三相异步电机的远程控制完整版毕业设计论文.doc

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)优秀论文审核通过未经允许切勿外传西安邮电大学毕业设计（论文）题目：三相异步电机调速闭环控制系统设计系别：自动化学院专业：自动化专业班级：自动 0703 班学生姓名：1导师姓名：职称：讲师起止时间： 2006 年 01 月 10 日 至 2006 年 06 月 17 日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明： 本人所提交的毕业论文 三相异步电机调速闭环控制系统设计 是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清

2、楚本声明的法律后果， 申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。论文作者签名：时间：年月日指导教师签名：时间：年月日西安邮电学院毕业设计 ( 论文 ) 任务书学生姓名指导教师职称讲师院（系）自动化学院专业自动化题目三相异步电动机调速闭环控制系统设计任务与要求21、了解电动机调速的基本原理。2、熟练掌握组态王6.52 软件。3、会使用组态王 6.52 软件画组态界面。4、绘制电气原理图、装配图、接线图。5、熟练掌握 S7-300 软件，具有一定的编程能力开始日期1月10日完成日期6月17日院长 (签字 )2011年1月10日西安邮电学院毕业设计(论文)工作计划学生姓名 _苗晓强

3、_指导教师 _沈建冬 _职称 _讲师 _院（系） _自动化学院 _专业 _自动化 _题目 _三相异步电动机调速闭环控制系统设计_工作进程1 月 10 日 4 月 5 日了解电动机调速的基本原理4 月 6 日 4 月 20 日熟悉 S7-300 软件编程环境及组态王软件4 月 21 日 5 月 4 日画出组态王监控画面5 月 5 日 5 月 20 日编写并调试电动机调速控制程序35 月 21 日6 月 17 日撰写毕业论文4主要参考书目 (资料 )西安邮电学院毕业设计 ( 论文) 开题报告自动化学院 自动化专业 07级 03班课题名称：三相异步电机调速闭环控制系统设计学生姓名：苗晓强学号指导教师

4、：沈建冬职称讲师报告日期：2010年 03月 30日51本课题所涉及的问题及应用现状综述在电力系统中，以电动机为主电力传动系统广泛应用于工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中，其中很多场合有调速要求，如车辆、天梯、空调、机床及造纸机械等，而风机、水泵等位了节约电能同样也需要调速。电力传动系统的控制性能和节能水平的不断提高时其技术进步的主要内容，变频调速技术及其系统的应用能够使电力系统的控制性能和节能水平有较大的幅度的提高，这一点已经被大家所公认。在实际应用中，电动机作为把电能转化成机械能的主要设备，一是要具备较高的转换效率；二是可以根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的转速。电动机的调

5、速性能对提高产品的质量、提高劳动生产效率和节能有着直接的关系。为了控制电动机的运行，需要为电动机配上控制装置。由电动机、控制装置就构成了电力传动自动控制系统。2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析三相异步电动机工作原理如下分析：当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速 n1 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以 n1 转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定） 。由于转子导体两端被短路环短接， 在感应电动势的作用下， 转子导体中将产生与感应电动

6、势方向基本一致的感生电流。 转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用 （力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差 120 度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。63完成本课题的工作方案第一周：了解题目，寻找相关的资料。第二周至第五周：掌握变频调速原理，设计控制系

7、统。第六周至第七周：熟悉S7-300 软件和组态王软件。第八周至第九周：编写控制程序，画组态画面。第十周：仿真该控制方案，并进行实际操作。第十一周至第十三周：撰写论文。第十四周：提交论文，并进行答辩。4指导教师审阅意见指导教师 (签字 )：年月日说明：本报告必须由承担毕业论文 (设计 )课题任务的学生在毕业论文 (设计 ) 正式开始的第 1 周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电学院毕业设计( 论文) 成绩评定表7苗晓强性别男专业学生姓名学号班级自动 0703 班课题名称 三相异步电动机调速闭环控制系统设计课 题理论研难一类 型究度 般毕业设计（论2011 年1 月10日 6月17

8、 日 指导教师沈建冬 (职称 讲师)文）时间课题任务论文(千字 )；设计、计算说明书(千字 )；图纸(张) ；完成情况其它(含附件)：指导分项得分：开题调研论证 分；课题质量（论文内容） 分；创新分；教论文撰写（规范）分；学习态度分；外文翻译分师指导教师审阅成绩：指导教师(签字)：年月日意见评分项得分：选题分； 开题调研论证分；课题质量（论文内容）分； 创新阅分；教论文撰写（规范）分；外文翻译分师评阅成绩：评阅教师(签字)：年月日意见验收分项得分：准备情况分；毕业设计（论文）质量分；（操作）回答问题分小组验收成绩：验收教师(组长)(签字)：年月日意见8答分项得分：准备情况分；陈述情况分；回答问

