 月10 日設(shè)計完成日期 2010年 12月 21日 設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求一、設(shè)計內(nèi)容：1、電路功能：1）要求用變頻器與PLC控制龍門銑床系統(tǒng)，工作臺進給和左、右主軸進給機構(gòu)實現(xiàn)變頻調(diào)速。

2、2）電路由主電路與控制電路組成，電路主要環(huán)節(jié)：變頻器主電路及相關(guān)濾波環(huán)節(jié)、PLC控制電路?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：電壓電流檢測單元、檢測與故障保護電路、各類調(diào)節(jié)器等。3）系統(tǒng)要求檢測電路與保護電路設(shè)計較完整。2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設(shè)計與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計算及選型3）主電路保護環(huán)節(jié)設(shè)計4. 控制電路設(shè)計與分析1）檢測電路設(shè)計2）功能單元電路設(shè)計3）各類調(diào)節(jié)器設(shè)計4）控制電路參數(shù)確定二、設(shè)計要求：1）要求用變頻器與PLC控制龍門銑床系統(tǒng)。2）設(shè)計思路清晰，給出整體設(shè)計框圖；3）單元電路設(shè)計，給出具體設(shè)計思路和電路；4）分析各部分電路的工作原理，編寫相應(yīng)的程序。5）繪制

3、總電路圖6）寫出設(shè)計報告； 主要設(shè)計條件1、設(shè)計依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入電壓：三相（AC）380V（1+10%）2） 對工作臺進給和左、右主軸進給機構(gòu)實現(xiàn)變頻調(diào)速。工作臺進給傳動電機的最大負載電流26A，調(diào)速范圍D40。3） 工作臺進給傳動交流電機參數(shù)，額定功率11KW,額定轉(zhuǎn)速1460rpm額定電流22.6A。2. 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設(shè)計封面；2 任務(wù)書；3 說明書目錄；4 設(shè)計總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單元電路設(shè)計（各單元電路圖）；6 故障分析與電路改進、實驗、仿真、編程等。7 總結(jié)與體會；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻；10課程設(shè)計成績評分表

4、 進 度 安 排第一周星期一：課題內(nèi)容介紹和查找資料；星期二：總體電路方案確定星期三：主電路設(shè)計星期四：控制電路設(shè)計 星期五：控制電路設(shè)計；第二周星期一：控制電路設(shè)計星期二：電路原理及波形分析或?qū)嶒?、仿真分析等星期四五：寫設(shè)計報告，打印相關(guān)圖紙； 星期五下午：答辯及資料整理 參 考 文 獻1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)(第3版)M.機械工業(yè)出版社，2003.82 王兆安 黃俊.電力電子技術(shù)（第4版）.機械工業(yè)出版社，2000.53 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)M.機械工業(yè)出版社，1998.54 李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)M.電子工業(yè)出版社，2003.35 張燕賓.SPWM變頻調(diào)速技術(shù)M.機械工

5、業(yè)出版社，1997.126 譚建成.電機專用集成電路M.機械工業(yè)出版社，1997.87 劉祖潤 胡俊達.畢業(yè)設(shè)計指導.機械工業(yè)出版社，19958 許大中，賀益康.電機控制M.浙江大學出版社，1996.119 張燕賓等.實用變頻調(diào)速技術(shù)培訓教程M. 機械工業(yè)出版社，2003.710 劉星平電力電子技術(shù)及電力拖動自動控制系統(tǒng).校內(nèi)，1999目錄前言7第1章 設(shè)計總體思路81.1 設(shè)計思路81.2 基本原理81.2.1 電動機調(diào)速原理81.2.2 變頻器的工作原理9第2章 控制電路112.1 PLC電路設(shè)計112.2 變頻電路設(shè)計122.2.1 機械設(shè)備的負載轉(zhuǎn)矩特性132.2.2 變頻器的控制方式

6、132.2.3 電路設(shè)計16第3章 PLC程序設(shè)計18第4章 變頻器調(diào)試194.1 參數(shù)復位204.2 快速調(diào)試狀態(tài)204.3 功能調(diào)試22總結(jié)23附錄23參考文獻23評分表24前言龍門銑床是加工較大型工件的機加設(shè)備，其電氣控制系統(tǒng)包括工作臺的主傳動和進給機構(gòu)的邏輯控制兩大部分。河南焦作邁科公司有一臺龍門銑床，從70年代至今使用了多年。龍門銑床的工作臺主傳動采用直流可逆調(diào)速拖動方式。早期的直流調(diào)速控制系統(tǒng)由分立元件構(gòu)成，使用了若干年以后，故障率明顯上升，維修工作量不斷增大，故障停工工時急劇上升，已經(jīng)嚴重影響生產(chǎn)的正常進行。原來的直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)淘汰了，沒有可能再對直流調(diào)速系統(tǒng)換新處理，進行技術(shù)

