电机测速系统课程设计报告

课程设计报告

课程名称微机控制技术

设计题目电机测速系统

专业班级自动化0741

姓名

学号

指导教师

起止时间2010.12.27~2011.01.07

电气与信息学院

课程设计考核和成绩评定办法

1．课程设计的考核由指导教师根据设计表现、设计报告、设计成果、答辩等几个方面，给出各项权重，综合评定。该设计考核教研室主任审核，主管院长审批备案。2．成绩评定采用五级分制，即优、良、中、及格、不及格。

3．参加本次设计时间不足三分之二或旷课四天以上者，不得参加本次考核，按不及格处理。

4．课程设计结束一周内，指导教师提交成绩和设计总结。

5．设计过程考核和成绩在教师手册中有记载。

课程设计报告内容

课程设计报告内容、格式各专业根据专业不同统一规范，经教研室主任审核、主管院长审批备案。

注：1. 课程设计任务书和指导书在课程设计前发给学生，设计任务书放置在设计报告封面后和正文目录前。

2. 为了节省纸张，保护环境，便于保管实习报告，统一采用A4纸，实习报告建议双面打印（正文

采用宋体五号字）或手写。

摘要

现代工业现场和生活中多应用电机测速系统，所以对其了解及进一步研究很是必要。本次设计给我们提供了这样的一个机会。

设计测速电动机系统，实现按键能设定4个电机转动速度，PLC和上位机组态软件连接，PLC通过控制变频器输出不同频率三相电使电机转动起来，然后通过旋转编码器测量电机速度，旋转编码器输出接PLC高速计数输入通道，计算当前电机转速，并在上位机组态软件中上显示出来。

关键词

PLC 电动机旋转编码器变频器

Abstract：

Motor speed system is applied to the modern industrial field and in life，So understanding and further study of it is very necessary. The design provides us with such a chance.

Designing motor speed system which realize buttons which can set up four motor rotation speed，PLC can connect to upper unit configuration software,PLC control inverter which can export different frequencies,its exporting can make motor turn,then Rotary encoder measure motor’s speed through the revolving ,Rotary encoder’s outputing connect to PLC high-speed counting input,while it calculates the motor speed and in the upper unit configuration software displayed.

Keywords: plc electric motor Rotary encoder inverter

目录

1引言 (1)

1.1引言背景 (1)

1.2电机测速系统的构成 (1)

2系统方案设计 (2)

2.1系统的方案选择 (2)

2.2系统方案论证及确定 (2)

3硬件设计 (3)

3.1硬件的组成 (3)

3.2三相交流电动机 (3)

3.3PLC控制器 (4)

3.4旋转编码器 (6)

3.5变频器 (8)

4软件的设计 (11)

4.1系统总体流程图 (11)

4.2IO内存分配 (11)

4.3变频器部分的软件设计 (12)

4.4旋转编码器部分设计 (13)

4.5组态王界面设计 (14)

5调试 (16)

5.1 调试环境 (16)

5.2 调试过程 (16)

总结 (21)

参考文献 (22)

致谢 (23)

附录 (24)

1 引言

1.1 引言背景

在现代工业发展的今天，工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测量速度，就要考虑如何采样的问题，测量电动机的转速就要进行采样，方法就是待测电机的转轴和测速电机的转轴相连，这样处于同轴的情况下就可以通过测量测速发电机的电压高低来反映转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。

1.2 电机测速系统的构成

三相异步电动机的应用已经广泛应用市场，不论是农业生产、工业现场还是机动车的应用等都离不开电动机，于本次设计中我们选择了用变频器控制电机的转速，同时用旋转编码器测得电机的转速，将转速接入PLC的告诉输入端，最后算得电机的转速，传递给上位机并显示出来，所以整个电机测速系统的构成由电动机、旋转编码器、变频器、PLC、上位机组成。

本次设计我们应用了几种设备，可谓是应用的很广泛，涉及的内容及设计的过程中可能会复杂些，就需要我们每个人认真学习相关手册，查找资料，不断的实验，实践最后查看效果，做出我们想要的答案。

