基于PLC的小型音樂噴泉設(shè)計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計論文】

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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 小型音樂噴泉設(shè)計 學(xué) 院 機電工程學(xué)院 專業(yè)班級 09 級機械 2 班 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 提交日期 2013 年 5 月 19 日 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有 關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華南理工大學(xué)廣州學(xué)院可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密 □，在 年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密 □。 （請在以上方框內(nèi)打“ √ ”） 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 華 南 理 工 大 學(xué) 廣 州 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （論文） 任 務(wù) 書 茲發(fā)給 機械工程及自動化 專業(yè) 2 班學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書，內(nèi)容如下： 文）題目： 小型音樂噴泉 論文提綱 )： （ 1）調(diào)研、搜集整理課題相關(guān)資料，完成外文資料的翻譯，明確系統(tǒng)要完成的控制任務(wù) （ 2）建立確定噴泉的整體設(shè)計方案 （ 3）硬件設(shè)計，包括具體器件選擇 （ 4）軟件設(shè)計，完成系統(tǒng)主程序和重要子程序，并對相關(guān)主要功能編程 （ 5） 編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，要求書寫規(guī)范 （ 1）鐘肇新 范建東 馮太合，《可編程序控制器原理及應(yīng)用》華南理工大學(xué)出版 （ 2）袁任光，《可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)與實例》，華南理工大學(xué)出版社 （ 3）廖常初，《 列 程及應(yīng)用》，機械工業(yè)出版社 文）任務(wù)書于 年 月 日發(fā)出，應(yīng)于 年 月 日前完成，然后提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會進(jìn)行答辯。 專業(yè)教研組（系）負(fù)責(zé)人 審核 年 月 日 指導(dǎo)教師（導(dǎo)師組負(fù)責(zé)人） 簽發(fā) 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語： 畢業(yè)設(shè)計（論文）總評成績： 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯小組負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日 I 摘 要 本次設(shè)計的目的是制作一個以小型 控制核心，變頻器控制水柱高度，以音頻采集為基礎(chǔ)的小型音樂噴泉控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)控制核心選用 司的泵的控制選用 20 變頻器。 有很強的自診斷功能，迅速方便的檢查出故障，縮短檢修時間，因而，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。但成本較高。 本文主要介紹音樂噴泉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，著重介紹可編程控制器的程序設(shè)計和 變頻器的 參數(shù)設(shè)置。本文主要 分為 五 個 部分，第一部分 對 原理進(jìn)行了簡單介紹；第二部分主要介紹變頻器原理 和對控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體介紹 ；第 三 部分主要介紹了 系統(tǒng)硬件 設(shè)計 ， 變頻器的參數(shù)設(shè)計，包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置方法、參數(shù)設(shè)置以及參數(shù)設(shè)計說明；第 四 部分主要介紹了 系統(tǒng)軟件設(shè)計包括 控制系統(tǒng)控制流程以及控制核心 編程； 第五部分 介紹了系統(tǒng)調(diào)試的相關(guān)情況 的內(nèi)容 。 關(guān)鍵詞 ： 音樂噴泉，軟件設(shè)計 ,控制系統(tǒng)， 可編程控制器， 變頻器 he of is to a LC as to of on of s 20 LC to of is in of of of is as as LC of of 錄 摘 要 ...................................................................................................................................................... I ................................................................................................................................................ 