【基于PLC的軌檢小車控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)11000字（論文）】

基于PLC的軌檢小車控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-3"\h\u4563第一章緒論 3199131.1背景 3178641.2國內(nèi)外主要研究現(xiàn)狀 3237671.2.1軌檢車發(fā)展歷史 4211071.2.2軌檢車研究狀況 4229011.3課題研究內(nèi)容 511141.4本文的結(jié)構(gòu) 57578第二章智能軌檢小車的方案設(shè)計(jì) 5140752.1軌檢小車車體設(shè)計(jì) 5252572.2軌檢小車功能設(shè)計(jì) 717055第三章軌檢小車硬件設(shè)計(jì) 8231473.1電機(jī)的分類及工作原理 825393.2軌檢小車的電動(dòng)機(jī)選型 8319843.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選型 11114603.4硬件電路設(shè)計(jì) 1167373.4.1主電路設(shè)計(jì) 11213753.4.2控制模塊硬件電路設(shè)計(jì) 1230633第四章軌檢小車控制模塊軟件的設(shè)計(jì) 12236744.1PLC介紹 12145364.2PLC分類及其選型 13183184.3PLC編程軟件 1393094.4PLC軟件設(shè)計(jì) 14220094.4.1程序流程圖 14324404.4.2PLC的I/O分配 14191224.4.3PLC程序的梯形編寫 1522352第五章軌檢小車控制系統(tǒng)調(diào)試 19220855.1調(diào)試準(zhǔn)備工作 19183445.2調(diào)試系統(tǒng)程序 2121161總結(jié) 2322102參考文獻(xiàn) 24[摘要]本文提出了軌道檢測車的總體設(shè)計(jì)方案，首先設(shè)計(jì)出軌檢車總體結(jié)構(gòu)，軌檢車主要結(jié)構(gòu)有縱梁、橫梁、行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、支撐架、控制計(jì)算機(jī)、電機(jī)等組成。接著對(duì)電機(jī)進(jìn)行選型，選擇合適的步進(jìn)電機(jī)及與其相匹配的驅(qū)動(dòng)器來給軌檢小車提供動(dòng)力，然后選出合適的軟件來進(jìn)行對(duì)電機(jī)的控制，畫出其電氣原理圖。其次，對(duì)軌檢車的主控模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)和分配PLC軟件的I/O接口。總體就是對(duì)運(yùn)動(dòng)控制作了一個(gè)選型與分析，選擇步進(jìn)電機(jī)作為小車的主驅(qū)動(dòng)，用PLC通過控制脈沖來控制軌檢小車的速度。本次的設(shè)計(jì)目標(biāo)在軌檢車檢測設(shè)備領(lǐng)域，結(jié)合先進(jìn)的智能技術(shù)，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型檢測設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)高可靠性、高精度測量、高效率、智能化。本次設(shè)計(jì)對(duì)于促進(jìn)我國鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，提高鐵軌檢測的精度，減輕鐵路工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保障鐵路運(yùn)輸安全有著極其重要的意義。[關(guān)鍵詞]軌檢小車PLC運(yùn)動(dòng)控制第一章緒論1.1背景高速鐵路是鐵路運(yùn)輸發(fā)展的趨勢，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市軌道交通的便利，鐵路運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)將越來越重。在此之前我國鐵路已經(jīng)成功的完成了5次大提速，從時(shí)速每小時(shí)48公里提升到部分線路每小時(shí)200公里,而目前，我國鐵路正面臨著第6次提速的考驗(yàn)，而且在不久的將來還將會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步的提速。鐵路的提速在帶給國人的生活出行方便的同時(shí)，我國的鐵路技術(shù)也在接受著挑戰(zhàn)，而到時(shí)軌道檢測技術(shù)將會(huì)是鐵路技術(shù)中的重中之重，因?yàn)槁每统塑嚨陌踩潭群褪孢m程度都是受軌道檢測工作所影響的。因?yàn)楝F(xiàn)在的鐵路越來越多，軌道鋪設(shè)地區(qū)的地形復(fù)雜程度也越來越高，花費(fèi)大量的人力和資源來進(jìn)行檢測也不是長久之事，這種情況就使鐵路的維護(hù)工人有著越來越大的工作強(qiáng)度。因此提高鐵路的運(yùn)行精度，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鐵路運(yùn)行的安全，它需要研究開發(fā)出一款智能的、便于使用，能夠克服地形困難，高精度的軌檢小車來促進(jìn)中國鐵路的發(fā)展。過去的軌道檢測是不可能達(dá)到高速軌道鋪設(shè)的精度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求和軌道整體平順性的要求，所以高速鐵路建設(shè)的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，從節(jié)省時(shí)間、成本和線路整體的平滑性的方面，是需要建設(shè)設(shè)計(jì)者出發(fā)去探索一些更加有效可行的方式，來適應(yīng)未來當(dāng)中高速鐵路大規(guī)模化的建設(shè)和軌道檢測向自動(dòng)化方向發(fā)展。