2 系统方案设计

2.1 系统的方案选择

整个系统在前面已经得到阐述，其中包括电动机、测速器件、变频器、PLC和上位机显示，在这里我们要对每一个部分进行选择，电动机就是三相异步电机、测速器件我们这里选择旋转编码器，现在用的比较多的旋转编码器，旋转编码器有增量型和绝对值型两种，测速的一般用增量型，增量型编码器能精确检测电机转速，现在应用很广泛，是一种很有前途的测速工具；变频器在这里我们选择欧姆龙3G3MV型变频器；而PLC选择欧姆龙CPM2A可编程控制器。

2.2 系统方案论证及确定

在前面对整个系统方案进行选择的同时，下面来进行整个方案的论证，图2-1即是系统方案的结构图。

图2-1系统整体方案结构图

在上面的系统方案结构图中可以看出，上位机和PLC可以相互控制，通过PLC的编程，实现控制变频器，可以控制变频器输出几个不同等级的频率，从而驱动三相交流电动机，电动机和旋转编码器同轴，于是电机输出的旋转编码器可测得速度值从而将其输入PLC的高速输入端，高速输入端对测得的信号就行分析计算，然后反馈给上位机进行显示。

3 硬件设计

3.1 硬件的组成

整个系统的硬件组成包括电机、旋转编码器、变频器、PLC 及上位机，下面要对各部分就行详细的分析介绍及应用。

3.2 三相交流电动机

三相异步电动机主要由定子和转子两部分组成：静止部分称为定子；转动部分称为转子。定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。 定子铁心是异步电动机磁路的一部分。他是用厚的硅钢片冲制、叠压而成的，紧紧地装在机座的内部。在定子铁心的内圆上开有均匀的槽，用以放置定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分。定子绕组是由许多线圈按规律联接而成的。小型三相异步电动机定子绕组通常用高强度漆包线绕制而成。转子 ： 转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心是异步电动机磁路的一部分。他是用厚的硅钢片冲制、叠压而成的，转子铁心与定子铁心之间有一个很小的气隙。转子铁心的外圆上冲有均匀分布的槽，用来放置转子绕组。

三相交流电动机关于线圈，定子绕组是由线圈按一定的规律嵌入定子槽中，并按一定的方式联接起来的。根据定子绕组在槽中的分布情况，可分为单层及双层绕组。容量较大的异步电动机都采用双层绕组。双层绕组在每个槽内的导线分为上下两层，上层和下层线圈之间需要用层间绝缘隔开。对于小容量异步电动机常采用单层绕组，这时每槽中只有一层导线。本次设计采用单层绕组，根据每极每相槽数的大小，单层绕组分成链式、交叉式和同心式三种。

在双层绕组中，每一极面下就有一个极相组，因而对于 2p 个磁极的电机就有 2p 个极相组。在联接时可以串联，也可以并联，以组成一定数目的支路数，而每相绕组的电动势数值决定于一条支路的电动势大小。设α代表每相的并联支路数，那么每相电动势的基波有效值为：

1111111144.444.422Y q Y q Y q K NK f K K f a pqN E a p E φφφ===

三相电机都有铭牌标志如图3-1，上面标示了电机的一些重要参数，图中是Y90S-4B 型电动机的参数，了解电机参数，方面试验中使用。

图3-1 三相电动机的铭牌

根据转速为1400r/min,根据转速和电机频率及磁极对数的关系，即公式：

p f

n

60

可以知道f=50Hz，而此处即可知道磁极对数p的值为2。额定电压是380v，而接法是星形连接方式。铭牌参数都是额定参数，所以应用的时候要全面考虑问题。

3.3 PLC控制器

CPM2A是一种紧凑的高速可编程序控制器(PLC)，是为需要每台PLC有10～120点I/O 的系统控制操作而设计的。下面来介绍CPM2A的性能。

CPM2A在一小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定和时钟功能等。CPM2A CPU单元又是一个独立的单元，能处理广范围的机械控制应用，所以它是在设备内用做内装控制单元的理想产品，完整的通信功能保证了与个人计算机、其他的OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使用户能设计一个经济的分布生产系统。

CPU单元的变型：CPM2A是一台设有30、40或60内装I/O端子的PC，有三种输出可用（继电器输出，信宿晶体管输出和信源晶体管的输出）和2中电源可用（100/240V AC或24VDC）。