7、節(jié)能改造是必然的選擇。本次的課題的內(nèi)容是對以前的龍門銑床電路進行改進，通過時下流行的PLC與變頻器相結(jié)合實現(xiàn)銑床的左、右主軸的無極調(diào)速?，F(xiàn)在選用西門子公司的S7-224PLC作為控制器以及西門子的MCROMASTER 440變頻器。通過PLC的輸入端子來選擇變頻器的運行方式，以及左右主軸的切換。變頻器采用數(shù)字輸入控制方式，通過矢量控制方式來實現(xiàn)變頻調(diào)速。第1章 設(shè)計總體思路1.1 設(shè)計思路本課題的內(nèi)容是對以前的龍門銑床電路進行改進，通過時下流行的PLC與變頻器相結(jié)合實現(xiàn)銑床的左、右主軸的無極調(diào)速?，F(xiàn)在選用西門子公司的S7-224PLC作為控制器以及西門子的MCROMASTER 440變頻器。通

8、過PLC的輸入端子來選擇變頻器的運行方式，以及左右主軸的切換。變頻器采用數(shù)字輸入控制方式，通過矢量控制方式來實現(xiàn)變頻調(diào)速。整體方案流程圖如圖1圖1 方案設(shè)計框圖1.2 基本原理1.2.1 電動機調(diào)速原理 感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：n= （1） 式中 定子供電頻率（電源頻率） 電動機定子繞組極對數(shù) S 轉(zhuǎn)差率 由(1)可見，要改變電動機的轉(zhuǎn)速：改變磁極對數(shù)p,電動機的轉(zhuǎn)速可作有級變速；改變轉(zhuǎn)差率；改變頻率f。在數(shù)控機床中，交流電動機的調(diào)速常采用變頻調(diào)速的方式。感應(yīng)電動機每相的感應(yīng)電動勢： （2） 式中 每相繞組有效匝數(shù) 每極磁通 定子電壓則。在降低頻率的同時，降低電壓，以保持不變。這種和的配合變化稱

9、之為恒磁通變頻調(diào)速中的協(xié)調(diào)控制（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制），如圖3。當頻率超過異步電動機名牌的額定頻率，由于電源電壓的限制，已達到變頻器的輸出電壓的最大值再不能隨而升高，異步電動機的每極磁通與成反比例下降，其轉(zhuǎn)矩也隨著反比例下降。但因轉(zhuǎn)速n提高，異步電動的輸出功率P則在此區(qū)域內(nèi)保持不變（P=Tn），稱為恒功率調(diào)速，如圖2 圖2 異步電動機運行區(qū)域 圖 3異步電動機電壓、磁通特性.恒轉(zhuǎn)矩.恒功率 1. 曲線 2. 曲線1. T曲線 2.U1曲線 3.P曲線 1.2.2 變頻器的工作原理現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流器和由全控開關(guān)器件IGBT或功率模塊IPM組成的PWM逆變器，構(gòu)成了交-直-交電源型變壓

10、變頻器。所謂通用，包含著兩方面的含義：一是可以和通用的籠型異步電動機配套使用；二是具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負載。如圖4所示是一種典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖。它包括主電路、驅(qū)動電路、微機控制電路、保護信號采集與綜合電路。通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器U1和中間直流電路組成，一般都是電壓型的，采用大電容C1和C2濾波，同時兼有無功功率交換的作用。為了避免大電容在合上電源開關(guān)S1后通電的瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻R0(或電抗)，剛通上電源時，由R0限制充電電流，然后延時用開關(guān)S

11、2將R0短路，以免長期接入R0時影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。由于二極管整流器不能用異步電動機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻(見圖中的Rb)吸收制動電能。減速制動時，異步電動機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容充電，當中間直流回路的電壓(通稱泵升電壓)升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關(guān)器件VTb導通，將電動機釋放出來的動能消耗在制動電阻Rb上。為了便于散熱，制動電阻器作為附件單獨裝在變頻器機箱外邊。圖 4數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖第2章 控制電路2.1 PLC電路設(shè)計控制單元采用西門子公司的PLC，其具有編

