機(jī)械電子工程畢業(yè)論文-交直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　交直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師

2、的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 交直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建 </p><p><b

3、>　　1．課題意義及目標(biāo)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)所包含的理論知識(shí)是我們大學(xué)四年中不同階段所學(xué)知識(shí)的一個(gè)綜合承載體。通過對(duì)它的分析和研究，能夠使得我們對(duì)大學(xué)所學(xué)的知識(shí)有一個(gè)很好的復(fù)習(xí)和鞏固，同時(shí)還能夠有一定的延伸。因此這將會(huì)是一個(gè)非常有意義的過程。 </p><p><b>　　2．主要任務(wù)</b></p>&

4、lt;p>　　1、結(jié)合機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)平臺(tái)，研究該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理。</p><p>　　2、完成電路圖和安裝圖設(shè)計(jì)工作。</p><p><b>　　3、維護(hù)實(shí)驗(yàn)室。</b></p><p><b>　　3．主要參考資料</b></p><p>　　[1]張建民,機(jī)電一體化系統(tǒng)

5、設(shè)計(jì)[M].修訂版.北京:理工大學(xué)出版社，2008.</p><p>　　[2]陳波時(shí),電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[3]胡壽松，自動(dòng)控制原理[M].北京:國防工業(yè)出版社，2011 </p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　審核人：

6、 年 月 </p><p>　　交直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建</p><p>　　摘 要：電動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)是目前最小電機(jī)系統(tǒng)之一，通過對(duì)它的結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，能夠使得學(xué)習(xí)者對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。所研究的試驗(yàn)臺(tái)是由四套獨(dú)立不同種類的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組，因此在這里主要以步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建來說明。首先，根據(jù)測(cè)試平臺(tái)

7、要完成的測(cè)試內(nèi)容如：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、加載以及定位等來選擇測(cè)試平臺(tái)所需要的主要組成部件。其次，就是對(duì)測(cè)試平臺(tái)機(jī)械部分工裝進(jìn)行詳細(xì)的說明以及主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)。最后，對(duì)步進(jìn)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的控制系統(tǒng)選擇以PLC與IPC來組成的優(yōu)越性的說明，并且完成硬件的選型和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最后搭建起該測(cè)試平臺(tái)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：二相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，S7-200PLC，測(cè)試平臺(tái)</p><p>　　The

8、 Building of Ac/Dc Motor Closed Loop Control System Testing Platform</p><p>　　Abstract: motor testing platform is one of the smallest motor systems. Through analyzing its structure and working principle, lea

9、rners can have a thoroughly understanding on Mechatronics Technology. The test bed, an experimental platform group, consists of four different kinds of motor testing systems. Therefore, the author illustrated it through

10、the building of stepper motor experimental platform.firstly, the author selected the main components that testing platform needs according to the test </p><p>　　Keywords: two-phase hybrid stepper motor，S7-20

11、0PLC，testing platform</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論3</b></p><p>　　1.1研究的背景和意義3</p><p>　　1.2論文的主要研究的工作4</p><p>　　2電機(jī)測(cè)試平臺(tái)分析6

12、</p><p>　　2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分析6</p><p>　　2.2主要部件的選擇9</p><p>　　2.2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇9</p><p>　　2.2.2磁粉制動(dòng)器的選擇11</p><p>　　2.2.3傳感器的選擇12</p><p>　　2.3測(cè)試平臺(tái)的電路圖和

13、安裝圖的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1機(jī)械系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2主要部件的安裝與調(diào)試15</p><p>　　4電機(jī)測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1控制系統(tǒng)分析17</p><p>

14、　　4.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2.1控制系統(tǒng)的硬件配置20</p><p>　　4.2.2控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)21</p><p><b>　　5結(jié)論33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>

15、;　　致謝35</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1研究的背景和意義</p><p>　　傳統(tǒng)的交直流電動(dòng)機(jī)的主要功能是完成能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)這也是衡量電機(jī)性能好壞的最重要的指標(biāo)。傳統(tǒng)的交直流電動(dòng)機(jī)自從出現(xiàn)就為人們的生活帶來很大的福利，但是隨著社會(huì)各行各業(yè)飛速的發(fā)展，對(duì)電機(jī)又提出了許多新的要求

16、，除了能夠高效率的轉(zhuǎn)換能量以外還要能夠按照人們想象的方式運(yùn)動(dòng)。如實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)角速度和角位移的控制。而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是為迎合人們的這種需要而出現(xiàn)的，同時(shí)它也是最早與人工智能控制相結(jié)合的電動(dòng)機(jī)。在二十世紀(jì)六七十年代，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和高性能材料的應(yīng)用，科學(xué)家們提出了一個(gè)新的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究水平，使得適合眾多領(lǐng)域的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。而作為永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和反應(yīng)式不進(jìn)電動(dòng)結(jié)合而來的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用更廣、發(fā)展更迅速。在而二十世紀(jì)六七十年

17、代后期，各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家都將混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為以一種新興產(chǎn)業(yè)來發(fā)展，使其成為了電動(dòng)機(jī)大家庭中的正式一員。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種相對(duì)比較特殊的電動(dòng)機(jī)，他是依靠接收到的離散的電脈沖信號(hào)來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此單純的使用通常的直流或交流電源是不能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)的，它需要專門的驅(qū)動(dòng)器來為其提供離散的電脈沖信號(hào)。每輸送一個(gè)電脈沖信號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過一定的角度，實(shí)現(xiàn)由脈沖到位移的信號(hào)轉(zhuǎn)換。并且步進(jìn)

18、電動(dòng)機(jī)的這種驅(qū)動(dòng)能力是不受外界因素影響的，在能力范圍內(nèi)，位移量和點(diǎn)脈沖個(gè)數(shù)成線性關(guān)系。因此在數(shù)字控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因其定位精確、容易控制、工作可靠得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)以外的其他行業(yè)如:實(shí)驗(yàn)教學(xué)、輕工業(yè)、以及石油的行業(yè)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)能否順利高效的進(jìn)行與步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況有著直接的關(guān)系，所以我們必須有相應(yīng)的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)來測(cè)試電機(jī)的主要參數(shù)、性能和運(yùn)行情況。</p><p>　　隨

19、著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，生活中的方方面面都已經(jīng)離不開它的存在。而伴隨而來的就是對(duì)電機(jī)質(zhì)量和性能的好標(biāo)準(zhǔn)要求。因此我們必須了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的重要的性能參數(shù)，來對(duì)電機(jī)做出改進(jìn)和升級(jí)。這就需要有相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量改進(jìn)和性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)保障。隨著這些年來專家和學(xué)者們的不斷努力以及一些新興技術(shù)的發(fā)展所帶來的依托，電動(dòng)機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)有了很大的改進(jìn)和提升。特別是隨著日益成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，PC控制測(cè)試技術(shù)日益成為主流測(cè)