扩展I/O单元：为使PC的I/O容量提高到最大的120点I/O，与CPU单元连接的扩展单元可多达3个。有三种扩展单元可用：20点I/O单元与60内装I/O端子的CPU单元连接就得

到120I/O点的最大I/O容量。

模拟量I/O单元：为提供模拟量输入和输出可连接多达3个模拟量I/O单元。每个单元提供2点模拟量输入和1点模拟量输出，所以连接3个模拟量I/O单元就能得到最大的6点模拟量输入和3点模拟量输出。

高速计数器和中断：CPM2A计有五个高速计数器输入。一个高速计数器输入的响应频率为20kHz/5kHz,而四个高速计数器输入（在计数器方式下）的响应频率为2kHz。高速计数器可以用在四种输入方式中的任一种下；微分相位方式（5kHz），脉冲+方向输入方式（20kHz）,增/减脉冲方式（20kHz），递增方式（20kHz）。当计数与一设置值匹配或下降在一规定范围内时，能触发中断。中断输入（计数器方式）可用递增计数器或递减计数器（2kHz）并在计数与目标值匹配时触发中断（执行中断程序）。

注意：DM区、HR区、AR区和计数器值都由CPU单元的内装置电池支持，如果电池放电，则这些区的内容会丢失而数据值会回复为缺席值。

程序区、只读DM区（DM6144-DM6599），和PC设置（DM6600-DM6655）的内容都储存在快闪内存储器中，即使备份电池被放电，下次上电时也会从快闪存储器读出这些区的内容。在这些区中的任一个区的数据被改变时，通过将CPM2A切换到MONTOR或RUN方式下或将电源关掉后再上电把新值写入快闪内存储器。图3-2是我们设计中选用的PLC控制器的外观。

图3-2 CPM2A控制器的外观

由于本次设计我们需要做的是需要将旋转编码器的黑、白、橙其中的一根线与PLC的高速输入端连接，即可将其连与0口的0.0连接在一起，获得高速缓冲脉冲。

3.4 旋转编码器

旋转编码器有增量型和绝对值型两种，测速的一般用增量型，增量型编码器能精确检测电机转速，现在应用很广泛，是一种很有前途的测速工具。在这里我们选择旋转编码器的型号是项目型号E6B2-CWZ6C，φ40的通用型，对应电源电压DC5～24V(集电极开路输出型)，外径φ40备有2000P/R的分辨率，输出方式是集电极输出开路（NPN输出）,具体的性能指标是Resolution:360P/R, Brown:5to24VDC, Blue:OV(common), Shield:GND, Black:OUTA, White:OUTB, Orange:OUTZ，图3-3为旋转编码器的实物图。

图3-3 旋转编码器的实物图

旋转编码器引出五色线，其中褐色的先练的是电源5~24VDC，黑色线输出Ａ相，白色是B相，橙色输出Z相，蓝色0V接common端。其中E6B2-CWZ6C型旋转编码器的链接，如图3-4。

图3-4 旋转编码器的链接

下面说下具体接线，将蓝色的线连在PLC的公共端，褐色的连接PLC的+24V的直流电源，然后和上面的公共端连接，在黑白橙中选择一个连接PLC的高速输入，这样旋转编码器部分就完成了，大家都知道只要电机旋转就会有信号输出，而旋转编码器和电机处于同轴，

所以旋转编码器就会感应到一个转速信号，然后通过连线将此信号接入PLC的高速输入端，然后导入PLC的CPU进行信号处理，从而得到一个处理好的信号输出一个信号，通过PLC 的模块进行显示出来，这在后面将会详细叙述。

我们可以看到图3-5为旋转编码器和PLC的连接示意图，实验过程中切要将线链接正确。而我们只要连接A、B、Z三相中的一相即可，连接到告诉输入端的00000。高频脉冲由PLC 的00000输入点输入，在输入计数脉冲的前沿，高速计数器的当前值加1。最高计数频率是5 KHz，计数范围是0～65535（00000000～0000FFFF）。

