管道清淤機器人及控制系統(tǒng)研究_畢業(yè)論文

1、河北理工大學畢業(yè)論文課題名稱：管道清淤機器人及控制系統(tǒng)研究姓 名: 劉 剛 工程領域: 機械工程 所屬學院: 機械工程學院 學校導師: 王豐 教授 2006年 6 月 24 日目錄摘要Abstract21管道清淤機器人概述31.1 課題綜述31.2 國內外管道清淤機器人技術現狀31.2.1 國外的技術現狀31.2.2 國內的技術現狀41.3 本市管道清淤技術現狀61.4 管道清淤機器人總體控制方案62 清淤機器人控制系統(tǒng)分析72.1 控制系統(tǒng)控制器的選擇72.2 S7-200系列PLC概述72.2.1 S7-200系列PLC簡介72.2.2 程序設計中用到的PLC指令112.3 步進電機及其驅

2、動器簡介152.3.1 步進電機152.3.2 步進電機驅動電源162.4 電機驅動器的選擇172.4.1 步進電機驅動器的選擇172.4.2 直流電機驅動器的選擇203 基于PLC的清淤機器人控制系統(tǒng)設計243.1 清淤機器人的控制過程243.2 PLC的選型和通信243.2.1 PLC的選型243.2.2 兩臺PLC之間的網絡通信253.3 I/O端點的確定和分配263.4 電機和驅動器的連接293.4.1 步進電機驅動器和電機的連接293.4.2 直流電機驅動器和電機的連接293.5 PLC和電機驅動器的連接303.6 清淤機器人的控制程序設計303.6.1 編程的語言303.6.2 編

3、程的一般規(guī)約313.6.3 程序框圖的設計323.6.4 控制程序的設計32結 論39致 謝40參考文獻41附錄A清淤機器人控制清單43摘 要摘要本文主要介紹了清淤機器人目前的發(fā)展狀況以及通過利用PLC來實現對機器人的運動控制，從而使機器人自主地完成清淤任務。我們到唐山市區(qū)管網管理所進行實地考察，那里的工作人員熱情地接待了我們，并給我們介紹了排水管道中淤積物的種類、目前城市排水管道的清淤方法以及需要解決的問題。又通過圖書館和網絡，查閱有關步進電機控制的學術論文、專利等文獻資料。我確定了本次論文的大體內容、研究方案和研究目的：機器人內部有三臺電機，地面上有一臺電機。PLC通過控制這四臺電機來達到

4、控制機器人的目的。本文詳細介紹了PLC對電機的方向、速度、電流的控制方法和編程技術，包括PLC和驅動器的選型，步進電機和驅動器的連接和控制程序的編寫等?？刂瞥绦蛑饕獮榱藢崿F排水管道清淤機器人前進/返回方向控制、脈沖寬度調制調速。關鍵詞：可編程控制器；步進電機；驅動器AbstractAbstractThe this article main introduction settles silt robots the development condition at present and by using PLC to control the robot it make the robot ind

5、ependently to complete the task.We went to the Tangshan pipe network center for investigation, the staff there warmly has received us, and introduced to us the silting up type in the drainage channel, the present city drainage channel clear silt method and question. Also by the library and the netwo

6、rk, I checked some reference related step motor controls.I have determined this paper the content, the research plan and the research goal: The robot interior has three stepping motor, there is a step motor in the ground. PLC controls four motor to controls the robot. This article in detail introduc

7、ed how PLC control motors direction, speed, electric current and the programming technology, including PLC and the drivers selection, step motor and the drivers connection and the control program and so on.The clear silt robot developments significance lies in: May realize the clean-up drainage chan

8、nel; Improves working conditions currently dredging the pipeline, reduces workers labor intensity, safeguards workers personal safety, the enhancement drainage channel cleans up. In addition, it also can apply to other related field.KeyWords：programmable controller; stepping motor; driver231 管道清淤機器人

9、概述1管道清淤機器人概述1.1 課題綜述目前，城市的給水排水系統(tǒng)是通過地下管道來實現的。但排水管道很容易被一些油或雜物等堵塞，為提高管道的壽命、防止堵塞等事故的發(fā)生，因此必須對管道系統(tǒng)經常性的管理養(yǎng)護和對管道進行有效的檢測和清通。管道機器人為滿足該需要而產生的。管道機器人是一種可沿細小管道內部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械，在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。管道清淤機器人應具備清掃管道、噴射清洗氣霧和傳感器檢測管道內狀況的功能。管道清淤機器人是在機器人技術上發(fā)展而來的，其機器人載體采用了常用的輪式行走機構，結構簡單而且驅動力大，多

10、選擇步進電動機作為原動機。步進電機的控制性能好、精度高，在是一種控制性能非常好的控制電機。因此，對清淤機器人的控制就是用控制器直接對步進電機進行控制，其控制器現在大多采用技術比較成熟的PLC和單片機，特別是PLC對步進電機的控制。PLC控制能力好，抗干擾能力強，其最大的優(yōu)點是編程語言簡單易學，這大大簡化了機器人的控制過程。 清淤機器人具體到本課題中就是我們說的“小車”。它是由步進電動機來驅動的，而步進電動機是由PLC來控制的。設計要求利用S7-200PLC對步進電機進行控制，其中包括：步進電機和其驅動器的選擇；步進電機與其驅動器的連接；PLC對步進電機和直流電機方向、速度控制，從而可以實現對排

