電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測專業(yè)畢業(yè)論文--基于PLC的小車運(yùn)動控制系統(tǒng)

1、. 摘 要可編程序控制器（PLC）是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動化控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型的、通用的自動控制裝置。它具有功能強(qiáng)，可靠性高，操作靈活，編程簡單適合于工業(yè)環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動化，過程控制，機(jī)電一體化，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)改造等方面的應(yīng)用越來越廣泛，已成為現(xiàn)在工業(yè)控制的三大支柱之一。PLC應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，在工業(yè)控制的眾多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用；特別是在機(jī)車電氣控制系統(tǒng)中大量運(yùn)用。為此我通過課堂上所學(xué)，采用PLC對小車運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)行控制。此舉措不僅方便操作而且在電氣系統(tǒng)運(yùn)行可靠性有了顯著提高。關(guān)鍵詞：PLC 電氣 改善 控制 目 錄一、PLC概要81.1 基本概念81.2 發(fā)展背景81.3

2、 發(fā)展階段及前景91.4 特點(diǎn)11二、小車運(yùn)動控制系統(tǒng)原理122.1 PLC選擇及工作原理122.2直流電機(jī)與接近開關(guān)162.2.1直流電機(jī)的基本工作原理162.2.2 接近開關(guān)的工作原理182.3機(jī)械傳動原理和現(xiàn)場總線技術(shù)192.3.1機(jī)械傳動原理192.3.2現(xiàn)場總線技術(shù)20三、小車運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)213.1實(shí)驗(yàn)器材213.2工作原理213.3控制要求253.4小車運(yùn)動I/O分配表283.5梯形圖28結(jié) 論32參考文獻(xiàn)33致 謝34 一、PLC概要1.1 基本概念PLC （Programmable Logic Controller），中文名稱為可編程控制器，是一種電氣自動化控制裝置，國際

3、電工委員會（IEC）將PLC定義為：是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它使用可編程存儲器內(nèi)部儲存用戶設(shè)計(jì)的指令，這些指令用來實(shí)現(xiàn)特殊的功能，諸如邏輯運(yùn)算、順序操作、定時、計(jì)數(shù)以及算術(shù)運(yùn)算和通過數(shù)字或模擬輸入/輸出來控制各種類型的機(jī)械或過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。1.2 發(fā)展背景在PLC發(fā)明之前，在工業(yè)控制的順序控制領(lǐng)域內(nèi)，常常采用諸如繼電器、鼓式開關(guān)、紙帶閱讀器等機(jī)械、電氣式器件作為控制元件，尤其是控制繼電器，在離散制造過程控制領(lǐng)域內(nèi)，成為“開關(guān)控制系統(tǒng)”中最廣泛使用的器件。但是，隨著工業(yè)

4、現(xiàn)代化的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，勞動生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量的要求在不斷提高，對于控制系統(tǒng)的可靠性也提出了更高的要求，原有“繼電器控制系統(tǒng)”已不適應(yīng)需要，究其原因是： 動作緩慢；壽命短、可靠性差；體積大、耗電多；設(shè)計(jì)制造周期長、程序修改費(fèi)時；不能實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)對話。到20世紀(jì)60年代，由于美國汽車工業(yè)需要進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)改造和設(shè)備更新，由傳統(tǒng)的繼電器控制裝置來進(jìn)行控制，不僅體積龐大、故障率高、柔性差、不靈活、耗能多，而且調(diào)試?yán)щy，可靠性也差。雖然小型計(jì)算機(jī)已日趨完善，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，但小型計(jì)算機(jī)用于開關(guān)控制系統(tǒng)，又顯然存在著“大馬拉小車”的情況，這是由于小型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)決定的：編程復(fù)雜，要求有較高

5、水平的編程人員和操作人員； 需要配套非標(biāo)準(zhǔn)的外部接口，對環(huán)境和現(xiàn)場條件的要求過高； 功能過剩，機(jī)器資源未能充分利用；造價高昂。需要與可能性，促使人們尋求新的出路，PLC應(yīng)運(yùn)而生。1968年美國通用汽車公司提出使用新一代控制器的設(shè)想，從用戶的角度考慮，該公司對新一代控制器提了10點(diǎn)要求，為各大公司提供了明確的開發(fā)目標(biāo)。第二年（1969年），美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置PDP-14，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程控制器。這時的PLC用固態(tài)（集成）電路來代替繼電器邏輯電路，用存儲器電路中的存儲數(shù)位（程序）來代替繼電器系統(tǒng)的布線，以程序來規(guī)定邏輯關(guān)系；用

