實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】

實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),軌道,小車,運(yùn)動(dòng),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),cad,圖紙,說明書,仿單 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書學(xué)生姓名學(xué) 院專業(yè)年級(jí)： 題 目： 實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 評(píng)閱教師： 年5月 實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本文是基于高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室的需求，在實(shí)驗(yàn)軌道小車機(jī)械設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制系統(tǒng)具體參數(shù)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)軌道小車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試。首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)軌道小車的運(yùn)動(dòng)參數(shù)建立了實(shí)驗(yàn)軌道小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析得出實(shí)驗(yàn)軌道小車具體的運(yùn)動(dòng)情況并做出運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)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(shí)時(shí)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(jì)及實(shí)現(xiàn)用FPWIN GR軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了程序開發(fā)及仿真，用GTWIN軟件對(duì)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(guó)家工程試驗(yàn)室進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的參數(shù)要求。關(guān)鍵詞：軌道車 運(yùn)動(dòng)控制 PLC Design of control system for experimental rail car movementABSTRACT:Based on the requirement of LaboratoryConstruction TechnologyNational Engineeringof 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,thekinematics model of thetrackcarhave been established according to the experimental trackvehiclemotion parameters. After analysising onkinematics model ofmotionexperimentaltrack trolleyconcrete,we make the motioncontrol system of the overalldesign 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.PLClogic controller of panasonic serieshave 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 FPWINGR software to finishe the control systemdesign and realization of the softwaredevelopmentand simulation of programforcontrolsystem ,thedevelopmentofhuman-computer interactioninterface program has been realizedby using GTWIN software.Finally,we conduct on-sitecommissioning at LaboratoryConstruction TechnologyNational Engineeringof High Speed Railway in the Central South University. Results show that thesemi closed loop feedback controlis an effective,reliablemotion control system ,to reach the requirement ofexperimental parameters ofrail carmotion control system.Keywords:rail car PLC motion control目 錄第一章 緒論11.1課題背景及其來源11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3設(shè)計(jì)完成的主要內(nèi)容3第二章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)42.1實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)學(xué)建模42.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案92.3運(yùn)動(dòng)控制策略的選擇132.4小結(jié)16第三章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計(jì)173.1 系統(tǒng)的電氣組成173.2相關(guān)元器件選型183.3硬件設(shè)計(jì)的總體接線圖283.4小結(jié)28第四章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)294.1 可編程邏輯控制器的軟件基礎(chǔ)294.2控制主程序的編寫304.3觸摸屏人機(jī)界面的開發(fā)374.4 小結(jié)39第五章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試40總 結(jié)44參考文獻(xiàn)45致 謝47附 錄48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(yùn)行，從而達(dá)到所需要的運(yùn)動(dòng)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(yùn)行時(shí),需要對(duì)小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,即具有一個(gè)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使用面相當(dāng)廣泛。例如：PLC軌道運(yùn)料小車裝料、 卸料過程的自動(dòng)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(jì)一種能裝載客車構(gòu)架的軌道小車，既是運(yùn)載小車，又是工位小車3；自動(dòng)軌道系統(tǒng)自動(dòng)化的裝配線中，移動(dòng)小車通過軌道供電并獲取指令信號(hào)，在軌道上獨(dú)立自行移動(dòng)，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(duì)于軌道小車在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化的趨勢(shì)使軌道小車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，基于PLC邏輯控制器、單片機(jī)、AVR微型控制器等運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠大幅度提高軌道小車運(yùn)動(dòng)控制精度和效率。