11、水管道清淤機器人前進/返回控制，變速控制，以提高清淤機器人的工作效率。管道清淤機器人研制的根本意義在于：可以實現排水管道的疏通清理工作；改善當前疏通管道時工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動強度、保障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率。此外，它還能應用到其他相關領域。1.2 國內外管道清淤機器人技術現狀1.2.1 國外的技術現狀目前，國外的管道清洗機器人已形成產業(yè)化。如美國、丹麥、日本、韓國等諸多國家均有管道清洗機器人系列產品。早在1978年法國研制了一種輪腿式管內機器人行走機構，成功地實現了管內自主行走。該機構由2個行走輪及4個支撐腿組成，腿由電機驅動運動，以適應不同管徑的變化。80年代，隨著

12、計算機、傳感器、現代控制理論和技術的發(fā)展，為管內機器人的研究應用提供了技術保證。國外相繼開展研制了多種類型的管內檢測移動機器人。東京理科大學福田敏男等研制的可以通過90彎管的管內移動機器人樣機，如下圖。機器人由可相對回轉的頭部和本體組成，當機器人沿直管行走時，本體上的電機M1通過減速裝置將動力傳給本體上的驅動輪，當機器人沿彎管行走時，電機M2驅動頭部作姿態(tài)調整，并驅動頭部履帶引導機器人通過彎管。該機器人可作管內裂紋探測，適用管徑50mm，行走速度00.48m/min。但由于攜帶的蓄電池電能的限制，還不能實現較遠的行走。圖1 管內移動機器人樣機管道清淤機器人應具備清掃管道、噴射清洗氣霧和傳感器檢

13、測管道內狀況的功能。要實現這些功能，機器人必須擁有的“器官”包括：靈活的移動載體、多種清掃和清洗作業(yè)工具、通信系統(tǒng)和操作盒以及一些輔助設備和設施?？v觀國外管道清洗機器人，其結構大同小異，性能水平也沒太大的差別：1. 大多采用輪式或雙履帶式移動機構，管道適應性并不強；2. 配有高速旋轉的清掃機構，用來把管內的灰塵打落、清除。由于管道有矩形管和圓管之分，所以可更換相應的清洗矩形管和圓管的清潔刷；3. 裝有CCD攝像頭及照明燈，用于探測管道內的狀況，這在人所不能到達的管道內部是必不可少的；4. 由于管道機器人還不可能達到完全自主清潔，故采用線控方式，由操作人員在管道外進行操作。1.2.2 國內的技術

14、現狀我國在管道清淤機器人的研究應用還比較落后，但也有一些單位在這一領域取得了可喜的進展。哈爾濱工業(yè)大學目前已做出了管內機器人實驗樣機，上海大學、天津大學、成都核物理所和四川工業(yè)學院也從事這方面的研究工作。四川工業(yè)學院著重研究了PLC對步進電機的控制。PLC對電機控制的實現是以PLC的高速計數功能和脈寬調制方式（PWM）的輸出功能為基礎的。為實現行走電機速度控制和位置控制，在結構上必須構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，為此采用了光電增量式編碼器作為反饋信號傳感器。通過PLC的高速計數功能對反饋信號進行數據采集，由PLC的PWM輸出控制電機的轉速。在一個采樣周期內，PLC速度控制程序需處理以下工作以調節(jié)電機穩(wěn)

15、速運行；用定時器設定采樣時間；調用高速計數指令采樣電機位置信號；調用除法程序求電機速度；設置值和實測值做減法求偏差值；調用比例積分微分（PID）子程序對偏差進行控制調節(jié)；通過寫PWM指令控制字調節(jié)PWM輸出占空比調節(jié)轉速。還有天津大學研究了一種管道機器人，該機器人系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，主要包括三個組成部分：移動機器人本體模塊、收放線裝置模塊、控制系統(tǒng)模塊。本體模塊的顯著特點是采用積木式變寬結構以滿足機器人適用于不同管徑的管道作業(yè)；收放線裝置模塊實現電纜收放；控制模塊設計兩套控制系統(tǒng)：一是手動控制系統(tǒng)，另一是微機控制系統(tǒng)。手動控制系統(tǒng)通過控制面板上的按鈕來控制機器人本體的前進、后退、加速、減

16、速、急停，并實時顯示機器人本體行進深度等；微機控制系統(tǒng)由插在PC機擴展槽上的自行研制的專用接口卡與控制箱上的計算機接口相連，通過軟件實現計算機對機器人系統(tǒng)的控制。目前，主要采用的管道清淤方法是水力清淤法和機械清淤法。水力清淤是利用管中的污水、城市自來水對排水管道進行沖洗，靠高壓水流把淤積物沖走。機械清淤法是在管段的首尾兩井上各設絞車，如圖2，車上系住鋼絲繩，用絞車來回拉動清管工具二三次，管內淤泥即可刮下無遺，清除效果好。圖2 機械清淤法1.3 本市管道清淤技術現狀唐山是北方重要的工業(yè)城市，水資源的利用量和排放量都非常大。因此，研究唐山的排水管道結構和管道清淤方式具有很重要的意義。從管網所得到的