6、固態(tài)I/ O電路來檢測按鈕和限位開關(guān)的信號，給出輸出以控制電機(jī)和其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這時的PLC系統(tǒng)已開始具有如下一些特點(diǎn)：環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，可以使用于車間現(xiàn)場；有較高的可靠性和診斷能力，維修容易；基本能適應(yīng)不同的制造過程所需，柔性度有了較大提高，只要改變系統(tǒng)中的程序即可改變控制“邏輯”，而無需改造或更換控制硬件等。差不多同時，美國MODICON公司也研制出084控制器。它們的問世，引起了全世界的矚目，美國的其他公司和西歐、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，也相繼研究開發(fā)出類似的產(chǎn)品。第一代可編程控制器最早是用于替代傳統(tǒng)的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯計(jì)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)以及順序控制等，而且只能進(jìn)行開關(guān)量控制。所以第一

7、代可編程控制器取名為可編程邏輯控制器，英文名稱為Programmable Logic Controller，簡稱PLC。后來，隨著電子科技之發(fā)展及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之需要，其控制功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制的范疇，PLC的功能也日益強(qiáng)大，在PLC中加入了模擬量、位置控制及網(wǎng)路等功能，其名稱也就改為可編程控制器（Programmable Controller），稱PC。但PC易與個人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡稱PC產(chǎn)生混淆，所以使用PLC這一簡稱，中文仍然稱“可編程控制器”。自1976年以來，微處理器開始引入PLC領(lǐng)域，大大加強(qiáng)了PLC的作用，使PLC由簡單地代替繼電器電路，而發(fā)展為先

8、進(jìn)的控制裝置。當(dāng)今PLC具有采集與處理大量數(shù)據(jù)、完成數(shù)學(xué)運(yùn)算、與其它智能器件通信的能力，以及具有先進(jìn)的人機(jī)對 話手段（如鍵盤、CRT和語音對話），近年來由于現(xiàn)場總線理念的出現(xiàn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立，以及產(chǎn)品的迅速發(fā)展，PLC成為 現(xiàn)場總線的一個重要組成部分，進(jìn)一步擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。由于PLC同時提高了功能和柔性度，使其應(yīng)用迅速增長，并普及到許多其它離散零件制造工業(yè)領(lǐng)域。隨后又?jǐn)U展到與批量生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)過程有關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域。隨著CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))的發(fā)展，PLC當(dāng)前還被人們應(yīng)用于工廠通信網(wǎng)絡(luò)、柔性制造系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人到大型分散型控制系統(tǒng)，之中，與其它智能控制器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一起成為計(jì)算機(jī)綜

9、合控制系統(tǒng)中的重要組成部分，特別是單元級和工作站級。1.3 發(fā)展階段及前景從1969年第一臺PLC問世至今，可編程控制器大約經(jīng)歷了三個階段：第一階段：開發(fā)的PLC容量較小，I/O點(diǎn)數(shù)小于120點(diǎn)。用戶存儲區(qū)容量在2KB左右，掃描速度為2050ms/KB，指令較為簡單，只有邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)等，編程語言采用簡單的語句表語言。使用上，主要用來作開關(guān)量控制。第二階段：PLC 的容量有所擴(kuò)展，I/O點(diǎn)數(shù)從 512點(diǎn)至1024點(diǎn)，用戶程序存儲區(qū)擴(kuò)展到8KB以上，速度也有提高，掃描速度達(dá)到56ms/KB，指令功能除了基本的邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)外，還增加了算術(shù)運(yùn)算指令、比較指令，以及模擬量處理指令等，輸入

10、輸出類型也由純開關(guān)量I/O，擴(kuò)展為帶模擬量的I/O。編程語言除了使用語句表外，還可以使用梯形圖編程語言。第三階段：進(jìn)入80年代以來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的PLC得到驚人的發(fā)展，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了上述兩階段的產(chǎn)品。使PLC在概念，設(shè)計(jì)，性價比以及應(yīng)用方面都有了新的突破。這一階段的產(chǎn)品向大型和小型兩個方向發(fā)展:A、 大型產(chǎn)品的I/O點(diǎn)數(shù)，超過4000點(diǎn)，有些產(chǎn)品達(dá)到8000個I/O點(diǎn)，用戶存儲區(qū)容量超32KB，配置有各種智能模塊（例如溫度控制模塊、軸定位模塊、過程控制模塊等）和通信模塊，掃描速率也大大提高，達(dá)到0.47ms/KB，指令功能除