9、题分；仪表分辩答辩成绩：答辩小组组长(签字)：年月日小组意见成绩计算方法指导教师成绩()评阅成绩() 验收成绩() 答辩成绩()(填写本系实用)比例(百分制)指导教师成绩评阅成绩验收成绩学生实得成绩答辩成绩总评答毕业论文(设计)总评成绩(等级)：辩系答辩委员会主(任签字)：系(签章)委年月日员会意见备注西安邮电学院毕业论文(设计 )成绩评定表 (续表 )摘 要 . I9AbstractII1 绪论11.1课题研究的意义11.2电动机调速发展现状1.3变频调速国内外现状. 1. 21.3.1国内现状21.3.2国外现状21.4课题研究的主要工作32 电动机的调速原理及方法42.1异进电动机的简介

10、与分类2.2三相异步电动机的工作原理. 4. 42.3异步电动机调速52.3.1调速原理52.3.2电动机调速系统的基本结构2.3.3三相异步电动机的调速方法. 5. 63 电动机的闭环变频调速原理 3.1 电动机变频调速技术. 9. 93.2变频器 .103.2.1变频器的功用及原理 .103.2.2变频器容量的确定 .113.3编码器 .123.3.1光电编码器的介绍及分类 .123.3.2光电编码器的测量方法 .133.4 PID 控制的基本原理 .143.4.1 PID 控制概述 .143.4.2比例（ P）控制 .153.4.3积分（ I ）控制 .163.4.4比例微分（ PD）控

11、制环节 .163.4.5比例积分微分（ PID）控制 .17103.5三相异步电动机的闭环变频调速控制系统原理分析.183.6系统硬件设计 .194 编程软件及程序设计 .204.1 S7-300的简介 .204.1.1系统组成 .204.1.2功能及通讯 .214.2编程软件简介 .224.2.1项目的组建与硬件组态 .224.2.2程序编写 .244.2.3程序流程图 .254.3程序设计 .265 组态设计及系统监控 .295.1组态设计 .295.1.1新建工程 .295.1.2创建组态画面 .305.1.3变量连接 .315.2系统组态监控实现 .345.3结论 .35结束语.37参

12、考文献 .38致 谢 .39摘 要电机广泛应用于工业控制的各个领域，因此如何更经济有效地控制电机对于工业自动化地发展尤为重要， 直流电机的特点是调速简单但制造昂贵且噪音大，而交流电机虽然克服了直流电机的上述缺点但调速较为困难，但随着交流变频技术的发展，通过变频器来改变交流电的频率，从而改变交流电机的调速，本课题就是主要通过PLC 控制变频器实现对电机转速的控制，编码器做信号反馈，即实现闭环控制，这样实时地反馈电机的当前转速送给 PLC 进行运算处理，使得对电机转速的控制更加精确，反应实时性11更高，通过系统的组态仿真我们可以清晰的看到该控制系统的优越性。关键词：三相异步电机，编码器，西门子变频

13、器，S7-300AbstractMotor is widely used in industrial control each domain, therefore development particularly important, dc motor speed the characteristics of simple but manufacturing is expensive and noise, and ac motor although overcame dc motor of the above-mentioned drawback but speed is very diffi

14、cult, but with ac frequency conversion technology development, through the inverter to change the frequency of the alternating current, which changes ac motor speed control, this topic is mainly controlled by PLC inverter to the realization of the motor speed control, encoder, i.e. signal feedback c

15、losed-loop control to achieve such real-time feedback motor for the current speed PLC for computing, which makes the motor speed control is more accurate, reaction, through the system more real-time configuration simulation we can clearly see the superiority of the control system.Keywords: three-pha

16、se asynchronous motor, encoders, Siemens S7-300 transducer.1 绪论1.1 课题研究的意义在电力系统中，以电动机为主电力传动系统广泛应用于工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中，其中很多场合有调速要求，如车辆、天梯、空调、机床及造纸机械等，而风机、 水泵等位了节约电能同样也需要调速。电力传动系统的控制性能和节能水平越来越被人们重视， 变频调速技术恰好能够使电力系统的控制性能和节能水平有较大的幅度的提高， 这一点已经被大家所公认。在实际应用中，电动机作为把电能转化成机械能的主要设备， 一是要具备较高的转换效率； 二是能够根据生产工艺