17、結果表明：唐山市的排水管道的內徑從300-3000mm之間不等，主排水管大多為300-600mm，支管多為300mm。井口直徑為640mm，往下直徑越來越大，呈錐形。井距一般為50m，兩井口間的連接管道有一定的坡度，一般在0.003以上，靠重力實現流動，管道堵塞時多為樹枝、棉絲、淤泥、鈣化物等，使懸浮物無法靠重力順流而下。目前主要用兩種設備：一個是管道高壓清洗車，另一個是管道吸污車。管道高壓清洗車有一個高壓噴頭，它是圓錐狀的，圓錐外側能噴出高壓水柱，同時噴頭不停的振動，振動的力量相當大，足以清洗掉管道內的一大部分淤積物，然后靠高壓水流把淤積物沖走，這種方法非常實用，效果也很好。當淤泥比較多時，

18、采用吸污車直接把淤泥吸出來。1.4 管道清淤機器人總體控制方案管道清淤機器人共使用4臺電機：M1為載體步進電機、M2為刀具步進電機、M3為調節(jié)壓緊步進電機、M4為收放直流減速電機。按下啟動按鈕，M1正轉，M4反轉，M2延時后正轉；載體打滑時，M3正轉，直到不打滑時M3停止，若壓緊調節(jié)機構到極限位置還打滑，則M3停止，則按下手動返回按鈕返回；若電機過載時，則按下手動返回按鈕返回；遇大障礙時，則按下手動返回按鈕返回；若需要急停時，則按下急停按鈕；若到達下一井口，行程開關動作，載體返回。不管手動返回還是自動返回都需調用返回子程序。當調用返回子程序時，M1反轉，M4正轉，若回到原井口，行程開關動作并報

19、警，M1、M2、M4停止，M3反轉，直到壓緊力調節(jié)機構回到原始位置，M3停止。2 清淤機器人控制系統(tǒng)分析2 清淤機器人控制系統(tǒng)分析2.1 控制系統(tǒng)控制器的選擇如前所述，管道清淤機器人是用步進電機驅動的，而步進電機的控制器選擇工業(yè)上使用最廣泛的可編程邏輯控制器（PLC），用PLC控制步進電機是機電一體化的必然趨勢。由于管道機器人是在野外管線內部作業(yè)，環(huán)境惡劣，不允許出現在管內失控的重大事故，因此除了對機器人的能源動力系統(tǒng)等強電部分提出了嚴格要求外，還對機器人的控制單元提出了極高的運行可靠性要求，以保證控制單元不受環(huán)境、強電及射線等干擾，在有效的控制策略下起到持續(xù)監(jiān)控作用；另外管道機器人在作業(yè)過程

20、中主要處理一些開關量，對控制器的處理時間要求不高，所以選用了可編程邏輯控制器（PLC）作為管道機器人的控制器。目前PLC生產廠家很多，選擇西門子的S7-200PLC系列，這一系列產品能滿足多種多樣的自動化需求，由于具有緊湊的設計、良好的擴展性能、低廉的價格和強大的指令，使得S7-200PLC可以近乎完美的滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的PLC類型和電壓等級使其在解決用戶的自動化問題時，具有很強的適應性。2.2 S7-200系列PLC概述2.2.1 S7-200系列PLC簡介S7-200系列是西門子公司投放市場的小型可編程控制器。全部采用整體式結構，它的結構小巧，可靠性高，運行速度快，有豐富的

21、指令集，只有強大的多種集成功能和實時特性，配有豐富的功能擴展模塊，在各行各業(yè)中的應用迅速得到推廣，在規(guī)模不太大的控制領域是較為理想的控制器。圖3為S7-200PLC的外型圖。圖3 S7-200PLC的外型圖S7-200系列PLC既可獨立運行，也可擴展相連成網絡，能實現復雜控制功能，可提供4個不同的基本型號的8種PLC供選用。一臺S7-200 PLC包括一個單獨的S7-200CPU，或者帶有各種各樣的可選擴展模塊，其主要組成部分如下。1. S7-200CPU模塊S7-200CPU模塊包括一個中央處理單元（CPU）、電源以及數字量I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。1）CPU負責執(zhí)行程

22、序和存儲數據，以便對工業(yè)自動控制任務或過程進行控制。2）輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點，輸入部分從現場設備（例如傳感器或開關）中采集信號，輸出部分則控制泵、電機以及工業(yè)過程中的其他設備。3）電源向CPU及其所連接的任何模塊提供電力。4）通信端口允許將S7-200CPU同編程器或其他些設備連接起來。5）狀態(tài)信號燈顯示了CPU的工作模式（運行或停止）、本機I/O的當前狀態(tài)及檢查出的系統(tǒng)錯誤。6）通過擴展模塊可增加CPU的I/O點數（CPU 22l不可擴展）。7）通過擴展模塊可提供其通信性能。8）一些CPU具有內置的實時時鐘，其他CPU則需要實時時鐘卡。9）EEPROM卡可以存儲CPU程序，也可以將一個C