錄 ......................................................................................................................................................... 言 ........................................................................................................................................................ 1 第一章 緒論 ........................................................................................................................................ 3 概述 ..................................................... 3 基本結(jié)構(gòu) ................................................. 4 本章小結(jié) ...................................................... 4 第二章 系統(tǒng)總體介紹 ..................................................................................................................... 5 音樂噴泉組成 .................................................. 5 控制系統(tǒng)的簡要工作過程 ........................................ 5 本章小結(jié) ...................................................... 6 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ..................................................................................................................... 7 變頻器的工作原理以及控制方式 .................................. 7 變頻器的工作原理 ......................................... 7 變頻器的控制方式與性能 ................................... 8 變頻器控制參數(shù)設(shè)計 ............................................ 9 頻器的電路結(jié)構(gòu) ................................... 9 頻器操作面板 .................................... 11 變頻器參數(shù)設(shè)置方法 ...................................... 12 變頻器控制說明 .......................................... 14 工作原理及工作過程 ...................................... 18 計 ...................................................... 20 本章小結(jié) ..................................................... 22 第四章 制系統(tǒng)軟件設(shè)計 .................................................................................................. 23 制流程 .................................................. 23 主要控制程序 ................................................. 25 本章小結(jié) ..................................................... 27 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 ............................................................................................................................. 28 調(diào)試 .................................................... 28 系統(tǒng)整體調(diào)試 .................................................. 28 本章小結(jié) ...................................................... 30 結(jié)束語 ................................................................ 31 參考文獻(xiàn)： ............................................................ 32 附錄 .................................................................. 33 致謝 .................................................................. 39 前言 1 前 言 所謂音樂噴泉，就是利用音樂的主要音素 (頻率、振幅、音色和節(jié)拍 )控制噴水的花型組合變化、水柱高低、遠(yuǎn)近變化和燈光色彩組合、明暗變化的噴泉。