20、試方法，并且向著更加完善、更加成熟的方向發(fā)展著。</p><p>　　在以前通常會(huì)采用一般的指針式儀表，就需要大量的人工操作，例如需要人工讀數(shù)以及處理數(shù)據(jù)然后繪制出相應(yīng)的曲線或圖形，這是最傳統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試方法。因此存在著很大的弊端，大量的工作都是人工來完成，這就需要測(cè)試人員擁有較高的工作經(jīng)驗(yàn)和高度集中注意力去應(yīng)對(duì)儀表和測(cè)試中的一些突發(fā)情況，即使這些條件都滿足，仍然難以保證數(shù)據(jù)的精確度。同時(shí)存在著工作效率低，勞動(dòng)量比

21、較大的缺點(diǎn)。 </p><p>　　還有另外一種比較完善的測(cè)量方法。那就是采用一些數(shù)字電壓表、光電智能測(cè)速儀以及數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀表等這些相對(duì)先進(jìn)一些的儀器。這類測(cè)試大多是由單片機(jī)來控制完成的。相比較前一種測(cè)試方案來說，不僅測(cè)量精度較高，而且自動(dòng)化程度相對(duì)比較高，大大的減少了人為因素的干擾，但是仍舊存在著一些弊端。例如：對(duì)測(cè)試系統(tǒng)反應(yīng)比較遲緩，數(shù)據(jù)生成較慢；不具有數(shù)據(jù)處理以及圖像生成的能力。</p>&

22、lt;p>　　在PLC控制不斷優(yōu)化的今天，再結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助控制所組成的測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)成為目前來說最高效、快捷的測(cè)試方法。首先采用可編程控制器PLC作為主要的控制器，，因?yàn)镻LC具有強(qiáng)大的控制功能，可以根據(jù)不同的需要來編寫相應(yīng)的程序，體積小、安裝方便、并且有強(qiáng)勁的通訊能力。其次是計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)控系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，能夠存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)并且進(jìn)行分析，最后通過比較直觀的方式呈現(xiàn)給操作人員。同時(shí)兩者具有故障診斷能力，在出現(xiàn)問題時(shí)可以

23、迅速的解決，這樣不僅效率大大的提高，而且得出的結(jié)果的精度相當(dāng)?shù)母?。因此研究該測(cè)試系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值和很好的推廣前景。</p><p>　　1.2論文的主要研究的工作</p><p>　　這篇文章是在經(jīng)過查閱大量的參考資料并且借鑒了現(xiàn)有的一些比較先進(jìn)的電機(jī)測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上來進(jìn)行研究的。對(duì)測(cè)試平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)繪制出了電路連接圖和接線圖，構(gòu)建出了基于先進(jìn)的MCGS觸摸屏系統(tǒng)輔助

24、PLC控制的新型控制系統(tǒng)?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟停、換向、加減速的調(diào)節(jié)，對(duì)電流電壓檢測(cè)等功能并且可以繪制速度和位置曲線。論文從以下三個(gè)主要方面來進(jìn)行了詳細(xì)的論述：</p><p>　?、烹姍C(jī)測(cè)試平臺(tái)的構(gòu)建。主要測(cè)試對(duì)象（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）的詳細(xì)剖析，一些主要組成部件的選擇以及安裝圖的設(shè)計(jì)。</p><p>　?、齐姍C(jī)測(cè)試平臺(tái)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。主要包括主要測(cè)試平臺(tái)的主要零部件的設(shè)計(jì)和機(jī)械部分的安

25、裝和調(diào)整。</p><p>　?、请姍C(jī)測(cè)試平臺(tái)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要包括控制系統(tǒng)硬件設(shè)施的選擇和系統(tǒng)電氣原理設(shè)計(jì)，PLC控制程序的編寫以及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2電機(jī)測(cè)試平臺(tái)分析</b></p><p>　　2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分析</p><p>　　電磁力為大多數(shù)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源泉。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)

26、動(dòng)也同樣需要電磁力，但是有所不同的地方在于它所需要的電磁力是由通電的定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)由磁性材料按照一定形狀做成的轉(zhuǎn)子磁極的吸引力形成的。而交流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，定子繞組通電產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)使得轉(zhuǎn)子在其中不停的做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，因此在其內(nèi)部會(huì)形成感應(yīng)電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子中有感應(yīng)電流通過時(shí)，就會(huì)在其周圍形成感應(yīng)磁場(chǎng)，與通電的定子繞組產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)相互作用，從而形成工作所需要的作用力。因?yàn)橹挥性谝欢ǖ膹?qiáng)度的感應(yīng)電流才能夠形成足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)與原

27、磁場(chǎng)相互作用，這就要求交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)速上有一定的限制要求。</p><p>　　對(duì)于所有的電動(dòng)機(jī)來說，由于他們的工作原理的差異以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的區(qū)別，使得電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的作用力可以分為兩種表現(xiàn)形式：一種形式表現(xiàn)為兩個(gè)磁場(chǎng)間的相互作用導(dǎo)致了磁場(chǎng)力的產(chǎn)生；另一種形式表現(xiàn)為作用力則是由定/轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的，當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)單相磁場(chǎng)作用于轉(zhuǎn)子，由于磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子和定子之間的分布要遵循磁阻最小的原則（

28、或磁導(dǎo)最大原則），即磁通總是沿著磁阻最?。ù艑?dǎo)最大）的路徑閉合，因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁極軸線與定子磁極的軸線不重合時(shí)，便會(huì)有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨于磁阻最小的位置，即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象[1]。對(duì)于第一種形式中的定子與轉(zhuǎn)子之間的相互作用的兩個(gè)磁場(chǎng)的來源有兩種形式：一種是由磁鐵產(chǎn)生的固定磁場(chǎng)，另一種是由電流通過定子或轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的。如交流電動(dòng)機(jī)，其定子磁場(chǎng)由外加電源產(chǎn)生的電流通過定子繞組產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子

29、磁場(chǎng)由感應(yīng)電流產(chǎn)生。而某些直流電動(dòng)機(jī)，則是定子由磁鐵做成，轉(zhuǎn)子繞組則是由電流通過產(chǎn)生磁場(chǎng)；同步電動(dòng)機(jī)則是定子由電流通過定子繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子由磁鐵（或電磁鐵）做成[2]。以上兩種產(chǎn)生力矩的方式都被用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其中勵(lì)磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是</p><p>　　因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作與內(nèi)部的感應(yīng)電流沒有關(guān)系，所以可以從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造入手，進(jìn)行一定的改變，并且通過控制流經(jīng)定子繞組的電流，來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作的操控。使其

30、在位置和轉(zhuǎn)動(dòng)方面都能夠滿足人們對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。而且通過結(jié)構(gòu)上面的設(shè)計(jì)和改變，可以方便的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的角位移出現(xiàn)。由于其工作電源是脈沖電壓，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是通過接受專門的驅(qū)動(dòng)器輸送來的脈沖信號(hào)來運(yùn)動(dòng)的，因此適合于作用于數(shù)字系統(tǒng)中作為伺服元件。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)特殊的工作原理，可以使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有一個(gè)很大的變化空

