實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,實驗,試驗,軌道,小車,運動,控制系統(tǒng),設(shè)計,cad,圖紙,說明書,仿單 實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要：本文是基于高速鐵路建造技術(shù)國家工程試驗室的需求，在實驗軌道小車機(jī)械設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制系統(tǒng)具體參數(shù)要求對實驗軌道小車的運動控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和實驗調(diào)試。 首先根據(jù)實驗軌道小車的運動參數(shù)建立了實驗軌道小車的運動學(xué)模型，對運動學(xué)模型分析得出實驗軌道小車具體的運動情況并做出運動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。通過對直接變加速閉環(huán)反饋控制、半閉環(huán)一次反饋控制和半閉環(huán)實時反饋控制三種控制策略的比較，提出了用半閉環(huán)一次反饋控制的最佳方案。 控制硬件部分確定了使用松下PLC的FPX系列邏輯控制器來處理數(shù)據(jù)部分，選擇了MK系列旋轉(zhuǎn)編碼器作為反饋硬件，松下GT系列觸摸屏作為人機(jī)交互界面硬件等?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)用FPWIN GR軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行了程序開發(fā)及仿真，用GTWIN軟件對人機(jī)交互界面程序進(jìn)行了開發(fā)。 最后在中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程試驗室進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試，結(jié)果證明了半閉環(huán)一次反饋控制是有效、可靠的運動控制系統(tǒng)，達(dá)到了實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)的參數(shù)要求。 關(guān)鍵詞： 軌道車 運動控制 PLC Design of control system for experimental rail car movement ABSTRACT:Based on the requirement of Laboratory Construction Technology National Engineering of High Speed Railway in the Central South University and the experimental rail car machinery design, this article has finished the design and experimental debugging of experimental rail car motion control system on the basis of specific parameters of the control system . Firstly, the kinematics model of the track car have been established according to the experimental track vehicle motion parameters. After analysising on kinematics model of motion experimental track trolley concrete ,we make the motion control system of the overall design scheme. By means of comparing three kinds of control strategies:direct variable speed closed-loop feedback control, a closed-loop feedback control and half closed loop feedback control in real time，and then we determine that a closed-loop feedback control is optimal control scheme. PLC logic controller of panasonic series have been determined to use as control hardware for processing the data part, using MK series rotary encoder as the feedback of hardware and Panasonic GT series touch screen as human-computer interaction interface hardware and so on.We use the FPWIN GR software to finishe the control system design and realization of the software development and simulation of program for control system ,the development of human-computer interaction interface program has been realized by using GTWIN software. Finally,we conduct on-site commissioning at Laboratory Construction Technology National Engineering of High Speed Railway in the Central South University. Results show that the semi closed loop feedback control is an effective, reliable motion control system , to reach the requirement of experimental parameters of rail carmotion control system. Keywords rail car PLC motion control 實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)設(shè)計說明書 第一章 緒論 1.1課題背景及其來源 軌道小車就是在利用軌道設(shè)定好小車的行駛路線，使軌道小車按照預(yù)期的設(shè)定參數(shù)在軌道上運行，從而達(dá)到所需要的運動參數(shù)要求。目前工業(yè)上應(yīng)用的很多軌道小車,在工作運行時,需要對小車進(jìn)行運動控制,即具有一個對應(yīng)的運動控制系統(tǒng)，使用面相當(dāng)廣泛。例如：PLC軌道運料小車裝料、 卸料過程的自動控制[1]；智能化軌道小車物流傳輸系統(tǒng)在醫(yī)院的應(yīng)用[2]；為滿足公司建設(shè)構(gòu)架檢修精益線的需要，設(shè)計一種能裝載客車構(gòu)架的軌道小車，既是運載小車，又是工位小車[3]；自動軌道系統(tǒng)自動化的裝配線中，移動小車通過軌道供電并獲取指令信號，在軌道上獨立自行移動，在裝配生產(chǎn)線中形成裝配線輸送系統(tǒng)[4]，有效的提高了裝配效率和精度。 