而隨著便攜式的軌檢小車的成功研發(fā)出來，鐵路軌道檢測的工作效率得到提高，鐵路路線的測量精度得到了提高，為鐵路運(yùn)行的安全做出了及其重要的貢獻(xiàn)，同時(shí)軌道的檢測效率大大地提高，也為正在和以后要進(jìn)行的提速提供了很好的條件。1.2國內(nèi)外主要研究現(xiàn)狀目前，許多歐美的發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)相繼地開發(fā)出了高精度效率的高速自動(dòng)化軌道軌檢小車，測量的時(shí)速可達(dá)到大約每小時(shí)160到300公里。軌檢車是用來檢測軌道的幾何狀態(tài)和不平順狀況，是通過檢測能夠保證軌道行車安全、平穩(wěn)舒適和進(jìn)行軌道保養(yǎng)維修的重要方面。國外的高速軌檢車對(duì)軌道的不平順測量基本都是采用的慣性基準(zhǔn)法原理來進(jìn)行。1.2.1軌檢車發(fā)展歷史T2和T4型軌檢車是上世紀(jì)70年代美國聯(lián)邦鐵路局進(jìn)行研發(fā)的，T6和T10軌檢車在上世紀(jì)80年代又成功開發(fā)出。T2型軌檢車使用了無線接觸慣性測量系統(tǒng)，檢測速度可以達(dá)到每小時(shí)250公里，配備了實(shí)時(shí)電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，除了左右水平，高度，方向，三角坑，軌距等方面測量，也可以測量溫度，車輛加速度，噪聲，如彎曲率，傾斜度，正面的壓力數(shù)據(jù)。T6型軌檢車最高檢測速度為每小時(shí)192公里，慣性測量其軌道高度，確定真正的波形，前后19米弦正矢量就是采用慣性測量法計(jì)算的，計(jì)算19米弦正矢量的實(shí)際波形。軌距是通過用固定在了左右輪中的伺服型傳感器，對(duì)橫向加速度矢量的二次積分后進(jìn)行橫向位移，并且通過光束和軌道四周信號(hào)的相對(duì)位置計(jì)算出的軌道方向的內(nèi)側(cè)不光滑。1968年英國成功研制出F2和F4型兩種軌檢小車，又在1975年研制出新型高速軌檢車，檢測速度達(dá)到了每小時(shí)200公里，將其放置在高速列車上，在列車運(yùn)行中檢測鐵路軌道幾何狀態(tài)。檢測項(xiàng)目有高低面及其變化率，平滑性、縱坡、豎橫向的舒適性、轉(zhuǎn)向架豎橫向的加速度、速度以及距離等項(xiàng)目。德國鐵路廣泛使用BR725編組列車型號(hào)軌檢車。其配有兩個(gè)重9噸主要軸，三個(gè)測試用的小輪軸可以于單軸上進(jìn)行移動(dòng)。每個(gè)測試軸都有單獨(dú)的起落轉(zhuǎn)架，便于檢查測量高度、水平、平滑性、軌距、超高率和曲率等項(xiàng)目，高低和水平都采用了弦偏心矢量距的檢測方法。軌距的評(píng)估采用了先進(jìn)的Mauzin系統(tǒng)，平滑性以間距2.6m作為測試的基準(zhǔn)，曲率則采用10m弦處矢量距離的方法。軌檢車自身配備了AV522設(shè)備，通過此設(shè)備來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，分析設(shè)備測試到的波形和評(píng)定其軌道質(zhì)量。中國在1953年生產(chǎn)出第一輛客車式機(jī)械軌檢車，這輛軌檢車是由我國自行設(shè)計(jì)和制造的。在1971年又成功研制了客車式電氣軌檢車。2004年我國鐵道部引進(jìn)美國ENSCO公司的T10軌道檢測車加以改進(jìn)后就有了第四代軌檢車CJ-4。第四代的軌檢車能夠檢測軌道高低性、水平率、曲率、左右軌向、曲率變化率、超高等鐵路的幾何參數(shù)，還可以檢測車體和軸箱之間的振動(dòng)加速度、車體左右滾動(dòng)的幅度、振動(dòng)及其位移位置等相互作用的參數(shù)，還可以自動(dòng)檢測出列車在運(yùn)行路線中道路通口、橋梁、道路岔口等地面物體的位置并且能自動(dòng)化地繪制出多少的公里數(shù)和進(jìn)行標(biāo)記。后來隨著軌道檢測技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，我國在2004年又從美國引進(jìn)了最新型號(hào)的GI-5型軌檢小車，CJ-5型軌檢小車采取激光攝景系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合慣性性能進(jìn)行軌道檢測，現(xiàn)在主要應(yīng)用于鐵路提速路段的線路檢測。1.2.2軌檢車研究狀況國內(nèi)有一批擁有先進(jìn)人才的優(yōu)秀企業(yè)，通過引進(jìn)國外的技術(shù)，不斷地克服各種困難，同時(shí)買入一批國外的產(chǎn)品，努力地學(xué)習(xí)后，國內(nèi)也推出了不少的軌檢小車。只是相對(duì)于國外的智能軌檢小車來講，國內(nèi)的技術(shù)還是差了一些。國內(nèi)也研制出過不少的軌檢小車，例如，由江西日月明開發(fā)鐵路設(shè)備公司研發(fā)的GJY系列軌道檢查儀。此軌道檢查儀采檢測軌道的運(yùn)行程度采用的是光纖陀螺精密測角原理，能夠檢測軌道之間的距離、水平性能、、軌距變化率、左右軌方向、左右高低性能和里程數(shù)。系統(tǒng)采用精密機(jī)械傳動(dòng)、高精度傳感器及開放式智能數(shù)據(jù)采集模塊、軟件集成處理數(shù)據(jù)三種高級(jí)配置，是國內(nèi)首創(chuàng)的高精度、輕便式、全數(shù)字化軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)。功能特點(diǎn)：檢測對(duì)象：能夠檢測軌道之間的距離、水平性能、軌距變化率、左右軌方向、左右高低性能和里程數(shù)。測量精度：通過鐵道部門的技術(shù)認(rèn)證和制造許可，各項(xiàng)檢測指標(biāo)都是滿足鐵道部測量行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。處理數(shù)據(jù)：檢測軌道數(shù)據(jù)結(jié)果和檢測出的矢量波形圖可與工作過程同步顯示，可以在線發(fā)現(xiàn)超限額度并且自動(dòng)預(yù)警。