龙门铣床的变频调速控制

1、湖 南 工 程 学 院课 程 设 计 课程名称 运动控制系统 课题名称 龙门铣床的变频调速控制 专业班级 自动化0903 姓 名 汪洋 学 号 4 指导教师 赵葵银 唐勇奇等 2012年12月19日湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 运动控制系统 题 目：龙门铣床的变频调速控制 专业班级： 自动化0903 学生姓名： 汪洋 学号： 14 指导老师： 赵葵银、唐勇奇等 审 批： 任务书下达日期 2012年12 月10 日设计完成日期 2010年 12月 21日 设计内容与设计要求一、设计内容：1、电路功能：1）要求用变频器与PLC控制龙门铣床系统，工作台进给和左、右主轴进给机构实现变频调速。

2、2）电路由主电路与控制电路组成，电路主要环节：变频器主电路及相关滤波环节、PLC控制电路。控制电路主要环节：电压电流检测单元、检测与故障保护电路、各类调节器等。3）系统要求检测电路与保护电路设计较完整。2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）各类调节器设计4）控制电路参数确定二、设计要求：1）要求用变频器与PLC控制龙门铣床系统。2）设计思路清晰，给出整体设计框图；3）单元电路设计，给出具体设计思路和电路；4）分析各部分电路的工作原理，编写相应的程序。5）绘制

3、总电路图6）写出设计报告； 主要设计条件1、设计依据主要参数1） 输入电压：三相（AC）380V（1+10%）2） 对工作台进给和左、右主轴进给机构实现变频调速。工作台进给传动电机的最大负载电流26A，调速范围D40。3） 工作台进给传动交流电机参数，额定功率11KW,额定转速1460rpm额定电流22.6A。2. 可提供实验与仿真条件 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验、仿真、编程等。7 总结与体会；8 附录（完整的总电路图）；9 参考文献；10课程设计成绩评分表

4、 进 度 安 排第一周星期一：课题内容介绍和查找资料；星期二：总体电路方案确定星期三：主电路设计星期四：控制电路设计 星期五：控制电路设计；第二周星期一：控制电路设计星期二：电路原理及波形分析或实验、仿真分析等星期四五：写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午：答辩及资料整理 参 考 文 献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统(第3版)M.机械工业出版社，2003.82 王兆安 黄俊.电力电子技术（第4版）.机械工业出版社，2000.53 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统M.机械工业出版社，1998.54 李华德.交流调速控制系统M.电子工业出版社，2003.35 张燕宾.SPWM变频调速技术M.机械工

5、业出版社，1997.126 谭建成.电机专用集成电路M.机械工业出版社，1997.87 刘祖润 胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社，19958 许大中，贺益康.电机控制M.浙江大学出版社，1996.119 张燕宾等.实用变频调速技术培训教程M. 机械工业出版社，2003.710 刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内，1999目录前言7第1章 设计总体思路81.1 设计思路81.2 基本原理81.2.1 电动机调速原理81.2.2 变频器的工作原理9第2章 控制电路112.1 PLC电路设计112.2 变频电路设计122.2.1 机械设备的负载转矩特性132.2.2 变频器的控制方式

6、132.2.3 电路设计16第3章 PLC程序设计18第4章 变频器调试194.1 参数复位204.2 快速调试状态204.3 功能调试22总结23附录23参考文献23评分表24前言龙门铣床是加工较大型工件的机加设备，其电气控制系统包括工作台的主传动和进给机构的逻辑控制两大部分。河南焦作迈科公司有一台龙门铣床，从70年代至今使用了多年。龙门铣床的工作台主传动采用直流可逆调速拖动方式。早期的直流调速控制系统由分立元件构成，使用了若干年以后，故障率明显上升，维修工作量不断增大，故障停工工时急剧上升，已经严重影响生产的正常进行。原来的直流调速系统已经淘汰了，没有可能再对直流调速系统换新处理，进行技术

7、节能改造是必然的选择。本次的课题的内容是对以前的龙门铣床电路进行改进，通过时下流行的PLC与变频器相结合实现铣床的左、右主轴的无极调速。现在选用西门子公司的S7-224PLC作为控制器以及西门子的MCROMASTER 440变频器。通过PLC的输入端子来选择变频器的运行方式，以及左右主轴的切换。变频器采用数字输入控制方式，通过矢量控制方式来实现变频调速。第1章 设计总体思路1.1 设计思路本课题的内容是对以前的龙门铣床电路进行改进，通过时下流行的PLC与变频器相结合实现铣床的左、右主轴的无极调速。现在选用西门子公司的S7-224PLC作为控制器以及西门子的MCROMASTER 440变频器。通