11、了基本的邏輯運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)、順序控制外，還有算術(shù)浮點(diǎn)運(yùn)算指令、PID調(diào)節(jié)功能指令、圖形組態(tài)功能指令、網(wǎng)絡(luò)和通信指令等。編程語言普遍采用梯形語言，同時也使用語句表和順序功能圖語言（典型的有GRAFCET語言）。為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)上考慮了容錯技術(shù)和冗余技術(shù)等。這一階段的小型產(chǎn)品向超小型化和加強(qiáng)型功能發(fā)展，有16點(diǎn)I/O，24點(diǎn)I/O的整體型小型PLC在小型PLC上配置模擬量I/O、通信口、高速計(jì)數(shù)，指令上也設(shè)置有算術(shù)運(yùn)算、比較指令以及PID調(diào)節(jié)指令。B、 小型PLC使用的手握式編程器使用大面積液晶顯示器，也可以用梯形圖和GRAFCET語言進(jìn)行編程。這一階段PLC的軟件設(shè)計(jì)也有很大改進(jìn)，普

12、遍實(shí)現(xiàn)了軟件模塊化設(shè)計(jì)，在PLC產(chǎn)品上提供大量的通用和專用軟件功能模塊，用戶通過簡單的功能調(diào)用就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制任務(wù)給使用帶來極大的方便。使用的編程器越來越完善，專用編程器實(shí)際上已經(jīng)是一臺個人計(jì)算機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)離線編程或在線編程及監(jiān)控，程序打印以及程序固化，實(shí)現(xiàn)圖形組態(tài)，可以聯(lián)網(wǎng)（即掛在PLC網(wǎng)絡(luò)上），有些編程器還可以使用高級語言除了專用編程器外，很多PLC可以使用通用的筆記本電腦實(shí)現(xiàn)編程，開發(fā)一些專用軟件，充分利用個人計(jì)算機(jī)的能力，完成各種高級的編程功能，省卻了專用編程器，既便于推廣又節(jié)省投資。隨著技術(shù)的進(jìn)步，PLC的功能越來越強(qiáng)，應(yīng)用范疇越來越廣，與其它工業(yè)控制機(jī)，如分散型控制系統(tǒng)（DCS）

13、的界限已經(jīng)不十分明顯，很多以往必須由分散型控制系統(tǒng)來完成的控制，現(xiàn)在用PLC都能實(shí)現(xiàn)，因此在應(yīng)用上“交錯”已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。PLC技術(shù)代表了當(dāng)今電氣程序控制的最先進(jìn)水平。通過PLC與各種單元自動化裝置（如智能儀表、數(shù)字化傳單裝置、智能的液壓和氣動閥組等）以及現(xiàn)場總線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)成了車間和工廠自動化的完整體系。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。1.4 特點(diǎn)PLC之所以越來越受到自動控制界人士的重視,是由于它具有令通用計(jì)算機(jī)望塵莫及的特點(diǎn)。（1） 應(yīng)用簡便（1）應(yīng)用靈活

14、、安裝方便（2）編程簡化（3）操作方便，維修容易（2）可靠性高（1）在硬件設(shè)計(jì)方面，首先是選用優(yōu)質(zhì)器件，再者是合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡化安裝，使它易于抗震動沖擊。（2）在軟件設(shè)計(jì)方面也采用了許多很特殊措施，設(shè)置了警戒時鐘WDT。（3）抗電磁干擾性能好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) PLC是按直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，產(chǎn)品在相當(dāng)寬的環(huán)境溫度（055或060），濕度（相對90），規(guī)定的機(jī)械振動，沖擊以及額定的電源電壓與頻率變化，電源瞬間中斷，電源電壓降低等因素作用下，均能正常運(yùn)行。（4）功能完善PLC的基本功能包括邏輯運(yùn)算，定時，計(jì)數(shù)，數(shù)制換算，數(shù)值計(jì)算，步進(jìn)控制等。其擴(kuò)張功能還有A/D，D/A轉(zhuǎn)換，PID閉環(huán)回路控制