樣本采集間隔：每0.125米采集1個(gè)樣本點(diǎn)。工作持續(xù)時(shí)間：一次性充電可供工作時(shí)間長達(dá)10小時(shí)以上。由北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司開發(fā)的，其M285405軌道幾何參數(shù)自動(dòng)檢測儀/軌道檢查儀，原理與上述的軌道檢查儀相同，同樣是采用的光纖陀螺精密測角原理測量檢查軌道的幾何性能。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題通過對(duì)上述的軌道檢測小車的原理研究，再結(jié)合現(xiàn)有的資料，打下了一定的基礎(chǔ)。1.3課題研究內(nèi)容本文主要解決以下幾點(diǎn)：1、對(duì)軌檢小車的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究小車在軌道上工作時(shí)如何進(jìn)行方向的轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)軌檢小車的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；2、研究軌檢小車的動(dòng)力來源，整理小車的重量數(shù)據(jù)，選擇合適的電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)小車，加上及其相匹配的驅(qū)動(dòng)器選型分析；3、控制軌檢小車的PLC控制器選型和分析；4、分析軌檢小車主電路，硬件控制電路的電氣原理并畫出其原理圖；5、分析軌檢小車在工作軌道所需要使用到的功能，將其編寫成PLC程序，來實(shí)現(xiàn)其功能。1.4本文的結(jié)構(gòu)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的方案主要是采用了PLC程序控制器，步進(jìn)電機(jī)，與步進(jìn)電機(jī)相匹配的驅(qū)動(dòng)器所組成的開環(huán)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的控制設(shè)計(jì)。1、首先分析軌檢小車的車身結(jié)構(gòu)，并畫出其基本的三維圖。2、設(shè)計(jì)出軌檢小車電源電路和步進(jìn)電機(jī)的電氣控制原理圖3、進(jìn)行PLC控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的程序設(shè)計(jì)。4、再進(jìn)行整體的連接調(diào)試。通過對(duì)軌檢小車控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為六個(gè)章節(jié)：第一章：對(duì)軌檢小車的背景、發(fā)展和研究現(xiàn)狀進(jìn)行說明第二章：研究軌檢小車的功能需求，對(duì)小車車身進(jìn)行設(shè)計(jì)第三章：研究軌檢小車的硬件，并完成對(duì)電氣原理圖的設(shè)計(jì)第四章：研究軌檢小車控制器的控制軟件設(shè)計(jì)第五章：對(duì)PLC程序進(jìn)行調(diào)試第六章：對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的總結(jié)第二章智能軌檢小車的方案設(shè)計(jì)根據(jù)課題的要求，確定如下方案：分析研究軌檢小車的行駛要求，設(shè)計(jì)出軌檢小車車身基本模型，要求滿足小車的行駛需求，要考慮到實(shí)際。通過這種方案能夠?qū)墮z小車的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制，而且可以對(duì)小車進(jìn)行靈活的和精度高的控制，這種方案是對(duì)于行進(jìn)于軌道上的軌檢小車來講是相對(duì)穩(wěn)定，能滿足對(duì)系統(tǒng)的基本要求。2.1軌檢小車車體設(shè)計(jì)在開始設(shè)計(jì)軌檢小車車體的框架的過程中，查找相關(guān)資料，再從現(xiàn)有的軌道檢測車的車身結(jié)構(gòu)來看，現(xiàn)有的小車結(jié)構(gòu)大致可以分為兩類：H型車身結(jié)構(gòu)和T型車身結(jié)構(gòu)。方案1：車身結(jié)構(gòu)是H型的結(jié)構(gòu)的話，小車就能夠?qū)ψ笥覂蓷l軌道的高低和軌道的方向?qū)ζ溥M(jìn)行檢測，使用常用的遞推法來推算測量數(shù)據(jù)。H型車身結(jié)構(gòu)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：工作時(shí)方便裝拆，可以不費(fèi)事的重復(fù)裝拆，其有4只車輪，且相對(duì)的兩只輪子之間有軸連接著，所以導(dǎo)向性好。不過也正是因其有4只車輪，H型車身結(jié)構(gòu)的軌檢小車結(jié)構(gòu)剛度比較地差。方案2：同樣剛度的條件下，車身結(jié)構(gòu)是T型的軌檢小車對(duì)比H型，前者結(jié)構(gòu)的軌檢車會(huì)顯得較為靈活，而且十分方便人員的操作。T型軌檢小車有裝拆方便，結(jié)構(gòu)相對(duì)的緊湊，在對(duì)抗振動(dòng)的時(shí)候剛度會(huì)很大，重量較輕便于人員的攜帶。而現(xiàn)有的軌道檢測車車身結(jié)構(gòu)也是T型綜合以上的原因，本次設(shè)計(jì)考慮采用車身結(jié)構(gòu)為T型。通過UG設(shè)計(jì)的小車模型，如圖2.1所示。軌檢小車車輪中間需要開出一個(gè)孔來，這樣可以保留輪子的整體強(qiáng)度，也降低了整個(gè)車輪的重量，便于安裝。本次設(shè)計(jì)的車輪外圈要比內(nèi)圈厚一些，這樣的好處是當(dāng)軌檢小車進(jìn)行加速的時(shí)候，小車的平穩(wěn)性很好，保持在高速運(yùn)行的時(shí)候，小車有較大的慣性。設(shè)計(jì)軌檢小車的車輪如圖2.2所示。