基于PLC的音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計論文】

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北方民族大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 論文題目 : 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 設(shè)計 —— 軟件 設(shè)計 院 (部 )名 稱 : 電氣信息工程學(xué)院 學(xué) 生 姓 名 : 邱留永 專 業(yè) : 測控技術(shù)與儀器 學(xué) 號 : 20060234 指導(dǎo)教師姓名 : 祝玲 論文提交時間 : 論文答辯時間 : 學(xué)位授予時間 : 北方民族大學(xué)教務(wù)處制 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。 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。本文主要分為六個 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； 第三部分對控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體介紹；第四部分主要介紹了設(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；第五部分主要介紹了控制 系統(tǒng)控制流程以及控制核心編程； 最后介紹了 系統(tǒng)調(diào)試的相關(guān)情況 。 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 on a LC as of is of We 7LC as of 20 to of LC is LC of of of 目錄 前 言 ............................................................... 1 第 1 章 礎(chǔ)知識簡介 ............................................ 3 產(chǎn)生和發(fā)展 ............................................ 3 特點、分類與應(yīng)用 ...................................... 4 基本結(jié)構(gòu) .............................................. 4 工作原理及工作過程 .................................... 5 第 2 章 變頻器基礎(chǔ) .................................................. 7 變頻器概述 ................................................. 7 變頻器技術(shù)的發(fā)展 ...................................... 7 變頻器的分類 .......................................... 8 變頻器的工作原理以及控制方式 ............................... 8 變頻器的工作原理 ...................................... 8 變頻器的控制方式與性能 ................................ 9 20 概述 ....................................... 10 頻器的電路結(jié)構(gòu) ..................................... 11 第 3 章 系統(tǒng)總體介紹 ............................................... 13 音樂噴泉組成 .............................................. 13 音樂噴泉水池設(shè)計 ..................................... 13 控制系統(tǒng)組成 ......................................... 13 變頻器設(shè)計 ................................................ 14 變頻器選型 ........................................... 14 變頻器控制接線圖 ..................................... 14 計 ................................................... 15 型 ............................................. 15 入 /輸出點分配 .................................. 15 制接線圖 ....................................... 16 第 4 章 變頻器控制參數(shù)設(shè)計 ........................................ 17 頻器操作面板 ....................................... 17 變頻器參數(shù)設(shè)置方法 ........................................ 18 變頻器參數(shù)設(shè)置 ............................................ 19 變頻器控制說明 ............................................ 20 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計說明 ..................................... 20 相關(guān)參數(shù)的說明 ....................................... 20 第 5 章 制系統(tǒng)設(shè)計 ........................................... 25 制流程 ............................................... 25 主要控制程序 .............................................. 28 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 ................................................... 30 調(diào)試 ................................................. 30 系統(tǒng)整體調(diào)試 .............................................. 30 結(jié) 論 .............................................................. 32 致謝 ............................................................... 34 參考文獻(xiàn)： ......................................................... 35 附錄 1 音樂噴泉控制程序 ............................................ 36 附錄 2 英文原文 .................................................... 42 附錄 3 中文原文 .................................................... 47 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 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(jī)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。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 2 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(jī)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(kuò)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(qiáng) 。（ 2） 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) 。 （ 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?？删幊炭刂破骱喕丝刂凭€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。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 3 第 1 章 礎(chǔ)知識簡介 在繼電器控制技術(shù)、計算機(jī)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 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(jī)器人技術(shù)并稱為當(dāng)代 工業(yè)自動化的三大支柱。它主要以微處理器為核心，用編寫的程序進(jìn)行邏輯控制、定時、計算和算術(shù)運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入 /輸出（ I/O）來控制各種生產(chǎn) 過程。 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在機(jī)電控制、電氣控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信運輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域。 產(chǎn)生和發(fā)展 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(jī)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(kuò)展其功能的原則設(shè)計”。 隨著 速發(fā)展，功能越來越強(qiáng)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(qiáng)； 3. 大力開發(fā)智能 I/O 模塊； 4. 與個人計算機(jī)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(qiáng) [1] 。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 4 特點 、分類與應(yīng)用 1． 特點 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，主要是由于它具有許多獨特的優(yōu)點。 可編程控制器本質(zhì)上是具 有特殊體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)控制計算機(jī)，它與一般的計算機(jī)相比具有更強(qiáng)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?？梢哉f，可編程控制器是將計算機(jī)技術(shù)和電器控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起。其特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 1. 可靠性高，抗干擾性強(qiáng) 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(qiáng) 5. 體積小，能耗低 [2] 2． 分類 目前， 種類很多，規(guī)格性能不一，通?？筛鶕?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(jī)、中檔機(jī)、高檔機(jī)。 3. 應(yīng)用 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(jī)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(jī)相似。一般的， 要由 存儲器、 輸入模塊、輸出模塊和 通信接口等部分 組成 。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 5 工作原理及工作過程 工作原理可以簡單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下，通過運行應(yīng)用程序，對控制要求進(jìn)行處理判斷，并通過執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)控制任務(wù)。但是，在時間上， 行的任務(wù)是按串行方式進(jìn)行的，其具體的運行方式與繼電器 根據(jù) 結(jié)構(gòu)，可以簡單地 將 作電路分為 3 部分，即輸入部分、內(nèi)部程序執(zhí)行部分和輸出部分。輸入部分的主要功能就是檢測各外部輸入信號的狀態(tài)，并將結(jié)果存放到輸入映像寄存器中，供程 序執(zhí)行過程中查詢。 程序是電器控制線路的軟件實現(xiàn)，程序的執(zhí)行過程相當(dāng)于電氣控制的邏輯運算過程。照用戶程序規(guī)定的邏輯關(guān)系，對輸入信號和輸出信號的狀態(tài)進(jìn)行檢測、判斷、運算和處理，得到相應(yīng)的輸出。這些輸出同樣對應(yīng)于 某些內(nèi)部軟元件。輸出部分由 部輸出繼電器常開觸點、輸出端子和外部驅(qū)動電路組成。輸出端子與同編號的輸出繼電器相對應(yīng)，通過輸出繼 電器常開觸點的分合來驅(qū)動外部負(fù)載。 用戶程序由 若干條指令組成，依次存放在程序存儲器中。 作時，總是從第一條指令開始按照用戶程序所固有的順序逐條執(zhí)行，直至用戶程序結(jié)束，然后再返回到第一條指令，開始新一輪的程序執(zhí)行過程。程序的每一次執(zhí)行過程稱為一次掃描過程。 工作過程就是這樣周而復(fù)始的順序掃描過程，簡稱為掃描工作方式，這種周期性的順序掃描是 有的一種工作方式。 電處理；掃描過程；故障處理 [4]。 圖 1示 。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 6 電 源 開 啟內(nèi) 部 處 理輸 入 處 理 （ 輸 入 刷 新 、 遠(yuǎn) 程 I / O ）通 信 服 務(wù) （ 外 設(shè) 、 C P U 、 總 線 ）更 新 時 鐘 、 系 統(tǒng) 內(nèi) 部 寄 存 器C P U 運 行 方 式 為 R U N ？執(zhí) 行 用 戶 程 序執(zhí) 行 輸 出 刷 新 過 程執(zhí) 行 自 診 斷 過 程存 放 自 診 斷 錯 誤 結(jié) 果C P U 強(qiáng) 制 為 S T O P 方 式自 診 斷 錯 誤 為 致 命 錯 誤P L C 正 常 ？ O P 圖 1 掃描工作流程 [4] 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 7 第 2 章 變頻器基礎(chǔ) 變頻器概述 通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。變頻器是 利用電力電子器件把工頻電源變換成各種頻率的交流電源以實現(xiàn)電動機(jī)的變速運行的設(shè)備，是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。變頻技術(shù)是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。變頻器以其具有調(diào)速、節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性廣泛應(yīng)用于各個 領(lǐng)域中：直流輸電、不同頻率電網(wǎng)系統(tǒng)的連接、靜止無功功率補(bǔ)償和諧波吸收、超導(dǎo)電抗器的電力儲存、高頻輸電；在運輸及產(chǎn)業(yè)行業(yè)中的交流電動機(jī)調(diào)速、超導(dǎo)懸磁浮列車、高速鐵路、電動汽車、產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人；在家用電器方面有變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)、變頻電動自行車等；軍事方面有通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、宇宙設(shè)備的小型輕量化電源等；石油行業(yè)已實現(xiàn)了采油的調(diào)速、超聲波驅(qū)動等 [5]。 變頻器技術(shù)的發(fā)展 變頻器用于交流異步電動機(jī)調(diào)速，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往任何交、直流調(diào)速方式，而且其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試、使用方便、 保護(hù)功能完善、運行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著，是交流電動機(jī)調(diào)速的主流技術(shù)。