15、，高速計(jì)數(shù)，通信聯(lián)網(wǎng)，中斷控制及特殊函數(shù)運(yùn)算功能，可以通過上位機(jī)進(jìn)行顯示，報(bào)警，記錄，人機(jī)對話，使控制水平大大提高。（5） 成熟的工控網(wǎng)絡(luò)體系，通信便捷，易于遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)控制層網(wǎng)絡(luò)信息層網(wǎng)絡(luò)二、小車運(yùn)動控制系統(tǒng)原理 2.1 PLC選擇及工作原理 本系統(tǒng)采用歐姆龍公司CP1H系列PLC。PLC是機(jī)電一體化設(shè)備中的控制器，機(jī)電一體化設(shè)備中的控制器，機(jī)電一體化理念強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中各個部分之間的配合與協(xié)調(diào)。其目標(biāo)是整體性能最佳。CP1H系列PLC正是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而研制的一款小型一機(jī)體，并可擴(kuò)展CPM1A系列I/O單元和CJ1系列高功能I/O單元及CPU總線單元。CP1系列PLC的特點(diǎn)是其內(nèi)置有

16、四軸高速技術(shù)功能，四軸脈沖輸出功能，四路模擬量輸出功能以及串行通信功能。PLC專為工業(yè)場合設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由CPU，電源，存儲器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。圖1為典型的PLC結(jié)構(gòu)簡圖。 圖1典型的PLC結(jié)構(gòu)簡圖中央處理單元：中央處理單元（CPU）一般由控制器，運(yùn)算器和寄存器組組成，這些點(diǎn)都集中在一個芯片上。 CPU的主要功能包括：【1】從存儲器中讀取指令；【2】執(zhí)行指令；【3】順序指令；【4】處理中斷。存儲器包括：只讀存儲器、隨機(jī)存儲器。輸入輸出單元包括：輸入接口電路、輸出接口電路。通常PLC的輸入類型可以直接是直流，交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也

17、可以由PLC內(nèi)部提供。圖2和圖3 分別為一種型號PLC的直流和交流輸入接口電路的電路圖，采用的外接電源。圖2描述了一個輸入點(diǎn)的接口電路。其中輸入電路的一次電路和二次電路用光耦合器相連，當(dāng)行程開關(guān)閉合時，輸入電路和一次電路接通，上面的發(fā)光管用于對外顯示，同時光耦合器中的發(fā)光管使三極管導(dǎo)通，信號進(jìn)入內(nèi)部電路，此輸入點(diǎn)對應(yīng)的位由0變?yōu)?.即輸入映象寄存器的對應(yīng)位由0變?yōu)?. 圖2直流輸入電路圖圖3交流輸入電路圖 工作原理： PLC采用循環(huán)掃描工作方式，這個工作過程一般包括五個階段：內(nèi)部處理，與編程器等的通信處理，輸入掃描，用戶程序執(zhí)行，輸出處理，其工作過程如圖4所示。途中當(dāng)PLC方式開關(guān)置于RUN（

18、運(yùn)行）時，執(zhí)行所有階段；當(dāng)方式開關(guān)置于STOP（停止）時，不執(zhí)行后3個階段，此時可進(jìn)行通信處理，如對PLC聯(lián)機(jī)或離線編程?？删幊炭刂破鞯妮斎胩幚?，執(zhí)行用戶程序和輸出處理的原理如圖5。 PLC的五個階段，稱為一個掃描周期，PLC完成一個周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復(fù)始的進(jìn)行。PLC作為一種特殊形式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對傳統(tǒng)的硬件邏輯控制系統(tǒng)“繼電氣控制”進(jìn)行“硬件軟化”的結(jié)果。但在運(yùn)行方式上，PLC的軟件邏輯也與繼電器控制系統(tǒng)的硬件邏輯存在根本性的區(qū)別。 幾點(diǎn)起控制系統(tǒng)的硬件邏輯采用的是并行運(yùn)行的方式，即如果一個繼電器的線圈通，電或者放電，該繼電器的所有觸電（不論是敞開還是

19、常閉，也不論其處于繼電器線路的哪個位置上）都會立即同時動作；而PLC的軟件邏輯是通過CPU逐行掃描執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的，即如果一個邏輯線圈被接通或者斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)并不會立即動作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時才會動作。為了消除兩者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的這種差異，plc在程序運(yùn)行方式，輸入輸出操作，特殊功能模版等方面作了特別的考慮。循環(huán)掃描：PLC采用了一種不同于普遍微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式循環(huán)掃描方式，因?yàn)槔^電器控制中各類觸點(diǎn)的動作時間一般超過100ms，因此只要PLC運(yùn)行整個用戶程序的時間“掃描周期”小于100ms，其運(yùn)行結(jié)果的繼電器控制就沒有什么差別。1、建立I/O印象區(qū)PLC在輸入輸出操