17、的具体要求控制和调节电动机的转速。 电动机的调速性能对提高产品的质量、 提高劳动生产效率和节能有着直接的关系。 为了更精确和实时地控制电动机的转速及运行， 需要为电动机配上控制装置（如 PLC ）和反馈装置（如编码器） 。由电动机、控制装置和反馈装置就构成了电力传动自动控制系统。现代工业控制系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向发展。本设计也将把现场总线通信与变频控制技术统一起来， 对该电机闭环调速系统进行组态监控， 将推动交流电机群控制技术以及设备远程控制技术的发展。 Profibus 作为一种通用的现场总线， 已经得到很广泛的应用， 很多厂商的工控器、 plc、变频器、智能 IO 与 AD

18、 模块具备 profibus通讯接口。用 Profibus 总线控制电动机的调速， 能更加精确的调节电动机的转速， 从而提高电动机的效率。同时，通过该设计，回顾大学知识，作为进入社会的一次实践，提高我们对知识的应用能力。1.2 电动机调速发展现状电动机调速系统的发展实际上是依赖电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变技术以及交流电动机制造技术的发展。智能控制理论的应用和电力电子器件的技术、计算机控制技术的迅速更新是推动电机调速系统不断进步的动力。电机调速是目前电力电子技术应用的最大领域之一，具有极强的吸引力，同时也具有较强的挑战性。它的市场大，据报道，全球大约有100 亿以上各种电机在工作

19、。 2006年我国空调的产量已达到 5500 万台，仅此一项说明市场已非常庞大；另外，其应用领域及其广泛，例如数控机床、电梯、电力机车、家用电器、汽车、航空航天、船舶、造纸和纺织行业等。直流电机由于其转矩便于控制，因此它作为调速电动机的代表在20世纪的大部分年代广泛应用于工业生产中。 虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟，但由于电动机的单机容量、 最高转速及负载能力等主要技术指标受机械转向制约， 限制了直流调速的发展。随着电力电子技术的发展， 各种新型器件和先进的控制方法在电机调速系统中广泛应用，很多场合直流电机正逐渐被交流电动机所代替，因此有的学者认为，在二十一世纪，直流电机将会在电气传

20、动领域消失， 而异步电动机和其它类型的交流电动机的应用范围将逐步增加。特别是鼠笼型交流异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，体积小（与同容量的直流电动机相比） ，并且坚固耐用，具有的转动惯量小，运行可靠，维护简单等优点，是工业领域中广泛使用的一种电气设备。从前面的叙述我们可以看出， 与直流电机相比， 异步电机具有适应性强、 结构简单、价格低廉、容易实现高速和大容量化等特点， 因此未来电机调速传动领域，将以异步电动机等交流电机为主。 而我们要研究的就是如何使交流电机的转速调速精度高、 输出性能最佳。1.3 变频调速国内外现状1.3.1国内现状我国电机的总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电

21、量达 6000 亿千瓦时，约占工业耗电量的 80% 。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国各类在用电机中， 80% 以上为 0.55-220kW 以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家 50 年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达 500 亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。现在，我国有 200 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。随着改革开放，经济高速发展， 形成了一个巨大的市场， 它既对国内企业， 也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生

22、产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品， 国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口和合资企业的先进设备， 自己开发应用软件， 能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的成绩。但应看到，由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖仍很严重。很多国内生产制造的产品 （如家电）还是与国外的产品有着一定的差距，究其原因还是我们国内的变频核心技术有待提高， 不管是从节约能源的角度出发还是从使中国国内产业超越国外产品出发，研究变频调速这一课题已刻不容缓。1.3.2国外现状（1）市场有大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能

23、源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得了显著的经济效益。（ 2）功率器件发展迅速变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。近年来，高电压、大电流的 SCR、GTO 、IGBT 、IGCT 以及智能模块 IPM (IntelligentPowerModule) 等器件的生产以及并联、 串联技术应用的发展， 使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。（ 3）控制理论和微电子技术的支持在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、 神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础；