31、間，并且能夠快速的完成一寫電動(dòng)機(jī)最基本的動(dòng)作。例如：?jiǎn)?dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)條件下工作時(shí)，各種性能參數(shù)都相對(duì)比較的穩(wěn)定，無論外界的因素怎么樣的變化對(duì)它都不會(huì)有太大的影響?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是步進(jìn)電機(jī)中性能最為突出的一種，它是結(jié)合了另外兩種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理而設(shè)計(jì)出來的，同時(shí)具備兩者的長(zhǎng)處?？梢宰龅讲骄嘈《?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。它又分為兩相、三相和五相,兩相步進(jìn)角一般為1.8度,三相步進(jìn)角一般為1.2度,而五相步進(jìn)角一般為0.72度[

32、3]。本測(cè)試平臺(tái)就選擇的就是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為測(cè)試對(duì)象。因在此著重以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為對(duì)象加以分析。</p><p>　　圖2.1.1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2.1.2 步進(jìn)電機(jī)繞組接線圖</p><p>　　如上圖所示A,B兩相繞組沿徑向分相，在N極和S極四個(gè)方向分別有2（組）*4（個(gè)）平面形狀不規(guī)則、凸起的定子環(huán)繞，以小于9以內(nèi)的數(shù)來對(duì)其進(jìn)

33、行編號(hào)，磁極分為兩組，一組稱為A極相，另一組稱為B極相，奇數(shù)分布在A上，偶數(shù)分布在B上，不僅如此，電機(jī)的由于要保證穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此不同的磁極都有不同的固定組件，最常見的是五個(gè)齒固定有序排列在電機(jī)定子上。轉(zhuǎn)子方面，圓形空心磁鐵與幾個(gè)方形鐵芯相結(jié)合，在中心處是圓形磁鐵，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中得磁，一般情況下都是兩個(gè)固定鐵芯并且分別分布在相對(duì)的磁極。因內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要，每個(gè)磁鐵上面都會(huì)帶有一些小齒，這些齒交叉互補(bǔ)，前一個(gè)鐵芯的齒尖剛好和后一個(gè)鐵芯的齒槽相對(duì)應(yīng)。

34、轉(zhuǎn)子內(nèi)部均勻排列多個(gè)齒，數(shù)量為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，定子與轉(zhuǎn)子的齒間距要保持一致。</p><p>　　當(dāng)這組電機(jī)按A^A→B^B→^AA→^BB→A^A由上到下，由前到后的排列依次通電后，它們正好構(gòu)成一組環(huán)繞，就像循環(huán)組合，此結(jié)構(gòu)需要4個(gè)定點(diǎn)，但是只有一支線圈導(dǎo)通即可。當(dāng)i流經(jīng)線圈內(nèi)部時(shí)，會(huì)改變電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)此時(shí)變?yōu)榇艅?dòng)勢(shì)，由于能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)子內(nèi)部的永磁鐵與這種轉(zhuǎn)化能量彼此作用產(chǎn)生作用力，這就為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供了原動(dòng)力，還會(huì)

35、改變電磁的轉(zhuǎn)矩。電機(jī)內(nèi)部的線圈得電產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁極異性相互吸引，此時(shí)轉(zhuǎn)子與定子真好產(chǎn)生相對(duì)磁極，相互吸引，這兩結(jié)構(gòu)組是齒對(duì)齒，定子繞組磁極3與轉(zhuǎn)子是齒對(duì)槽，定子繞組磁極5與轉(zhuǎn)子是齒對(duì)齒，定子繞組磁極7轉(zhuǎn)子是齒對(duì)槽每個(gè)齒間都是分布、交叉互補(bǔ)排列，因此在轉(zhuǎn)子的S極端，定子繞組磁極1＇產(chǎn)生S極磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子S極產(chǎn)生排斥，因此定子繞組磁極1＇。4因子 轉(zhuǎn) 子 上 共 有 50個(gè) 齒 ,其 齒 距 角 為360/50=7.2,定子每個(gè)極距所占

36、，此時(shí)繼續(xù)得電，N極上齒的排列保持不變，根據(jù)磁極的變化齒的排列方式變?yōu)閷?duì)應(yīng)。磁力線是沿轉(zhuǎn)子N端→A(1)S磁極→導(dǎo)磁環(huán)→A()N磁極→ 轉(zhuǎn)子S端→轉(zhuǎn)子N端,成一閉合曲線。在不同的相，得電和失電會(huì)將定子轉(zhuǎn)子互斥排列、磁極打亂，有不同的組合方式，例</p><p>　　該測(cè)試平臺(tái)選擇了四宏電機(jī)有限公司生產(chǎn)的兩相混合式57系57BYGH255-3004B小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　2.

37、2主要部件的選擇</p><p>　　2.2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)存在時(shí)是無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)的。由于它特殊的工作原理，使得它必須在其他輔助元件的驅(qū)動(dòng)下才能正常工作。而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和脈沖信號(hào)發(fā)生器就是組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)重要組成部分，驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)斔偷拿}沖信號(hào)在輸送給電動(dòng)機(jī)前做預(yù)處理，從而電機(jī)的定子繞組的通電情況能夠按照一定的規(guī)律進(jìn)行，達(dá)到操控的目的。對(duì)于整個(gè)驅(qū)

38、動(dòng)系統(tǒng)來說，每一個(gè)組成部分的工作能力的好壞都能夠直接的影響到整體的正常運(yùn)行以及效率的高低。因此對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇方面應(yīng)該相當(dāng)?shù)纳髦亍?lt;/p><p>　　本測(cè)試平臺(tái)選擇了上海四宏電機(jī)有限公司生產(chǎn)的AKS230細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具有很多性能突出的地方。該細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是專門為目前市場(chǎng)上應(yīng)用比較多并且也非常受歡迎的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)研發(fā)出來的。主要針對(duì)的是混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中的兩相和四相，本測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象就

39、選擇的是四宏電機(jī)的57系列中的57BYGH255-3004B，因此特別的吻合。除此之外，由于它利用的是最新型的雙極性電流保持恒定數(shù)值的斬波技術(shù)，這樣就會(huì)使得電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)的比較穩(wěn)定：振動(dòng)小、精度高、噪聲低。同時(shí)它在研發(fā)的時(shí)候就為用戶設(shè)計(jì)了許多不同的細(xì)分模式，以供用戶根據(jù)具體情況來選擇，并且開放性非常的好，用戶可以根據(jù)需要對(duì)驅(qū)動(dòng)器的微型電腦進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定。很人性化同時(shí)也非常適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)中。</p><p&g