23、PU中的程序送到另一個CPU中。10）通過可選的插入式電池盒可延長RAM中的數據存儲時間。2. 最大I/O配置每種CPU的最大I/O配置須服從以下限制。1）模塊數量。 即CPU221不能擴展。CPU222最多兩個擴展模塊。CPU224和CPU226最多7個擴展模塊。7個模塊中最多能有兩個智能擴展模塊（EM 277Profibus-DP模塊）。2）數字量映像寄存器大小。每個CPU允許的數字量I/O的邏輯空間為128個輸入和128個輸出。由于該邏輯空間按8點模塊分配，因此有些物理點無法被尋址。一個特殊模塊可能不能全部尋址8個點，例如，CPU224有10個輸出點，但它占用邏輯輸出區(qū)的16全點地址。一

24、個4入/4出模塊占用邏輯8個輸入點和8個輸出點。3）模擬量映像寄存器大小，模擬量I/O允許的邏輯空間。即CPU222為16輸入和16輸出。CPU224和CPU226為32輸入和32輸出4）5V電源供電。3. 輸入/輸出I/O擴展模塊1）數字量擴展模塊數字量擴展模塊為使用除了本機集成的數字量輸入/輸出點外更多的輸入輸出提供了途徑。用戶可分別對PLC及任何擴展模塊的混合體進行組態(tài)以滿足應用的實際要求，同時節(jié)約不必要的投資費用。可提供8個、16個和32個輸入/輸出點的模塊供使用。2）模擬量擴展模塊模擬量擴展模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，直接與傳感器和執(zhí)行器相連，12位的分辨率和多種輸入/輸出范圍

25、能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連，例如，EM235模塊可直接與PT100熱電阻相連。其技術性能如下表：表1 S7-200PLC的主要技術性能特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺（mm）908062908062120.580621908062存儲器程序2048字2048字2048字2048字用戶數據1024字1024字1024字1024字用戶存儲器類型EEPOMEEPOMEEPOMEEPOM數據后備典型值50小時50小時190小時190小時本機I/O本機I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出擴展模塊數量無2個模塊7個模塊7個模塊I/O總計數字量I

26、/O映象區(qū)大?。?28入/128出）（128入/128出）（128入/128出）（128入/128出）模擬量I/O映象區(qū)大小無16入/16出32入/32出32入/32出指令33MHz下布爾指令執(zhí)行速度0.37s/指令0.37s/指令0.37s/指令0.37s/指令I/O映象寄存器128I和128Q128I和128Q128I和128Q128I和128Q內部寄存器256256256256計數器/定時器256/256256/256256/256256/256字入/字出無16/1632/3232/32順序控制繼電器256256256256For/Next循環(huán)有有有有整數運算有有有有實數運算有有有有附加

27、功能內置高速計數器4H/（20KHz）4H/（20KHz） 6H/W（20KHz）6H/（20KHz）模擬量調節(jié)電位器1122脈沖輸出2222通信中斷1發(fā)送器/2接收器1發(fā)送器/2接收器1發(fā)送器/2接收器2發(fā)送器/4接收器定時中斷2222硬件輸入中斷4，輸入濾波器4，輸入濾波器4，輸入濾波器4，輸入濾波器實時時鐘有（時鐘卡）有（時鐘卡）有（內置）有（內置）口令保護有有有有通信通信口數量1（RS-485）1（RS-485）1（RS-485）2（RS-485）PROFIBUS點對點NETR/NETWNETR/NETWNETR/NETWNETR/NETW2.2.2 程序設計中用到的PLC指令1. 傳

28、送指令字節(jié)、字、雙字和實數的傳送指令梯形圖: MOV-XEN ENOIN OUT圖4 傳送指令其中，MOV為傳送指令符號，X表示數據類型。數據類型有：字節(jié)（B）、字（W）、雙字（DW）、實數（R）。EN為使能端，即當EN前面的邏輯條件滿足時，才能進行數傳送。IN是所要傳送的數據輸入端。OUT是數據傳輸的輸出端。字節(jié)、字、雙字和實數的傳送指令是把輸人數據（IN）傳送到輸出端（OUT），在傳送過程中不改變數據的大小。 2. 定時器指令1）接通延時定時器（TON） TxxxIN TONPT 圖5 接通延時定時器其中Txxx為定時器編號，IN為定時器使能輸入端，PT為定時器的預設值端。每個定時器均有一

29、個16位當前值寄存器及一個1位的狀態(tài)位（反映其觸點的狀態(tài)）。當使能輸人端接通時，接通延時定時器開始計時，當定時器（Txxx）的當前值大于等于預設值時，該定時器的狀態(tài)位被置1（即觸點被接通），但定時器繼續(xù)計時，一直計到最大值32767，并保持狀態(tài)位，直到使能輸人端斷開，清除接通延時定時器的當前值，定時器才復位。 2）有記憶接通延時定時器（TONR） TxxxIN TONRPT 圖6 有記憶接通延時定時器對于有記憶接通延時定時器，當使能輸入端IN接通時，定時器開始計時，當使能輸入端斷開時，該定時器保持當前值不變；當位能輸入端再接通時，則定時器從原保持值開始再往上加，當定時器的當前值大于等于預設值時

