毕业设计变频调速系统PLC控制

绪 论

可编程控制器（PLC）是一种工业控制计算机，是集计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。

目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。

变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错 误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，报警窗口，生产报表等功能，已经在多个领域被应用。

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第1章 系统的功能设计分析和总体思路

1.1 系统设计要求

科学研究和生产实践的诸多领域中,调速系统占有着极为重要的地位,特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等对于控制速度有着严格要求的工业中，具有举足轻重的作用。调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来主要功能实现了变压变频调速。电机的正反转，加减速以及快速制动等。

1.2 系统设计的总体思路

系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC，再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC，经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。 具体如下图所示： 速度给定 速度反馈信号 图1.1速度闭环控制的机构控制图

+ PLC（PID） 变频调速系统 电机 - 1.3 影响PLC控制系统稳定性的原因及解决方法

自动化系统中所使用的各类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。下面列举了主要的干扰源和相应的处理措施

1.3.1 电磁干扰源及对系统的干扰

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干扰类型通常按干扰产生的原因、嘈声干扰和嘈声的波形性质的不同划分。其中：按嘈声产生的原因不同，分为放电嘈声、浪涌嘈声、高频振荡嘈声等。按嘈声的波形、性质不同，分为持续嘈声、偶发嘈声等，按嘈声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共摸干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成，共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输送的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/0模件损坏率较高的主要原因）。

1.3.2 来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视，二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/0信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。

解决方法 ：

1、采用性能优良的电源，抑制电网引如的干扰

2、硬件滤波及软件抗如果措施，信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰，在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。

3、正确选择地点完善接地系统，应采用直接接地方式

1.4 变频器的控制方式

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

1.4.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一

般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方

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式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

1.4.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式

它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场

轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

1.4.3 矢量控制（VC）方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、

Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

1.4.4 直接转矩控制（DTC）方式

直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简

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化交流电动机的数学模型。

1.4.5 矩阵式交—交控制方式

由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：

——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； ——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； ——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；

——实现BandBand控制按磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

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第2章 PLC和变频器的型号选择

2.1 PLC的型号选择

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

综合了输入输出（I/O）点数、存储器容量、各项控制功能和机型的考虑以及性价比等各方面的因素，在此我为该系统设计选择了S7-200 PLC一台。

图2.1 S7-200 PLC CPU的外形模型图

S7-200有5种CPU模块、6个有12种工作方式的高速计数器和两点高速计数器/和脉冲宽度调制器、直接读写的模拟量I/O模块、先进的程序结构、灵活方便的寻址方式以及程序化的PID编程控制。强大的通讯功能，它支持多种通信协议。价格是它在所有品牌在同一功能区内很有竞争力的。最重要的是它还提供了完善的的网上支持。这些都为实现本系统的设计提供很好的条件和方便。例如，高速计数器可以用来测速从而实现速度反馈。

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2.2 变频器的选择和参数设置

2.2.1 变频器的选择

正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。

变频器在调速系统中的优点： 1．控制电机的启动电流； 2．降低电力线路的电压波动； 3．启动时需要的功率更低； 4．可控的加速功能； 5．可调的运行速度； 6．可调的转矩极限； 7．受控的停止方式； 8．节能； 9．可逆运行控制； 10．减少机械传动部件。

在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。变频器MM420 为我们提供了很好的BOP控制面板具体如下图：

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图2.2 变频器BOP控制面板图

2.2.2 变频调速原理

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

n=60f(1-s)/p

对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，故电机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调试目的。