图3-5 旋转编码器与PLC的连接

在增减计数时可使用旋转编码器。旋转编码器的A 相脉冲接00000 输入点，B 相脉冲接00001输入点，复位Z信号接在00002输入点。递增计数：当A相超前B相90°时，在A、B相脉冲的前沿，计数器的当前值加1。递减计数：当B相超前A相90°时，在A、B相脉冲的前沿，计数器的当前值减1。增减计数的最高计数频率是2.5 KHz，计数范围是-32767～+32767（F0007FFF～00007FFF，第一位的F表示负数）。

高速计数器的复位方法：高速计数器复位时，其当前值为0。

(1) Z信号+ 软件复位：①若高速计数器的复位标志位25200先ON时，在复位Z信号ON的前沿时刻，高速计数器复位；②若复位Z信号先ON时，在25200 ON后一个扫描周期时，高速计数器复位。Ts是扫描周期。工作工程见图3-6。

图3-6 Z信号 + 软件复位示意图

（2）软件复位：当25200 ON 一个扫描周期后高速计数器复位。见图3-7.

另外，当PLC 断电再上电时高速计数器自动复位。

本次设计中我们采用软件复位当经过一个扫描周期之后，高速计数器复位，这里我们将用到一个专门的指令。

更多的了解旋转编码器的工作原理可以方便后面的编程，调试。

图3-7 软件复位原理图

3.5 变频器

本次实验要做的是对几个不同的频率的点击转速进行测量，但是实现不同频率功能要用变频器，选择型号3G3MV ，如图3-8为所选型号变频器的实体图。

图3-8 3G3MV 型变频器

复位

25200

主回路输入侧与电源之间必须接入断路器(MCCB)或保险丝，分别接上端子R/L1，S/L2，T/L3(单相用R/L1，S/L2)，绝对不要接入U/T1，V/T2，W/T3及B1，B2，-，+1，+2。会损坏变频器，使用200V单相电源时，绝对请勿使用T/L3端子。接线用断路器(MCCB)，保险丝，请参照P142页。请使用UL等级RK5保险丝。单相200V 0.75kW以下的也可以用三相200V电源输入。

8段速运行例：

n003=1 (运行方法选择) n031=60.0Hz (频率指令8)

n004=1 (频率指令选择) n050=1(输入端子S1)出厂设定

n024=25.0Hz (频率指令1 ) n051=2(输入端子S2)出厂设定

n025=30.0Hz (频率指令2) n052=3(输入端子S3)出厂设定

n026=35.0Hz (频率指令3) n053=5(输入端子S4)出厂设定

n027=40.0Hz (频率指令4) n054=6 (多功能输入端子S5)

n028=45.0Hz (频率指令5) n055=7 (多功能输入端子S6)

n029=50.0Hz (频率指令6) n056=8 (多功能输入端子S7)

n030=55.0Hz (频率指令7) n056=8(输入端子S7)请将设定变更为8 对于其他的参数设计，根据各参数的功能以及需要，设计参数值，如：n002设计为0是：v/f控制模式，设计为1时为控制模式（开放回路）矢量控制；而n006为反转禁止选择，输入反转指令时选择运行动作，设定为0时为允许反转，设置为1时为禁止反转（不接受指令）。

图3-9 8断频率运行原理图

多段运行指令的原理图如图3-9所示，电机启动，会按照开始变频器的默认频率运行，从n024开始，s5给一个脉冲信号，频率切换到n025出开始运行，当s6给定一个信号即2是，频率切换到n026开始运行，当脉冲给定信号为3也就是s6、s5各自都为1时，频率切换到

n027开始运行……以此类推都可得一共能得8断不同频率的运行。了解变频器的工作原理，正确的设置参数，从而方便后面的编程应用。

设置完参数，我们来了解一下变频器的安装，从而可以整天了解变频器的工作方式然后进行编程，图3-10即变频器的安装示意图s1、s2各自控制变频器的正反转的启动和停止，变频器和PLC链接是，注意s5 s6 s7和PLC的11口相链接11.0 11.01 11.02这样可以控制8断转速，本次设计中只要设计几段不同频率的速度就可，sc和plc的公共端相连接，s1 s2和10口的10.0 10.01连接，我们于本次设计只要测速，可以考虑只连接s1和10.0口就可，连接的时候注意接线接实，在这里注意一下n003（选择运行指令）的参数设计，为0的时候是操作数有效（与操作器操作方式相同），为1的时候是多功能输入端子有效，为2时是通信有效，为3时是通信卡（可选用）有效，根据设计需要，在这里选择n003=1 多功能输入端子有效，这样通过编程，可以控制PLC即可启动电动机运行。