對于軌道小車在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用，自動化的趨勢使軌道小車的運動控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，基于PLC邏輯控制器、單片機(jī)、AVR微型控制器等運動控制系統(tǒng)能夠大幅度提高軌道小車運動控制精度和效率。 本課題是根據(jù)高速鐵路建造技術(shù)國家工程試驗室的需求，用實驗軌道小車模擬高速列車的運行情況，再在實驗軌道小車上裝載相關(guān)的設(shè)備儀器高速列車的運行平穩(wěn)度、沖擊等相關(guān)所需的實驗參數(shù)。因此要得到所需要的實驗軌道小車運行狀態(tài)需要對實驗軌道小車進(jìn)行運動控制，設(shè)計實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)能夠達(dá)到運動狀態(tài)參數(shù)要求，完成相關(guān)的實驗測試。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，當(dāng)今的技術(shù)發(fā)展日新月異，高新技術(shù)的進(jìn)步也促進(jìn)了運動控制系統(tǒng)的發(fā)展，總的來說，運動控制系統(tǒng)將進(jìn)一步向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向縱深發(fā)展，隨著勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，工廠生產(chǎn)自動化對運動控制提出了更高的要求，如更快的響應(yīng)速度、更高的控制精度、更高的可靠性等。運動控制系統(tǒng)具有基于控制硬件的多樣性，而運動控制硬件有AVR單片機(jī)、以DSP技術(shù)和FPGA芯片技術(shù)運動為軟件基礎(chǔ)的運動控制卡（器）和PLC可編程邏輯控制其為三大主流運動控制硬件。 目前單片機(jī)應(yīng)用常見的有51系列單片機(jī)、PIC系列單片機(jī)等，而以單片機(jī)為硬件基礎(chǔ)的運動控制系統(tǒng)在工業(yè)中得到了應(yīng)用。上世紀(jì)德國HALBECK公司是最初用單片機(jī)控制系統(tǒng)于工業(yè)生產(chǎn)中的公司之一?；贏VR單片機(jī)的二維運動控制系統(tǒng)，其用8051單片機(jī)可以精確的控制軌道小車在工廠的裝配生產(chǎn)線上完成成品、配件等的輸送等。單片機(jī)價格低，但是要搞一個復(fù)雜的自控系統(tǒng)，其工作量之大難以想象，硬件軟件都會極其復(fù)雜。但是由于它的價格優(yōu)勢，在批量的產(chǎn)品上還是很有優(yōu)勢的。 90年開始，DSP技術(shù)和FPGA芯片技術(shù)在美國得到高速發(fā)展，出現(xiàn)了一批高性能低價格的DSP，這些DSP的重要特性是它們的兼容性好而且浮點運算速度快，使多軸運動控制系統(tǒng)能夠濃縮在一塊PC ISA/PCI控制卡上，國內(nèi)外高級運動控制器大多做成了ISA/PCI插卡形式，這種插卡形式能充分地利用計算機(jī)現(xiàn)有的軟件資源，總的看來，這種插卡形式的控制器功能強(qiáng)大，但結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜。國內(nèi)外高級運動控制器大多做成了ISA/PCI插卡形式，這種插卡形式能充分地利用計算機(jī)現(xiàn)有的軟件資源，所以單片機(jī)作為基礎(chǔ)的運動控制系統(tǒng)卡仍然具有很強(qiáng)的生命力。北京寰鐵測繪技術(shù)有限公司（HRTS）作為Sinning公司在中國的唯一戰(zhàn)略合作伙伴，成功的將GEDO CE軌檢小車引入中國，基DPS微型控制器軌檢小車，其成熟穩(wěn)定的運動控制系統(tǒng)，適用于雙枕塊式無砟軌道精調(diào)、道岔鋪設(shè)、長軌鋪設(shè)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、公務(wù)養(yǎng)護(hù)等鐵路上的工程項目。 PLC(可編程邏輯控制器)是一項將自動控制技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的工業(yè)控制，PLC是以微處理器為核心,在硬件接線與邏輯控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。隨著運動控制領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷完善，PLC運動控制模塊一般具有體積小、可靠性強(qiáng)、易于維護(hù)等優(yōu)勢,使得該類運動控制模式在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。使得該類運動控制模式在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。美國Rockwell (羅克韋爾自動化)的A-B系列PLC系列產(chǎn)品中的SLC500系列小型可編程控制器可以驅(qū)動位置控制模塊。在該系列PLC的特殊功能模塊中具有步進(jìn)控簡單運動控制的單軸運動控制模塊。制器模塊(1746-HSTPI)和伺服定位模塊(1746-HSIMCLLO),這兩種模塊都是適用于單軸運動控制；R本OMRNO公司生產(chǎn)的SYSMACC200HX/HGH/E系列的PLC的特殊功能模塊中,運動控制單元C200-MC221和位置控制單元C200-NC211/NCUN/C11Z模塊就是典型的PLC軸數(shù)控單元。最大運動速度:FMP10在定位模式下為288kpps (pps: pulse persecond),在步進(jìn)方式運動模式下為36kpPs; FPM20模塊的最大編碼器反饋速度為72kpPso，如利用PLC及其控制模塊的產(chǎn)品有基于PLC的運料小車運動控制系統(tǒng)，用在數(shù)控機(jī)床上的多軸運動控制系統(tǒng)等。PLC系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，也能進(jìn)行連續(xù)過程的PID回路控制；并能與上位機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而且系統(tǒng)的開發(fā)周期短，抗干擾性強(qiáng)，所列舉制成的專用運動控制模塊可以進(jìn)行高速的運動定位控制，使得PLC運動控制成為未來廣泛應(yīng)用的硬件設(shè)備之一。 隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，趨于自動化和智能化的電子和控制技術(shù)會應(yīng)用到運動控制系統(tǒng)中。本文通過比較幾種常見的控制技術(shù)，設(shè)計就基于PLC完成實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)。 1.3設(shè)計完成的主要內(nèi)容 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計所選題目及意義，本設(shè)計基于PLC研制了一套適用于該實驗軌道小車的運動控制系統(tǒng)，目的是使該系統(tǒng)能控制實驗軌道小車滿足實驗用的要求。畢業(yè)設(shè)計各章節(jié)主要完成的內(nèi)容如下： 第一章介紹了課題的背景和來源，分析了運動控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 第二章根據(jù)參數(shù)要求對實驗軌道小車運動過程的運動學(xué)建模和運動控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，對直接變加速閉環(huán)反饋控制、半閉環(huán)一次反饋控制和半閉環(huán)實時反饋控制策略的討論。 