圖2.1小車車輪圖2.3車輪導(dǎo)向裝置軌檢小車在軌道上運(yùn)行，當(dāng)遇到彎道時(shí)，需要轉(zhuǎn)向，所以要給小車車輪加上一個(gè)導(dǎo)向裝置，其是決定著小車是否能沿著鐵路彎道平穩(wěn)得行走。圖2.3為小車車輪的導(dǎo)向裝置。小車要求結(jié)構(gòu)緊湊，要有足夠的剛度和較高的強(qiáng)度。導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)要布置合理，使小車的運(yùn)動(dòng)平順可行。圖2.4為小車的支撐結(jié)構(gòu)。圖2.4小車的支撐結(jié)構(gòu)圖2.1軌檢小車車身結(jié)構(gòu)軌檢車主要結(jié)構(gòu)有行走機(jī)構(gòu)、衡梁、縱梁、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、支撐架、控制計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等組成。通過三個(gè)行走輪將軌檢車支承與鐵軌踏面上方。左側(cè)的縱向大梁下有一只導(dǎo)向輪，其作用是使軌檢小車縱向大梁沿鐵路軌道進(jìn)行行進(jìn)。導(dǎo)向輪彈簧剛度系數(shù)要大，以保證導(dǎo)向作用。軌檢小車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)，其對(duì)行走滾輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)行，行走滾輪和導(dǎo)向輪均采用硬橡膠以增加滾輪與軌道之間的滾動(dòng)摩擦，讓小車不存在打滑現(xiàn)象，這樣使小車的定位精度更高。筆記本電腦通過專用支架固定于支架上，可以使檢測人員能時(shí)刻觀察小車的動(dòng)態(tài)和檢測的動(dòng)態(tài)。直流電動(dòng)機(jī)將代替以前人工的手推，使檢測人員節(jié)省體力和方便干其他的事情。為了便于拆卸，所有連接采用普通螺栓連接。2.2軌檢小車功能設(shè)計(jì)軌檢小車在軌道上工作時(shí)，需要執(zhí)行檢查軌道的各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)，例如軌道的平整性，零件的規(guī)格等等。首先需要讓小車在軌道上進(jìn)行行進(jìn)，要考慮其導(dǎo)向的問題，對(duì)小車車輪進(jìn)行研究，要讓小車有速度，就得選擇一種功率足夠、結(jié)構(gòu)緊湊、續(xù)航能力較強(qiáng)切重量輕的電機(jī)來帶動(dòng)其運(yùn)行，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)及其所匹配的硬件進(jìn)行選型。電動(dòng)機(jī)選型結(jié)束后，就要對(duì)主電路電源選型，接著畫出主電路原理圖，要滿足小車動(dòng)力的要求。完成動(dòng)力需求之后，就要選擇控制電動(dòng)機(jī)的軟件，來通過其控制軌檢小車的工作過程，選型要求是自動(dòng)化的控制小車，還要選取匹配的電源模塊，設(shè)計(jì)出選型軟件的程序，來適應(yīng)軌檢小車在不同工作環(huán)境下的工作方式，例如小車的速度，小車的前進(jìn)后退，這需要滿足其檢測方式的需求?，F(xiàn)代軌道檢測車還是以人力工作方式的情況較多，本次畢業(yè)課題的設(shè)計(jì)要將其原有的工作模式打破，通過軟件控制電動(dòng)機(jī)來控制小車進(jìn)行運(yùn)行。第三章軌檢小車硬件設(shè)計(jì)電機(jī)稱其為電動(dòng)機(jī)，也俗稱馬達(dá)，是一種與電能密切相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將電能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換，也可以將電能和電能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電機(jī)是作為用電器械和各種機(jī)械的動(dòng)力源。和其他形式的能量相比而言，電能生產(chǎn)方便，來源多，便于輸送等等優(yōu)點(diǎn)。雅比克在1834年造出了世界上的第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，后來電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上與生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行密切的配合，從而進(jìn)一步的簡化機(jī)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。隨著生活水平的不斷提高，工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，需要采用各種各樣的電機(jī)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本組成元件，此外在國防，醫(yī)療以及日常生活中電動(dòng)機(jī)也會(huì)越來越廣泛地被應(yīng)用起來。3.1電機(jī)的分類及工作原理電動(dòng)機(jī)根據(jù)用途來分：控制電機(jī)、功率電機(jī)、信號(hào)電機(jī)。功率電機(jī)分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。信號(hào)電機(jī)分為位置信號(hào)電機(jī)和速度信號(hào)電機(jī)?？刂齐姍C(jī)主要是應(yīng)用在精確的轉(zhuǎn)速、位置控制上，在控制系統(tǒng)中作為“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。可分成伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、直流無刷電機(jī)等幾類。