图3-10 变频器的接线安装示意图

4 软件的设计

这里需要进行一系列的编程和调试，才能实现点击测速系统，其中包括PLC编程，分为测速部分的编程和不用频率之间的编程，还有组态部分的链接，设置及相应的编程。下面进行一一介绍。

4.1 系统总体流程图

对于整个系统的工作流程前面已经叙述，图4-1是系统总体流程图，PLC和组态王之间可以相互控制，建立连接，首先启动电机，电机按照默认的频率转动，只要电机旋转就会有信号输出，从而旋转编码器就会有反应，测得电机的转速，将其传递给PLC的高速输入端，PLC做出相应的处理，将测得的转速信号显示出来，并且过程中都要检测变频器的频率是否变化，显示出的数据就是我们要测得的转速。

图4-1 系统总体流程图

4.2 IO内存分配

表4-1为系统设计的IO端子表，其中IN里1.0控制S5位、1.01控制S6、1.02控制S7位，相当于给这三位三个输入信号。而对输出中S5接11.0、S6接11.01、S7接11.02，实现变频器和PLC的连接。表4-2位DM区的分配表，DM0是测得的脉冲数，而DM4是将测得的脉

冲数转换成转数显示出来，而DM5是一个暂存单元，是用来清零DM0单元的。

表4-1 IO端子表

表4-2 DM区分配

4.3 变频器部分的软件设计

此处设计主要是考虑给电动机不同的转速，所以在了解变频器部分原理的同时，正确设计变频器的参数，根据本次设计要求，我们设计出几个不同等级的频率就好，设计参数部分前面已经详细叙述，各接线方式也交代清楚。表4-3为变频器控制的8断频率表。

表4-3 变频器控制的8断频率

4.4 旋转编码器部分设计

本次设计我们要用旋转编码器对电机进行测速，我们需要通过实际的编程才可以将电机的速度显示在上位机上，但是我们需要对一些参数进行，比如对高速计数DM6642的设置控制字为0104，这里我们需要了解一下PRV指令，这个指令是用来读取PV值（比248、249通道速到的当前值精确），而且这个指令还是时时刷新的。指令见4-2a，其中P：端口定义，CPM2A 为000、010、100、101、102、103；C：控制数据 CPM2A为000到003之间，D：目的首通道（IR、SR、AR、DM、HR、LR）。注意：读出的当前值低4位放在D，高4位放在D+1中，而且D和D+1必须在同一个数据区内；当D使用DM区，必须是可读/写的DM区。配合上述各指令，可以编写使用高速计数器的程序。

a) b)

图4-2 PRV指令模型图

根据表4-1，结合本次设计要求及我们将要做的操作可以得出P值选择000，C值选择000，我们将测得的数据放到第一个目标字部位DM4中。见图4-2b，了解相当指令才可以方便更好的编程。获得我们想要的现象。

表4-1 P、C值参数设定

4.5 组态王界面设计

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：

(1)图形界面的设计

(2)构造数据库

(3)建立动画连接

(4)运行和调试

使用组态王软件开发具有以下几个特点:

(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。

(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。

在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:

(1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。

(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

5 调试

将程序编辑好，就要放到现场进行调试，在调试中不断的发现错误然后改正，最后取得我们想要的现象。

5.1调试环境

CX-Programmer 是OMRON公司新的编程软件，适用于C、CV、CS1系列 PLC，它可完成用户程序的建立、编辑、检查、调试以及监控，同时还具有完善的维护等功能，使得程序的开发及系统的维护更为简单、快捷。如图5-1为实验室中拍摄的现场连接图。

图5-1 测速系统现场接线图

5.2调试过程

5.2.1 变频器方面调试

图5-2是变频器的8断调频程序，变频器部分主要是注意变频器和PLC的链接一定要正确，sc端和PLC公共端连接。然后通过按钮改变变频器的频率，通过点击测速，获得我们想要的结果。