第三章根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的各項參數(shù)的要求，通過分析確定硬件選型及其性能指標(biāo)。 第四章用松下編程軟件FPWIN GR實現(xiàn)控制系統(tǒng)軟件的程序的開發(fā)和仿真，用觸摸屏編程軟件Terminal GTWIN對人機(jī)交互界面進(jìn)行了開發(fā)。 第五章對實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試。 最后對本文所做工作進(jìn)行總結(jié)，并指出了下一步要完成的任務(wù)。 第二章 運動控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 2.1實驗軌道小車運動學(xué)建模 2.1.1實驗軌道小車的總體結(jié)構(gòu) 實驗軌道小車涉及多種技術(shù)領(lǐng)域，是一個典型的機(jī)電一體化多技術(shù)多學(xué)科的集成系統(tǒng)，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖2-1： 嵌入式觸摸屏人機(jī)交互界面 控制柜（PLC、繼電器、空氣開關(guān)） 設(shè)備承載平臺 蓄電池組 旋轉(zhuǎn)編碼器 車輪及驅(qū)動系統(tǒng) 圖2-1 實驗軌道小車結(jié)構(gòu)示意圖 實驗軌道小車的機(jī)械機(jī)構(gòu)部分主要包括如下幾個方面： ⑴車體 車體由車架、相應(yīng)的機(jī)械電氣機(jī)構(gòu)、外觀件等部分組成，它是實驗軌道小車的基礎(chǔ)部分。車架的設(shè)計需要考慮剛性強(qiáng)度、整車的平穩(wěn)性等重要的機(jī)械性能，重心的位置是又一關(guān)鍵因素，重心越低越有利于抗傾翻。在滿足車載機(jī)械電氣機(jī)構(gòu)、外觀件以及其它裝置裝配空間，和整車剛性要求的條件下，盡量考慮整車的外形造型美觀和輕便小巧。 ⑵驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置是實驗軌道小車行走的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它主要由電機(jī)及其控制器、減速器、T型換向器、車輪等部分組成。電機(jī)的控制器自帶制動功能，實驗軌道小車不要需要機(jī)械制動裝置，可由直流無刷電機(jī)控制器控制制動。 ⑶蓄電池和充電裝置 蓄電池和充電裝置是實驗軌道小車的動力源。實驗軌道小車一般采用24V或48V直流工業(yè)蓄電池電能為動力，對于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，一般需保證8小時以上的安培小時值。本設(shè)計中采用8個12V的電動平車蓄電池串聯(lián)形成96V的直流電源供直流電機(jī)使用，同時從蓄電池組中接出24V的直流電源供給PLC和觸摸屏使用。充電則將蓄電池組分為4個一組，共兩組，分別使用48V專用充電器進(jìn)行充電。在短時間內(nèi)可使電池組電量充滿，從而提高實驗軌道小車的有效使用率。 ⑷控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是實驗軌道小車運動控制的核心部分，主要分為硬件和軟件兩部分。由控制柜及其內(nèi)置的PLC邏輯控制器、繼電器、總電源開關(guān)及充電開關(guān)和嵌入式的觸摸屏人機(jī)交互界面組成。通過觸摸屏設(shè)定運行速度、運行距離，由PLC處理數(shù)據(jù)到直流無刷電機(jī)控制器控制小車的前進(jìn)、后退和制動，觸摸屏實時顯示小車的運行距離，并通過編碼器傳感裝置反應(yīng)試驗軌道小車當(dāng)前的運行環(huán)境實時運行速度和運行距離，反饋能準(zhǔn)確控制小車的運行參數(shù)。 ⑸安全保護(hù)裝置 在實際生產(chǎn)中，人與機(jī)械處于同一環(huán)境，實驗軌道小車作為一種運動中的動作功能機(jī)械，其安全保障功能尤為重要。安全裝置的作用包括防止設(shè)備在運行中出錯，也預(yù)防運行出錯對人員及其運行環(huán)境設(shè)施產(chǎn)生的影響，直接地，安全裝置的功能就是保護(hù)實驗軌道小車自身，以及維護(hù)實驗軌道小車順利完成運行測試，同時在最大可能的范圍內(nèi)保護(hù)人員和運行環(huán)境設(shè)施的安全。故本系統(tǒng)設(shè)計了硬件的緊急制動按鈕、行程開關(guān)和小車的防撞緩沖裝置。 本設(shè)計是車體采用一般結(jié)構(gòu)的四輪式驅(qū)動實驗軌道小車，車體結(jié)構(gòu)裝配圖（仰視）如圖2-2所示： 圖2-2 實驗軌道小車車體結(jié)構(gòu)裝配圖（仰視） 2.1.2控制總體要求 1.系統(tǒng)要求 ⑴使用環(huán)境 ①環(huán)境溫度：0℃～40℃（室內(nèi)）；②工作溫度：0℃～40℃；③相對濕度：≤98%。 ⑵安全性 ①數(shù)控電瓶車在運動過程中要求運動平穩(wěn)； ②數(shù)控電瓶車的輪軸和底板必須有足夠的剛度和強(qiáng)度； ③數(shù)控電瓶車的運動部件要求傳動平穩(wěn)，不發(fā)生沖擊或卡死現(xiàn)象； ④所有部件需要清除棱角，不得有銳角傷人； ⑤數(shù)控電瓶車的電纜必須有拖鏈保護(hù)，并在鋪設(shè)在電纜槽中； ⑥數(shù)控電瓶車控制系統(tǒng)必須具有急停開關(guān)和定位觸發(fā)開關(guān)，過了指定位置馬上自動減速； ⑦軌道兩端必須具有防撞裝置； ⑧模型車的頂端需要設(shè)置緩沖裝置。 ⑶人機(jī)工程 數(shù)控電瓶車由電瓶供電，無刷直流電機(jī)驅(qū)動，由PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行運動方式設(shè)定和控制，人機(jī)界面為觸摸屏。 ⑷輸入電源 電池組充電使用220V交流電源。 ⑸表面處理 電瓶車鋼質(zhì)材料涂覆環(huán)氧鐵紅底漆，整車外表面涂裝冰灰色油漆，車輪涂覆環(huán)氧鐵紅底漆，外表面涂覆黑色油漆。 ⑹數(shù)控電瓶車技術(shù)規(guī)格要求 ①整車外形尺寸：<1700×700×670mm； ②整車負(fù)載能力：≥350kg； ③整車自重：≤350kg； ④啟動加速段為5米（不含車身長度），最高加速到4m/s； ⑤在25米長的試驗段內(nèi)，數(shù)控電瓶車應(yīng)能在1m/s～4m/s的速度范圍內(nèi)任意設(shè)定并穩(wěn)定運行，運行平穩(wěn)度要求在±0.1m/s內(nèi)； ⑥剎車段長度為≤5米（不含車身長度），數(shù)控電瓶車應(yīng)能在該段內(nèi)完成剎車直至完全靜止； ⑦車輪直徑偏差不得大于0.1mm； ⑧兩車軸平行度偏差不得大于0.5mm； ⑨數(shù)控電瓶車的輪距為575mm; ⑩控制系統(tǒng)采用PLC為主控元件，觸摸屏為人機(jī)交互設(shè)備，觸摸屏可以設(shè)定車速，顯示運行距離，設(shè)定啟動時間，設(shè)定運行距離，設(shè)定剎車位置； ?數(shù)控電瓶車采用電瓶供電，供電電壓96V； ?數(shù)控電瓶車動力采用無刷直流電機(jī)，功率為4～7kw； ?數(shù)控電瓶車控制系統(tǒng)具備緊急停止按鈕，在緊急狀態(tài)時，能在5米內(nèi)完成剎車至靜止?fàn)顟B(tài)。 2.系統(tǒng)組成 數(shù)控電瓶車包括：控制系統(tǒng)、車身平臺、電瓶、無刷電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)。 3 系統(tǒng)設(shè)計 （1）為減輕重量、車身采用鋁合金骨架+鋁合金車身； （2）驅(qū)動系統(tǒng)采用無刷直流電機(jī)，額定電壓96V,經(jīng)過1:10減速機(jī)構(gòu)減速后，帶動驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)。 （3）設(shè)計專用電機(jī)調(diào)速控制器，能適應(yīng)電機(jī)大電流、大扭矩輸出的需要。 （4）設(shè)計專用整車速度控制器，在驅(qū)動軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，反饋車輛的實時速度，可直接在操作面板上設(shè)定車輛運動的各個參數(shù)。 （5）試驗儀器的電纜，由電纜拖鏈進(jìn)行收放，防止損壞。 2.1.3實驗軌道小車運動學(xué)建模 1.根據(jù)參數(shù)要求分析 ①啟動加速段為5m（不含車身長度），最高加速到4m/s； ②在25米長的軌道試驗段內(nèi)，數(shù)控電瓶車應(yīng)能在1m/s～4m/s的速度范圍內(nèi)任意設(shè)定并穩(wěn)定運行，運行平穩(wěn)度要求在±0.1m/s內(nèi)； ③剎車段長度為≤5m（不含車身長度），軌道小車應(yīng)能在該段內(nèi)完成剎車直至完全靜止。可知實驗軌道小車整個運行過程是一個先加速，達(dá)到指定速度保持勻速，最后減速制動的過程，是最普通的一般運動學(xué)過程。 若為兩輪驅(qū)動的話，則，獲得的最大加速度是四輪驅(qū)動的一半。四個車輪同時作為驅(qū)動輪時，則，獲得最大的加速度，故在軌道上實驗軌道小車行駛時電機(jī)提供的最大加速度是。 2.運動過程參數(shù)變化圖 ⑴采用勻加速運動控制方 0 0 t/s t/s 圖2-3 v-t 圖2-4 s-t 當(dāng)以最大加速度加速，并且加速時間為到達(dá)速度為v時： 加速段運行速度： 加速段運行距離： ⑵采用變加速運動控制方案 t/s 0 0 t/s 圖2-5 v-t 圖2-6 s-t 當(dāng)以變加速度加速，并且加速時間為到達(dá)速度為v時： 加速段運行速度： 加速段運行距離：== 分析：假設(shè)方案1一直以加速，方案2開始以a=0變加速直至a=時，兩種方案速度最終要求速度相等即時，即軌道小車分別以不同的方案達(dá)到要求的運行速度，則可以通過兩個關(guān)系式的變換即，有，則，＞?？芍兗铀倥c以最大加速度勻加速相比，要達(dá)到相同的速度啟動運行距離要更大，參考參數(shù)要求中啟動加速段為5m，方案一更符合設(shè)計要求。 2.2運動控制系統(tǒng)總體方案 2.2.1反饋控制簡介 反饋是控制論的一個極其重要的概念。反饋就是由控制系統(tǒng)把信息輸送出去，又把其作用結(jié)果返送回來，并對信息的再輸出發(fā)生影響，起到控制的作用，以達(dá)到預(yù)定的目的。原因產(chǎn)生結(jié)果，結(jié)果又構(gòu)成新的原因、新的結(jié)果……反饋在原因和結(jié)果之間架起了橋梁。 反饋控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動控制的主要形式。在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某種過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對象和反饋通路組成，如圖2-7所示： 圖2-7反饋控制系統(tǒng)原理圖 圖中帶叉號的圓圈為比較環(huán)節(jié)，用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號。這一環(huán)節(jié)在具體系統(tǒng)中可能與控制器一起統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)器。從控制類型[5]分可以分為開環(huán)控制、半閉環(huán)反饋控制、全閉環(huán)反饋控制。開環(huán)：不帶檢測裝置的系統(tǒng)，也無反饋電路，直接作用驅(qū)動元件；半閉環(huán)：通過傳感器檢測某一部分(如伺服電機(jī)等)運動位移并進(jìn)行反饋、間接控制目標(biāo)運動的系統(tǒng)；全閉環(huán)：通過傳感器直接檢測目標(biāo)運動并進(jìn)行反饋控制的系統(tǒng)。 2.2.2運動控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計 設(shè)計是基于PLC邏輯控制器、觸摸屏人機(jī)交互界面、光電旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的運動控制系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)運行參數(shù)的設(shè)定，反饋控制運行速度平穩(wěn)達(dá)到參數(shù)要求0.1m/s，實時顯示運行速度和運行距離，并且設(shè)有安全急停按鈕和行程開關(guān)。如圖2-8運動控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。 圖2-8運動控制系統(tǒng)構(gòu)成圖 本控制系統(tǒng)可以大概分為五個部分：PLC邏輯控制器部分、直流無刷電機(jī)控制器部分、編碼器檢測反饋部分、觸摸屏人機(jī)交互界面部分、外部硬件控制部分。 ⑴PLC邏輯控制器部分：實時接收和處理從編碼器、外部觸發(fā)硬件傳送過來的信號，內(nèi)部計算處理數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的參數(shù)分別輸送至①模擬量插件：形成相對應(yīng)的控制電壓，再將控制電壓輸送至直流無刷電機(jī)控制器調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速n；②直流無刷控制器：前進(jìn)、后退和制動數(shù)據(jù)信號。 ⑵直流無刷控制器部分：接收模擬量插件和PLC傳輸過來的信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速n、前進(jìn)、后退和制動，即控制實驗軌道小車的運行速度V、前進(jìn)、后退和制動。 ⑶編碼器檢測反饋部分：實時檢測實驗軌道小車的運行速度V和運行距離S并將數(shù)據(jù)反饋至PLC邏輯控制器。 ⑷觸摸屏人機(jī)交互界面部分：參數(shù)設(shè)置小車運行速度V和運行距離S參數(shù)，軟件按鈕控制實驗軌道小車的前進(jìn)、后退和制動，并實時顯示小車的運行速度V和運行距離S。 ⑸外部硬件控制部分：包括前進(jìn)、后退中的行程開關(guān)和緊急制動按鈕。 運動控制系統(tǒng)流程圖如圖2-9所示： 圖2-9 運動控制系統(tǒng)流程圖 通過人機(jī)交互界面觸摸屏設(shè)定運行速度V和運行距離S并以最大且恒定的加速度加速啟動，編碼器開始不斷的檢測反饋，比較是否達(dá)到了設(shè)定運行速度和運行距離，若沒有達(dá)到時則繼續(xù)以加速，當(dāng)達(dá)到時則保持運行速度運行直至達(dá)到指定運行距離制動停止。該運行過程中觸摸屏可實時顯示運行速度V和運行距離S，運行遇危險時刻可按下硬件的緊急制動按鈕，同時軌道兩端安裝了行程開關(guān)，小車不能在指定地點制動而觸碰到行程開關(guān)時，行程開關(guān)被觸發(fā)發(fā)出制動信號，直流無刷控制器控制小車制動停止。 2.3運動控制策略的選擇 本節(jié)之前對實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計提出了具體的方案，是基于PLC控制、旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的運動控制。從單一運動控制來說，只要通過PLC輸入?yún)?shù)信號調(diào)控控制器的控制電壓便能調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使實驗軌道小車獲得加速度加速至要求的運行速度。 在本設(shè)計提出三種運動控制策略：直接變加速閉環(huán)反饋控制、半閉環(huán)一次反饋控制和半閉環(huán)實時反饋控制三種控制策略的討論。 