變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器，當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)是綜合了多種學(xué)科的高新技術(shù)領(lǐng)域，是自動化技術(shù)的“前沿”，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率交換的高頻化，控制技術(shù)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻交流電源，必然會伴著系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展。 伴隨著變頻器日益廣泛的應(yīng)用，其性能和技術(shù)也在飛速發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下方面：（ 1）模塊化；（ 2）專用化；（ 3）軟件化；（ 4）網(wǎng)絡(luò)化；（ 5）低電磁噪 聲、靜音化；（ 6）圖形化用戶界面；（ 7）引導(dǎo)式調(diào)試步驟；（ 8）參數(shù)趨勢圖形。 變頻器未來的發(fā)展方向： (1)進(jìn)一步提高控制理論，發(fā)展控制策略； 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 8 (2)高速全數(shù)字化控制； (3)新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)； (4)變頻器的大容量化和小體積化； (5)更符合環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，成為真正的“綠色產(chǎn)品”。 [6] 變頻器的分類 （ 1） 按直流電源的性質(zhì)分類： ① 電流型變頻器； ② 電壓型變頻器。 （ 2） 按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類： ① 式； ② 式； ③ 高載波變頻率的 式。 （ 3） 按控制方式分類： ① 控制； ② 轉(zhuǎn)差頻率控制； ③ 矢量控制。 （ 4） 按電壓等級分類： ① 低壓型變頻器； ② 高壓大容量變頻器。 （ 5） 按用途分類： ① 通用變頻器； ② 高性能專用變頻器； ③ 高頻變頻器；④ 小型變頻器。 [7] 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(jī)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(jī)。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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速； f— 異步電動機(jī)的頻率； s— 電動機(jī)轉(zhuǎn)差率； p—電動機(jī)極對數(shù)。 由上式可知，異步電動機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～ 50 范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)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] 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 9 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)行開關(guān)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 2 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 2變頻器的基本構(gòu)成 [9] 變頻器的 控制方式與性能 異步電動機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)動時 ,變頻器可以根據(jù)電動機(jī)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)控制和閉環(huán)控制兩種，后者進(jìn)行電動機(jī)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(jī)，只要改變其供電電源的頻率，即可以改變電動機(jī)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(jī)電源的頻率被改變時，電動機(jī)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(jī)出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強(qiáng)的情況。在勵磁不足的情況下電動機(jī)將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩，而在勵磁過強(qiáng)時電動機(jī)又將出現(xiàn)磁飽和，造成電動機(jī)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(jī)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。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 10 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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的實際轉(zhuǎn)速，所以需要在異步電動機(jī)軸上安裝速度傳感器。而電動機(jī)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。控制電路還將通過適當(dāng)?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測到的電動機(jī)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 [10] 。 ⑶ 矢量控制： 矢量控制的基本思想是認(rèn)為異步電動機(jī)和直流電動機(jī)具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩為磁場和與其相垂直的電流的積，而異步電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩的目的[9]。 20 概述 用于控 制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列。本系列有多種型號，從單相電源電壓，額定功率 120W 到三相電源電壓，額定功率11供用戶選用。 該變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 11 體管（ 為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機(jī)運行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)提供了良好的保護(hù)。 有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是 數(shù)量眾多的簡單的電動機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。由于 有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機(jī)控制系統(tǒng)。 20 既可用于單機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，也可集成到‘自動化系統(tǒng)’中。 [11] 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(jī)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(jī)進(jìn)行控制。 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 [12]。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 12 圖 2變頻器電路圖 [11] 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 13 第 3 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(jī)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 音樂噴泉水池設(shè)計 此小型音樂噴泉噴頭分三組。