本課題是根據(jù)高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室的需求，用實(shí)驗(yàn)軌道小車模擬高速列車的運(yùn)行情況，再在實(shí)驗(yàn)軌道小車上裝載相關(guān)的設(shè)備儀器高速列車的運(yùn)行平穩(wěn)度、沖擊等相關(guān)所需的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。因此要得到所需要的實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)行狀態(tài)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)軌道小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠達(dá)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)要求，完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。1.2國(guó)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，總的來說，運(yùn)動(dòng)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(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，工廠生產(chǎn)自動(dòng)化對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有基于控制硬件的多樣性，而運(yùn)動(dòng)控制硬件有AVR單片機(jī)、以DSP技術(shù)和FPGA芯片技術(shù)運(yùn)動(dòng)為軟件基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制卡（器）和PLC可編程邏輯控制其為三大主流運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)中得到了應(yīng)用。上世紀(jì)德國(guó)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(yùn)動(dòng)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(jià)格低，但是要搞一個(gè)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(huì)極其復(fù)雜。但是由于它的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在批量的產(chǎn)品上還是很有優(yōu)勢(shì)的。90年開始，DSP技術(shù)和FPGA芯片技術(shù)在美國(guó)得到高速發(fā)展，出現(xiàn)了一批高性能低價(jià)格的DSP，這些DSP的重要特性是它們的兼容性好而且浮點(diǎn)運(yùn)算速度快，使多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠濃縮在一塊PC ISA/PCI控制卡上，國(guó)內(nèi)外高級(jí)運(yùn)動(dòng)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(jì)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(guó)內(nèi)外高級(jí)運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)現(xiàn)有的軟件資源，所以單片機(jī)作為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)卡仍然具有很強(qiáng)的生命力。北京寰鐵測(cè)繪技術(shù)有限公司（HRTS）作為Sinning公司在中國(guó)的唯一戰(zhàn)略合作伙伴，成功的將GEDO CE軌檢小車引入中國(guó)，基DPS微型控制器軌檢小車，其成熟穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(xiàng)目。PLC(可編程邏輯控制器)是一項(xiàng)將自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)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(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷完善，PLC運(yùn)動(dòng)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(shì),使得該類運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制模式在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展。美國(guó)Rockwell (羅克韋爾自動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制的單軸運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度:FMP10在定位模式下為288kpps (pps: pulse persecond),在步進(jìn)方式運(yùn)動(dòng)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(yùn)料小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，用在數(shù)控機(jī)床上的多軸運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制模塊可以進(jìn)行高速的運(yùn)動(dòng)定位控制，使得PLC運(yùn)動(dòng)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(dòng)化和智能化的電子和控制技術(shù)會(huì)應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)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(jì)就基于PLC完成實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。1.3設(shè)計(jì)完成的主要內(nèi)容根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)所選題目及意義，本設(shè)計(jì)基于PLC研制了一套適用于該實(shí)驗(yàn)軌道小車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，目的是使該系統(tǒng)能控制實(shí)驗(yàn)軌道小車滿足實(shí)驗(yàn)用的要求。畢業(yè)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。第二章根據(jù)參數(shù)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，對(duì)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(shí)時(shí)反饋控制策略的討論。第三章根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的各項(xiàng)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(shí)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(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行了開發(fā)。