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)其精度為步距角的3-5%，而且不會(huì)累積多余的步進(jìn)角。步進(jìn)電機(jī)外部允許的最高溫度取決于磁性材料的不同，低頻振動(dòng)，在沒有負(fù)載但是有頻空載啟動(dòng)頻率的情況下，步進(jìn)電機(jī)是可以正常啟動(dòng)的等等。步進(jìn)電機(jī)在通過細(xì)分步進(jìn)角之后，其原有的性能會(huì)增強(qiáng)很多。這種電機(jī)是沒有固定的功率的，其功率隨著頻率和電機(jī)的運(yùn)行速度變換而變換，它的力矩在低速是很大的。3.2軌檢小車的電動(dòng)機(jī)選型因?yàn)閷?duì)軌檢小車來說，驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇顯得十分重要，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑控制定位和速度測量要求不是很高，而且精度也要求不是很高，所以我將采用步進(jìn)電機(jī)來作為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。首先驅(qū)動(dòng)軌檢小車的電機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)。由于良好的步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確度為3%-5%，而且不會(huì)將誤差從一個(gè)步驟累積到下一步，所以步進(jìn)電機(jī)能夠精確定位和重復(fù)性地運(yùn)動(dòng)，而這一特點(diǎn)可以進(jìn)行軌檢小車前進(jìn)路線和其位置的精準(zhǔn)定位。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度是與PLC輸入的脈沖成正比，當(dāng)繞組通電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩處于完全靜止?fàn)顟B(tài)，并且步進(jìn)電機(jī)對(duì)啟動(dòng)/停止/換向有著極好的反應(yīng)，能夠隨時(shí)控制軌檢小車的前進(jìn)和后退。根據(jù)軌檢小車在工作時(shí)的需求，在檢測列車軌道的過程中，小車有慢快速兩個(gè)擋位的速度工作，即快速檔V=0.8m/s，慢速檔V=0.5m/s，在同樣的條件下，可以看出電機(jī)在快速檔的工作條件下消耗更大的功率，所以要以快速檔電機(jī)消耗的功率來進(jìn)行選型。下面是對(duì)估算負(fù)載。(1)計(jì)算負(fù)載數(shù)據(jù):小車在運(yùn)行過程中會(huì)受到摩擦力的作用，摩擦力為其中：為小車運(yùn)行時(shí)軌道所受到的壓力，為滾動(dòng)摩擦系數(shù)。作用在鐵路軌道上面的力為其中，供電的電池重量約為。步進(jìn)電機(jī)質(zhì)量約為，小車車架的重量約為，加上一些個(gè)余量，。由資料可知滾輪在軌道上的滾動(dòng)系數(shù)，因此小車滾輪所受到的摩擦力又因?yàn)闈L輪的半徑為，所以小車所受的摩擦力為當(dāng)小車工作在快速檢測時(shí),又因?yàn)樗郧蟮眯≤嚌L輪轉(zhuǎn)速所以此時(shí)小車克服摩擦力所作的功為：，故所選電機(jī)的標(biāo)稱功率必須大于此值。（2）電機(jī)的選型應(yīng)該步進(jìn)電機(jī)的功率是達(dá)不到軌檢小車運(yùn)動(dòng)工作條件的，還是要選用功率高的直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)小車的運(yùn)作。所以本次使用的只是在學(xué)校中所有的步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行試驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)的功率可由轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩決定；T--轉(zhuǎn)速N--轉(zhuǎn)矩；額定輸出功率由額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩決定；同步轉(zhuǎn)速由電機(jī)的頻率和極數(shù)所決定（如圖3中1所示）；f--電源頻率P--極數(shù)；空載時(shí)的轉(zhuǎn)速：電機(jī)在沒有負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速：(如圖3中2所示)；額定轉(zhuǎn)速：電機(jī)額定的輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速：(如圖3中3所示)。圖3.1轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定電壓、頻率作用下，在啟動(dòng)瞬間所輸出的轉(zhuǎn)矩(如上圖中6所示)啟動(dòng)時(shí)如果靜態(tài)負(fù)載大于啟動(dòng)負(fù)載，電機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)。額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定的電壓、頻率以及額定的轉(zhuǎn)速時(shí)所輸出的轉(zhuǎn)矩（如圖中5所示）。運(yùn)行狀態(tài)：為了保證電機(jī)溫升的控制，確定了連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)和短時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)。連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)：電機(jī)在額定電壓、頻率下，允許連續(xù)運(yùn)行，并保證電機(jī)安全可靠。