音樂噴泉是把現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于人工噴泉，是在程序控制噴泉的基礎(chǔ)上加入了音樂控制系統(tǒng)，通過音樂控制噴泉的水形及燈光的變化，從而達(dá)到噴泉水型、燈光及色彩的變化與音樂情緒的完美結(jié)合，使噴泉表演生動 且富有內(nèi)涵。 目前音樂噴泉最常采用的控制方式為實時控制，即對音樂的主要音素進(jìn)行全員實時跟蹤采集、分解處理并轉(zhuǎn)換成模擬量或數(shù)字量訊號，用以控制水泵的運行組合和轉(zhuǎn)速變化，或用以控制液壓伺服閥或電動調(diào)節(jié)閥的運行組合和開啟度，同時相應(yīng)控制燈光的組合變化。這種控制方式不必對音樂預(yù)先進(jìn)行編輯處理，所以對任何新版音樂文件甚至現(xiàn)場即興演奏都可響應(yīng)。 隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，可編程控制器和變頻調(diào)速器技術(shù)正大步走進(jìn)噴泉控制領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。利用小型 合變頻器的音樂噴泉控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)噴泉彩燈、水泵的多點控 制，簡單的接線和編程即可完成水形燈光完美的伴隨音樂節(jié)奏和情感，適合追求時尚的家居生活和娛樂場所等場合。 以 變頻器為控制核心的音樂噴泉控制系統(tǒng)，將來自媒體設(shè)備的音頻信號通過音頻采集系統(tǒng)的識別，進(jìn)行譯碼和編碼后轉(zhuǎn)換成控制信號，最終將信號輸出到控制系統(tǒng)，使得所設(shè)計的音樂噴泉水形的變化能夠伴隨音樂，燈光的閃爍跟隨音樂的節(jié)奏，實現(xiàn)了水形跟隨音樂的旋律變化，燈光跟隨預(yù)定程序變化，形成了聲、光、水、色交融的美景，燈光、音響、水景統(tǒng)一的立體效果。 基于 小型 音樂噴泉控制系統(tǒng)在實際生活中應(yīng)用前景廣闊，值得推廣使 用。在設(shè)計過程中我們選用 可編程控制器來實現(xiàn) 對音噴泉 的控制。作為工業(yè)自動化的重要支柱之一的可編程控制器（ 其高可靠性和操作簡便等特點引到了當(dāng)今工業(yè)控制的潮流。 一種新型的通用自動控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器 —— 接觸器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，專門為工業(yè)控制而設(shè)計，特別是目前在現(xiàn)場總線和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)方面的發(fā)展為自動化領(lǐng)域開辟了嶄新的空間。 一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 2 可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。 可編程控制器之所以越來越受到控制界人士的重視，是由于它具有 以下 特點：（ 1） 可靠性高，抗干擾能力強 。 （ 2） 配套齊全，功能完善，適用性強 。 （ 3） 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 。 （ 4） 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 。 （ 5） 體積小，重量輕，能耗低 。 由于音樂噴泉系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，如果采用常規(guī)繼電器控制，音樂噴泉 控制的可靠性較 差，并且接線復(fù)雜。采用 制后，由于 采用程序控制，是軟接線，因此可靠性大大提高了。 音樂噴泉的核心控制是由可編程控制器實現(xiàn)的，可編程控制器是整個系統(tǒng)的“大腦”，由程序?qū)崿F(xiàn)用音樂頻率轉(zhuǎn)換的開關(guān)量去控制噴泉水柱和彩燈閃爍的變化。可編程控制器簡化了控制線路，提高了工作的速度和可靠性以及系統(tǒng)操作的靈活性，也提升了噴泉工程的智能化性能。 第一章 緒論 3 第 一 章 緒論 在繼電器控制技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的一項先進(jìn)的技術(shù)。 誕生至今雖然只有短短 的 30 多 年的歷史 ,但是得到了異常迅猛的發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中 術(shù)、 術(shù)和機器人技術(shù)并稱為當(dāng)代工業(yè)自動化的三大支柱。 要以微處理器為核心， 使 用編寫的程序進(jìn)行邏輯控制、定時、 算術(shù)和計算 運算等， 而且 通過數(shù)字量和模擬量的輸入 /輸出（ I/O）來控制各種生產(chǎn)過程?，F(xiàn)在應(yīng)用 最廣泛 在機電控制、電氣控制、 網(wǎng)絡(luò)通信、 數(shù)據(jù)采集、運輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域。 概述 1987 年國際電工委員會（ 布的可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案中對 了如下的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是專 為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴展其功能的原則設(shè)計”。 隨著 速發(fā)展，功能越來越強大，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，形成了能夠滿足各種需要的 用系統(tǒng)， 發(fā)展逐漸體現(xiàn)出來以下趨勢： 1. 向小型化、微型化和、多功能化兩個方向發(fā)展； 2. 過程控制功能不斷增強； 3. 大力開發(fā)智能 I/O 模塊； 4. 與個人計算機日益緊密結(jié)合； 5. 