40、t;　　圖2.2.1 AKS230實(shí)物圖</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供脈沖頻率信號(hào)和的高低電平信號(hào)，以此來達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置的控制。如上圖所示，該驅(qū)動(dòng)器的VCC+，GND端為外接直流電源，直流電壓范圍為+20V～+45V。20~40VDC.注：在使用的時(shí)候一定要不要讓工作電壓高于四十伏特，以防止在運(yùn)行的過程中燒壞了模塊, A+，A-端和 B+，B-端為電動(dòng)機(jī)的兩相接口, CP+、

41、CP-：為步進(jìn)電脈沖輸入端口（上升沿有效，持續(xù)時(shí)間＞10μS）, CW+、CW-：是對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向控制端口，通過對(duì)該端子上的高低電平信號(hào)的控制來改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向, REST+、REST-：為急停復(fù)位端口。</p><p>　　在驅(qū)動(dòng)器上的紅色部分為驅(qū)動(dòng)器輸出電流以及驅(qū)動(dòng)器微步細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定的區(qū)域?？偣灿蠸W1～SW8這八個(gè)可以供用戶隨意設(shè)定的撥碼開關(guān)，其實(shí)前三個(gè)撥碼開關(guān)是對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出電流的數(shù)值進(jìn)行改變用的；SW4是

42、一個(gè)特殊功能撥碼開關(guān)，它具有自動(dòng)半流功能，在通常情況下，為了降低整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱情況，是系統(tǒng)能夠在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的情況下進(jìn)行；SW5～SW8是對(duì)驅(qū)動(dòng)器微步細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定的撥碼開關(guān)，該部件為用戶提供了七種不同的模式以供用戶自由選擇。具體的輸出電流設(shè)定和微步細(xì)分?jǐn)?shù)的設(shè)定如下表所示，實(shí)驗(yàn)者在根據(jù)自己需要更換使用數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先斷開電源使部件停止。</p><p>　　表2.2.1 細(xì)分?jǐn)?shù)和電流選擇表</p>&l

43、t;p>　　2.2.2磁粉制動(dòng)器的選擇</p><p>　　該測(cè)試系統(tǒng)選擇磁粉制動(dòng)器來改變負(fù)載調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于它采用了特殊的結(jié)構(gòu)和工作原理，使得它所傳遞的轉(zhuǎn)矩與激磁電流成線性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)高精度的控制，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)可以輕松的進(jìn)行大范圍的控制。運(yùn)行平穩(wěn)，在啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)狀態(tài)下，無振動(dòng)、無污染、無沖擊、無噪聲。優(yōu)越的耐久性，因采用了耐熱、耐磨耗、耐氧化、耐腐蝕的超合金磁粉因此使用壽命也很長(zhǎng)。磁粉制

44、動(dòng)器除了單純用于啟動(dòng)、制動(dòng)之外，還可作速度調(diào)節(jié)、位置控制、過載保護(hù)、微動(dòng)和定位等多種用途。磁粉制動(dòng)器主要構(gòu)成部分為：內(nèi)外兩個(gè)由軸承支撐的旋轉(zhuǎn)體、通有變化電流的線圈以及磁粉。其中起最主要作用的就是磁粉了，激磁線圈在通電的時(shí)候會(huì)使得磁粉磁化，然后迅速的鏈接在一起成為傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的新型元件。其工作原理大致可表述為：在沒有變化的電流通過線圈時(shí)，則磁粉沒有被磁化會(huì)自由的分布在磁粉制動(dòng)器的內(nèi)部，如果主動(dòng)轉(zhuǎn)子有旋轉(zhuǎn)，則磁粉由于主轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的作用力的作

45、用都分布在主動(dòng)轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁上；當(dāng)有變化的電流通過線圈時(shí)，產(chǎn)生的電磁作用使得磁粉磁化，自由分布的磁粉鏈接起內(nèi)外兩個(gè)由軸承支撐的旋轉(zhuǎn)體，使得轉(zhuǎn)矩在他們兩者之間進(jìn)行傳遞，從而起到減速制動(dòng)的作用。本測(cè)試平臺(tái)所選是由蘭陵機(jī)</p><p>　　表2.2.2 磁粉制動(dòng)器詳細(xì)參數(shù)表</p><p>　　圖2.2.2 磁粉制動(dòng)器尺寸圖</p><p>　　2.2.3傳感器的選擇<

46、;/p><p>　　在現(xiàn)代的電機(jī)測(cè)試中，傳感器的起著越來越重要的作用。為了對(duì)電機(jī)中的電量和非電量進(jìn)行檢測(cè)，就需要把這些被測(cè)量轉(zhuǎn)換成容易比較并且容易傳送的信息。而傳感器在測(cè)試系統(tǒng)中就起到這樣的作用。它能夠非常靈敏的捕捉到實(shí)驗(yàn)過程中的各種需要檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)變化，，并且迅速的做出反應(yīng)，將這些變化的信息轉(zhuǎn)化成為控制系統(tǒng)所能接收的電信號(hào)輸送給控制系統(tǒng)。成為控制系統(tǒng)和測(cè)試對(duì)象之間的橋梁，形成閉環(huán)。</p><

47、p>　　本測(cè)試平臺(tái)選擇旋轉(zhuǎn)編碼器作為傳感器。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電式旋轉(zhuǎn)測(cè)量轉(zhuǎn)速裝置并且配合PWM技術(shù)可以達(dá)到快速調(diào)速。它是通過感應(yīng)測(cè)試對(duì)象（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械參數(shù)，并且快速的將這些信息轉(zhuǎn)化為可編程控制器所能接收的高速脈沖信號(hào)。當(dāng)可編程控制器接收到這些信息的時(shí)候，就會(huì)啟動(dòng)它的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊并且將這些信息儲(chǔ)存起來以供用戶參考。旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出方式有兩種，即單線方式和雙線方式。但是在大多數(shù)情況下都會(huì)選擇第二種輸出方式，因?yàn)檫@種方

48、式不僅可以得出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度而且還可以知道它是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。</p><p>　　從編碼器的結(jié)構(gòu)上分析，在它的中心有一個(gè)由光學(xué)玻璃制成，在上面刻有許多同心碼，每個(gè)碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分的部件，結(jié)合自身的光電發(fā)射和接受部件，在使用時(shí)可以得到將周波平均分成四組的正弦波信號(hào)，分別標(biāo)記為A,B,C,D。將C、D信號(hào)反向疊加在A、B兩相上，便可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)。同時(shí)可以通過對(duì)比A、B兩相的先后，就可以

49、知道編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。該測(cè)試平臺(tái)所選擇的傳感器是由HENGXIANG OPTICAL生產(chǎn)的K38-J6C2000B8C2旋轉(zhuǎn)編碼器。</p><p>　　圖2.2.3 旋轉(zhuǎn)編碼器尺寸圖</p><p>　　2.3測(cè)試平臺(tái)的電路圖和安裝圖的設(shè)計(jì)</p><p>　　測(cè)試平臺(tái)的的電路圖和安裝圖在附件CAD設(shè)計(jì)圖紙上有詳細(xì)的說明。因此在這里就不予以介紹了。</p&g