20、作上采用定時采樣，定時輸出的方式，即在一個掃描周期的固定時刻（一般在掃描周期的開始或者結(jié)束）采用所有的輸入點(diǎn)，采樣結(jié)果存入RAM中一個區(qū)（輸入印象區(qū)）。這樣在執(zhí)行程序時，所需的現(xiàn)場訊息全部從輸入印象區(qū)中取用，不直接從現(xiàn)場取樣。同時控制訊息輸出也不是采取生成一個就輸出一個的方法，而是先將他們存放在RAM中一個區(qū)域（輸出映象區(qū)），掃描周期結(jié)束時再將輸出映象區(qū)中控制訊息集中輸出。通過建立I/O映象區(qū)，使PLC成為一個真正的數(shù)字采樣控制系統(tǒng)；雖然PLC不可能像繼電器控制那樣隨時根據(jù)現(xiàn)場輸入實(shí)時控制現(xiàn)場輸出狀態(tài)，但只要采樣周期夠短，即采樣頻率足夠高，這樣的采樣系統(tǒng)應(yīng)該完全符合實(shí)際系統(tǒng)的需要。2、特殊功能

21、模版由于PLC在掃描周期方面限制了用戶程序的長度，這對于一般的數(shù)字控制應(yīng)該不成問題。但實(shí)際的生產(chǎn)過程對PLC提出了更多的要求：仿真量處理，死循環(huán)控制，網(wǎng)絡(luò)通訊，高倍I/O等。對于模擬量輸入輸出以及簡單的控制，一般是利用PLC的主CPU和一定的硬件支持。通過相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)；其他情況由于牽涉到比較的計(jì)算量和CPU運(yùn)算時間，以及PLC掃描周期的限制，一般采用自帶CPU并行工作，由模版系統(tǒng)軟件完成相應(yīng)的控制任務(wù)。這樣，這些模版與PLC主CPU并行工作，兩者之間通過總線接口進(jìn)行聯(lián)系，主CPU定期向模版發(fā)送命令，模版也定期將自身的狀態(tài)訊息發(fā)送給主CPU。綜合以上所述，在完成系統(tǒng)自身系統(tǒng)初始化以后，PLC

22、系統(tǒng)執(zhí)行用戶程序的循環(huán)掃描方式可分為三個階段：輸入掃描，程序掃描，輸出掃描。而計(jì)算機(jī)比較大或者響應(yīng)實(shí)時性比較高的應(yīng)用則由自帶CPU的專用模版和專用軟件來實(shí)現(xiàn)。圖4工作原理圖圖5程序執(zhí)行原理圖2.2直流電機(jī)與接近開關(guān)2.2.1直流電機(jī)的基本工作原理直流勵磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器，直流接觸器等）外，最重要的就是在應(yīng)用在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵磁器機(jī)，選電池充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動機(jī)是直流電動機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備，大型精密機(jī)床，礦井卷揚(yáng)機(jī)，市內(nèi)電車，電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機(jī)作為原動

23、機(jī)來拖動工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電機(jī)則是作為原動機(jī)帶動各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其他的用途，例如測速電機(jī)，伺服電機(jī)等。雖然直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的用途各不同，但是他們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。 直流電機(jī)的最大弱點(diǎn)就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動機(jī)。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。包括直流電動機(jī)在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)際上都是

24、依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導(dǎo)線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；另一條是：載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用。因?yàn)?，從結(jié)構(gòu)上來看，任何電機(jī)都包括磁場部分和電路部分。從上述原理可見，任何電機(jī)都體現(xiàn)著電和磁的相互作用，是對電，磁這兩個矛盾著的對立面的統(tǒng)一。我們在這一章里討論直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機(jī)中的“磁”和“電”如何相互作用，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動勢，電磁轉(zhuǎn)矩，電磁功率，電樞反應(yīng)等）。（1） 直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。（2） 直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)，只有直流發(fā)電機(jī)（一般是交流電動機(jī)）拖動旋轉(zhuǎn)而發(fā)電?？梢?，它是把機(jī)械能變?yōu)殡?/p>