首先說明電壓調(diào)速的原理：永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為Vc對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速；那么Vc以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實現(xiàn)了變速設(shè)定。若直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速電壓范圍：0 V～Vc V，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/m，則電機(jī)轉(zhuǎn)速與調(diào)速電壓V的關(guān)系如圖2-10所示： Vc/V n/r·min-1 r/min Vc max Vc 圖2-10 電機(jī)轉(zhuǎn)速n與調(diào)速電壓Vc關(guān)系圖 由電機(jī)轉(zhuǎn)速n與調(diào)速電壓V關(guān)系圖可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速與調(diào)速電壓理論上成線性關(guān)系，為此電機(jī)轉(zhuǎn)速n在理論上與調(diào)速電壓Vc一一對應(yīng)，即小車的速度v與調(diào)速電壓Vc一一對應(yīng)。因此可以找出小車速度v與調(diào)速電壓V的對應(yīng)值。 2.3.1 直接變加速反饋控制 計算好小車在理論狀態(tài)下要達(dá)到運行速度時需要的調(diào)速電壓，直接變加速反饋控制原理是小車啟動時調(diào)速電壓從0V開始逐漸增加，小車加速度a不斷增加（永磁直流電動機(jī)原理及作用），直至小車速度到達(dá)值時調(diào)速電壓到達(dá)并保持到所設(shè)定運行距離的過程，加速過程的即變加速啟動。 調(diào)速電壓Vc和速度v與時間t的關(guān)系如圖2-11和圖2-12： t/s v/m·s-1 t/s Vc/V 圖2-11 調(diào)速電壓Vc-t圖 圖2-12 運行速度v-t圖 直接變加速反饋控制中a由0 ，對設(shè)備沖擊較小。但是不足的是： ①在2.1.2實驗軌道小車運動學(xué)建模中分析過的啟動距離對恒加速度啟動時過長，可能達(dá)不到啟動運行距離的參數(shù)要求如式（2-1）： （2-1） ②實際情況下小車的運行速度與調(diào)速電壓對應(yīng)關(guān)系不符合理論情況下對應(yīng)關(guān)系。 2.3.2半閉環(huán)一次反饋控制 計算好小車在理論狀態(tài)下要達(dá)到運行速度時需要的調(diào)速電壓，半閉環(huán)一次反饋控制的原理是小車啟動時調(diào)速電壓直接加到最大值并保持，此時小車獲得最大加速度并保持加速狀態(tài)直至運行速度達(dá)到值時，調(diào)速電壓跳轉(zhuǎn)至運行速度時對應(yīng)的調(diào)速電壓并保持直至運行距離到達(dá)。調(diào)速電壓Vc和速度v與時間t的關(guān)系如圖2-13和圖2-14： t/s v/m·s-1 t/s Vc/V 圖2-13 調(diào)速電壓Vc-t圖 圖2-14運行速度v-t圖 在半閉環(huán)一次反饋控制中加速度一直保持最大值即，小車能在最短的時間內(nèi)加速到運行速度值，但可能出現(xiàn)的問題是在實際情況下小車的運行速度與調(diào)速電壓對應(yīng)關(guān)系不符合理論情況下對應(yīng)關(guān)系，或在運行過程中外部環(huán)境因素的變化影響理想狀況下運行速度與調(diào)速電壓的對應(yīng)關(guān)系，但可以通過實驗找出實際情況下兩者的對應(yīng)關(guān)系曲線。 2.3.3半閉環(huán)實時反饋控制 半閉環(huán)實時反饋控制不需要計算好小車在理論狀態(tài)下要達(dá)到運行速度時需要的調(diào)速電壓，原理是小車啟動時直接將調(diào)速電壓設(shè)為最大值即小車獲得最大加速度加速至運行速度為允許誤差上偏差時立即將調(diào)速電壓置為0，當(dāng)小車速度v降至允許誤差下偏差范圍以下時，調(diào)速電壓又置為。以此往復(fù)調(diào)控維持小車的速度在允許的速度誤差范圍內(nèi)變動。實際該反饋控制的調(diào)速電壓只有兩個檔次即0 V和V，類似于脈沖寬度調(diào)制（PWM）[6]的調(diào)控（脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。PWM信號是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。）調(diào)速電壓Vc和速度v與時間t的關(guān)系如圖2-15和圖2-16。 t/s 允許 v/m·s-1 t/s Vc/V 圖2-15 調(diào)速電壓Vc-t圖 圖2-16 運行速度v-t圖 半閉環(huán)實時反饋控制中，調(diào)速電壓Vc是以一種通（）或斷（0V）的重復(fù)脈沖序列被加到電機(jī)調(diào)速控制器上去的，其模擬值可等效看成，以此往復(fù)調(diào)控維持小車的速度在允許的速度誤差范圍內(nèi)變動，即也可看成小車運行速度的等效值。這種半閉環(huán)實時反饋運動控制策略避免了運行速度與調(diào)速電壓對應(yīng)關(guān)系不符合理論情況下對應(yīng)關(guān)系的情況，并且能在最短時間內(nèi)加速到，但是可能存在系統(tǒng)響應(yīng)時間跟不上調(diào)速速度，對電機(jī)調(diào)速控制器和機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動時出現(xiàn)間歇停頓性啟動運行行為等問題。 2.4小結(jié) 本章首先通過對實驗軌道小車運動情況的分析建立運動學(xué)模型，根據(jù)動力學(xué)模型，結(jié)合參數(shù)要求對控制系統(tǒng)做出了總體方案設(shè)計。最后討論了三種控制策略，并分析了每種控制策略的可行性和穩(wěn)定性以及可能存在的問題。最后選擇了半閉環(huán)一次反饋控制和半閉環(huán)實時反饋控制作為控制方案的編程和調(diào)試對象。 第三章 運動控制系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計 3.1 系統(tǒng)的電氣組成 本系統(tǒng)由松下AFPX型PLC邏輯控制器、AFPX－DA2模擬量插件、觸摸屏、旋轉(zhuǎn)編碼器、直流電機(jī)、直流無刷電機(jī)控制器和外部硬件：行程開關(guān)、急停按鈕、報警指示燈等組成。系統(tǒng)的框圖如圖3-1所示。 通過觸摸屏設(shè)定運行速度v和運行距離s，設(shè)定參數(shù)經(jīng)過RS485串口信號線到達(dá)PLC，邏輯控制器PLC處理數(shù)據(jù)后的調(diào)速數(shù)字信號傳送到DA2模擬量模塊變成模擬量信號再輸送到直流無刷控制器，另一部分控制命令直接輸送到直流無刷控制器，用于控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和制動。直流無刷控制器整合信號后輸出霍爾信號控制直流電機(jī)。實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)是直流電機(jī)，經(jīng)過傳動元件后到車輪軸上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測實驗軌道小車的實際運行速度是否到達(dá)設(shè)定的運行速度v設(shè)定值。編碼器的反饋信號反饋到PLC以執(zhí)行是否繼續(xù)加速或制動停止命令。