50、t;<p>　　3測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)</p><p>　　本測(cè)試平臺(tái)是由機(jī)械系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)兩大部分組成的，在整個(gè)測(cè)試平臺(tái)中這兩部分起著至關(guān)重要的作用。在上一章中已經(jīng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)所需要的主要部件做了選擇。本章重點(diǎn)在于這些部件的安裝和調(diào)試工作，因?yàn)樗x擇的測(cè)試對(duì)象是小型的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，所以為了保證測(cè)試方案的可行性和測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性，這就對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的安裝提出了很高的要求，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性則是最為重

51、要的部分。</p><p>　　3.1機(jī)械系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）測(cè)試臺(tái)底座設(shè)計(jì)：</p><p>　　按照測(cè)試系統(tǒng)的要求對(duì)機(jī)械系統(tǒng)搭載的底座設(shè)計(jì)如下，測(cè)試平臺(tái)底座是采用鑄鐵加工而成的。測(cè)試平臺(tái)底座中間的十個(gè)孔是分別用來與旋轉(zhuǎn)編碼器的工裝底座、步進(jìn)電機(jī)的工裝底座以及磁粉制動(dòng)器的機(jī)座連接的。尺寸與所選部件的安裝尺寸一致。因?yàn)楸粶y(cè)試的步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)

52、處于局部高低溫環(huán)境，所以安裝底板的結(jié)構(gòu)為上中下三層不同的材料構(gòu)成：上層為鑄鐵材料構(gòu)成，中層為隔熱材料構(gòu)成，下層仍然為鑄鐵材料構(gòu)成。同時(shí)為了將底板的熱變形程度減到最小，在上層的表面還附著一層熱反射材料。整個(gè)測(cè)試平臺(tái)底座是經(jīng)過一次加工成型的，保證了安裝底板的平面度的要求，使得個(gè)部件可以精密的安裝，避免了誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性造成的影響。下圖為測(cè)試臺(tái)底座設(shè)計(jì)圖。</p><p>　　圖3.1.1 測(cè)試底板設(shè)計(jì)圖</p

53、><p>　?。?）測(cè)試臺(tái)工裝裝配圖：</p><p>　　結(jié)合上面的測(cè)試平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)部件的選型和主要部件的設(shè)計(jì)后，組裝成如下的機(jī)械系統(tǒng)。</p><p>　　圖3.1.2 測(cè)試平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)工裝圖</p><p>　　3.2主要部件的安裝與調(diào)試</p><p>　　因?yàn)樵摐y(cè)試平臺(tái)所選的被測(cè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為雙軸輸出，所以將旋轉(zhuǎn)編

54、碼器和磁粉制動(dòng)器分別安裝在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的兩邊。所選的旋轉(zhuǎn)編碼器為盲孔式的因此通過力矩銷釘直接與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，在連接的時(shí)候要嚴(yán)格保證中心線在同一個(gè)高度以及他們的同軸度要求，否則長(zhǎng)期使用會(huì)給編碼器造成損壞同時(shí)也會(huì)給測(cè)量帶來很大的誤差。磁粉制動(dòng)器傳動(dòng)軸必須要按照水平的方式進(jìn)行工裝，安裝精度為GB中的H8/f8。它與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的另外一邊的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器進(jìn)行銜接，要求在工裝過程中保證同軸度保持在0.05mm左右。具體的解決方式為：</p

55、><p>　?、賹?duì)于裝配誤差，在安裝好機(jī)械部件之后要檢查旋轉(zhuǎn)編碼器、不進(jìn)電動(dòng)、磁粉制動(dòng)器 它們?nèi)齻€(gè)的中心線是否在同一高度，如果不在的話要進(jìn)行微調(diào)，保證同軸度小于0.05mm，然后將它們各自牢固的固定在自己的支撐架上，不允許有松動(dòng)，工裝配合面的尺寸加工精度要求小于0.01mm。</p><p>　?、趯?duì)于系統(tǒng)剛度的問題，測(cè)試平臺(tái)的底座必須滿足剛度要求，為測(cè)試過程提供一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的環(huán)境，不會(huì)應(yīng)為在

56、測(cè)試過程中電機(jī)的振動(dòng)和發(fā)熱現(xiàn)象，使整個(gè)測(cè)試環(huán)境不穩(wěn)定，依次來影響到測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。</p><p>　?、蹖?duì)于聯(lián)軸器的選擇，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中可能會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)的發(fā)熱而導(dǎo)致測(cè)試環(huán)境的溫度發(fā)生變化從而引發(fā)變形問題。使得軸向，徑向的誤差發(fā)生，出現(xiàn)垂直度和同軸度的問題。這就需要使用彈性聯(lián)軸器，來解決上述問題的發(fā)生。但是在工裝的時(shí)候要保證同軸度必須小于0.2mm，如果超過了0.2mm就不能使用彈性聯(lián)軸器了。</

57、p><p>　　4電機(jī)測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1控制系統(tǒng)分析</b></p><p>　　該測(cè)試平臺(tái)是為了滿足廣大學(xué)生能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)有一個(gè)全面而直觀的認(rèn)識(shí)而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)用設(shè)備，因此對(duì)控制系統(tǒng)主要有一下幾個(gè)方面的要求：</p><p>　?、虐踩缘囊螅阂?yàn)槭敲嫦驈V大學(xué)生用戶的教學(xué)用設(shè)備，所以安

58、全性應(yīng)該放在首位。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行發(fā)的過程中控制系統(tǒng)應(yīng)該保證運(yùn)行是安全穩(wěn)定的，必須保證事故的發(fā)生率為零。因此當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行的過程中有突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警并且能夠自動(dòng)斷開電源連接，是設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　?、瓶删S護(hù)性的要求：控制系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的故障診斷功能當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的某一個(gè)部位發(fā)生故障的時(shí)候，用戶就可以根據(jù)控制系統(tǒng)的自我診斷功能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題突發(fā)的地方，迅速的排除故障時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。</

59、p><p>　?、菍?shí)時(shí)性的要求:控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)和控制電機(jī)測(cè)試的過程并且對(duì)測(cè)試過程中的各種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并完成做處理，例如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、脈沖個(gè)數(shù)等，操作人員只需要通過人機(jī)界面就可以看到所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并且完成對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。</p><p>　　綜上所述，控制系統(tǒng)應(yīng)該具備實(shí)時(shí)控制功能，控制系統(tǒng)通過向測(cè)試平臺(tái)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令來控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行，能夠通過人機(jī)界面來設(shè)定轉(zhuǎn)速值，

60、加載力矩值等各參數(shù)，當(dāng)做出簡(jiǎn)單的改動(dòng)就可以得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；畫面顯示功能，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)都能夠在人機(jī)界面上通過表格或曲線圖的形式顯現(xiàn)出來；報(bào)警顯示功能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行超出允許范圍或是運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)能以聲光信號(hào)報(bào)警，提醒操作人員注意，排除故障。</p><p>　　在此基礎(chǔ)上確定了以PLC為主要的控制器，這是因?yàn)镻LC具有的性能有點(diǎn)很貼切控制系統(tǒng)的要求（①可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。正是由于這一突出的特點(diǎn)，