30、，定時器的狀態(tài)位置1（但定時器繼續(xù)計時，一直計到最大位32767），以后即使輸入端再斷開，定時器也不會復位，若要定時器復位必須用復位指令（R）清除其當前值。3）斷開延時定時器（TOP） Txxx IN TOFPT 圖7 斷開延時定時器斷開延時定時器（TOF）用來在輸入斷開延時一段時間后，才斷開輸出。當使能輸入端IN接通時，定時器立即接通，并把當前值設為0，當使能輸入端斷開時定時器開始定時，直到達到預設的時間。當達到預設時間時，定時器斷開輸出，并停止計時當前值。當輸入斷開的時間小于預設時間時，定時器仍保持接通。當IN再接通時，定時器當前值仍設為0。3. 脈沖輸出指令其梯形圖表示如下：PLSEN

31、ENO Q0.X 圖8 脈沖輸出指令對于S7-200系列的CPU，如果CPU模塊上的輸出類型為DC型（晶體管輸出），那么在其Q0.0和Q0.1上可以產生高速脈沖串和脈沖寬度可調的波形，頻率可以達到20kHz。當在這兩個點使用脈沖輸出功能時，它們受PWM發(fā)生器控制，而不受輸出映像寄存器控制。脈沖寬度調制（PWM）功能提供連續(xù)、可變占空比脈沖輸出，用戶控制周期和脈沖寬度。每個PTO/PWM發(fā)生器有一個控制字節(jié)（8位）、一個16位無符號的周期值寄存器、一個16位無符號的脈沖寬度值寄存器和一個32位無符號脈沖計數值寄存器。這些值全部存儲在特殊存儲器中，一旦這些特殊存儲器的位被置成所需操作，可以通過執(zhí)行

32、脈沖輸出指令（PLS）來調用這些操作。PLS指令使S7-200讀取相應特殊寄存器中的位，并對相應的PWM發(fā)生器進行操作。PWM功能提供占空比可調的脈沖輸出。其周期和脈寬的單位可以是ms或s，周期值保存在（SMW68或SMW78）中，周期的變化范圍是50s-65535s或2ms-65535ms；脈寬值保存在SMW70（或SMW80）中，脈寬值的變化范圍是0ms-65535 ms或0ms-65535ms。當脈寬值等于周期值時，占空比為100%，即輸出連續(xù)接通；當脈寬值為0，占空比為0%，即輸出斷開。PWM操作實例：將Q0.0設置成PWM輸出，其周期值為1000ms，脈寬值為300ms。在主程序的初

33、次掃描時（SM0.1=1），調用初始化子程序。如下圖所示：SBR0EN SM0.1圖9 調用初始化子程序在子程序SBR0中，進行PWM操作的初始化，如下圖：MOV-BEN ENO16#DB IN OUT SMB77MOV-BEN ENO1000 IN OUT SMB78MOV-BEN ENOVB0 IN OUT SMW80PLSEN ENO0 Q0.X 圖10 PWM初始化4. 通信指令多臺S7-200CPU利用PPI協(xié)議進行網絡通訊時，可以利用網絡讀寫指令實現數據傳送的功能。1）網絡讀指令（NETR） NETR EN ENO TBL PORT 圖11 網絡讀指令網絡讀指令初始化通訊操作：通過

34、指定的端口PORT從遠程的其他CPU接收數據并存放在一個表（TBL）中。NETR指令可以從遠程站點上讀16個字節(jié)的數據。2）網絡寫指令（NETW）NETW EN ENO TBL PORT 圖12 網絡寫指令網絡寫指令初始化通訊操作：通過指定的端口PORT從遠程的其他CPU上寫表（TBL）中的數據。NETW指令可以向遠程站點上寫16個字節(jié)的數據。2.3 步進電機及其驅動器簡介2.3.1 步進電機步進電動機是一種將電的脈沖信號轉換成相應的角位移（或線位移）的機電元件。通俗地講，就是外加一個脈沖信號于這種電動機時，它就運動一步。正因為它的運動形式是步進式的，而稱為步進電動機。步進電動機的輸入是脈沖信

35、號，從它繞組內的電流來看，既不是通常的正弦交流，也不是恒定的直流，而是脈沖的電流，所以有時也叫做脈沖馬達。 步進電動機的定子上通常具有多相繞組，轉子為有齒的鐵芯或具有永磁的磁極。從電機元件本身來看只要在各相繞組內輪流通電，就能產生步進運動。在實際系統(tǒng)內，這種輪流通電，通常是由電子的脈沖分配回路來達到的，并且經過功率放大。分配回路和功率放大等環(huán)節(jié)在一路組成步進電動機的驅動器。驅動器和電動機是兩個不可分割的組成部分，步進電動機簡單的工作原理圖如圖13。當外加脈沖信號時步進電動機的機械運動與脈沖信號相對應，也就是說作同步的旋轉。順便可以指出，如果脈沖信號發(fā)生器放在電機本身的軸上，就可以得到電樞不動的