編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化； 6. 通訊與聯(lián)網(wǎng)能力不斷增強 [1]。 術(shù)的高速發(fā)展，除了得益于工業(yè)自動化的客觀需求外，主要還是它具有許多自身 的優(yōu)點?？删幊炭刂破鞅举|(zhì)上是具有 比較 特殊體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)控制計算機，與一般的計算機相比具有更強的與工業(yè)過程相連的接口，同時具有更適用于控制要求的程序設(shè)計語言。 因此 可以說，可編程控制器是將計算機技術(shù)和電器控制技術(shù)有機地結(jié)合在一起。其特點主要表現(xiàn) 有 以下幾個方面。 1. 可靠性高，抗干擾性強 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 2. 編程簡單、使用方便 3. 易于安裝、調(diào)試、維修 4. 功能完善，通用性強 5. 體積小，能耗低 [2] 目前， 種類很多，規(guī)格性能不一，通常可根據(jù)它的結(jié)構(gòu)形式、容量或功能進(jìn)行分類。按照結(jié)構(gòu)形式分類， 分為整體式 塊式 裝式 照容量分類， 分為小型 I/O 點數(shù)一般在 256 以下）、中型 I/O 點數(shù)一般在 256~1024 點之間）、大型 I/O 點數(shù)在 1024 以上）；按功能分類， 分為低檔機、中檔機、高檔機。 由于 身的特點和優(yōu)勢，在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。 主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面，開關(guān)邏輯和順序控制；模擬控制；定時控制；數(shù)據(jù)處理；信號連鎖系統(tǒng)；通信 [3]。 基本結(jié)構(gòu) 以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，其硬件組成與微型計算機相似。一般的， 儲器、輸入模塊、輸出模塊和通信接口等部分組成。 本章小結(jié) 通過查找 關(guān)資料，整理 基本概述和結(jié)構(gòu)，大致了解音樂噴泉的整體規(guī)劃中需要用到的 識，并根據(jù)實際確定所使用的 統(tǒng)和相 關(guān)軟件， 根據(jù)其功能搜集相關(guān)模塊的資料。 第二章 系統(tǒng)總體介紹 5 第 二 章 系統(tǒng)總體介紹 音樂噴泉的控制主要由 變頻器完成，通過音樂的頻率信號控制 過改變水泵電機的控制頻率可以實現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而通過水泵的轉(zhuǎn)速變化來控制音樂噴泉的水柱高度變化，實現(xiàn)音樂變化對噴泉的控制。變頻器接受來自經(jīng) 理的音樂控制信號，輸出頻率不同的交流電，從而水泵的噴水狀態(tài)不斷變化，實現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的形態(tài)。同時通過 制彩燈，實現(xiàn)彩燈組與音樂節(jié)奏的同步變換。 音樂噴泉組成 此小型音樂噴泉噴頭分三組。外圈九個噴 頭，中圈六個噴頭，噴水口直徑 心主噴頭用集流直上噴頭，它比一般直流噴頭噴水流量大，當(dāng)水泵大功率運行時，有壯觀的噴水直徑和高度。本設(shè)計采用兩組單相潛水泵，外兩圈噴頭由一個 12W 的潛水泵提供壓力，主噴頭由一個 55W 的潛水泵提供水壓。兩組彩燈分兩圈，分別安裝在外圈和中圈噴頭下，工作是成交替閃爍。這樣音樂噴泉工作時噴水層次感明顯，視覺效果良好。噴泉水池直徑約 頭組最大直徑 外圈和中圈噴頭向內(nèi)傾斜的情況下很好的防止了水池噴水造成的向外濺水。 音樂噴泉的控制系統(tǒng)由音樂信號處理電路（包括 F/V 轉(zhuǎn)換電路、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號隔離電路）， 變頻控制電路，潛水泵控制電路，穩(wěn)壓電源電路和音響設(shè)備組成。其中 變頻控制電路為設(shè)計重點。 控制系統(tǒng)的簡要工作過程 首先對音頻信號進(jìn)行分配，一路直接經(jīng)功率放大器后輸出到外部音箱設(shè)備；另一路 則對音頻信號進(jìn)行采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換等預(yù)處理；其次，經(jīng)過 數(shù)字量音頻信號（二進(jìn) 制） 進(jìn)行轉(zhuǎn)換 ,將其音頻信號轉(zhuǎn)換成實數(shù)， 再通過在 部設(shè)定某種固定值或表格數(shù)據(jù)， 與之相比較輸出采樣值的范圍；最后，通過對變頻器的高、中、低三個控制端進(jìn)行開關(guān) 量輸 入，即輸入組合（ 001～ 111），以達(dá)到調(diào)節(jié)變頻器的 7 種頻率段，并能很好的控制 潛水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速的快慢、音樂音頻信號各頻率對應(yīng)聲音信號的強度 , 通過變頻控 制系統(tǒng)就可以將音頻信號的變化用噴泉的水柱表現(xiàn)出來 , 水柱的高低按線性比例反映音 頻信號的幅度。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 控制系統(tǒng) 主要由 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、潛水泵和燈光組成。通過 外 部音頻信號的采樣、 轉(zhuǎn)換來控制變頻器和故態(tài)繼電器的動作， 從而達(dá)到控制系統(tǒng)的要求， 并能夠?qū)崿F(xiàn)對音樂和噴泉的實時的完美結(jié)合。音樂噴泉控制系 統(tǒng)硬件組成部分如圖 示。 圖 2樂噴泉控制系統(tǒng) 結(jié)果圖 （ 1） 系統(tǒng)的控制過程 在這里，輸入轉(zhuǎn)換電路是指能對樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強弱等進(jìn)行檢測并將檢測到的信號以電平、脈沖 或數(shù)字形式送至 電路。 