25、能的設(shè)備，直流電動機(jī)則接在直流電源上，拖動各種工作機(jī)械（機(jī)床，泵，電車，電纜設(shè)備等）工作，它是把電能變?yōu)闄C(jī)械能的設(shè)備。 我們首先來觀察直流發(fā)電機(jī)是怎樣工作的。 如圖6所示，電刷A，B分別與兩個半圓環(huán)接觸，這時A，B兩電刷之間輸出的是直流電。我們再來看看這時線圈之間運(yùn)動的情況。從圖6可以看出，當(dāng)線圈的ab邊在N極范圍內(nèi)按逆時針方向運(yùn)動時，應(yīng)用發(fā)電機(jī)右手定則，這時所產(chǎn)生的電動勢是從b指向a。這時線圈的cd邊則是在S極范圍內(nèi)按逆時針方向運(yùn)動，依據(jù)發(fā)電機(jī)右手定則可以判斷，cd邊中的感應(yīng)電動勢方向是從d到c。從整個線圈來看，感應(yīng)電動勢的方向是dcba。因此，和線圈a端連接的銅片1和電刷A是處于正電位；而

26、和線圈的d端連接的銅片2和電刷B是處于負(fù)電位。如果接通外電路，那么電流就從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。圖6直流電動機(jī)示意圖 當(dāng)線圈的ab轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)時，cd邊就轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，用右手定則判斷可以知道，這時線圈cd邊中產(chǎn)生的電動勢方向是從c到d，而ab邊轉(zhuǎn)到了S極范圍內(nèi)，其中電動勢的方向則是有a到b，由于電刷在空間是不動的，因此和線圈d端連接的銅片2和電刷A接觸，它的點(diǎn)位仍然是負(fù)。接通外電路時，電流仍然是從電刷A經(jīng)負(fù)載流入電刷B，與線圈一起構(gòu)成閉合的電流通路。不過，要注意到這時線圈內(nèi)的電流已經(jīng)反向了。 由此可知，當(dāng)線圈不停的旋轉(zhuǎn)時，雖然與兩個電刷接觸的線圈邊不停的變化

27、，但是，電刷A始終是正電位，電刷B始終是負(fù)電位，因此，有兩電刷引出的是具有恒定方向的電動勢，負(fù)載上得到的是的恒定方向的電壓和電流。也就是說，盡管線圈abcd中感應(yīng)電動勢的方向不斷交變，但是電刷A總是和處在N極范圍內(nèi)的線圈接觸，電刷B總是和處在S極范圍內(nèi)的線圈邊相接觸。它們的極性始終不變。于是，線圈中的交流電經(jīng)過銅片和電刷整流后，便成為外電路的直流電了。這兩個半圓形的銅片就叫做換向片，它們合在一起做換向器。上面已經(jīng)討論了直流電動機(jī)的基本工作原理，現(xiàn)在再來討論直流電動機(jī)的工作原理。 如果直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子不用原動機(jī)拖動，而把他的電刷AB接在電壓為U的直流電源上，那么會發(fā)生怎么樣的情況呢？可以看出電刷A

28、是正電位 ，電刷B是負(fù)電位。在N極范圍內(nèi)導(dǎo)體ab中的電流從a流向b,在s極范圍內(nèi)的導(dǎo)體cd中的電流從c到d。前面已經(jīng)說過，載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導(dǎo)體都要收到磁場力Fde的作用。根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動機(jī)左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊受到電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到電磁力的作用而按逆時針方向轉(zhuǎn)動了。當(dāng)線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動，線圈轉(zhuǎn)過半周之后，雖然ab和cd位置互換了，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊轉(zhuǎn)到S極范圍呢，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到N極下

29、的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c，在s極下的ab邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時針方向轉(zhuǎn)動?？梢姡謩e處在N S 極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不聽的旋轉(zhuǎn)。通過齒輪或者皮帶等機(jī)構(gòu)的傳動，便可以帶動其它總做機(jī)械。從以上的分析可以看出，要使線圈按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵問題是當(dāng)導(dǎo)體從一個刺激范圍內(nèi)轉(zhuǎn)到另一個異性磁極范圍內(nèi)時，導(dǎo)體中電流的方向也要同時改變。換向器和電刷就是完成這個任務(wù)的裝置。在電流發(fā)動機(jī)中，換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫€圈中的交流電，可見，換向器和電刷是直流電機(jī)中