第五章對(duì)實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。最后對(duì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)學(xué)建模2.1.1實(shí)驗(yàn)軌道小車的總體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)軌道小車涉及多種技術(shù)領(lǐng)域，是一個(gè)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：設(shè)備承載平臺(tái)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)）蓄電池組旋轉(zhuǎn)編碼器車輪及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖2-1 實(shí)驗(yàn)軌道小車結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)軌道小車的機(jī)械機(jī)構(gòu)部分主要包括如下幾個(gè)方面：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(shí)驗(yàn)軌道小車的基礎(chǔ)部分。車架的設(shè)計(jì)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。 驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置是實(shí)驗(yàn)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(dòng)功能，實(shí)驗(yàn)軌道小車不要需要機(jī)械制動(dòng)裝置，可由直流無刷電機(jī)控制器控制制動(dòng)。蓄電池和充電裝置 蓄電池和充電裝置是實(shí)驗(yàn)軌道小車的動(dòng)力源。實(shí)驗(yàn)軌道小車一般采用24V或48V直流工業(yè)蓄電池電能為動(dòng)力，對(duì)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，一般需保證8小時(shí)以上的安培小時(shí)值。本設(shè)計(jì)中采用8個(gè)12V的電動(dòng)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(shí)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(gè)一組，共兩組，分別使用48V專用充電器進(jìn)行充電。在短時(shí)間內(nèi)可使電池組電量充滿，從而提高實(shí)驗(yàn)軌道小車的有效使用率?？刂葡到y(tǒng) 控制系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)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(yùn)行速度、運(yùn)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(dòng)，觸摸屏實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)行距離，并通過編碼器傳感裝置反應(yīng)試驗(yàn)軌道小車當(dāng)前的運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)運(yùn)行速度和運(yùn)行距離，反饋能準(zhǔn)確控制小車的運(yùn)行參數(shù)。安全保護(hù)裝置 在實(shí)際生產(chǎn)中，人與機(jī)械處于同一環(huán)境，實(shí)驗(yàn)軌道小車作為一種運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)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(yùn)行中出錯(cuò)，也預(yù)防運(yùn)行出錯(cuò)對(duì)人員及其運(yùn)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(shí)驗(yàn)軌道小車自身，以及維護(hù)實(shí)驗(yàn)軌道小車順利完成運(yùn)行測(cè)試，同時(shí)在最大可能的范圍內(nèi)保護(hù)人員和運(yùn)行環(huán)境設(shè)施的安全。故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件的緊急制動(dòng)按鈕、行程開關(guān)和小車的防撞緩沖裝置。本設(shè)計(jì)是車體采用一般結(jié)構(gòu)的四輪式驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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)要求使用環(huán)境環(huán)境溫度：040（室內(nèi)）；工作溫度：040；相對(duì)濕度：98%。安全性數(shù)控電瓶車在運(yùn)動(dòng)過程中要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；數(shù)控電瓶車的輪軸和底板必須有足夠的剛度和強(qiáng)度；數(shù)控電瓶車的運(yùn)動(dòng)部件要求傳動(dòng)平穩(wěn)，不發(fā)生沖擊或卡死現(xiàn)象；所有部件需要清除棱角，不得有銳角傷人；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；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(dòng)減速；軌道兩端必須具有防撞裝置；模型車的頂端需要設(shè)置緩沖裝置。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(dòng)，由PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方式設(shè)定和控制，人機(jī)界面為觸摸屏。輸入電源電池組充電使用220V交流電源。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。數(shù)控電瓶車技術(shù)規(guī)格要求整車外形尺寸：1700700670mm；整車負(fù)載能力：350kg；整車自重：350kg；啟動(dòng)加速段為5米（不含車身長(zhǎng)度），最高加速到4m/s；在25米長(zhǎng)的試驗(yàn)段內(nèi)，數(shù)控電瓶車應(yīng)能在1m/s4m/s的速度范圍內(nèi)任意設(shè)定并穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行平穩(wěn)度要求在0.1m/s內(nèi)；剎車段長(zhǎng)度為5米（不含車身長(zhǎng)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；車輪直徑偏差不得大于0.1mm；兩車軸平行度偏差不得大于0.5mm；數(shù)控電瓶車的輪距為575mm;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(yùn)行距離，設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間，設(shè)定運(yùn)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(dòng)力采用無刷直流電機(jī)，功率為47kw；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(shí)，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(tái)、電瓶、無刷電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）為減輕重量、車身采用鋁合金骨架+鋁合金車身；（2）驅(qū)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。