短時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)：電機(jī)在額定電壓、頻率下，允許30分鐘連續(xù)運(yùn)行，并保證電機(jī)安全可靠。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角、線位移的一種開關(guān)控制元件件。在不超載的情況中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)的多少，不會(huì)受到負(fù)載的影響，所以只要給步進(jìn)電機(jī)加一個(gè)脈沖的信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，這樣使得速度、位置等控制領(lǐng)域控制變得十分的簡單。現(xiàn)在常用的的步進(jìn)電機(jī)有永磁式步進(jìn)電機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)以及感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)等不同的種類。而本次采用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的選用，它結(jié)合了永磁式與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。符號(hào)為M。在選用步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候我選用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行對(duì)軌檢小車進(jìn)行控制位移，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有電機(jī)的釘子有八個(gè)繞有線圈的鐵心磁極；每個(gè)釘子磁極邊緣有多個(gè)小齒，一般多為5個(gè)或者為6個(gè)：八個(gè)線圈被傳成A、B兩相繞等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要的工作原理定子有四個(gè)繞有線圈的磁極，相對(duì)應(yīng)的磁極的線圈組成一對(duì)兩相線圈，轉(zhuǎn)子有兩段永磁體組成，一個(gè)呈N級(jí)性，一個(gè)是呈S極性；每段永磁體有3個(gè)齒，齒距為120度，N極齒和S級(jí)齒分批錯(cuò)開1/2齒距等等。所以我選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)86系列。步距角為1.8度的步進(jìn)電機(jī)。圖3.2為本次使用的步進(jìn)電機(jī)圖3.286系列步進(jìn)電機(jī)圖3.4步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選型步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來細(xì)分。驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后的優(yōu)點(diǎn)主要是完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)的一大特性，而細(xì)分是消除低頻振蕩的唯一方法。裝上電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分之后，就提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的分辨率，因?yàn)樗鼫p少了步距角，提高了歩距的均勻程度。圖3.3為此次使用的20806步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖3.320806步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3.4硬件電路設(shè)計(jì)3.4.1主電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的軌檢小車使用220V蓄電池給主電路進(jìn)行供電、24V蓄電池進(jìn)行控制電路供電，因?yàn)樾铍姵赜畜w積較小，較為穩(wěn)定的電壓控制輸出能和較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)電流，而且能夠存儲(chǔ)起有限的電能，對(duì)于軌檢小車較長時(shí)間的在軌道上工作有一定的后備能源支持。滿足放置控制系統(tǒng)在小車上工作的條件，而且價(jià)格相比其他的電池較為合適，所以采用24V蓄電池來作為軌檢小車主電路的電源。而直流電動(dòng)機(jī)將代替以前人工的手推，使工作人員節(jié)省大量的體力可以去進(jìn)行其他的工作。圖3.5為主電路電氣原理圖。圖3.4為主電路電氣原理圖。圖3.4主電路電氣原理圖3.4.2控制模塊硬件電路設(shè)計(jì)控制模塊原理電路如圖3.5，圖中使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)圖3.5控制模塊原理在輸入接口電路中，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部放置一只限流電阻，當(dāng)電壓為24V的情況下，電阻R為2千歐，電壓為5V時(shí)，電阻R為330千歐。當(dāng)電壓不是這兩種情況的時(shí)候，需要根據(jù)電壓的大小在每個(gè)輸入端口前接上。注意，是每個(gè)接口前都要有限流電阻，其電路絕對(duì)不能夠共用其限流電阻，如圖3.6所示。3.6輸入接口電路第四章軌檢小車控制模塊軟件的設(shè)計(jì)4.1PLC介紹PLC，中文定義是可編程控制器，簡稱是PLC，其是一種新型的以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基本的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置，采用的是可以編寫程序的存儲(chǔ)器械。