在軌道上同時安裝了行程開關(guān)，防止過了指定運行距離后能夠起到保護(hù)制動；同時配置了緊急制動按鈕，能夠在遇到緊急情況時能夠人為機(jī)械緊急制動；運行指示燈能在接通電源后指示為已為啟動做好準(zhǔn)備，為接通電源狀態(tài)。 圖3-1 運動控制系統(tǒng)的組成框圖 3.2相關(guān)元器件選型 3.2.1 PLC及相關(guān)插件 可編程序控制器(PLC)主要由中央處理器(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入輸出單元(I/O)、電源和編程器等幾部分組成，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程的存儲器，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算數(shù)操作等面向用戶的指令；并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；編程簡單、直觀；控制能力強(qiáng)；易于安裝，便于維護(hù)等優(yōu)點。如圖3-1為PLC系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)[7]圖： 圖3-2 PLC系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 CPU是PLC的核心部件，負(fù)責(zé)完成邏輯運算、數(shù)字運算及協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各部分的工作。它在系統(tǒng)程序的管理下運行，主要功能有：接收并存儲由編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷電源故障及用戶程序的語法錯誤；讀取輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)并存儲到相應(yīng)的存儲區(qū)；讀取用戶程序指令，解釋執(zhí)行用戶程序，完成邏輯運算、數(shù)字運算、數(shù)據(jù)傳遞等任務(wù)。PLC的存儲單元分成兩個部分：系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。前者用于存PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，PLC的所有功能都是在系統(tǒng)程序的管理下實現(xiàn)的。后者又可分為程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)。程序存儲區(qū)用于存放用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲區(qū)存放的是程序執(zhí)行過程中所需要的或者所產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。輸入/輸出單元也叫I/O單元，輸入單元將來自現(xiàn)場的電信號轉(zhuǎn)換為中央處理單元能夠接收的電平信號；輸出單元則將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場控制電平，或者模擬量，輸出至被控對象。 圖3-3 AFP－X C14控制單元 本系統(tǒng)中，PLC是接收觸摸屏、編碼器和行程開關(guān)傳感器狀態(tài)，運行運動控制程序，完成運動控制的主要控制元器件。本系統(tǒng)中，我們選擇松下（中國）公司產(chǎn)品AFPX系列的PLC，其有繼電器型和晶體管型兩種。晶體管型分AFPX-C14TD、AFPX-C30TD、AFPX-C60TD三種控制單元。結(jié)合本設(shè)計的要求選擇的是AFPX-14TD控制單元，外觀圖如圖3-2所示，其中各標(biāo)號表示為：①狀態(tài)顯示LED、②輸入/輸出顯示LED、③RUN/PROG.模式切換開關(guān)、④USB連接器(B型)、⑤模擬量電位器、⑥編程口(RS232C)、⑦電源·輸入端子臺、⑧輸入用通用電源·輸出端子臺、⑨擴(kuò)展蓋、⑩連接擴(kuò)展插件的連接器、擴(kuò)展I/O單元、?擴(kuò)展FP0適配器連接用連接器、?電池蓋、?DIN導(dǎo)軌安裝推桿(左右鉤)，技術(shù)指標(biāo)如下表3-1所示： 表3-1 AFPX-C14TD產(chǎn)品的主要性能指標(biāo) 分類 性能指標(biāo) PLC型號 APFX-C14TD 輸出類型 晶體管（NPN） 絕緣方式 光耦合器 額定輸入電壓 24V DC 本機(jī)I/O 8輸入/6輸出 擴(kuò)展時的控制I/O點數(shù) 最大254點 適配插件類型 模擬量/通信插件 響應(yīng)時間 0.6ms以下 內(nèi)部繼電器 4096點(R0～R255F) 計數(shù)器/定時器 1024點(T0～T1007/C1008～C1023) 特殊內(nèi)部繼電器 192點(R9000～R911F) 鏈接繼電器 2048點(L0～L127F) 內(nèi)置高速計數(shù)器 單相8ch、2相4ch 高速脈沖輸出 3ch通信中斷 通信數(shù)量（RS232） 1 AFPX PLC提供一定數(shù)量的主機(jī)數(shù)字量I/O點，當(dāng)主機(jī)點數(shù)不夠或者處理的信息是模擬量時，就必須使用擴(kuò)展的接口模塊或者插件。AFPX PLC的接口模塊/插件有數(shù)字量插件、模擬量模插件、通信插件和智能模塊等，例如：模擬量輸入插件AFPX－AD2、熱電偶插件AFPX－TC2、測溫電阻插件AFPX－RTD2、通信插件AFPX－COM3等。本系統(tǒng)外加了一個個型號為AFPX－DA2的模擬量輸出插件，性能指標(biāo)如表3-2所示： 表3-2 AFPX－DA2模擬量輸出插件主要性能表 分類 性能指標(biāo) 輸出點數(shù) 2通道/插件 輸出量程（電壓/電流） 0-10V/0-20mA 數(shù)字值 K0～K4000注1） 分辨率 1/4000(12bit) 轉(zhuǎn)換速度 1ms/1通道 綜合精度 ±1%F.S.以下(0～55℃) 輸出阻抗 0.5Ω(電壓輸出) 輸出最大電流 10mA(電壓輸出) 輸出允許負(fù)載電阻 600Ω以下(電流輸出) 絕緣方式 變壓器絕緣、隔離IC絕緣 注1）：數(shù)字值值超過上、下限值時，不進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。(模擬量輸出為以前的數(shù)據(jù))。 模擬量插件端子排列如圖3-4，端口分布表如表3-3所示： CH0/ CH1 V 電壓輸出 I 電流輸出 COM0/ COM1 公共端 NC 未使用 表3-3 模擬量端口分布表 圖3-4 AFPX－DA2模擬量輸出插件端子排列圖 模擬量插件0V～10V輸出轉(zhuǎn)換特性如圖3-5所示，參數(shù)特性如表3-4所示： 數(shù)字輸入值 輸出電壓(V) 0 0.0 400 1.0 800 2.0 1200 3.0 1600 4.0 2000 5.0 2400 6.0 2800 7.0 3200 8.0 3600 9.0 4000 10.0 表3-4 模擬量參數(shù)性能表 圖3-5 輸出轉(zhuǎn)換特性圖 4000(K) 2000 (V) 10 5 所以，整個PLC系統(tǒng)由AFPX-C14TD型PLC和AFPX－DA模擬量輸出插件構(gòu)成。PLC系統(tǒng)的I/O通道分配表如表3-5所示如下： 表3-5 PLC系統(tǒng)的I/O通道分配表 輸入 輸出 X0 編碼器A相輸入 Y1 繼電器KM1（正轉(zhuǎn)） X1 編碼器B相輸入 Y2 繼電器KM2（反轉(zhuǎn)） X2 前進(jìn)行程開關(guān)SB1 Y3 繼電器KM3（制動） X3 前進(jìn)行程開關(guān)SB2 Y4 狀態(tài)指示燈 X4 后退行程開關(guān)SB3 WY10 模擬量插件電壓輸出 X5 后退行程開關(guān)SB4 X6 緊急制動按鈕SB5 3.2.2編碼器 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。