在此控制系統(tǒng)中，利用 A/D 模塊對音樂信號的采樣，根據(jù)控制精度的需要 ,人耳的聽 覺 ,音樂信號的特點。由于人耳聽到的是廣場上播放樂曲的聲音 ,而人眼看到的是噴頭的 本章小結(jié) 通過相關(guān)資料，確定方案： 設(shè)計采用 頻器 作為主控制 硬件， 由于控制系統(tǒng)較簡單 ，本次設(shè)計選擇 頻器來控制水泵轉(zhuǎn)速。通用變頻器，是用于控制三相交流電動機速度的變頻器 。 設(shè)計了以本系統(tǒng)為核心的一 臺音樂噴泉 ，其中包 變頻器 、 水泵 、 電機驅(qū)動 、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 第 三 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 變頻器的工作原理以及控制方式 變頻器的工作原理 變頻器的主要任務(wù)是把工頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動機的變頻調(diào)速的需要?，F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交 交方式（ 頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電通過整流 器轉(zhuǎn)換成直流電，然后再把直流電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電，以供給電動機。變頻器的電路一般由整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路 4 個部分組成。 [8] 交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為 n = 60 f (1? s) / p 式中： n—異步電動機的轉(zhuǎn)速； f—異步電動機的頻率； s—電動機轉(zhuǎn)差率； p—電動機極對數(shù)。 由上式可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～ 50 范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速 度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段 。 [8] 變頻器 首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?， 然后用電子元件對直流電進(jìn)行 控制 變?yōu)榻涣麟?。 一般功率較大的變頻器用可控硅 ， 并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置 ， 使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào) 使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào) ， 一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。 變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但是目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖 3示的基本結(jié)構(gòu)。 整 流 電 路 直 流 中 間 電 路 逆 變 電 路控 制 電 路交 流 電商 用 電 源交 流 電頻 率 和 電 壓 可調(diào) 的 交 流 電圖 3變頻器的基本構(gòu)成華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 變頻器的控制方式與性能 異步電動機調(diào)速轉(zhuǎn)動時 ,變頻器可以根據(jù)電動機的特性對供電電壓、電流、頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?,不同的控制方式所得到的調(diào)速性能、特性以及用途也不同 。 變頻器控制方式大致大體可分為開環(huán)控制盒閉環(huán)控制兩種，后者進(jìn)行電動機速度反饋。開環(huán)控制有 控制方式，閉環(huán)控制有轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制等方式。 (1) 控制 對于異步電動機，只要改變其供電電源的頻率，即可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，達(dá)到進(jìn)行調(diào)速運轉(zhuǎn)的目的。但是，對于一個實際的交流調(diào)速控制系統(tǒng)來說，事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是那么簡單。這是因為當(dāng)電動機電源的頻率被改變時，電動機的內(nèi)部阻抗也將隨之改變，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強的情況。在勵磁不足的情況下電動機將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩，而在勵磁過強時電動機又將出現(xiàn)磁飽和，造成電動機功率因數(shù)和效率的下降。因此，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時，必須采取必要的措施來保證電動機的氣隙磁通處于高 效狀態(tài)（即保持磁通不變）。這就是 控制的出發(fā)點。 這種 變頻器雖然結(jié)構(gòu)比較簡單，但是，由于這種變頻器采用的是開環(huán)控制方式，其精度和動態(tài)特性并不是十分理想，尤其是在低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難，難以得到較大的調(diào)速范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對控制性能要求不太高的通用變頻器。 ⑵ 轉(zhuǎn)差頻率控制： 轉(zhuǎn)差頻率控制需要檢出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差頻率之和作 為變頻器的給定輸出頻率。由于通過控 制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流， 與 控制相比其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外它有速度調(diào)節(jié)器，利用速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，速度的靜差小，適用于自動控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制方式通常用于單機運轉(zhuǎn)。 因為在采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式時需要檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速，所以需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器。而電動機的轉(zhuǎn)速檢測則由速度傳感器和變頻器控制電路中的運算電路完成?？刂齐娐愤€將通過適當(dāng)?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測到的電動機速度產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率和其他的控制信號。此外，在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的 變頻器中往往還加有電流負(fù)反饋，對頻率和電流進(jìn)行控制，所以這種變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動有良好的響應(yīng)特性 。 ⑶ 矢量控制： 矢量控制的基本思想是認(rèn)為異步電動機和直流電動機具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理，第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 9 即電動機的轉(zhuǎn)矩為磁場和與其相垂直的電流的積，而異步電動機的定子電流則可以分為產(chǎn)生磁場的電流分量（磁場電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）。因此，通過控制電動機定子電流的大小和相位（即定子電流矢量），即可以分別對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電 動機轉(zhuǎn)矩的目的。 變頻器 控制參數(shù)設(shè)計 根據(jù)播放的音樂來控 制水柱，達(dá)到水柱與音樂同步的效果，而水柱是由水泵來控制的，水泵是由異步電動機組成的， 異步電動機的轉(zhuǎn)速如果通入工頻電源，轉(zhuǎn)速是不變化的，變頻器是專門針對電機調(diào)速的裝置。由變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，使水柱發(fā)生變化。 變頻器的主要任務(wù)是把工頻電源變換為另一頻率的交流電，以滿足交流電動機的變頻調(diào)速的需要，本系統(tǒng)中變頻器主要用來接受來自經(jīng) 理的音樂控制信號，輸出頻率不同的交流電，從而使水泵的噴水狀態(tài)不斷變化，實現(xiàn)了噴泉噴水隨音樂高低呈現(xiàn)不同的形態(tài) [7]。 頻器的電路結(jié)構(gòu) 頻器電路圖如圖 2示，包括主電路和控制電路兩部分，主電路完成電能轉(zhuǎn)換（整流和逆變），控制電路處理信息的收集、變換和傳輸。 在主電路中，由電源輸入單相或三相恒壓恒頻的交流電，經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換成恒定的直流電，供給逆變電路。逆變電路在 制下，將恒定的直流電你變成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電供給電動機負(fù)載。由圖 3知， 頻器直流換屆是通過電容進(jìn)行濾波的，因此屬于電壓型交 交變頻器。 頻器的控制電路由 擬輸入（ ）、模擬輸出（ ）、數(shù)字輸出（ 輸出繼電器觸頭（ 操作板（ 組成。 端子 1、 2 是為用戶提供的 10V 直流電源。當(dāng)采取模擬電壓信號輸入方式輸入給定頻率時，為了提高交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度，必須配備一個高精度的直流電源。 模擬輸入 3、 4 端，為用戶提供了兩對模擬電壓給定輸入端，作為頻率給定信號，經(jīng)變頻器內(nèi)的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給 控制系統(tǒng)。 數(shù)字輸入端 5、 6、 7 為用戶提供了 3 個完全可編程的數(shù)字輸入端，數(shù) 字信號經(jīng)光電隔離輸入 電動機進(jìn)行控制 [8]。 端子 8 和 9 是 24V 直流電源端，為變頻器的控制電路提供 24V 直流電源 。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 圖 3變頻器電路圖 [11]第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 11 頻器操作面板 利用 以更改 20 變頻器的各個設(shè)置參數(shù)。 有 5 位數(shù)字的 7 段現(xiàn)實，用于顯示參數(shù)的序號和數(shù)值、報警和故障信息以及該參數(shù)的設(shè)定值和實際值，能存儲參數(shù)的信息。 的按鈕以及功能說明見表 4 3 基本操作面板（ 的按鈕 及其功能 狀態(tài)顯示 示變頻器當(dāng)前的設(shè)定值。 起動變頻器 按此鍵起動變頻器。缺省值運行時此鍵是被封鎖的。為了使此鍵的操作有效，應(yīng)設(shè)定 1。 