36、無刷直流電動機，它的轉速將由外加電壓的大小來決定。步進電動機可以作為驅動電機，但大部分情況下是作為控制電動機用的。步進電動機的優(yōu)點如下：步距值不受各種干擾因素的影響，如電壓的大小，電流的數值，溫度的變化等。也就是說，轉子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率而轉子運動的總位移量則取決于總的脈沖信號；誤差不長期積累。步進電動機每走一步所轉過的角度與理論步距值之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也就是走任意一定的步數以后，也總是有一定的累積誤差，但是每轉一圈的累積誤差為零，所圖13 步進電機和驅動器簡圖以步距的誤差不是長期地積累下去的；控制性能好。起動停車，反轉及其他任何運行方式的改變，都在少數脈

37、沖內完成，在一定的頻率范圍內運行時，任何運行方式都不會丟失一步。因此，作為伺服電動機應用于控制系統(tǒng)時，往往可以使系統(tǒng)簡化，工作可靠而且獲得高的控制精度。在多數情況下，可以代替直流伺服電動機和交流伺服電動機。步進電動機不同于其它電機在于它必定要有專用驅動電源，否則就不能正常工作。所以，發(fā)展推廣步進電動機就與驅動電源的研究開發(fā)分不開。目前步進電動機驅動電源種類繁多而且各具特點。2.3.2 步進電機驅動電源大家知道，步進電動機的控制指令是單一碼，就是一串脈沖方波。例如，從電子計算機送出的數字控制脈沖就是單一碼。變換器的基本構成形式由機械變換器發(fā)展到電子變換器。目前由于電子技術迅速發(fā)展，機械變換器在步

38、進電動機中已不再使用。這里只對電子變換器即驅動電源作介紹。步進電動機的驅動電源由環(huán)形分配器和功率放大器兩部分組成，環(huán)形分配器是每臺電機一個，而功率放大器則是每相一套。環(huán)行分配器主要使電機各相繞組按一定的順序和時間導通并根據輸入指令使電機正轉或反轉，實際上就是用以確定電機的工作方式。由此，環(huán)行分配器要按照電機的工作方式來進行設計。功率放大器的主要功用是根據電機或負載的需要，將環(huán)行分配器輸出的各相電信號進行放大。驅動電源要求完整、準確、靈敏地執(zhí)行控制指令，具有足夠的功率，抗干擾能力強。當然還有一些對設備的基本要求，如體積小、結構簡單、成本低、維修方便以及安全可靠等。2.4 電機驅動器的選擇清淤機器

39、人驅動電機的選型為：載體步進電機的型號為VRDM31117，其額定扭矩為12Nm；刀具步進電機的型號為VRDM31122，其額定扭矩為16.5Nm；調節(jié)壓緊步進電機的型號為VRDM397，其額定扭矩為2Nm；收放直流減速電機的型號為TYV3-30DC，額定電壓為24V，額定電流為3.6A。其中，步進電機為德國百格拉公司生產的步進電機。2.4.1 步進電機驅動器的選擇步進電機驅動器選擇德國百格拉公司的WD3-007和WD3-008。驅動器WD3-007主要驅動2Nm-12Nm三相混合式步進電機，因此它用來驅動載體步進電機和調節(jié)壓緊步進電機。驅動器WD3-008主要驅動12Nm-16.5Nm三相混

40、合式步進電機，因此它用來驅動刀具步進電機。這兩個驅動器的電氣性能基本相同。輸入電壓220VAC，控制信號電壓5VDC，與百格拉電機配套性能最佳。1. 電氣參數如下表表2 WD3-007的電氣參數輸入電壓單相220V輸入（-30%+20%）；頻率：4566Hz輸入電流小于2.5安培輸出電壓3325VAC輸出電流0.662.5A功 耗功耗：80W；內部保險：6.3A溫 度工作溫度小于50；存放溫度-4070濕 度不能結露，不能有水珠氣 體禁止有可燃氣體和大量導電灰塵2. WD3-007的主要特點：1）交流伺服工作原理，交流伺服運行特性，三相正弦電流驅動輸出。2）只要環(huán)境溫度不超過55，驅動器就可以

41、正常工作。3）電路板采取三防處理，有過熱、過壓、欠壓、過流及相間短路保護功能。4）驅動器的輸入電源是220VAC，變化范圍是：-30%+20%。5）電機和驅動器間僅用3根線，減少連線出錯的可能性。6）幾乎無共振和爬行，輸出相電流可設置，帶有十細分和半流功能特性，噪聲幾乎與交流伺服電機一樣。7）比同樣尺寸的反應式步進電機所產生的功率大20%左右。8）電機的扭矩與它的轉速有關，而與電機每轉的步數無關。9）電機每轉步數可依用戶要求分別設定為500、1000、5000、10000步/轉。10）由于驅動器采用了正弦電流驅動，使電機的空載啟動頻率高達4.3-5.3KHz。11）電機上下電時，輸出軸位置不變

42、，給工作帶來很大方便。3. 連線及參數設置：圖14 WD3-007面板圖4. 控制信號定義PULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電機轉動一步。DIR：方向信號輸入端，如“DIR”為低電平，電機按順時針方向旋轉；“DIR”為高電平電機按逆時針方向旋轉。CW：正轉信號，每個脈沖使電機正向轉動一步。CCW：反轉信號，每個脈沖使電機反向轉動一步。RESET：復位信號，如復位信號為低電平時，輸入脈沖信號起作用，如果復位信號為高電平時就禁止任何有效的脈沖，輸入信號無效，電機無保持扭矩。READDY: 輸入報警信號。READY是繼電器開關，當驅動器正常工作時繼電器閉合，當驅動器工作異常時繼電器斷開