24、 16 位、 32 位高速微处理器以及信号处理器 (DSP)和专用集成电路 (ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。1.4 课题研究的主要工作（1）本文主要研究电动机闭环调速控制，根据变频调速原理，设计控制系统，使电动机的调速更精确、简单、快速。（2）研究编码器在电动机调速系统中的应用，设计好的控制系统用s7-3 编程实现控制。（3）对控制方案进行组态监控，确定其可行性和系统运行情况。2 电动机的调速原理及方法2.1 异进电动机的简介与分类异步电机运行时，定子绕组接到交流电源上， 转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转自绕组中产生电动势、电流，从而产生电

25、磁转矩，所以，异步电机又叫感应电机。异步电动机的优点是结构简单、容易制造、运行可靠、价格低、坚固耐用、运行效率较高且适用性强，缺点是功率因数较差。异步电机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。但电网的功率因数可以别的方法进行补偿，所以并不妨碍异步电机的广泛使用。目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类。例如：（ 1）按定子相数分，有单相、两相、三相异步电动机。（ 2）按转子结构分，有绕线式异步电动机和鼠笼式异步电机。其中鼠笼式异步电动机又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机及深槽式异步电动

26、机。（ 3）按有无换向器分，有无换向器异步电动机和换向器异步电动机。2.2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机工作原理如下分析： 当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速 n1 沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以 n1 转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定） 。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下， 转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定） 。电磁力对转子轴产生电磁转矩，

27、驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120 度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路） ，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。2.3 异步电动机调速2.3.1调速原理调速即速度调节或速度控制，是通过改变电动机的参数、结构或外加电气量（如供电电压、电流的大小或频率）来改变电动机的速度，以满足工作机械的要求。调速要靠改变电动机的特性曲线来改变。如图 2-1

28、（ a）中工作机械即负载特性曲线为线 ML, 通过调速装置改变的电动机特性曲线为线 M1、M2、和 M3与线 ML 的交点分别为点 1、2、3，于此相对应的角速度为 1、2 和 3，亦即电动机将有不同的角速度值，实现调速。与此相反，不改变电动机的特性， 而靠改变负载转矩虽也可以使速度变化， 如图 2-1（b）中负载转矩由 ML1 增加到 ML2 、ML3 虽也可以使电动降速，但这不是调速，而属于扰动，一般是不希望的，并且是要实现稳速所要克服的重要问题。（ a）调速时的特性曲线（ b）负载变化时的特性曲线2-1 电动机调速变化曲线2.3.2电动机调速系统的基本结构图 2-2 示出电动机调速系统的

29、主要组成部分。 电动机 M是以一定转矩和转速带动工作机械运动的受控对象， 其主要空置量是定子侧电压 U1、电流 I1 、频率 f1 或磁通 1，或者转子侧电压 U2、电流 I2 、频率 f2 或磁通 2。其输出量为转矩 M或角速度 。变流装置将具有一定电压、 电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、 可调电流或可调频率电源能量的功率装置， 起电能变换和控制作用。 调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动， 通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量， 以提高或校正系统的静态性能。 反馈装置用以检验和变换反馈信号。 在电动机调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等

30、。控制装置时根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。在要求不很高的场合， 没有反馈装置而采用开环控制， 但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。图 2-2电动机调速系统的基本结构图2.3.3三相异步电动机的调速方法三相异步电动机转速公式为：n=60fp(1-s)(2-1)从上式可见，改变供电频率 f 、电动机的极对数 p 及转差率 s 均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看， 不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、 液力偶合器、油膜

31、离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机， 改变定子电压、 频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看， 有高效调速方法与低效调速方法两种： 高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。（1）变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电

32、动机定子极对数达到调速目的，特点如下：a 具有较硬的机械特性，稳定性良好；b 无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；c 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。（2）变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：a 效率高，调速过程中没有附加损耗；b 应用范围广，可用于

33、笼型异步电动机；c 调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。(3) 串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。 大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、 机械串级调速及晶闸管串级调速形式， 多采用晶闸管串级调速，其特点为：a 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；b 装置容量与调速范围成正比， 投资省，适用于调速范围在额定转速 70 90

34、的生产机械上；c 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；d 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。(4) 绕线式电动机转子串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻， 使电动机的转差率加大， 电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。(5) 定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时， 可以得到一组不同的机械特性曲线， 从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。 为了扩大调速范围， 调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机， 或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在 2： 1 以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：a 调压调速线路简单，易实现自动控制；b 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于 100KW以下的生产机械。(6) 电磁调速电动机调速方法电磁调速