2.2.3 变频器的工作原理

变频器的工作原理是把市电（380V 、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。

2.2.4 变频器的快速设置

如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用

到的变频器都已经完成了快速调试。

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表2.1 变频器参数及功能

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 变频器参数 P0304 P0305 P0307 P0310 P0311 P1000 P1080 P1082 P1120 P1121 P0700 P0701 P0702 P1058 P1059 P1060 P1061 出厂值 230 3.25 0.75 50.00 0 2 0 50 10 10 2 1 12 5.00 5.00 10.00 10.00 设定值 380 0.35 0.06 50.00 1430 1 0 50.00 10 10 2 10 11 30 20 10 5 功能说明 电动机的额定电压( 380V ) 电动机的额定电流( 0.35A ) 电动机的额定功率( 60W ) 电动机的额定频率( 50Hz ) 电动机的额定转速( 1430 r/min ) 用操作面板（BOP）控制频率的升降 电动机的最小频率( 0Hz ) 电动机的最大频率( 50Hz ) 斜坡上升时间( 10S ) 斜坡下降时间( 10S ) 选择命令源（ 由端子排输入 ） 正向点动 反向点动 正向点动频率（30Hz） 反向点动频率（20Hz） 点动斜坡上升时间（10S） 点动斜坡下降时间（5S） 注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值 （2）设定P0003=2 允许访问扩展参数

（3）设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定

P0010=0(准备)

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表2.2选择命令/设定这源

改变参数数值的一个数字：

为了快速修改参数的数值，可以单独修改显示出的每个数字，操作步骤如下：

1.按 （功能键），最右边的一个数字闪烁。 2.按 / ，修改这位数字的数值。

3.再按 （功能键），相邻的下一位数字闪烁。 4.执行2至4步，直到显示出所要求的数值。

5.按 ，退出参数数值的访问级。

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图2.3 变频器的设置一般方法：

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第3章 硬件设计以及PLC编程

3.1闭环控制设计及PLC编程

3.1.1 硬件设计

图3.1 为控制系统硬件连接图

图3.2为变频器和PLC的电路连接图

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3.1.2 PLC软件编程

系统采用开环控制方式来控制电机的调速，根据PID控制的整体思想：

PID控制运算 图3.3 PID控制

控制值输出 控制量输入过程采样 故在编写程序的时候可以分为三部分：主程序、中断程序和子程序。 主程序： 主要是用来启动中断程序以及控制量的输入和输出。 中断程序：调用PID指令进行运算以及数据类型的转换。

子程序： 设置PID控制的参数 PID算法：

PLC的PID控制器设计是以连续系统PID控制规律为基础，经采样将其数字化写成离散形式PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计。典型的PID算法包括3项，比例项、积分项和微分项。即：输出＝比例项＋积分项＋微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：

Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn） 比例项Kc*（SPn-PVn）：能及时地产生与偏差（SPn-PVn）成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的静态稳定精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。

积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作较慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。积分时间常数Ti增大，积分作用越强，消除稳态误差的速度减慢。

微分项Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，但Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。

许多控制系统内，可能只需要P、I、D中的一种或两种控制类型。如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择。

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表3.1 程序地址分配

地址 VD12 VD300 说明 目标速度设定存放地址 当前实际速度存放地址 表3.2 PID指令回路表

地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124

名称 过程变量（PVn） 给定值（SPn） 输出值（Mn） 增益（Kc） 采样时间（Ts） 采样时间（Ti） 微分时间（Td） 说明 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 必须在0.0~1.0之间 比例常数，可正可负 单位为s，必须是正数 单位为min，必须是正数 单位为min，必须是正数 3.2 闭环控制设计

构成闭环系统就要把速度信息反馈给输入。速度的测量可以通过光电编码器和

PLC来实现。

速度采集：S7-200具有高速脉冲采集功能，采集频率可以达到30KHz，共有

6个高速计数器（HSC0~HSC5）工作模式有12种。在固定时间间隔内采集脉冲差值，通过计算既可以获得电动机的当前转速。

例如： 设采样周期为100ms 即是每隔100ms采集脉冲一次，光电开关每转发出8个脉冲，那么就可以得到速度为

其中

nm/(0.1608)

m 为采样周期内接受到的脉冲数。转速的单位为 r/min。

闭环控制就是将速度信号反馈给PLC，再通过与给定量比较，输出给PID控制部分，从而调节速度使其能达到设定要求。

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速度给定 + PLC（PID） 变频调速系统 电机 速度反馈信号 - 图3.4其结构框图