43、。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC，10mAI200mA，電阻性負載。如用該繼電器，要把他串聯到CNC的某輸入端。當驅動器正常工作時繼電器閉合，外部24VDC通過繼電器輸入到CNC輸入端，否則外部24VDC無法輸入到CNC輸入端。注意：PULSE+與CW+，PULSE-與CW-，DIR-與CCW-對應同一個接線口，按控制方式不同給出的兩種定義名稱。下面為脈沖、方向信號時序圖： 圖15脈沖、方向信號時序圖 5. 控制信號連接上位機的控制信號可以高電平有效，也可以低電平有效。當高有效時，把所有控制信號的負端連在一起作為信號地，低有效時，把所有控制信號的正端連在一起作為信號公共端。 注意：

44、公共端不能與大地（殼體）接到一起?！癙ULSE.SYS”為控制方式選擇開關，兩種狀態(tài)對應兩種控制方式。下表中列出了控制信號高有效和低有效時的接線方式。表3 控制信號接線方式PULSE.SYS控制方式高電平有效接線低電平有效接線ON正轉和反轉PULSE+接正轉信號DIR+接反轉信號PULSE-與DIR-短接為信號地PULSE-接正轉信號DIR-接反轉信號PULSE+與DIR+短接為公共端OFF脈沖和方向PULSE+接脈沖信號DIR+接方向信號PULSE-與DIR-短接為信號地PULSE-接脈沖信號DIR-接方向信號PULSE+與DIR+短接為公共端2.4.2 直流電機驅動器的選擇直流電機驅動器選

45、擇美國國家半導體公司的LMD18200。LMD18200是美國國家半導體公司推出的專用于直流電動機驅動的H橋組件，同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件。此種芯片瞬間驅動電流可達6A，正常工作電流可達3A，具有很強的驅動能力，無 “shot-through” 電流，而且此種芯片內部還具有過流保護的測量電路，只需要在LMD18200的8腳輸出端測出電壓和給定的電壓比較即可保護電路過流，從而實現電路的過流保護功能。LMD18200的5腳為PWM波輸入端，通過改變PWM的占空比就可調節(jié)電機的速度，改變3腳的高低電平即可控制電機的正反轉。此電路和以上幾種驅動電路比較具有明顯的優(yōu)點，驅動功率

46、大，穩(wěn)定性好，實現方便，安全可靠。其內部結構原理圖如下：圖16 LMD182000內部結構原理圖1. 各引腳的功能1、11腳：橋臂1、2的自舉輸入電容連接端，在腳1與腳2、腳10與腳11之間應接入10nF的自舉電容。2、10腳：H橋輸出端。3腳：方向輸入端。轉向時，輸出驅動電流方向見表3，該腳控制輸出1與輸出2 （腳2、10）之間電流的方向，從而控制馬達旋轉的方向。4腳：剎車輸入端。剎車時，輸出驅動電流方向見表4，通過該端將馬達繞組短路而使其剎車。剎車時，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號輸入端（腳5）置邏輯高電平，腳3的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達所用器件。3腳為邏輯高電平時，H橋中兩個高端晶體管

47、導通。3腳呈邏輯低電平時，H橋中兩個低端晶體管導通。腳4置邏輯高電平，腳5置邏輯低電平時，H橋中所有晶體管關斷。此時，每個輸出端只有很小的電流（1. 5mA）。5腳：PWM信號輸入端。PWM信號與驅動電流方向的關系見表3，該端與3腳（DIRECTION）如何使用，決定于PWM信號類型。6、7腳：電源正端與負端。8腳：電流取樣輸出端，提供電流取樣信號。9腳：溫度報警輸出。提供溫度報警信號，芯片結溫達145時，該端變?yōu)榈碗娖?，結溫達170時，芯片關斷。表4 邏輯真值表PWM轉向剎車實際輸出電流HHL流出1，流入2HLL流入1，流出2LL流出1，流出2HHH流出1，流出2HLH流入1，流入2LHNO

48、NE2. LMD18200主要特點1）額定電流3A，峰值電流6A。2）電源電壓55V。3）功率晶體管導通電阻RDS為0. 38。4）TTL和CMOS兼容的控制信號輸入。5）內含防橋臂單側直通電路。6）芯片過熱報警輸出和自動關斷。7）內部的充電泵電路提供橋路上臂兩管的柵極電壓。3. 控制方式LMD18200提供雙極性方式（也稱反向鎖定控制）和單極性方式（也稱方向脈寬控制）兩種工作方式。在雙極性工作方式中，單個的PWM信號接入LMD18200的DIR端子，由PWM信號的占空比大小控制電機的轉向和轉速，當占空比為50%時，UAB電壓的平均值為零，電機靜止；當占空比為75%時，UAB平均值大于零，電機

