基于S7-200交流电机闭环调速及远程监控系统的设计
摘 要:
随着工业技术的快速发展，电气设备远距离监控也越来越具有广泛的应用和发展前景。对于电动机，作为自动控制装置中不可缺少的动力执行部分，必须时时刻刻知道其是否正常工作，是否正常运行,以避免产生不必要的损失。由于工业现场的恶劣条件，为了提高工作效率，使得电机性能的远程精确测量显得更为重要。本文根据电动机的运行特点，采集电动机的电压、电流、转速和温度四个基本参数数据，用以观察电动机是否在正常工作状态中，如果出现工作异常，可以及时发现，并及时停机提示处理。该系统先将采集的实时参数显示在现场液晶上，并将数据通过PID传送到互联网上，即传入计算机中进行处理和操作以便观察和保存。实现了用户不在现场也能知道现场情况。在设计方面，S7-200编程是采用C语言设计，其中S7-200之间的通信采用Modbus协议与RS-485接口，使得子S7-200与主S7-200直接的通信变得更加稳定可靠。PC机中上位机是在LabWindows/CVI开发平台中用C语言设计，其中包括每个电机是否正常运行的显示、单个电机参数的图形显示、增添删减电气设备、历史数据保存和数据的保存。软件的界面友好，显示直观，操作简单。利用晶闸管驱动电路、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环交流晶闸管调速系统。基于对转速电流双闭环交流调速系统的组成，以及动态静态性能的分析，设计出系统的各个环节，并对个部分元件进行分析取舍，并计算出相应的性能参数，该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。分析双闭环交流调速系统的特性。
关键词: S7-200，闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器
1.前言
交流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。交流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。针对交流电机调速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。例如已经用于实际生产的交流电机无极电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PID微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；交流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。
交流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。
三十多年来，交流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的交流发电机电动机组及水银整流装置使交流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使交流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。交流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。交流调速是指人为地或自动地改变交流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。交流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而交流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以交流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
2. 双闭环交流调速系统设计
交流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环交流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。
2.1设计参数
电流双闭环控制的H形双极式PID交流调速系统，电动机参数为：Pnom=0.2kW,Unom=48V,Inom=4A,nnom=500r/min 。电枢回路总电阻R=8 ,允许过载倍数 =2，电势系数Ce=0.04V min/r，电气时间常数Tl=0.0087s，机电时间常数Tm=0.49s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.00002s，转速滤波时间常数Ton=0.001s。设调节器输入输出电压U*nm=U*im=Ucm=10V。已计算出电力晶体管D202的开关频率f=1kHz,PID环节的放大倍数Ks=4.8。 .设计指标：稳态无静差，电流超调量 5%，空载启动到额定转速时的转速超调量 20%，过渡过程时间ts= 0.5s。PID主电路：驱动频率f≥10kHz
1.前言 29
2双闭环调速系统 30
2.1设计参数 31
2.2转速、电流双闭环交流调速系统的组成及工作原理 31
2.2.1双闭环调速系统的组成 31
2.2.2双闭环交流调速系统的工作原理和自动调节过程 35
2.3稳态结构框图和静特性 39
2.4转速、电流双闭环交流调速系统的动态模型 40
2.5转速和电流两个调节器的作用 42
3. 系统设计 42
3.1 电流调节器的设计 42
3.1.1 确定时间常数 43
3.1.2 选择电流调节器的结构 43
3.1.3 计算电流调节器的参数 43
3.1.4. 校验近似条件 44
3.1.5仿真环节 44
3.2 转速调节器的设计 48
3.2.1 确定时间 48
3.2.2 选择转速调节器结构 48
3.2.3 计算转速调节器参数 49
3.2.4 仿真环节 49
3.3PID的工作原理以及类型以及电路设计 50
3.3.1H桥双极式逆变器 53
3.3.2 PID调速系统的静特性 55
3.4驱动电路的设计 56
3.5保护电路设计 58
3.5.1过电压保护设计 58
3.5.2过电流保护设计 59
4、用Matlab对系统进行仿真 62
第5章 上位机程序设计及实验效果 24
5.1 LabWindows/CVI简介 65
5.2 Windows窗体设计及操作说明 66
5.3 上位机程序设计 68
5.4 实验效果显示图 69
结论 32
参考文献 33
附录1 主控制器参考程序代码 34
附录2 测量模块程序代码 46
附录3 上位机程序代码 53
致谢 67
6参考文献 73
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