图3.5硬件连接图

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第4章 实验调试和数据分析

4.1 PID 参数整定

PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程上已经有大量的经验，其规律如下表所示：

表4.1经验法规律 被控变量 温度 规律的选择 滞后较大 比例度 20~60 积分时间（分钟） 微分时间（分钟） 3~10 0.5~3 实验凑试法的整定步骤为\"先比例，再积分，最后微分\"。 1）整定比例控制

将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 2）整定积分环节

先将步骤1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 3）整定微分环节环节

先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。

4.2 运行结果

此次是速度的PID控制，速度具有比较严重的滞后性，所以一般为了增强系统动态响应，比例、积分、微分全投入使用，经过多次参数设定比较后，当设定比例系数P为10，积分时间I为0.15，微分时间D为0.01时，系统能得到比较满意的控制效果，最大超调只有两度多，稳定后能保持在+1r/min以内.

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系统控制效果如下：

图4.1 实时曲线图

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第5章 总结和体会

通过这次的毕业论文我受益匪浅。在论文设计期间通过与同学们之间的交流和老师的指导，使自己学到了不少知识。除了学会了西门子S7—200 的基本知识，并掌握了S7—200的工作原理和一些指令的功能以外，还掌握了传感器和变频器的使用方法，并且深化了我对PID控制技术的理解。

在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因为这次实训中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关的资料。另外就是在遇到实际问题的时候，要认真思考，运用所学的知识，一步一步的去探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。而在这次设计程序的过程中，我一开始时走了很多弯路，这也是自己的知识不够扎实的原因。不过经过自己几天的努力，最后还是做了出来，而且还做得挺不错的。

虽然我们设计的东西并不难，但是在设计的过程中我学到了书本上所没有学到的东西。只有理论，没有结合实际是很难做出东西的。比如在调试的过程中，遇到问题往往是书本上的知识不能直接的解决的，只要在扎实的专业知识的前提下，我们才能把东西做好。

经过这次的毕业设计，让我深深的感受到理论联系实践的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有更好的认知。本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来了很多收获。它使我意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。所以在以后的学习生活中，我会更加努力地加强理论联系实践的学习，在努力学好专业知识的同时努力加强自己的专业技能方面的能力，使自己的知识在实践中不断增长，在实践中锻炼自己，培养自己各方面的能力，不断提高自己的能力。

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致 谢

经过两周的努力，毕业论文暂告收尾，这也意味着我在河南机电高等专科学校的三年的学习生活既将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这三年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

非常感谢马俊龙老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我的毕业论文，他放弃了自己的闲暇时间，他的这种敬业精神和对我们关怀的思想令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意。

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参 考 文 献

[1]. 田效伍.电气控制与PLC应用[M].北京：机械工业出版社，2000 [2]. 于海生，等.计算机控制技术.北京：机械工业出版社，2007 [3]. 田效伍.交流调速系统和变频器应用. 机械工业出版社,2006 [4]. 许晓峰.电机及拖动.北京：高等教育出版社，2008 [5]. 王积伟. 自动控制工程 .高等教育出版社 ,2007

[6] 周万珍, 高鸿斌. PLC分析与设计应用 . 电子工业出版社,2008 [7] 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术,北京航空航天大学出版社,2009 [8] 张燕宾. 变频器应用教程. 机械工业出版社,2008 [9] 黄坚. 自动控制原理及其应用.高等教育出版社,2004 [10] 王积伟. 自动控制工程.高等教育出版社,2005

[11] 王廷才. 王伟. 变频器原理及应用.机械工业出版社,2004 [12] 王兆义.可编程控制器教程.机械工业出版社,2005

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附 录 一

变频器内部原理框图:

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附录二

闭环的程序设计以及源程序

主程序

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子程序

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中断程序

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