接觸式采用電刷輸出，電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”，通過“1”和“0”的二進(jìn)制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號。如圖3-6為光電編碼器原理示圖。 碼盤 透鏡 透鏡 光源 轉(zhuǎn)軸 脈沖輸出 放大整形 光敏元件 圖3-6光電編碼器原理示意圖 碼器一般分為增量型與絕對型，它們存著最大的區(qū)別：在增量編碼器的情況下，位置是從零位標(biāo)記開始計算的脈沖數(shù)量確定的，而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里，每個位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的；因此，當(dāng)電源斷開時，絕對型編碼器并不與實際的位置分離。如果電源再次接通，那么位置讀數(shù)仍是當(dāng)前的，有效的；并不像增量編碼器那樣，必須去尋找零位標(biāo)記。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部兩個光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負(fù)方向）。在接合數(shù)字電路特別是單片機(jī)后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測量和角速度測量較絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價和簡易的優(yōu)勢。如圖3-7為增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的內(nèi)部工作原理示意圖。 圖3-7 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的內(nèi)部工作示意圖 A,B兩點對應(yīng)兩個光敏接受管，A,B兩點間距為S2,角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。當(dāng)角度碼盤以某個速度勻速轉(zhuǎn)動時，那么可知輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實際圖的S0：S1：S2比值相同，同理角度碼盤以其他的速度勻速轉(zhuǎn)動時，輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實際圖的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度碼盤做變速運動，把它看成為多個運動周期（在下面定義）的組合，那么每個運動周期中輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實際圖的S0：S1：S2比值仍相同。 絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個位置絕對唯一、抗干擾性和可靠性大大提高、無需掉電記憶，減輕了電子接收設(shè)備的計算任務(wù)，從而省去了復(fù)雜的和昂貴的輸入裝置，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。 在本設(shè)計中，我們需要知道與車輪軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以轉(zhuǎn)換成小車的運行速度和運行距離，不需要當(dāng)前的位置，根據(jù)需要，我們選擇了MK80系列型號為MK803J-1024B-LM5增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，應(yīng)用于自動控制、測量、電梯、電機(jī)和包裝印刷類。 如圖3-8為旋轉(zhuǎn)編碼器的實物圖。 圖3-8 MK803J-1024B-LM5增量型旋轉(zhuǎn)編碼器實物圖 表3-6為該該編碼器的技術(shù)性能指標(biāo)。 表3-6 MK803J-1024B-LM5增量型旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)指標(biāo) 電氣特性 輸出電路 集電極開路輸出 電壓輸出 互補(bǔ)型輸出 長線驅(qū)動輸出 電源電壓Vcc 消耗電流 5～26 ≤80mA 5～26 ≤80mA 5±0.25 5～26 ≤80mA 5±0.25 5～26 ≤150mA 負(fù)載電流 40mA 40mA 40mA 60mA 輸出H高電平 最小Vcc*70% 最小Vcc-2.5V 最小Vcc-1.5V 最小3.4V 輸出底高電平 最大0.4V 最大0.4V 最大0.8V 最大0.4V 上升/下降時間 MAX 1us MAX 1us MAX 1us MAX 200ms 最高頻率響應(yīng)t 300kHz 300kHz 300kHz 300kHz 機(jī)械特性 每分鐘最大轉(zhuǎn)速 啟動扭矩 軸最大負(fù)荷 抗沖擊 抗振動 5000r/min ＜1Nm 徑/軸向10/20N 50G/11ms 10G 10-2000Hz 轉(zhuǎn)動慣量 工作溫度 儲存溫度 防護(hù)等級 重量 4×10-8kgm2 -30～85℃ -30～95℃ IP50 400g 3.2.3 觸摸屏 觸摸屏（touch screen）又稱為“觸控屏”、“觸控面板”，是一種可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動各種連結(jié)裝置，可用以取代機(jī)械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。本系統(tǒng)中使用的是日本松下公司GT系列觸摸屏工業(yè)圖形顯示器產(chǎn)品。GT系列觸摸屏工業(yè)圖形顯示器（簡稱觸摸屏）是一種連接人類和機(jī)器（主要為PLC）的人機(jī)界面，它是替代傳統(tǒng)的控制面板和鍵盤的智能化操作顯示器?？捎糜趨?shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)的顯示和存儲、并以曲線、動畫等形式描繪自動化控制的過程，并可簡化PLC的控制程序。它可以實現(xiàn)以下作用： 監(jiān)視：以數(shù)據(jù)、曲線、圖形、動畫等各種形式來反映 PLC的內(nèi)部狀態(tài)，存儲器數(shù)據(jù)，從而直觀反映工業(yè)控制系統(tǒng)的流程、走向。 控制：可以通過觸摸屏來改變PLC內(nèi)部狀態(tài)位，存儲器數(shù)值，從而參與過程控制。 數(shù)據(jù)處理：通過標(biāo)準(zhǔn)的大容量CF卡存儲配方數(shù)據(jù)，實時采樣的數(shù)據(jù)和歷史報警信息。 與模擬儀表、操作臺相比本觸摸屏具有以下優(yōu)點： 1. 體積變小，幾乎不占空間； 2. 連線簡單化； 3. 能儲存大量的數(shù)據(jù)（配方數(shù)據(jù)和采樣數(shù)據(jù)）； 本設(shè)計選擇的是松下GT01型號觸摸屏，如圖3-9為GT01觸摸屏的實物圖。 圖3-9 GT01觸摸屏實物圖 如表3-7所示為GT01觸摸屏技術(shù)主要的性能參數(shù)。 