停止變頻器 此鍵，變頻器將按選定的斜坡下降速率減速停車 了允許此鍵操作，應(yīng)設(shè)定 1。 此鍵兩次（或一次，但時間較長）電動機將在慣性作用下自由停車。此功能總是“使能”的。 改變電動機 的轉(zhuǎn)動方向 按此鍵可以改變電動機的轉(zhuǎn)動方向。電動機的反向用負(fù)號（－）表示或用閃爍的小數(shù)點表示。缺省值 運行時此鍵是被封鎖的，為了使此鍵的操作有效，應(yīng)設(shè)定 1。 電動機點動 在變頻器無輸出的情況下按此鍵，將使電動機起動，并按預(yù)設(shè)定的點動頻率運行。釋放此鍵時，變頻器停車。如果變頻器 /電動機正在運行，按此鍵將不起作用。 功能 此鍵用于瀏覽輔助信息。 變頻器運行過程中，在顯示任何一個參數(shù)時按下此鍵并保持不動 2 秒鐘，將顯示以下參數(shù)值（在變頻器運行中，從任何一個參數(shù)開始）： 1. 直流回路電壓（用 d 表示 – 單位： V） 2. 輸出電流（ A） 3. 輸出 頻率（ 4. 輸出電壓（用 o 表示 – 單位： V）。 5. 由 定的數(shù)值（如果 擇顯示上述參數(shù)中的任何一個（ 3， 4，或 5），這里將不再顯示）。 連續(xù)多次按下此鍵，將輪流顯示以上參數(shù)。 跳轉(zhuǎn)功能 在顯示任何一個參數(shù)（ 短時間按下此鍵，將立即跳轉(zhuǎn)到 果需要的話，您可以接著修改其它的參數(shù)。跳轉(zhuǎn)到 ，按此鍵將返回原來的顯示點。 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 訪問參數(shù) 按此鍵即可訪問參數(shù)。 增加數(shù)值 按此鍵即可增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值 。 減少數(shù)值 按此鍵即可減少面板上顯示的參數(shù)數(shù)值 . 變頻器參數(shù)設(shè)置方法 用 以更改參數(shù)的數(shù)值，下面以更改過濾功能參數(shù) 例介紹數(shù)值的更改步驟， 見表 4以選擇命令 /設(shè)定值源 例說明如何修改參數(shù)的數(shù)值，見 表 4照表 4 表 4說明的類似方法，可以用 改任何一個參數(shù) [5]。 表 3變過濾功能參數(shù) 三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 13 表 3改選擇命令 /設(shè)定值源下標(biāo)參數(shù) 1） 變頻 器參數(shù)設(shè)置 一般涉及到的參數(shù)有：①電機參數(shù)，可參考電機銘牌，如電機額定的電壓、功率、電流、轉(zhuǎn)速等。②選擇控制電機啟動、停止方式，如通過變頻器面板還是端子。③選擇變頻器運行頻率控制方式，如變頻器面板、電位器（ 需設(shè)置對應(yīng)頻率范圍） 還是若干個固定頻率（ 通過變頻器端子選擇對應(yīng)頻率） 。④變頻器運行最小、最大頻率，加、減速時間等。⑤變頻器控制方式。 在本系統(tǒng)中需要是設(shè)置的參數(shù)有： （ 1） 數(shù)為“ 30”， 數(shù)設(shè)定為“ 1”， —— 變頻器復(fù)位到工廠設(shè)定值 （ 2） 數(shù)為“ 2” —— 擴展用戶的參數(shù)訪問范圍 （ 3） 數(shù)為“ 2” —— 由模擬端子 /數(shù)字輸入控制變頻器 （ 4） 數(shù)為“ 17” —— 選擇 +令 （ 5） 數(shù)為“ 17” —— 選擇 +令 （ 6） 數(shù)為“ 17” —— 選擇 +令 （ 7） 數(shù)為“ 1” —— 正轉(zhuǎn)啟動華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 （ 8） 數(shù)為“ 3” —— 固定頻率設(shè)定值 （ 9） 數(shù)為“ 20” —— 固定頻率 1 為 20 10） 數(shù)為“ 25” —— 固定頻率 2 為 25 11） 數(shù)為“ 30” —— 固定頻率 3 為 30 12） 數(shù)為“ 35” —— 固定頻率 4 為 35 13） 數(shù)為“ 40” —— 固定頻率 5 為 40 14） 數(shù)為“ 45” —— 固定頻率 6 為 45 15） 數(shù)為“ 50” —— 固定頻率 7 為 50 變頻器控制說明 （ 1） 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計說明 變頻器由數(shù)字信號控制，將 數(shù)設(shè)置為“ 2”，控制編碼形式為 ，實現(xiàn)變頻器對水泵電機多段調(diào)速控制。變頻信號由 出，接入變頻器為用戶提供的 3 個完全可編程的數(shù)字輸入端， 3 個數(shù)字輸入量控制變頻器的 7 種頻率輸出，通過參數(shù)設(shè)置 7 種不同的固定頻率。數(shù)字信號經(jīng)光電隔離輸入 理后通過逆變器實現(xiàn)對電機的控制。變頻器設(shè) 置水泵正轉(zhuǎn)啟動。數(shù)字輸入與對應(yīng)頻率如表 4示 [13] 表 3 數(shù)字輸入與對應(yīng)頻率 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 頻率值（ 20 25 30 35 40 45 50 （ 2） 相關(guān)參數(shù)的說明 （ 1）為了把變頻器的全部參數(shù)復(fù)位為工廠的缺省設(shè)定值，應(yīng)按照下面的數(shù)值設(shè)定參數(shù)（用 必要的通訊選件）： 1. 設(shè)定 30 2. 設(shè)定 1 （ 2） 數(shù)為“ 2” ， 變頻 器的參數(shù)有 4 個用戶訪問級；即標(biāo)準(zhǔn)訪問級，擴展訪問級，專家訪問級和維修級。訪問的等級由參數(shù) 選擇。對于大多數(shù)應(yīng)第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 15 用對象，只要訪問標(biāo)準(zhǔn)級（ 1）和擴展級（ ）參數(shù)就足夠了。每組功能中出現(xiàn)的參數(shù)號取決于 設(shè)定的訪問級。 該參數(shù)的 最小值為 0，最大值為 4，缺省值為 1。 