其中存儲(chǔ)的內(nèi)部空間用來進(jìn)行執(zhí)行了順序和邏輯運(yùn)算，還可以對(duì)計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算等發(fā)出指令，然后通過輸入輸出，來控制各式各樣的機(jī)械設(shè)備或者生產(chǎn)過程。4.2PLC分類及其選型PLC按照結(jié)構(gòu)形式來分，可分為整體，模塊和疊裝三種形式的PLC，其中疊裝形式的PLC是前面兩者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合體。按照功能來進(jìn)行分類的haunted，可以將PLC分成低中高三個(gè)不同類別。本次設(shè)計(jì)使用的PLC是西門子的S7-200，如下圖所示,。S7-200系列PLC有著極其強(qiáng)大的功能，它既可以在獨(dú)立的運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)功能，也可以在與其他相連成網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜控制。所以這次PLC我將使用S7-200系列來進(jìn)行對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。圖4.1S7-200PLC端子和硬件介紹4.3PLC編程軟件本次設(shè)計(jì)使用的PLC編程軟件是STEP7Micro/Win編程軟件。此軟件給予了用戶很好的編程條件來進(jìn)行開拓和編寫新的應(yīng)用程序。為了用戶可以方便快捷的開發(fā)新的應(yīng)用程序，STEP7Micro/Win編程軟件上有三個(gè)不同的編輯器以供用戶使用。此軟件上有以下幾個(gè)組成部分：SIMATIC管理器，符號(hào)編輯器，通信和硬件組態(tài)，編程語言和硬件的診斷工具。STEP7Micro/Win編程軟件界面由菜單欄，工具欄，瀏覽欄，用戶操作窗口和狀態(tài)欄等幾部分組成。此軟件簡單易懂，可以解決相對(duì)復(fù)雜的用戶在自動(dòng)化方面。此編程軟件的界面可由下圖所示。圖4.2STEP7Micro/Win編程軟件界面4.4PLC軟件設(shè)計(jì)4.4.1程序流程圖圖4.3軌檢小車工作模式本次的系統(tǒng)使用的是梯形圖的編程，編程軟件為STEP7Micro/Win編程軟件，先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試，當(dāng)程序調(diào)試成功后，使用接線口把編寫好的控制程序下載到PLC當(dāng)中。本次設(shè)計(jì)的PLC程序包括了主程序，慢速檔，快速檔和停止檔的子程序主要要使步進(jìn)電機(jī)分成兩個(gè)速度檔，來滿足軌檢小車在軌道上不同速度的工作需求，進(jìn)而來高質(zhì)量地完成軌道檢測工程。工作開始后，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，軌檢小車開始在軌道上前行，進(jìn)行作業(yè)。小車有兩個(gè)檔的速度可以選擇，當(dāng)檢測一條全新的軌道時(shí)，小車可以以一檔慢速前進(jìn)，增加其測量的精度。在通過無需檢測的軌道時(shí)，以二擋的速度快速通過，大大地節(jié)省了工作的時(shí)間，提高了軌檢小車的作業(yè)效率。軌檢小車以一檔的速度起步，使用兩檔的速度在軌道上進(jìn)行工作，這三種工作方式（如圖4.3所示）根據(jù)現(xiàn)場的工作需求來進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。等小車作業(yè)結(jié)束后，電動(dòng)機(jī)既可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)，讓小車停下來，等待操作人員，也可以通過電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)來帶動(dòng)小車返回初始位置。4.4.2PLC的I/O分配如表1所示為本次設(shè)計(jì)的控制字符表。表2所示為本次設(shè)計(jì)的PLC的I/O口分配表。表1控制字符表Q0.0寄存器名稱及功能描述SMB67控制字節(jié)，控制PTO/PWM脈沖輸出的基本功能SMW68周期值，屬字型，PTO/PWM的周期值，工作在2~65535的范圍內(nèi)SMD72脈沖數(shù)，屬雙字型，PTO的脈沖數(shù)，工作在1~4294967295表2PLCI/O分配表序號(hào)PLC中I/O地址其控制功能說明輸入類型1I0.0一檔運(yùn)行操作PLC2I0.1二擋運(yùn)行操作3I0.2后退運(yùn)行操作4I0.3停止運(yùn)行操作5Q0.0輸入脈沖6Q0.1方向7Q0.2矢能4.4.3PLC程序的梯形編寫網(wǎng)絡(luò)1：I0.0和I0.2并聯(lián)為運(yùn)行的開關(guān)，當(dāng)觸點(diǎn)I0.0和I0.2都打開的時(shí)候，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的時(shí)候，不論是直接啟動(dòng)還是變頻啟動(dòng)，只需要有一種方式的按鈕按下之后，，都會(huì)調(diào)用到子程序SBR_0中，讓使能置0，讓其有效，然后電動(dòng)機(jī)1檔啟動(dòng)。同樣，當(dāng)按下I0.1的按鈕后，條件滿足，會(huì)調(diào)用子程序SBR_1，電動(dòng)機(jī)換入2檔。網(wǎng)絡(luò)2：對(duì)于步進(jìn)電機(jī)PLC所發(fā)出的脈沖輸出的程序。高速脈沖輸出有著兩種輸出方式，一種是高速脈沖串輸出PTO，另一種是寬度可調(diào)脈沖輸出PWM。使用者可以控制PTO輸出的那一串脈沖（占空比50%），控制其脈沖的周期和數(shù)量。而PWM可以輸出可調(diào)占空比的脈沖，能控制輸出脈沖脈寬。每一個(gè)高速脈沖發(fā)射器都是對(duì)應(yīng)著一定的特殊儲(chǔ)存器，這些個(gè)寄存器是被用來控制脈沖的輸出模式，反應(yīng)出脈沖的輸出狀態(tài)和各種參數(shù)值。