表3-7 GT01觸摸屏技術(shù)主要性能參數(shù) 分類 性能指標(biāo) 分類 性能指標(biāo) 型號 GT01 顯示設(shè)備 STN單色LCD 輸入電壓 24DC 環(huán)境溫度 0～+50℃ 顯示點數(shù) 128(W)×64(H) 模擬開關(guān)方式 電阻模式開關(guān) 耐電壓 500AC 1分鐘 語言種類 日、簡體中文等 絕緣阻抗 100MΩ 可登陸畫面數(shù) 約160個 背光燈方式 LED(綠、橙、紅) 通信（編程）串口 RS232 3.2.4直流無刷電機(jī)控制器 直流無刷電機(jī)控制器無刷電機(jī)控制器是可用于為三相無刷電機(jī)提供封閉回路的換向控制信號的控制裝置，同時利用模式還可對電機(jī)速度進(jìn)行控制并對電機(jī)進(jìn)行必要的保護(hù)，無刷電機(jī)的控制器要比有刷電機(jī)控制器復(fù)雜得多。電動車無刷控制器主要由單片機(jī)主控電路、功率管前級驅(qū)動電路、電子換向器、霍爾信號檢測電路、轉(zhuǎn)把信號電路、欠電檢測電路、限流/過流檢測電路、剎車信號電路、限速電路、電源電路等部分組成，其原理框圖如圖3-10所示。 圖3-10直流無刷電機(jī)控制器原理框圖 在本設(shè)計中，根據(jù)要求選擇了型號為MC3系列電動平車用控制器，該直流無刷電機(jī)控制器實物圖如3-11所示。 圖3-11 MC3系列電動平車用控制器實物圖 該型號直流無刷控制器的電氣技術(shù)參數(shù)如表3-8所示。 表3-8 MC3系列直流無刷控制器電器技術(shù)性能指標(biāo) 電氣參數(shù)（25℃±5℃） 額定電壓V 24 36 48 72 額定電壓V 1.0～2.0 1.5～3.0 2.0～4.0 2.0～5.0 欠壓電壓V 蓄電池供電 20 31 42 63 電壓軌道供 20 31 31 31 調(diào)速電壓范圍 DC0V～DC5V 正反轉(zhuǎn)有效電平 接地 制動有效電平 接地 堵轉(zhuǎn)保護(hù) 2S內(nèi)無連續(xù)的正確霍爾信號后停止輸出 過載保護(hù) 見降額曲線-溫度VS輸入功率 溫度保護(hù) 見降額曲線-溫度VS輸入功率 使用溫度 -30℃～60℃ 使用濕度 20%～90%RH 3.2.5直流電機(jī) 1.直流電機(jī)工作原理 永磁無刷直流電機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等等。 永磁無刷直流電機(jī)的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機(jī)在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。 由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，與他勵直流電動機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性一樣。 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流： (N·m) 電動機(jī)兩相繞組反電勢的差正比于電動機(jī)的角速度：(V) 所以電動機(jī)繞組中的平均電流為：(A) 其中，是加在電動機(jī)線間電壓平均值，是直流母線電壓，是調(diào)制波的占空比，為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：，、是電動機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，為電動機(jī)的角速度(rad/s)，所以，在一定的時，改變占空比，就可以線性地改變電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵直流電動機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性。 永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令調(diào)速電壓的高低，如果速度指令最大值為+5V對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：，那么+5V以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實現(xiàn)了變速設(shè)定。 當(dāng)設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓變小，調(diào)制波的占空比就會變大，電樞電流變大，使電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止;反之，如果電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時，減小，減小，發(fā)生減速度，直至實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止?？梢哉f，永磁直流電機(jī)在允許的電網(wǎng)波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運行。雖然直流電動機(jī)本身是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，但實際上電動機(jī)存在由反電動勢構(gòu)成的反饋回路，該反饋信號的大小與電動機(jī)速度成正比，極性為負(fù)。 2.電機(jī)選型相關(guān)參數(shù)計算： 斜齒圓柱齒輪單級減速10:1減速，1:1換向錐齒輪裝置傳動效率為，電機(jī)效率聯(lián)軸器效率，軸承效率，減速齒輪效率。 ； 車輪轉(zhuǎn)速 經(jīng)過1：10減速機(jī)構(gòu)，故電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為滿足參數(shù)要求本設(shè)計中，選擇了GC-90系列中功率高速直流無刷電機(jī)，該產(chǎn)品特點是無炭刷和無火花、轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍大、效率高且轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小，噪音低、體積小，重量輕、高可靠性的雙霍爾出線方式。如圖3-12為該電機(jī)實物圖。 圖3-12 GC-90系列中功率高速直流無刷電機(jī)實物圖 如下表3-9所示是該電機(jī)的電氣參數(shù)（25℃±5℃）表。 表3-9 GC-90系列中功率高速直流無刷電機(jī)電器參數(shù)表 分類 電氣性能參數(shù) 額定電壓 V 24 48 96 額定轉(zhuǎn)速rpm 1500 1500 3000 額定功率 KW 1.5 2.0 1.5 2.0 7 最大功率 2.0 2.5 2.0 2.5 額定功率的1.3倍 旋轉(zhuǎn)方向 正視出線端，逆時針方向旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)（可調(diào)方向） 電機(jī)超速 電機(jī)在 1.5倍額定電壓下空載運轉(zhuǎn) 30min外觀、性能正常 過載能力 3 倍額定轉(zhuǎn)矩 運行 5min,性能無變化 3.3硬件設(shè)計的總體接線圖 3.3.1硬件設(shè)計的電氣原理圖 見實驗軌道小車運動控制系統(tǒng)CAD電氣原理圖紙。 3.4小結(jié) 本章主要對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行集成設(shè)計。首先對實驗軌道小車運動系統(tǒng)的控制硬件電氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，其中簡要以原理圖說明了之間的相互關(guān)系。其次對系統(tǒng)的電氣組成進(jìn)行了介紹，包括各個元器件之間的連接方式、傳遞信號的類型。最后分析了系統(tǒng)電氣組成中的主要元器件的工作原理，對器件進(jìn)行選型并對其性能特點進(jìn)行介紹。 第四章 運動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 4.1 可編程邏輯控制器的軟件基