外圈九個噴頭，中圈六個噴頭，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。 控制系統(tǒng)組成 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，潛水泵和彩燈控制電路，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。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 14 變頻器設(shè)計 變頻器選型 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(jī)速度的變頻器，適用于各種變頻驅(qū)動裝置。 有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是 數(shù)量眾多的簡單的電動機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動裝置。 變頻器控制接線圖 硬件連接圖如圖 3示， 輸出口 接到 頻器的 子上，用來控制變頻器的起停。 出口 接到變頻器 子上，通過 出地開關(guān)量控制變頻器 輸出 預(yù)置的固定頻率，變頻器輸出地預(yù)置頻率由設(shè)置參數(shù)決定。 西 門 子M M 4 2 0變 頻 器A I N N +D I N 1D I N 2D I N 3P . 5Q 1 . 0Q 1 . 1Q 1 . 2K A 1K A 2K A 1 K A 2 1 K M 2U 0 圖 3變頻器設(shè)計連接圖 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 15 計 型 西門子推出的小型 列 單體式結(jié)構(gòu)，配有訊接口、內(nèi)置電源系統(tǒng)和部分 I/O 接口。它體積小、運算速度塊、可靠性高，具有豐富的指令，系統(tǒng)操作簡便、便于掌握，可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的 I/能價格比高，是目前中小規(guī)模控制系統(tǒng)的 理想控制設(shè)備。 5 種 塊。 26 的本機(jī)數(shù)字量 I/O 為 24 入 /16 出，最多可擴(kuò)展 7 個擴(kuò)展模塊，根據(jù) 字量輸出模塊的驅(qū)動方式不同，它又分為晶體管輸出（ C/式和繼電器輸出（ C/繼電器）方式。根據(jù)本設(shè)計的控制要求，選擇 26 C/ 為控制核心。 入 /輸出點分配 根據(jù)系統(tǒng)控制要求， 使用 數(shù)字量輸入模塊接收來自音樂信號處理模塊轉(zhuǎn)換的 8 路開關(guān)量信號，經(jīng) 部 理，通過輸出模塊控制彩燈和變頻器 ，實現(xiàn)對變頻器的數(shù)字控制?？刂葡到y(tǒng) 輸入 /輸出點分配如表 3表 3 序號 點號 符合 意義 1 頻信號輸入 2 音頻信號輸入 3 音頻信號輸入 4 音頻信號輸入 5 音頻信號輸入 6 音頻信號輸入 7 音頻信號輸入 8 頻信號輸入 9 啟動按鈕 10 停止按鈕 表 3入點分配表 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 16 序號 點號 符合 意義 1 #水泵工作 2 #水泵工作 3 #彩燈工作 4 #彩燈工作 5 頻器速度一 6 頻器速度二 7 頻器速度三 8 變頻器運行 表 3出點分配表 制接線圖 啟動按鈕接入 子，停止按鈕接入 子， 收開關(guān)量信號， 子直接控制兩個 組的變換。 來控制水泵的起停， 于控制變頻器的輸出頻率選擇。 件連接圖如圖 3示。 S 7 - 2 0 0P L U 2 2 6D C / D C / D . 0I 0 . 1I 0 . 2I 0 . 3I 0 . 4I 0 . 5I 0 . 6I 0 . 7I 1 . 0I 1 . 11 . 2Q 0 . 3Q 0 . 6Q 0 . 7 +2 L +2 . 5Q 1 . 2Q 1 . 1Q 1 . 0K 1K 2開關(guān)量信號停 止啟 動K M 1K M 21 # 水 泵 啟 停 控 制 繼 電 器2 # 水 泵 啟 停 控 制 繼 電 器1 # 彩 燈 亮 滅 控 制2 # 彩 燈 亮 滅 控 制變 頻 器 速 度 1變 頻 器 速 度 2變 頻 器 運 行 A I N +變 頻 器 速 度 3變 頻 器 A I N 制端子連接圖 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 17 第 4 章 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(jī)組成的， 異步電動機(jī)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(jī)調(diào)速的裝置。由變頻器控制電機(jī)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(jī)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) 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)。 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(jī)將在慣性作用下自由停車。此功能總是“ 使能”的。 改變電動機(jī) 的轉(zhuǎn)動方向 按此鍵可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。電動機(jī)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(jī)點動 在變頻器無輸出的情況下按此鍵，將使電動機(jī)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(jī)正在運行，按此鍵將不起作用。 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） 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 18 功能 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。 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 . 表 4 基本操作面板（ 的按鈕 及其功能 [13] 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)。 表 4變過濾功能參數(shù) 3] 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 19 表 4改選擇命令 /設(shè)定值源下標(biāo)參數(shù) 3] 變頻器參數(shù)設(shè)置 一般涉及到的參數(shù)有：①電機(jī)參數(shù)，可參考電機(jī)銘牌，如電機(jī)額定的電壓、功率、電流、轉(zhuǎn)速等。②選擇控制電機(jī)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(kuò)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 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 20 （ 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 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 現(xiàn)變頻器對水泵電機(jī)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(jī)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 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 表 4 數(shù)字輸入與對應(yīng)頻率 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 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 音樂噴泉控制系統(tǒng) 21 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(kuò)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)用對象，只要訪問標(biāo)準(zhǔn)級（ 1）和擴(kuò)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(kuò)展級：允許擴(kuò)展訪問參