30、不可缺少的關(guān)鍵性部件。 當(dāng)然，在實(shí)際的直流電動機(jī)中，也不知有一個線圈，而是有許多線圈牢固的嵌在轉(zhuǎn)子鐵心槽中，當(dāng)導(dǎo)體中通過電流，在磁場力因受力而轉(zhuǎn)動，就帶動整個轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機(jī)的基本工作原理。比較直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的工作原理可以看出，他們的輸入和輸出的能量形勢不同的。正如前面已經(jīng)說過，直流發(fā)電機(jī)由原動機(jī)拖動，輸入的是機(jī)械能，輸出的是電能；直流電動機(jī)則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機(jī)械能。2.2.2 接近開關(guān)的工作原理（1）概述接近傳感器可以不與目標(biāo)物實(shí)際接觸情況下檢測靠近傳感器金屬目標(biāo)物。操作原理，接近傳感器大致可以分為以下三類：利用電磁感應(yīng)高頻震蕩型，使用磁鐵力型和利用

31、電容變化電容型。（2）特性：非接觸檢測，避免了對傳感器自身和目標(biāo)物損壞；物觸電輸出，操作壽命長；有水或油噴濺苛刻環(huán)境中也能穩(wěn)定檢測；反應(yīng)速度快；小型感測頭，安裝靈活。（3）類型： 1）按配置來分 2）按檢測方法來分通用型：主要檢測黑色金屬（鐵）。所有金屬型：相同檢測距離內(nèi)檢測任何金屬。有色金屬型：主要檢測鋁一類有色金屬。（3）高頻振蕩型接近傳感器工作原理電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器傳感器檢測面產(chǎn)生一個交變電磁場，當(dāng)金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬中產(chǎn)生渦流吸收了振蕩器能量，使振蕩器振蕩及停振這兩種狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為電信號整形放大轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制開關(guān)信號，經(jīng)功率放大

32、后輸出。下面為詳細(xì)介紹：通用型接近傳感器工作原理：振幅變化程度隨目標(biāo)物金屬種類不同而不同，檢查人距離也隨目標(biāo)物金屬種類不同而不同。所有金屬型傳感器工作原理：所有金屬型傳感器基本上屬于高頻振蕩型。和普通型一樣。它也有一個振蕩電路，電路中因感應(yīng)電流目標(biāo)物內(nèi)流動引起能量損失影響到振蕩頻率。目標(biāo)物接近傳感器時，目標(biāo)金屬種類如何，振蕩頻率都會提高。傳感器檢測到這個變化并輸出檢測信號。有色金屬型傳感器工作原理：有色金屬傳感器基本上屬于高頻振蕩型。它有一個振蕩電路。電路中因感應(yīng)電流目標(biāo)物內(nèi)流動引起能量損失影響到振蕩頻率變化。當(dāng)鋁或銅之類有色金屬目標(biāo)物接近傳感器時，振蕩頻率增高；當(dāng)鐵一類黑色金屬目標(biāo)物接近傳感

33、器時，振蕩頻率降低。振蕩頻率高于參考頻率，傳感器輸出信號。電容式接近傳感器原理：電容式接近傳感器由高頻振蕩器和放大器等組成，由傳感器檢測面與大間構(gòu)成一個電容器，參與振蕩回路工作，起始處于振蕩狀態(tài)。當(dāng)物體接近傳感器檢測面對，回路電容量發(fā)生變化，使高頻振蕩器振蕩。振蕩與停振這二種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)放大器轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制開關(guān)信號。2.3機(jī)械傳動原理和現(xiàn)場總線技術(shù)2.3.1機(jī)械傳動原理利用機(jī)械方式傳遞動力和運(yùn)動的傳動。機(jī)械傳動在機(jī)械工程中應(yīng)用中非常廣泛，有多種形式，主要可分為兩類：靠機(jī)件間的摩擦傳動，包括帶傳動，繩傳動的摩擦輪傳動等。摩擦傳動容易實(shí)現(xiàn)無極變速，大都能適應(yīng)軸間距較大的傳動場合，也不能保證準(zhǔn)確

34、的傳動比。常用機(jī)械傳動的特點(diǎn)：帶傳動：中心距離變化范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，可起安全和減震作用，缺點(diǎn)是外廓尺寸大，軸向受力大，壽命短傳動比不能嚴(yán)格保證。 繩傳動：中心距離變化大，傳遞動力大，缺點(diǎn)就是傳動比不能嚴(yán)格保證。 摩擦輪傳動：結(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)現(xiàn)無極變速，缺點(diǎn)就是軸向受力大傳動比不能嚴(yán)格保證。 齒輪傳動：適用范圍廣，效率高，傳動比準(zhǔn)確，工作可靠，壽命長。缺點(diǎn)就是制造要求高，中心距不準(zhǔn)確。 旋轉(zhuǎn)傳動；易于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動?？捎糜谖⒄{(diào)機(jī)構(gòu)和自鎖機(jī)構(gòu)，滾動旋轉(zhuǎn)傳動效率高。缺點(diǎn)，是普通滑動旋轉(zhuǎn)傳動效率低，不適于大功率。靠主動件和從動件齒合或借助中間齒合傳遞動力火運(yùn)動的齒合傳動，包括齒輪傳動、

