基于PLC的小型音乐喷泉设计最终版 - 图文(4)

第二章 系统总体介绍

第二章 系统总体介绍

音乐喷泉的控制主要由PLC和变频器完成，通过音乐的频率信号控制PLC。通过改变水泵电机的控制频率可以实现水泵转速变化，进而通过水泵的转速变化来控制音乐喷泉的水柱高度变化，实现音乐变化对喷泉的控制。变频器接受来自经PLC处理的音乐控制信号，输出频率不同的交流电，从而水泵的喷水状态不断变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态。同时通过PLC控制彩灯，实现彩灯组与音乐节奏的同步变换。

2.1 音乐喷泉组成

此小型音乐喷泉喷头分三组。外圈九个喷头，中圈六个喷头，喷水口直径0.5mm，中心主喷头用集流直上喷头，它比一般直流喷头喷水流量大，当水泵大功率运行时，有壮观的喷水直径和高度。本设计采用两组单相潜水泵，外两圈喷头由一个12W的潜水泵提供压力，主喷头由一个55W的潜水泵提供水压。两组彩灯分两圈，分别安装在外圈和中圈喷头下，工作是成交替闪烁。这样音乐喷泉工作时喷水层次感明显，视觉效果良好。喷泉水池直径约0.8m，喷头组最大直径0.5m，在外圈和中圈喷头向内倾斜的情况下很好的防止了水池喷水造成的向外溅水。

音乐喷泉的控制系统由音乐信号处理电路（包括F/V转换电路、模/数转换电路、信号隔离电路），PLC及变频控制电路，潜水泵控制电路，稳压电源电路和音响设备组成。其中PLC及变频控制电路为设计重点。

2.2 控制系统的简要工作过程

首先对音频信号进行分配，一路直接经功率放大器后输出到外部音箱设备；另一路 则对音频信号进行采样和A/D 转换等预处理；其次，经过PLC对数字量音频信号（二进 制） 进行转换,将其音频信号转换成实数， 再通过在PLC内部设定某种固定值或表格数据， 与之相比较输出采样值的范围；最后，通过对变频器的高、中、低三个控制端进行开关 量输入，即输入组合（001～111），以达到调节变频器的7种频率段，并能很好的控制 潜水泵的转速。当转速的快慢、音乐音频信号各频率对应声音信号的强度, 通过变频控 制系统就可以将音频信号的变化用喷泉的水柱表现出来, 水柱的高低按线性比例反映音 频信号的幅度。设每次对音频信号的采样时间为0.6s。

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控制系统主要由PLC、A/D转换模块、变频器、潜水泵和灯光组成。通过PLC对外 部音频信号的采样、 转换来控制变频器和故态继电器的动作， 从而达到控制系统的要求， 并能够实现对音乐和喷泉的实时的完美结合。音乐喷泉控制系统硬件组成部分如图3.1 所示。

图2-1 音乐喷泉控制系统结果图

（1） 系统的控制过程

在这里，输入转换电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测并将检测到的信号以电平、脉冲或数字形式送至PLC的电路。 在此控制系统中，利用A/D模块对音乐信号的采样，根据控制精度的需要,人耳的听 觉,音乐信号的特点。由于人耳听到的是广场上播放乐曲的声音,而人眼看到的是喷头的

2.3 本章小结

通过相关资料，确定方案：设计采用S7-200PLC和MICROMASTER420变频器作为主

控制硬件，由于控制系统较简单，本次设计选择MM420变频器来控制水泵转速。MM420是通用变频器，是用于控制三相交流电动机速度的变频器。设计了以S7-200PLC基本系统为核心的一台音乐喷泉，其中包PLC、变频器、水泵、电机驱动、系统软件等部分的设计。

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第三章 系统硬件设计

第三章 系统硬件设计

3.1 变频器的工作原理以及控制方式

3.1.1 变频器的工作原理

变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要。现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF，变频或矢量控制变频），先把工频交流电通过整流器转换成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电，以供给电动机。变频器的电路一般由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成。[8]

交流电动机的同步转速表达式为 n = 60 f (1? s) / p

式中：n—异步电动机的转速；f—异步电动机的频率；s—电动机转差率；p—电动机极对数。

由上式可知，异步电动机的转速n 与频率f成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速，当频率f 在0～50 Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。[8]

变频器首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行控制变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数。使转数在一定的范围内可调，一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。