12、程方法簡單易學；功能強，性能價格比高；硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強；可靠性高，抗干擾能力強；系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少等一系列特點。適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測及控制的自動化。S7-200系列PLC內(nèi)部集成了32浮點運算，具有高速計數(shù)，占空比可調(diào)脈沖輸出，PID調(diào)節(jié)，模擬電位器等功能。在設(shè)計中考慮到種植回路和輸出點數(shù)及運行速速，先用S7-200 CPU224型PLC。圖 5是224型PLC的I/O分布圖如圖6是PLC與外部電路的連接圖。SB1是作為變頻器主電路的開關(guān)，用于開短變頻器與電網(wǎng)的連接。當SB1閉合變頻器通電，反之則斷電。SB2和SB3使用于左右主軸的切換的。當SB2閉

13、合，SB3斷開時，KM1線圈閉合，使左主軸電機投入使用,右主軸電動機停止。當SB3閉合，SB3斷開時，情況剛好相反，為了防止兩個電動同時導通，引起短路。在程序上要使兩個電機的導通時間相差5S，同時在電氣連接上要使KM1和KM2實現(xiàn)電氣互鎖，把KM1的常閉觸點和KM2的常開觸點相串聯(lián)。同理KM2的常閉觸點和KM1的常開觸點相串聯(lián)，這樣當KM1的線圈通電之后KM1的常閉觸點斷開，使右主軸的電路斷開，常開觸點閉合，這時要把SB3的開關(guān)斷開才能使左主軸電動機運行。SB4是進給電動機的開關(guān)，當SB4閉合之后，KM3線圈閉合，KM3的常開觸點閉合從而使進給電動機的運行，SB4斷開之后，進給電機斷開。SB5

14、、SB6、SB7分別用來控制左右主軸電機的正傳、反轉(zhuǎn)以及停車。SB5閉合后，PLC的Q0.4輸出為1，Q0.4接到變頻器的DIN1這時電機正傳運行，斷開則停止運行；SB6閉合后，PLC的Q0.5輸出為1，Q0.5接到變頻器的DIN2這時電機正傳運行。SB7可以在任何狀態(tài)使變頻器停止工作，用于正常停車。SB8可以在任何狀態(tài)使變頻器停止工作，用于緊急停車。要使電機運行則SB7、SB8在正常的情況應(yīng)處于斷開狀態(tài)。圖 5 S7-200 CPU224型PLCI/O分布圖圖6 PLC S7-224 電路設(shè)計2.2 變頻電路設(shè)計從變頻的正確選擇對于機械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運行時至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按

15、照機械設(shè)備的類型、負載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、啟動轉(zhuǎn)矩的要求，然后決定選用何種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機械設(shè)備的實際工藝生產(chǎn)要求和適用場合的前提下，實現(xiàn)變頻器的最佳性價比。2.2.1 機械設(shè)備的負載轉(zhuǎn)矩特性人們在實際中常將生產(chǎn)機的不同，分為三大類型：恒轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載。(1) 恒轉(zhuǎn)矩負載在這類負載中，負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的增高而形成增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設(shè)備的進給機構(gòu)等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載，都屬于恒轉(zhuǎn)矩負載。變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載時，低速時的輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且要有足

16、夠的過載能力。如果需要在低速下長時間穩(wěn)速運行，應(yīng)該考慮標準籠型異步電動機的散熱能力，避免電動機溫升過高。(2) 恒功率負載這類負載的特點是需求轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速n答題成發(fā)表牛逼，但其乘積即功率卻近似保持不變，金屬切削機床的主軸金額軋機、造紙機、薄膜生產(chǎn)線的卷取機、開卷機等，都屬于恒功率負載。負載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是在一定速度變化范圍而言的。當速度很低時，收機械強度的限制，不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒功率調(diào)速；如果電動機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時，即所謂“

17、匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。2.2.2 變頻器的控制方式現(xiàn)在市場上出售的變頻器種類繁多，功能也日益強大，變頻器的性能也越來越稱為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，出了變頻器本省制造工藝的先天條件外，對變頻器采用什么樣色控制方式也是非常重要的。表1列出各種變頻器的特點。 控制方式比較項目U/f控制矢量控制直接力矩控制開環(huán)閉環(huán)無速度傳感器帶速度傳感器速度控制范圍1:4040。額定功率11KW,額定轉(zhuǎn)速1460rpm額定電流22.6A。西門子變頻器MicroMaster440是全新一代可以廣泛應(yīng)用的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具備