61、PLC成為了現(xiàn)代電器監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的首選。PLC無論是在其硬件還是軟件都具有非常完善的抗干擾措施，幾乎能適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求，并且平均安全使用壽命可達(dá)10萬小時(shí)以上。②可以滿足大多數(shù)情況下的需要，可變性比較強(qiáng)并且在硬件結(jié)構(gòu)上可以根據(jù)實(shí)際需要隨意拼接，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要靈活選用。③編程方便，易于使用。PLC的編程可采用與繼電控制電路極為相似的梯形圖語言，直觀易懂。④控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便。PLC中含有大量的“軟元件”，并且可以通過

62、編程代替繁瑣的接線，節(jié)省了空間使得整體結(jié)構(gòu)得到大大的簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)人員可以直接通過編程，催控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)試。⑤維修工作量小。PLC具有完善的自診斷、履歷信息存儲(chǔ)監(jiān)視功能?？删幊炭刂破鲗?duì)自身各個(gè)部分的狀態(tài)都有顯示，因此無論出現(xiàn)什么情況都可以在第一時(shí)間查找到并予以解決）</p><p>　　以PLC和IPC相結(jié)合的控制為整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的控制系統(tǒng)。由于PLC 的人機(jī)接口功能相對(duì)比較較差，為此系統(tǒng)選用專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的工

63、業(yè)控制計(jì)算機(jī)來彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱工控機(jī)或 IPC，它適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)烈震動(dòng)，強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾等特點(diǎn)，且可以進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)作業(yè)，其軟件資源豐富，人機(jī)接口功能極強(qiáng)。并且計(jì)算機(jī)的軟件和硬件資源十分強(qiáng)大，用戶可以很方便的進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和功能擴(kuò)展，更可以利用計(jì)算機(jī)的 Windows 操作系統(tǒng)，方便地管理各個(gè)試驗(yàn)過程以及有效控制。 根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)試臺(tái)試驗(yàn)要求，使用 IPC 作為上位機(jī)，用 PLC 作為核心控制器， PLC 與工控機(jī)使用數(shù)據(jù)通訊

64、設(shè)備連接起來，上位機(jī)監(jiān)控畫面的編寫通過使用組態(tài)軟件來完成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控和人機(jī)接口通訊兩個(gè)功能。在此電機(jī)測(cè)試控制系統(tǒng)中，檢測(cè)與采集各個(gè)信號(hào)以及控制各個(gè)試驗(yàn)部件的運(yùn)行情況由 PLC 來完成此功能，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和顯示控制由 IPC 和組態(tài)軟件來完成，控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制各個(gè)試驗(yàn)過程和集中管理各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能完成對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等功能?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。</p>

65、<p>　　圖4.1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，主要由可編程控制器來完成對(duì)整體的控制。一方面，要控制有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器所組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一些性能參數(shù)得以表現(xiàn)出來，然后通過旋轉(zhuǎn)編碼器將這些信息轉(zhuǎn)換成為電脈沖信號(hào)輸送給PLC，PLC再將這些信息傳遞給組態(tài)軟件和工控機(jī)所組成的人機(jī)界面顯示給用戶。另一方面，要控制程控電流源與磁粉制動(dòng)器的組合，來實(shí)

66、現(xiàn)測(cè)試過程中對(duì)測(cè)試對(duì)象的加載工作。下圖為控制系統(tǒng)的電氣示意圖。</p><p>　　圖4.1.2 控制系統(tǒng)電氣示意圖</p><p><b>　　4.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.2.1控制系統(tǒng)的硬件配置</p><p>　?。?）PLC的選型原則</p><p>　　對(duì)于整個(gè)測(cè)

67、試平臺(tái)來說，PLC的能力的高低直接影響著整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)。因此在對(duì)PLC的選型上應(yīng)該著重研究，在選擇PLC的型號(hào)時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：</p><p>　?、賹?duì)儲(chǔ)存容量的選擇。一般對(duì)控制系統(tǒng)所需要的存儲(chǔ)容量沒有確切的數(shù)字，只能通過估算的方法的出來。算法為輸出總點(diǎn)數(shù)×5＋輸入總點(diǎn)數(shù)×10；如果系統(tǒng)有模擬量的輸入與輸出，則每一路模擬量大概需要80～100字；每個(gè)借口通信大約需要200字的容量，最

68、后還需要留出大約60%的富余量。</p><p>　?、谛盘?hào)輸送點(diǎn)個(gè)數(shù)的選擇。根據(jù)實(shí)際情況需要的點(diǎn)數(shù)再加上12%～22%的空余部分總點(diǎn)數(shù)就構(gòu)成了所需要的總點(diǎn)數(shù)。</p><p>　?、蹖?duì)輸入/輸出響應(yīng)時(shí)間的選擇。在PLC控制系統(tǒng)中，如果掃描的時(shí)間大于系統(tǒng)信號(hào)保持的時(shí)間，這樣被測(cè)信號(hào)就不能被掃描到，導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)丟失。因此掃描處理信號(hào)的時(shí)間越短越好。但是由于輸送電路的滯后現(xiàn)象等因素的存在，使得

69、PLC的輸入/輸出響應(yīng)時(shí)間出現(xiàn)了一定的延遲，開關(guān)量對(duì)信號(hào)的影響非常的小，基本上不用考慮在影響因素之內(nèi)，但是控制系統(tǒng)中又不都是開關(guān)量，還有模擬量的存在，它的輸入/輸出響應(yīng)的時(shí)間就比較的長(zhǎng)，這樣就容易造成信號(hào)丟失，特別是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，這種現(xiàn)象更為突出。</p><p>　?、躊LC主要有兩種不同的組成形式，分別為箱式和模塊式。前一種組成形式價(jià)格便宜而模塊式PLC雖然價(jià)格相對(duì)較貴但是更人性化一些，因此用戶可以根據(jù)實(shí)

70、際的需要來選則合適的結(jié)構(gòu)形式的PLC。 </p><p>　?。?）PLC 的選型 </p><p>　　根據(jù)測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)的任務(wù)要求，本測(cè)試平臺(tái)選擇了西門子公司生產(chǎn)的S7-200小型PLC,它在中小型控制電路中應(yīng)用的時(shí)分的廣泛。其控制模塊配置為1 個(gè) CPU 模塊：CPU 224XP CN(6ES7 214-2AD23-0XB8), 該 CPU 集成 14 輸入/10 輸出共 24 個(gè)

71、數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)，13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，2 路獨(dú)立的 100kHz 高速脈沖輸出，6 個(gè)獨(dú)立的 100kHz 高速計(jì)數(shù)器，1 個(gè) RS485 通訊/編程口，同時(shí)還具有很多種通訊方式供選擇所以在與外部設(shè)備連接通訊方面比較多元化，適用面也比較的廣。 1 個(gè)輸出位控模塊：EM253CN（6ES7 253-1AA22-0XA0），提供四種