8、过PLC的输入端子来选择变频器的运行方式，以及左右主轴的切换。变频器采用数字输入控制方式，通过矢量控制方式来实现变频调速。整体方案流程图如图1图1 方案设计框图1.2 基本原理1.2.1 电动机调速原理 感应电动机的转子转速：n= （1） 式中 定子供电频率（电源频率） 电动机定子绕组极对数 S 转差率 由(1)可见，要改变电动机的转速：改变磁极对数p,电动机的转速可作有级变速；改变转差率；改变频率f。在数控机床中，交流电动机的调速常采用变频调速的方式。感应电动机每相的感应电动势： （2） 式中 每相绕组有效匝数 每极磁通 定子电压则。在降低频率的同时，降低电压，以保持不变。这种和的配合变化称

9、之为恒磁通变频调速中的协调控制（恒转矩调速控制），如图3。当频率超过异步电动机名牌的额定频率，由于电源电压的限制，已达到变频器的输出电压的最大值再不能随而升高，异步电动机的每极磁通与成反比例下降，其转矩也随着反比例下降。但因转速n提高，异步电动的输出功率P则在此区域内保持不变（P=Tn），称为恒功率调速，如图2 图2 异步电动机运行区域 图 3异步电动机电压、磁通特性.恒转矩.恒功率 1. 曲线 2. 曲线1. T曲线 2.U1曲线 3.P曲线 1.2.2 变频器的工作原理现代通用变频器大都是采用二极管整流器和由全控开关器件IGBT或功率模块IPM组成的PWM逆变器，构成了交-直-交电源型变压

10、变频器。所谓通用，包含着两方面的含义：一是可以和通用的笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。如图4所示是一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。它包括主电路、驱动电路、微机控制电路、保护信号采集与综合电路。通用变频器-异步电动机调速系统的主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器U1和中间直流电路组成，一般都是电压型的，采用大电容C1和C2滤波，同时兼有无功功率交换的作用。为了避免大电容在合上电源开关S1后通电的瞬间产生过大的充电电流，在整流和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻R0(或电抗)，刚通上电源时，由R0限制充电电流，然后延时用开关S

11、2将R0短路，以免长期接入R0时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。由于二极管整流器不能用异步电动机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻(见图中的Rb)吸收制动电能。减速制动时，异步电动机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容充电，当中间直流回路的电压(通称泵升电压)升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件VTb导通，将电动机释放出来的动能消耗在制动电阻Rb上。为了便于散热，制动电阻器作为附件单独装在变频器机箱外边。图 4数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图第2章 控制电路2.1 PLC电路设计控制单元采用西门子公司的PLC，其具有编

12、程方法简单易学；功能强，性能价格比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少等一系列特点。适用于各行各业，各种场合中的检测及控制的自动化。S7-200系列PLC内部集成了32浮点运算，具有高速计数，占空比可调脉冲输出，PID调节，模拟电位器等功能。在设计中考虑到种植回路和输出点数及运行速速，先用S7-200 CPU224型PLC。图 5是224型PLC的I/O分布图如图6是PLC与外部电路的连接图。SB1是作为变频器主电路的开关，用于开短变频器与电网的连接。当SB1闭合变频器通电，反之则断电。SB2和SB3使用于左右主轴的切换的。当SB2闭

13、合，SB3断开时，KM1线圈闭合，使左主轴电机投入使用,右主轴电动机停止。当SB3闭合，SB3断开时，情况刚好相反，为了防止两个电动同时导通，引起短路。在程序上要使两个电机的导通时间相差5S，同时在电气连接上要使KM1和KM2实现电气互锁，把KM1的常闭触点和KM2的常开触点相串联。同理KM2的常闭触点和KM1的常开触点相串联，这样当KM1的线圈通电之后KM1的常闭触点断开，使右主轴的电路断开，常开触点闭合，这时要把SB3的开关断开才能使左主轴电动机运行。SB4是进给电动机的开关，当SB4闭合之后，KM3线圈闭合，KM3的常开触点闭合从而使进给电动机的运行，SB4断开之后，进给电机断开。SB5

14、、SB6、SB7分别用来控制左右主轴电机的正传、反转以及停车。SB5闭合后，PLC的Q0.4输出为1，Q0.4接到变频器的DIN1这时电机正传运行，断开则停止运行；SB6闭合后，PLC的Q0.5输出为1，Q0.5接到变频器的DIN2这时电机正传运行。SB7可以在任何状态使变频器停止工作，用于正常停车。SB8可以在任何状态使变频器停止工作，用于紧急停车。要使电机运行则SB7、SB8在正常的情况应处于断开状态。图 5 S7-200 CPU224型PLCI/O分布图图6 PLC S7-224 电路设计2.2 变频电路设计从变频的正确选择对于机械设备电控系统的正常运行时至关重要的。选择变频器，首先要按