18、超強的過載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場合。創(chuàng)新的BiCo（內(nèi)部功能互聯(lián)）功能有無可比擬的靈活性。主要特征 200V-240V 10%，單相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-250kW； 矢量控制方式，可構(gòu)成閉環(huán)矢量控制，閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制； 高過載能力，內(nèi)置制動單元； 三組參數(shù)切換功能?？刂乒δ埽?線性v/f控制，平方v/f控制，可編程多點設(shè)定v/f控制，磁通電流控制免測速矢量控制，閉環(huán)矢量控制，閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，節(jié)能控制模式； 標準參數(shù)結(jié)構(gòu)，標準調(diào)試軟件； 數(shù)字量輸入6個，模擬量輸入2個，模擬量輸出2個，繼電器輸出3個；獨立I/O端子板，方便維護；

19、 采用BiCo技術(shù)，實現(xiàn)I/O端口自由連接；內(nèi)置PID控制器，參數(shù)自整定； 集成RS485通訊接口，PROTIBUS-DP/Device-Net通訊模塊； 具有15個固定頻率，4個跳轉(zhuǎn)頻率，可編程； 可實現(xiàn)主/從控制及力矩控制方式； 在電源消失或故障時具有自動再起動功能； 靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，帶有起始段和結(jié)束段的平滑特性；快速電流限制（FCL），防止運行中不應(yīng)有的跳閘； 有直流制動和復合制動方式提高制動性能。 保護功能過載能力為200%額定負載電流，持續(xù)時間3秒和150%額定負載電流，持續(xù)時間60秒；過電壓、欠電壓保護；變頻器、電機過熱保護；接地故障保護，短路保護；閉鎖電機保護，防止失速保護

20、。2.2.3 電路設(shè)計變頻器選用的是MM440采用數(shù)字量控制，通過數(shù)字輸入端的DIN1和DIN2分別實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。當輸入為1時，對應(yīng)端口使能，電機開始運行。輸入為0，電機停止運行。DIN3是用于實現(xiàn)緊急處理的端口。變頻器的輸出U、V、W接到交流接觸器，通過KM1、KM2實現(xiàn)左右主軸的選擇。交流接觸器KM3是用于進給電動機的。電動機在額定速度一下運行時安裝在電動機軸上得風扇的冷卻效果卻降低。因此，如果在低頻下長時間連續(xù)運行，大多數(shù)電動機必須降低額定功率使用。為了保護電動機在這種情況系不致過熱而損壞，電動機應(yīng)安裝PTC溫度傳感器，并把它的輸出信號連接到變頻器的相應(yīng)控制端，同時必須將P060

21、1設(shè)定為1.如果電動機的PTC已經(jīng)接到MM440變頻器的控制端14和15，并且設(shè)定P0601=1，使能PTC功能，那么，MM440將按常規(guī)情況工作，端子上得電阻保持在大約1500圖7 MM440變頻器管腳分布圖圖8 MM430 電路設(shè)計第3章 PLC程序設(shè)計第4章 變頻器調(diào)試通常一臺新的MM440變頻器一般需要經(jīng)過如下三個步驟進行調(diào)試：圖9 變頻器調(diào)試步驟4.1 參數(shù)復位是將變頻器參數(shù)恢復到出廠狀態(tài)下的默認值的操作。一般在變頻器出廠和參數(shù)出現(xiàn)混亂的時候進行此操作。圖10 參數(shù)復位步驟4.2 快速調(diào)試狀態(tài)需要用戶輸入電機相關(guān)的參數(shù)和一些基本驅(qū)動控制參數(shù)，使變頻器可以良好的驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。一般在復位操作后，或者更換電機后需要進行此操作。其操作流程如圖11以及具體參數(shù)如圖12圖11 快速調(diào)試流程圖圖12 快速調(diào)試具體參數(shù)表總結(jié)經(jīng)過這兩周的運動控制課程設(shè)計，我對這門知識有了更以進一步的了解，鞏固了以前學習的運控知識，同時還復習了PLC知識。這次我更進一步的接觸了變頻器。以前只是聽說過，但是這次還是第一次那么深入的了解，加深了對它的認識。我所參與的課題是龍門銑床的變頻調(diào)速。系統(tǒng)是將PLC和變頻器相結(jié)合，再通過一系列的交流接觸器和開關(guān)組成了整個系統(tǒng)，再通過給PLC下載程序以及變頻器的參數(shù)配置實現(xiàn)了左右主軸電動機的矢量控制