49、正轉；當占空比為25%時，UAB的平均值小于零，電機反轉。使用單極性工作方式，在單極性這種工作方式中，PWM脈沖信號接在LMD18200的PWM端，而方向信號接在DIR端，PWM端脈沖信號的占空比決定電機轉速，而DIR端的電平高低決定電機轉向。如果控制器能提供PWM和DIR信號，則使驅動器工作在單極性方式，這樣構成的系統(tǒng)為全數字式，避免了模擬電壓的溫漂和噪聲干擾等不利影響。4. 驅動器電路設計圖17為所設計的驅動器電路原理圖： 圖17 驅動器電路原理圖5. 基本工作原理1）電流取樣每輸出1A電流，腳8輸出377nA的取樣電流。接在8腳與地之間的電阻將其轉化為電壓信號，該電壓幅值在5-8V之間時

50、，線性度與精度最佳。該端最高電壓12V。電流取樣電路并不檢測反饋電流，僅檢測橋臂上端晶體管中的電流。2）溫度報警標志該端（9腳）為OC門輸出，該端通常接到系統(tǒng)控制器的中斷輸入，以便過熱時對系統(tǒng)采取適當措施。該端最高電壓為12V。3）限流LMD18200內部含有限流保護電路。該電路檢測器件中的電流，該電流接近10A時，迅速關斷功率器件。器件關斷后，保護電路周期性的重新試圖開通功率器件。一旦外界短路故障消失，器件就能夠恢復正常運行。由于短路將產生大量熱量，因此，實際使用時，LMD18200必須配備面積足夠大的散熱器。同時，為了散熱，芯片電源端VCC（腳6）在PCB板上需要1平方英寸的銅箔。4）充電

51、泵電路如圖18所示，開通高端的DMOS管時，每個器件的柵極電壓應比電流取樣電壓約高8V。采用內部充電泵電路可獲取該電壓。利用內部300kHz的振蕩器對內部自舉電容充電可獲得14V電壓，該驅動電壓的上升時間為20ns，可保證器件的開關頻率達1kHz；開關頻率更高時，可采用外部自舉電容，并由DMOS管對該自舉電容充電，H橋輸出端與自舉端接入10nF外部電容，可提供上升時間達100ns的驅動電壓，從而保證開關頻率達到500kHz。圖18 內部充電泵電路/自舉電路5）內部續(xù)流二極管H橋中四個DMOS管都有續(xù)流（保護）二極管，高端續(xù)流二極管流過6A的反向電流時，反向恢復時間為70ns，反向恢復電流為1A

52、。同樣條件下，低端續(xù)流二極管的反向恢復時間為100ns，反向恢復電流為4A。3 基于PLC的清淤機器人控制系統(tǒng)設計3 基于PLC的清淤機器人控制系統(tǒng)設計3.1 清淤機器人的控制過程根據唐山市排水管道的實際情況及前面的分析，確定PLC控制清淤機器人的過程如下：1. 按下啟動按鈕，載體電機正轉、收放電機反轉和刀具電機正轉啟動，延時2S后刀具電機開始啟動。2. 清淤機器人在工作過程中，通過高速計數指令完成載體打滑、電機過載、遇大障及工作位置輸出的檢測。因為清淤機器人在工作過程中可能會打滑或電機過載，會使載體速度變慢；遇到障礙或者出現故障，載體停止，如果有工作位置的顯示，工作人員可以很方便的查出出現障

53、礙的位置和清淤機器人出現故障的位置，方便及時處理問題。當清淤機器人不能向前運動時，光電編碼器停止輸出脈沖給高速計數器，利用高速計數功能當檢測到當前值等于上一時間段的值時，說明清淤機器人遇障并停止工作。3. 清淤機器人到達右井口行程開關時或按下手動返回按鈕，PLC接收到右行程開關發(fā)出的導通信號，使刀具電機停止，載體電機反轉、收放線電機正轉使清淤機器人返回。4. 當清污機到達左井口行程開關時，接收到左行程開關發(fā)出的導通信號，清淤機器人停止。因為將行程開關安裝在工作管道的對面管口處，所以不用停車延時，使載體電機和收放電機直接停止工作。此時，報警器開始報警。調節(jié)電機反轉，直到調節(jié)裝置回到原位，調節(jié)電機

54、停止。5. 如果需要急停時，按下急停按鈕，四臺電機全部停止。3.2 PLC的選型和通信3.2.1 PLC的選型在工程設計選型和估算時應詳細分析工藝過程的控制要求，明確控制任務和范圍，確定所需的操作和動作；然后，根據控制要求估算輸入輸出點數、所需存儲器的容量、確定PLC的功能、外部設備的選擇等；最后，設計選擇有較高性能價格比的PLC和相應的控制系統(tǒng)。首先確定系統(tǒng)用PLC是單機控制還是用PLC形成網絡，由此計算PLC的輸入輸出點數，并且在選購PLC時要在實際需要點數的基礎上有一定的余量（10%）。然后列出被控對象輸入輸出的設備名稱，并根據所帶的輸入輸出點數進行統(tǒng)計。在統(tǒng)計時，應考慮為了控制的要求而增加的一些開關、按鈕或報警的信號，例如，增加總的供電開關、為手動需要而增加的手動自動開關、為聯鎖需要設置的聯鎖、非聯鎖開關等。80點以內的系統(tǒng)選用不需擴展模塊的PLC單機，當系統(tǒng)較大時，就需擴展。不同公司的產品，對