0 用戶定義的參數(shù)表 1 標(biāo)準(zhǔn)級：可以訪問最經(jīng)常使用的一些參數(shù)。 2 擴展級：允許擴展訪問參數(shù)的范圍，例如變頻器的 I/O 功能。 3 專家級：只供專家使用。 4 維修級：只供授權(quán)的維修人員使用 護(hù) [20]。 （ 3） 數(shù)為“ 2” ， 選擇數(shù)字的命令信號源 （ 最小值： 0；缺省值： 2；最大值： 6） 。改變這一參數(shù)時，同時也使所選項目的全部設(shè)置值復(fù)位為工廠的缺省設(shè)置值。例如：把它的設(shè)定值由 1 改為 2 時，所有的數(shù)字輸入都將復(fù)位為缺省的設(shè)置值。 可能的設(shè)定值： 0 工廠的缺省設(shè)置 1 盤）設(shè)置 2 由端子排輸入 4 通過 路的 置 5 通過 路的 置 6 通過 路的通訊板（ 置 （ 4） 數(shù)為“ 17”，用來選擇數(shù)字輸入 1 的功能。該 參數(shù)的最小值 為 0，最大值為 99，缺省值為 1。本系統(tǒng)中設(shè)置 “ 17”即 固定頻率設(shè)定值（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（ ）選擇 + 令） 。 可能的設(shè)定值 ： 0 禁止數(shù)字輸入 1 通正轉(zhuǎn) / 停車命令 1） 2 ON 通反轉(zhuǎn) / 停車命令 1） 3 車命令 2） - 按慣性自由停車 4 車命令 3） - 按斜坡函數(shù)曲線快速降速停車 9 故障確認(rèn) 10 正向點動 11 反向點動 12 反轉(zhuǎn) 13 動電位計）升速 （增加頻率） 14 速（減少頻率） 15 固定頻率設(shè)定值（直接選擇）華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 16 固定頻率設(shè)定值（直接選擇 + 令） 17 固定頻率設(shè)定值（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（ ）選擇 + 令） 21 機旁 /遠(yuǎn)程控制 25 直流注入制動 29 由外部信號觸發(fā)跳閘 33 禁止附加頻率設(shè)定值 99 使能 數(shù)化 （ 5） 數(shù)為“ 17” ， 用來選擇數(shù)字輸入 2 的功能。該參數(shù)的最小值 為 0，最大值為 99，缺省值為 12。本系統(tǒng)中設(shè)置 “ 17”即 固定頻率設(shè)定值（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（ ） 選擇 + 令） 。 可能的設(shè)定值 同參數(shù) 置說明。 （ 6） 數(shù)為“ 17” ， 用來選擇數(shù)字輸入 3 的功能。該參數(shù)的最小值 為 0，最大值為 99，缺省值為 9。本系統(tǒng)中設(shè)置 “ 17”即 固定頻率設(shè)定值（二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（ ）選擇 + 令） 。 可能的設(shè)定值 同參數(shù) 置說明。 （ 7） 數(shù)為“ 1” ，用來 選擇數(shù)字輸入 4 的功能。該參數(shù)的最小值 為 0，最大值為 99，缺省值為 0。本系統(tǒng)中設(shè)置 數(shù) 為“ 1” ，即 1 通正轉(zhuǎn) / 停車命令 1） [10]。 可能的設(shè)定值 0 禁止數(shù)字輸入 1 通正轉(zhuǎn) / 停車命令 1） 2 ON 通反轉(zhuǎn) / 停車命令 1） 3 車命令 2） - 按慣性自由停車 4 車命令 3） - 按斜坡函數(shù)曲線快速降速停車 9 故障確認(rèn) 10 正向點動 11 反向點動 12 反轉(zhuǎn) 13 動電位計）升速 （增加頻率） 14 速（減少頻率） 21 機旁 / 遠(yuǎn)程控制 25 直流注入制動 29 由外部信號觸發(fā)跳閘 33 禁止附加頻率設(shè)定值 99 使能 數(shù)化第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 17 （ 8） 數(shù)為“ 3” ，該參數(shù)用來 選擇頻率設(shè)定值的信號 源。在下面給出的可供選擇的設(shè)定值表中，主設(shè)定值由最低一位數(shù)字（個 位數(shù)）來選擇（即 0 到 6），而附加設(shè)定值由最高一位數(shù)字（十位數(shù)）來選擇（ 即 中， x=1－ 6）。只有一位數(shù)字時，表示只有主設(shè)定值，沒有附加設(shè)定值。 本系統(tǒng)設(shè)置 數(shù)為“ 3”選擇 固定頻率設(shè)定值 （ 9） 數(shù)為“ 20” ，該參數(shù)用來 定義固定頻率 1 的設(shè)定值。為了使用固定頻率功能，需要用 擇固定頻率的操作方式，在“直接選擇”的操 作方式（ 15）下，還需要一個 令才能使變頻器投入運行。 有三種選擇固定頻率的方法： 1. 直接選擇 2. 直接選擇 + 令 3. 二進(jìn)制編碼選擇 + 令 1． 直接選擇（ 15） 在這種操作方式下，一個數(shù)字輸入選擇一個固定頻率。如果有幾個固定頻率輸入同時被激活，選定的頻率是它們的總和。 例如： ． 直接選擇 + 令（ 16） 選擇固定頻率時，既有選定的固定 頻率，又帶有 令，把它們組合在一起。在這種操作方式下，一個數(shù)字輸入選擇一個固定頻率。如果有幾個固定頻率輸入同時被激活，選定的頻率是它們的總和 [9]。 例如： ． 二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（ ）選擇 + 令（ 17），使用這種方法最多可以選擇 7 個固定頻率。各個固定頻率的數(shù)值根據(jù)表 4 表 3數(shù)字輸入與對應(yīng)頻率 激活 不激活 不激活 激 活 不激活 激活 激活 激活 不激活 激活 激活 激活 活 不激活 不激活 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 活 不激活 激活 活 激活 不激活 活 激活 激活 （ 10） 數(shù)設(shè)置參考 數(shù) 設(shè)置規(guī)則。 3.3