而這些寄存器的控制位功能是不同的。首先，我們來處理程序中的SMB67。通過把#8D輸出到SMB67當(dāng)中，通過下面的表格可以看出SMB67是控制著PTO/PWM的更新周期值得，然后將#8D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制10000101來看，其對(duì)應(yīng)著輸出的周期，脈沖數(shù)和PTO/PWM的執(zhí)行命令。而下面的SMW68對(duì)應(yīng)著脈沖周期，它需要在執(zhí)行指令前，SMD72對(duì)應(yīng)著脈沖的個(gè)數(shù)如果在輸出脈沖完成的時(shí)候，要馬上執(zhí)行一個(gè)與其有關(guān)的功能，就要在中斷程序的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行PLS指令，讓S7-200進(jìn)行編程。電動(dòng)機(jī)在此程序下啟動(dòng)，可以開始在軌道上進(jìn)行工作，此時(shí)的速度為1檔。這段程序在電動(dòng)機(jī)1檔的原有基礎(chǔ)上，再增加了一個(gè)矢能，再通過PTO/PWM高速脈沖輸出口進(jìn)行輸出，使電動(dòng)機(jī)的速度變快，即電動(dòng)機(jī)工作的第二次提速，來滿足軌檢小車有較高速度的需求，為電動(dòng)機(jī)的2檔。下面的網(wǎng)絡(luò)2：與上面的相同，將#0送入到SMB67中，對(duì)照上面的表格，找出PTO/PWM更新周期，而SMW68其對(duì)應(yīng)著輸出的周期，脈沖數(shù)和PTO/PWM的執(zhí)行命令，所以不會(huì)再更新脈沖的個(gè)數(shù)與周期值，所以步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。此程序?yàn)橹袛喑绦颉Ｆ渲兄袛噙B接指令（ATCH）是把中斷事件（EVNT）和中斷例行程序號(hào)碼（INT）兩者相聯(lián)系，同時(shí)中斷事件開始起作用。如果需要中斷事件和事件在發(fā)生時(shí)程序之間有關(guān)聯(lián)的話，那么必須要在中斷例行程序激活的前面進(jìn)行。一個(gè)中斷的例行程序可以加上幾個(gè)中斷事件，不過事件是不可以加在幾個(gè)中斷的例行程序上面的。在中斷程序上面的程序中的設(shè)定的脈沖發(fā)完結(jié)束之后，中斷程序起作用，作用在42949672295上，使前面的程序繼續(xù)發(fā)出脈沖。這段程序是作用在電機(jī)上，使電機(jī)正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)軌檢小車進(jìn)行前進(jìn)或后退。Q0.1所賦予的是方向面，而I口賦予的是電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。只有當(dāng)程序前面的RLO指令為“1”，電流能源才才會(huì)通過線圈，這樣才會(huì)讓線圈執(zhí)行置位指令，并且RLO為0是不起作用的，其單元的地址不會(huì)改變。而其方向?yàn)檎较?，所以I0.0是正轉(zhuǎn)。下面的程序也是一樣，而“R”是復(fù)位指令，所以I0.2位電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。第五章軌檢小車控制系統(tǒng)調(diào)試5.1調(diào)試準(zhǔn)備工作元器件準(zhǔn)備：1、220V轉(zhuǎn)化為24V的電源模塊（如圖5.1所示）；西門子S7-200PLC（如圖5.2所示）；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（如圖5.3所示）；兩相混合式步進(jìn)電機(jī)（如圖5.4所示）。圖5.1控制電路中220V化為24V的電源模塊圖5.2西門子S7-200PLC圖5.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口圖5.4兩相混合式步進(jìn)電機(jī)所有的元器件準(zhǔn)備好之后，進(jìn)行元器件之間的接線，接線完成后仔細(xì)地復(fù)查一遍，確認(rèn)接線沒有錯(cuò)誤，再開始下一步的調(diào)試。5.2調(diào)試系統(tǒng)程序

總結(jié)2016年3月份，剛剛畢業(yè)論文開始動(dòng)手。從一開始的不知所措，到慢后來慢慢地開始有狀態(tài)了，到對(duì)論文思路逐漸的清晰，整個(gè)論文的撰寫過程還是蠻心酸的。最開始在班上進(jìn)行選課題的時(shí)候，我抽到了屬于我大學(xué)最后一次課題，是：基于PLC的軌檢小車控制器的設(shè)計(jì)。當(dāng)選題報(bào)告，開題報(bào)告定下來的時(shí)候，說實(shí)話我腦子里是空白的，沒有接觸過這個(gè)方面，不知道從何處下手，當(dāng)時(shí)看到開題報(bào)告里的任務(wù)書，自己真是的覺得有些無從下手。我將這一問題回饋給了我的導(dǎo)指導(dǎo)老師，在老師耐心的指導(dǎo)領(lǐng)悟下，讓我自己現(xiàn)在對(duì)論文課題的分析研究方向和方法有了初步的計(jì)劃。在接下來的時(shí)間里，我開始查找有關(guān)資料，把這些在后面會(huì)用到的資料都記錄下來。將這些資料進(jìn)行分類，歸攏，這會(huì)有利于畢業(yè)論文的寫作。然后將資料交給導(dǎo)師，和導(dǎo)師進(jìn)行溝通交流，聽取指導(dǎo)老師的建議。4月初，資料已經(jīng)查找結(jié)束了，開始著手論文的寫作。在寫作的過程中遇到困難我就會(huì)及時(shí)和導(dǎo)師聯(lián)系，聽取導(dǎo)師的意見，并和同學(xué)互相交流。在大家伙的幫助下，困難一個(gè)個(gè)解決掉，論文也慢慢地成型。4月底，論文的前期編寫接近尾聲。5月份開始進(jìn)行對(duì)軌檢小車結(jié)構(gòu)的繪制工作和控制電路的設(shè)計(jì)工作。為了結(jié)構(gòu)圖和電路圖的直觀形象，努力學(xué)習(xí)了UG的三維繪圖技術(shù)和CAD繪圖，然后通過繪圖