72、不同的原點(diǎn)尋找方式，因此該型號(hào)PLC在位置控制方面絕對(duì)會(huì)有相當(dāng)不錯(cuò)的表現(xiàn)。</p><p><b>　?。?）工控機(jī)的選擇</b></p><p>　　該電機(jī)測(cè)試平臺(tái)所選擇的上位機(jī)為北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的TPC7062KS,它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。RAM為64M，屏幕的大小為7inch,并且還提前

73、裝載了與之相適應(yīng)的組態(tài)軟件，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置相應(yīng)界面和編寫相應(yīng)的系統(tǒng)，因此具有強(qiáng)大的功能，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝方便，很適合應(yīng)用于教學(xué)設(shè)備中來使用。</p><p>　?。?）PLC與工控機(jī)的連接</p><p>　　在該電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中，IPC和PLC只有通過硬件順利的連接在一起才能完整靈活的控制和數(shù)據(jù)的傳遞。但是在該控制系統(tǒng)中，所選擇的上位機(jī)的串行接口為RS232，所選的西門子PLC的串行

74、接口為RS485，所以要想讓兩者實(shí)現(xiàn)溝通就必須想辦法將兩者連接在一起。目前比較適合的解決方法有采用RS485/RS232轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換或者使用西門子公司生產(chǎn)的PC/PPI電纜進(jìn)行RS485/RS232的通訊接口的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　4.2.2控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　⑴PLC程序</b></p><p>　　PLC

75、軟件程序的編寫是通過STEP 7-Micro/WIN V4.0來完成的。STEP 7-Micro/WIN V4.0是西門子公司為S7-200系列PLC專門開發(fā)出來的編程軟件，具有很強(qiáng)大的功能和人性化的操作界面，用戶在使用時(shí)能夠很輕松的入手，并且編程語言非常的豐富。例如： </p><p><b>　?、偬菪螆D編程語言 </b></p><p>　　該 LAD(Ladd

76、er Programming)語言經(jīng)歷多種變化和發(fā)展，最終趨于一種成熟的編程語言。它是以relay-contactor控制系統(tǒng)為的結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)演化來的圖形語言，并在此基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展和完善，成為了可編程控制器的一中匯編語言。它功能強(qiáng)大，通俗易懂，對(duì)操作人員來說很容易上手，這就為工作者節(jié)約了大量的時(shí)間而提高了工作效率，并且它對(duì)開關(guān)control系統(tǒng)有著更加顯著的優(yōu)勢(shì)。 </p><p><b>　?、谡Z句表

77、 </b></p><p>　　計(jì)算機(jī)作為信息技術(shù)和高科技的產(chǎn)物。它的匯編語言和各種符號(hào)語言運(yùn)用方面都已經(jīng)近乎完善了。而語句表 STL(Statement List)就采用了與之相類似的編程語言，用戶可以直觀地根據(jù)梯形圖寫出助記符語言。 </p><p><b>　?、酃δ軌K圖 </b></p><p>　　功能塊圖 FBD（Fun

78、ction Block Diagram）又稱為思維盒指令。它是一種和電子線路中的思維門電路相似的一種PLC編程語言。通過一些聯(lián)系相對(duì)緊密的框圖來代表各種控制條件。 </p><p>　　本文使用 STEP 7-Micro/WIN V4.0 作為編程軟件，控制程序的編寫采用梯形圖編程語言。具體的程序流程如下圖：</p><p>　　圖4.2.1 控制程序塊梯形圖1</p>&l

79、t;p>　　圖4.2.2 控制程序塊梯形圖2</p><p>　　圖4.2.3 控制程序塊梯形圖3</p><p>　　圖4.2.4 控制程序塊梯形圖4</p><p>　　圖4.2.5 控制程序塊梯形圖5</p><p>　　圖4.2.6 控制程序塊梯形圖6</p><p>　　圖4.2.7 控制程序塊梯形圖7

80、</p><p>　　圖4.2.9 控制程序塊梯形圖9</p><p>　　圖4.2.10 控制程序塊梯形圖10</p><p>　　圖4.2.11 控制程序塊梯形圖11</p><p>　　圖4.2.12 控制程序塊梯形圖12</p><p>　　圖4.2.13 控制程序塊梯形圖13</p><p

81、>　　圖4.2.14 控制程序塊梯形圖14</p><p>　　圖4.2.15 控制程序塊梯形圖15</p><p>　　圖4.2.16 控制程序塊梯形圖16</p><p>　　圖4.2.17 控制程序塊梯形圖17</p><p>　　圖4.2.18 控制程序塊梯形圖18</p><p>　　圖4.2.19 控

82、制程序塊梯形圖19</p><p>　　圖表 0.1控制程序塊梯形圖20</p><p>　?、芇LC內(nèi)部地址分配</p><p>　　在編寫PLC的程序流程圖的時(shí)候，對(duì) PLC 內(nèi)部?jī)?nèi)存區(qū)的地址進(jìn)行了合理分</p><p>　　配，具體情況如下表。</p><p>　　表4.2.1 內(nèi)部?jī)?nèi)存儲(chǔ)地址分配表</p&

83、gt;<p><b>　?、菧y(cè)試試驗(yàn)界面設(shè)計(jì)</b></p><p>　　該上位機(jī)顯示系統(tǒng)采用了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，因?yàn)棰俸?jiǎn)單靈活的可視化操作界面。MCGS嵌入版采用全中文、可視化、面向窗口的開發(fā)界面，符合中國人的使用習(xí)慣和要求。通過一個(gè)個(gè)窗口的形式，用戶可以根據(jù)實(shí)際的需要來設(shè)置不同的工作界面，來滿足同一個(gè)實(shí)驗(yàn)不同的測(cè)試項(xiàng)目，都能夠清晰直觀的展現(xiàn)給用戶。用戶可以使用系統(tǒng)的缺

84、省構(gòu)架，也可以根據(jù)需要自己組態(tài)配置，生成各種類型和風(fēng)格的圖形界面。②在其內(nèi)部提供有與外部硬件設(shè)備相聯(lián)連接的專用的組件工具箱。通過系統(tǒng)的設(shè)定來給予組件相關(guān)的功能來達(dá)到對(duì)外部與之相聯(lián)接的部件的管理。同時(shí)組件工具箱中的組件彼此之間沒有什么依賴關(guān)系，因此在對(duì)局部做出改動(dòng)的時(shí)候?qū)τ谡w不會(huì)造成影響。③MCGS嵌入版有獨(dú)特的“運(yùn)行策略”窗口，因此設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際的需要來進(jìn)行選擇，這樣就能夠?qū)⑾鄬?duì)復(fù)雜的運(yùn)行過程分開簡(jiǎn)化成為一個(gè)個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)化的部分同時(shí)再