变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着图3-1所示的基本结构。

交流电交流电整流电路直流中间电路逆变电路频率和电压可调的交流电 商用电源控制电路

图3-1 变频器的基本构成

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3.1.2 变频器的控制方式与性能

异步电动机调速转动时,变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制,不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途也不同。

变频器控制方式大致大体可分为开环控制盒闭环控制两种，后者进行电动机速度反馈。开环控制有U/f控制方式，闭环控制有转差频率控制和矢量控制等方式。

(1) U/f控制

对于异步电动机，只要改变其供电电源的频率，即可以改变电动机的转速，达到进行调速运转的目的。但是，对于一个实际的交流调速控制系统来说，事情远远不是那么简单。这是因为当电动机电源的频率被改变时，电动机的内部阻抗也将随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。在励磁不足的情况下电动机将难以给出足够的转矩，而在励磁过强时电动机又将出现磁饱和，造成电动机功率因数和效率的下降。因此，为了得到理想的转矩速度特性，在改变电源频率进行调速的同时，必须采取必要的措施来保证电动机的气隙磁通处于高效状态（即保持磁通不变）。这就是U/f控制的出发点。

这种变频器虽然结构比较简单，但是，由于这种变频器采用的是开环控制方式，其精度和动态特性并不是十分理想，尤其是在低速区电压调整比较困难，难以得到较大的调速范围。所以采用这种控制方式的变频器一般是对控制性能要求不太高的通用变频器。

⑵ 转差频率控制：

转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机转速与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与U/f控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外它有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静差小，适用于自动控制系统。转差频率控制方式通常用于单机运转。

因为在采用转差频率控制方式时需要检测电动机的实际转速，所以需要在异步电动机轴上安装速度传感器。而电动机的转速检测则由速度传感器和变频器控制电路中的运算电路完成。控制电路还将通过适当的算法根据检测到的电动机速度产生转差频率和其他的控制信号。此外，在采用了转差频率控制方式的变频器中往往还加有电流负反馈，对频率和电流进行控制，所以这种变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性 。

⑶ 矢量控制：

矢量控制的基本思想是认为异步电动机和直流电动机具有相同的转矩产生机理，

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第三章 系统的硬件设计

即电动机的转矩为磁场和与其相垂直的电流的积，而异步电动机的定子电流则可以分为产生磁场的电流分量（磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）。因此，通过控制电动机定子电流的大小和相位（即定子电流矢量），即可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。

3.2 变频器控制参数设计

根据播放的音乐来控制水柱，达到水柱与音乐同步的效果，而水柱是由水泵来控制的，水泵是由异步电动机组成的，异步电动机的转速如果通入工频电源，转速是不变化的，变频器是专门针对电机调速的装置。由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化。变频器的主要任务是把工频电源变换为另一频率的交流电，以满足交流电动机的变频调速的需要，本系统中变频器主要用来接受来自经PLC处理的音乐控制信号，输出频率不同的交流电，从而使水泵的喷水状态不断变化，实现了喷泉喷水随音乐高低呈现不同的形态[7]。

3.2.1 MM420变频器的电路结构

MM420变频器电路图如图2-2所示，包括主电路和控制电路两部分，主电路完成电能转换（整流和逆变），控制电路处理信息的收集、变换和传输。

在主电路中，由电源输入单相或三相恒压恒频的交流电，经整流电路转换成恒定的直流电，供给逆变电路。逆变电路在CPU控制下，将恒定的直流电你变成电压和频率均可调的三相交流电供给电动机负载。由图3-1可知，MM420变频器直流换届是通过电容进行滤波的，因此属于电压型交-直-交变频器。

MM420变频器的控制电路由CPU、模拟输入（AIN+、AIN—）、模拟输出（AOUT+、AOUT—）、数字输出（DIN1~DIN3）、输出继电器触头（RL1B、RL1C）、操作板（BOP）等组成。

端子1、2是为用户提供的10V直流电源。当采取模拟电压信号输入方式输入给定频率时，为了提高交流变频调速系统的控制精度，必须配备一个高精度的直流电源。

模拟输入3、4端，为用户提供了两对模拟电压给定输入端，作为频率给定信号，经变频器内的模/数转换器，将模拟量转换为数字量，提供给CPU来控制系统。

数字输入端5、6、7为用户提供了3个完全可编程的数字输入端，数字信号经光电隔离输入CPU，对电动机进行控制[8]。

端子8和9是24V直流电源端，为变频器的控制电路提供24V直流电源。

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