35、鏈傳動、螺旋傳動和諧波傳動等。嚙合傳動能夠用于大功率的場合，傳動比準(zhǔn)確，但一般要求要求較高的制造精度和安裝精度，每種機(jī)械傳動都各有特色，分別適用于不同的條件。 2.3.2現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)是80 年代末。90年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域和現(xiàn)場智能設(shè)備互聯(lián)通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)在及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新形式全分布控制系統(tǒng)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，已經(jīng)受到世界范圍的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并

36、將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。國際上許多實(shí)力、有影響的公司都先后在不同程度上進(jìn)行現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品的開發(fā)。現(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境處于過程設(shè)備的底層，作為工廠設(shè)備級基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，要求具有協(xié)議簡單、容錯能力強(qiáng)、安全性能好、成本低的特點(diǎn)；具有一定的時間確定性和較高的實(shí)時性要求，還有具網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多數(shù)為短幀傳送、信息交換頻繁等特點(diǎn)。由于上述特點(diǎn)，現(xiàn)場總線系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)到通訊技術(shù)，都具有不同上層告訴數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的特色。一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱為FCS-現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把420mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字

37、計(jì)算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方式，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。可以說，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征?，F(xiàn)場總線技術(shù)在歷經(jīng)群雄并起和分散割據(jù)的初始階段后，盡管已有一定范圍的磋商合作，但至今尚未形成完整統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。其中有較強(qiáng)實(shí)力和影響的有FF、Lonworks、Profibus、CAN、Dupli

38、ne等。它們具有各自的特色，在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。本文將在簡要描述現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢與技術(shù)展望。三、小車運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1實(shí)驗(yàn)器材小車運(yùn)動控制型實(shí)物教學(xué)模型；計(jì)算機(jī)；電線；可編程控制器。3.2工作原理1、傳感器（1） 接近開關(guān)，接近開關(guān)有三根接線，三根接線分別接電源的正極負(fù)極，和輸出信號。當(dāng)與檔塊接近時輸出電平為低電平，否則為高電平，與PLC之間的接線圖如下，當(dāng)傳感器動作時，輸出端對地接通，PLC信號輸入有效，連接電路如圖7。 圖7 PLC的接線圖 2、光耦電路 光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成，由于光耦電路簡單，在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常

39、用到，如UART協(xié)議的20mA電流環(huán)。對于模擬信號，光耦因?yàn)檩斎胼敵龅木€形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號隔離的應(yīng)用。對于高電頻交流模擬號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對于直流信號卻不合適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案，如ADI的AD202，能夠提供從直流到幾K的頻率內(nèi)提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內(nèi)部先進(jìn)行電壓-頻率轉(zhuǎn)換，對產(chǎn)生的交流信號進(jìn)行變壓器隔離，然后進(jìn)行頻率-電壓轉(zhuǎn)換得到隔離的效果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜，體積大，成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。 模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線形光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通

40、光耦的單發(fā)單收模式稍微加改變，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特征都是一樣的，這樣，就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線形隔離的目的。本系統(tǒng)中，滑塊經(jīng)過時，輸出一個低電平。給PLC輸入信號。電路連接如下圖8所示： 圖8電路連接3、直流電機(jī)驅(qū)動單元 本裝置中直流電機(jī)驅(qū)動模板是有兩個繼電器的吸合與斷開來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)換動方向的。在直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)：功能：電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動？需不需要調(diào)速？對于單向的電機(jī)驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙

41、向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)整，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，效應(yīng)管燈開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。對于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動電路，主要有以下性能指標(biāo)。（1）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機(jī)。（2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱，要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H橋或推換電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功能效率器件同時導(dǎo)通使電源短路）入手。（3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。（4）對電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動。（5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負(fù)載，電路都是安全的，下圖9為三極管-電阻作柵極驅(qū)動電路。 圖9三極管-電阻作柵極驅(qū)動電路 本模型的兩個行程開關(guān)是模板的硬件保護(hù)。當(dāng)滑塊把右側(cè)行程開關(guān)壓下時，左行失效。何為行程開關(guān)呢？見圖10，就是一種有物體的位移來決定電