15、照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩的要求，然后决定选用何种控制方式的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和适用场合的前提下，实现变频器的最佳性价比。2.2.1 机械设备的负载转矩特性人们在实际中常将生产机的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载。(1) 恒转矩负载在这类负载中，负载转矩与转速n无关，任何转速下总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而形成增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足

16、够的过载能力。如果需要在低速下长时间稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过高。(2) 恒功率负载这类负载的特点是需求转矩与转速n答题成发表牛逼，但其乘积即功率却近似保持不变，金属切削机床的主轴金额轧机、造纸机、薄膜生产线的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。负载的恒功率性质应该是在一定速度变化范围而言的。当速度很低时，收机械强度的限制，不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒功率调速；如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“

17、匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。2.2.2 变频器的控制方式现在市场上出售的变频器种类繁多，功能也日益强大，变频器的性能也越来越称为调速性能优劣的决定因素，出了变频器本省制造工艺的先天条件外，对变频器采用什么样色控制方式也是非常重要的。表1列出各种变频器的特点。 控制方式比较项目U/f控制矢量控制直接力矩控制开环闭环无速度传感器带速度传感器速度控制范围1:4040。额定功率11KW,额定转速1460rpm额定电流22.6A。西门子变频器MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备

18、超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BiCo（内部功能互联）功能有无可比拟的灵活性。主要特征 200V-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-250kW； 矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制； 高过载能力，内置制动单元； 三组参数切换功能。控制功能： 线性v/f控制，平方v/f控制，可编程多点设定v/f控制，磁通电流控制免测速矢量控制，闭环矢量控制，闭环转矩控制，节能控制模式； 标准参数结构，标准调试软件； 数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；独立I/O端子板，方便维护；

19、 采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；内置PID控制器，参数自整定； 集成RS485通讯接口，PROTIBUS-DP/Device-Net通讯模块； 具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程； 可实现主/从控制及力矩控制方式； 在电源消失或故障时具有自动再起动功能； 灵活的斜坡函数发生器，带有起始段和结束段的平滑特性；快速电流限制（FCL），防止运行中不应有的跳闸； 有直流制动和复合制动方式提高制动性能。 保护功能过载能力为200%额定负载电流，持续时间3秒和150%额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护；变频器、电机过热保护；接地故障保护，短路保护；闭锁电机保护，防止失速保护

20、。2.2.3 电路设计变频器选用的是MM440采用数字量控制，通过数字输入端的DIN1和DIN2分别实现电动机的正、反转。当输入为1时，对应端口使能，电机开始运行。输入为0，电机停止运行。DIN3是用于实现紧急处理的端口。变频器的输出U、V、W接到交流接触器，通过KM1、KM2实现左右主轴的选择。交流接触器KM3是用于进给电动机的。电动机在额定速度一下运行时安装在电动机轴上得风扇的冷却效果却降低。因此，如果在低频下长时间连续运行，大多数电动机必须降低额定功率使用。为了保护电动机在这种情况系不致过热而损坏，电动机应安装PTC温度传感器，并把它的输出信号连接到变频器的相应控制端，同时必须将P060

21、1设定为1.如果电动机的PTC已经接到MM440变频器的控制端14和15，并且设定P0601=1，使能PTC功能，那么，MM440将按常规情况工作，端子上得电阻保持在大约1500图7 MM440变频器管脚分布图图8 MM430 电路设计第3章 PLC程序设计第4章 变频器调试通常一台新的MM440变频器一般需要经过如下三个步骤进行调试：图9 变频器调试步骤4.1 参数复位是将变频器参数恢复到出厂状态下的默认值的操作。一般在变频器出厂和参数出现混乱的时候进行此操作。图10 参数复位步骤4.2 快速调试状态需要用户输入电机相关的参数和一些基本驱动控制参数，使变频器可以良好的驱动电机运转。一般在复位操作后，或者更换电机后需要进行此操作。其操作流程如图11以及具体参数如图12图11 快速调试流程图图12 快速调试具体参数表总结经过这两周的运动控制课程设计，我对这门知识有了更以进一步的了解，巩固了以前学习的运控知识，同时还复习了PLC知识。这次我更进一步的接触了变频器。以前只是听说过，但是这次还是第一次那么深入的了解，加深了对它的认识。我所参与的课题是龙门铣床的变频调速。系统是将PLC和变频器相结合，再通过一系列的交流接触器和开关组成了整个系统，再通过给PLC下载程序以及变频器的参数配置实现了左右主轴电动机的矢量控制