85、結(jié)合它的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從而使復(fù)雜的過程順暢的進(jìn)行下去。下圖為針對(duì)本測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的電機(jī)特性測(cè)試界面。</p><p>　　圖4.2.21 上位機(jī)觸摸屏的主界面</p><p>　　圖4.2.22 加載實(shí)驗(yàn)界面</p><p>　　圖4.2.23 定位實(shí)驗(yàn)界面</p><p>　　圖4.2.24 調(diào)速實(shí)驗(yàn)界面</p>&

86、lt;p><b>　　5結(jié)論</b></p><p>　　通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)和功能的預(yù)先設(shè)想，然后對(duì)預(yù)想的測(cè)試平臺(tái)的各個(gè)環(huán)節(jié)的可實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行了分析。在其滿足可實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，首先完成了對(duì)測(cè)試平臺(tái)的主要組成部件的選型和工作原理的分析，說明各部件在整個(gè)測(cè)試平臺(tái)中做起的作用；其次完成了對(duì)測(cè)試平臺(tái)的機(jī)械部分的工裝，根據(jù)各部件的尺寸選擇合適的連接件同時(shí)在工裝的過程中要滿足每一個(gè)部件的安轉(zhuǎn)注意

87、事項(xiàng)和要求；最后是對(duì)由PLC和IPC組成的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和連接，根據(jù)測(cè)試平臺(tái)所要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)的PLC控制程序的編制以及上位機(jī)人機(jī)界面畫面的設(shè)計(jì)。按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的接線圖和安裝圖連接在一起組成了最后的步進(jìn)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)。</p><p>　　該測(cè)試步進(jìn)電機(jī)測(cè)試平臺(tái)能夠完成預(yù)想的一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：</p><p>　?、偻ㄟ^簡(jiǎn)單的按鈕開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制。</p

88、><p>　?、谠摐y(cè)試平臺(tái)可以來完成步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速實(shí)驗(yàn)。使實(shí)驗(yàn)者能夠了解步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的方法，了解目標(biāo)頻率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系等等。</p><p>　?、墼摐y(cè)試平臺(tái)可以完成步進(jìn)電機(jī)的加載實(shí)驗(yàn)。使實(shí)驗(yàn)者了解電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)功率及速度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)者可以通過上位機(jī)顯示屏上所設(shè)計(jì)好的加載實(shí)驗(yàn)界面進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的控制，通過觸摸屏上的拖動(dòng)滑塊來改變磁粉制動(dòng)器所提供的負(fù)載大小來達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)的調(diào)節(jié)和控制。該測(cè)

89、試平臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩為1N·M,當(dāng)負(fù)載大于1N·M時(shí)，如果電機(jī)無法輸入更大的轉(zhuǎn)矩來平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩。這時(shí)，電機(jī)就會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。為防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，本平臺(tái)將可調(diào)節(jié)的加載值設(shè)置為0～0.75N·M之間。</p><p>　?、茉摐y(cè)試平臺(tái)可以來完成步進(jìn)電機(jī)的定位實(shí)驗(yàn)。使實(shí)驗(yàn)者了解步進(jìn)電機(jī)的定位控制原理。實(shí)驗(yàn)者可以通過上位機(jī)觸摸屏設(shè)計(jì)好的定位實(shí)驗(yàn)控制界面來完成對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的控制過程。根

90、據(jù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分計(jì)算出需要給定控制器的脈沖個(gè)數(shù)，并將該數(shù)值輸入至定位實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的輸入框內(nèi)令電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，根據(jù)定位實(shí)驗(yàn)窗口顯示的數(shù)值來驗(yàn)證是否正確。參考文獻(xiàn)</p><p>　　[1]孫冠群，控制電機(jī)與特種電機(jī)及其控制系統(tǒng)[M].北京:北京大學(xué)出版社，2010</p><p>　　[2] 許敬濤, 中小型異步電機(jī)自動(dòng)測(cè)試裝置的研制[D]：[碩士學(xué)位論文]. 廣州：華南理工大學(xué)，1995

91、.5. </p><p>　　[3]張建民,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].修訂版.北京:理工大學(xué)出版社，2008.</p><p>　　[4]張周,常用機(jī)電設(shè)備液壓與氣動(dòng)控制系統(tǒng)安裝調(diào)試與維護(hù)[M].北京:中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2010.</p><p>　　[5]陳波時(shí),電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004</p><p&

92、gt;　　[6]胡壽松，自動(dòng)控制原理[M].北京:國防工業(yè)出版社，2011 </p><p>　　[7]陳堅(jiān)，電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2004，(第2版).</p><p>　　[8]徐德金，電機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[9]張世銘,電力拖動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，1

93、994.</p><p>　　[10]王離九,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，1991.</p><p>　　[11]高正中等, 西門子 S7-200CN PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[D]. 北京：電子工業(yè)出</p><p>　　版社，2010.1.</p><p>　　[12] 程子華等,視頻學(xué)工控-西門子 S7-20

94、0 PLC 應(yīng)用技術(shù)[D]. 北京：人民郵電出版社，2010.11.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　首先在這里我最想感謝的就是我的父母，在我的求學(xué)之路上他們給了我他們所能給予的一切，在我的日常生活中點(diǎn)點(diǎn)滴滴小事都在為我細(xì)心考慮著，而他們對(duì)我的唯一的期許就是希望我能健康快樂的生活。這就是我的父母，我最愛的人。馬上就要畢業(yè)走上社會(huì)開始我自

95、己的人生之旅了，不再是一個(gè)知趣未退的孩子了。我希望他們能夠一直這樣健康快樂的生活著，等來著我用接下來的青春來回報(bào)他們給予我的愛。</p><p>　　再次我要感謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予我無私幫助的李燁老師?？赡苡捎诖髮W(xué)四年的生活過的有點(diǎn)愜意了，所以在學(xué)業(yè)上出現(xiàn)的漏洞比較的多因此在得到這個(gè)課題的時(shí)候還是很頭疼的。但是李老師在第一次與我們碰面的時(shí)候就給了我們很大的信心，同時(shí)在接下來的日子了給予了我細(xì)心的指導(dǎo)，在他的幫助

96、和督促下我才能順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。同時(shí)他博學(xué)的知識(shí)儲(chǔ)備和風(fēng)趣的語言風(fēng)格給我收獲頗豐，所以在此我要向李老師表達(dá)我最真摯的謝意。同時(shí)我要感謝的是在百忙之中能夠抽出時(shí)間審閱我的這篇論文的老師你們辛苦了。</p><p>　　最后我要感謝是我的母校，因?yàn)樵谶@里我學(xué)會(huì)了好多也成長(zhǎng)了好的；因?yàn)樵谶@里我才能認(rèn)識(shí)這么對(duì)愛我的同學(xué)和老師；因?yàn)樵谶@里我的人生才能有這么一段美好的回憶。所以我要感謝你我的母校我曾經(jīng)灑下青春的地方