（3）設(shè)計(jì)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(jì)專用整車速度控制器，在驅(qū)動(dòng)軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，反饋車輛的實(shí)時(shí)速度，可直接在操作面板上設(shè)定車輛運(yùn)動(dòng)的各個(gè)參數(shù)。（5）試驗(yàn)儀器的電纜，由電纜拖鏈進(jìn)行收放，防止損壞。2.1.3實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)學(xué)建模1.根據(jù)參數(shù)要求分析啟動(dòng)加速段為5m（不含車身長(zhǎng)度），最高加速到4m/s；在25米長(zhǎng)的軌道試驗(yàn)段內(nèi)，數(shù)控電瓶車應(yīng)能在1m/s4m/s的速度范圍內(nèi)任意設(shè)定并穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行平穩(wěn)度要求在0.1m/s內(nèi)；剎車段長(zhǎng)度為5m（不含車身長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)軌道小車整個(gè)運(yùn)行過程是一個(gè)先加速，達(dá)到指定速度保持勻速，最后減速制動(dòng)的過程，是最普通的一般運(yùn)動(dòng)學(xué)過程。若為兩輪驅(qū)動(dòng)的話，則，獲得的最大加速度是四輪驅(qū)動(dòng)的一半。四個(gè)車輪同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，則，獲得最大的加速度，故在軌道上實(shí)驗(yàn)軌道小車行駛時(shí)電機(jī)提供的最大加速度是。2.運(yùn)動(dòng)過程參數(shù)變化圖采用勻加速運(yùn)動(dòng)控制方案 0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(shí)間為到達(dá)速度為v時(shí)：加速段運(yùn)行速度：加速段運(yùn)行距離：采用變加速運(yùn)動(dòng)控制方案 0 0圖2-5 v-t 圖2-6 s-t 當(dāng)以變加速度加速，并且加速時(shí)間為到達(dá)速度為v時(shí)：加速段運(yùn)行速度：加速段運(yùn)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(shí)，兩種方案速度最終要求速度相等即時(shí)，即軌道小車分別以不同的方案達(dá)到要求的運(yùn)行速度，則：，即，則。可知變加速與以最大加速度勻加速相比，要達(dá)到相同的速度啟動(dòng)運(yùn)行距離要更大，參考參數(shù)要求中啟動(dòng)加速段為5m，方案一更符合設(shè)計(jì)要求。2.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案2.2.1反饋控制簡(jiǎn)介反饋是控制論的一個(gè)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(duì)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(dòng)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(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)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(dòng)控制的主要形式。在工程上常把在運(yùn)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對(duì)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(hào)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(hào)。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(cè)裝置的系統(tǒng)，也無反饋電路，直接作用驅(qū)動(dòng)元件；半閉環(huán)：通過傳感器檢測(cè)某一部分(如伺服電機(jī)等)運(yùn)動(dòng)位移并進(jìn)行反饋、間接控制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)；全閉環(huán)：通過傳感器直接檢測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行反饋控制的系統(tǒng)。2.2.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，反饋控制運(yùn)行速度平穩(wěn)達(dá)到參數(shù)要求0.1m/s，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行速度和運(yùn)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖2-8運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖本控制系統(tǒng)可以大概分為五個(gè)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(cè)反饋部分、觸摸屏人機(jī)交互界面部分、外部硬件控制部分。PLC邏輯控制器部分：實(shí)時(shí)接收和處理從編碼器、外部觸發(fā)硬件傳送過來的信號(hào)，內(nèi)部計(jì)算處理數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的參數(shù)分別輸送至模擬量插件：形成相對(duì)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；直流無刷控制器：前進(jìn)、后退和制動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)。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(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速n、前進(jìn)、后退和制動(dòng)，即控制實(shí)驗(yàn)軌道小車的運(yùn)行速度V、前進(jìn)、后退和制動(dòng)。編碼器檢測(cè)反饋部分：實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)軌道小車的運(yùn)行速度V和運(yùn)行距離S并將數(shù)據(jù)反饋至PLC邏輯控制器。觸摸屏人機(jī)交互界面部分：參數(shù)設(shè)置小車運(yùn)行速度V和運(yùn)行距離S參數(shù)，軟件按鈕控制實(shí)驗(yàn)軌道小車的前進(jìn)、后退和制動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)行速度V和運(yùn)行距離S。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(dòng)按鈕。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖如圖2-9所示： 圖2-9 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖通過人機(jī)交互界面觸摸屏設(shè)定運(yùn)行速度V和運(yùn)行距離S并以最大且恒定的加速度加速啟動(dòng)，編碼器開始不斷的檢測(cè)反饋，比較是否達(dá)到了設(shè)定運(yùn)行速度和運(yùn)行距離，若沒有達(dá)到時(shí)則繼續(xù)以加速，當(dāng)達(dá)到時(shí)則保持運(yùn)行速度運(yùn)行直至達(dá)到指定運(yùn)行距離制動(dòng)停止。該運(yùn)行過程中觸摸屏可實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行速度V和運(yùn)行距離S，運(yùn)行遇危險(xiǎn)時(shí)刻可按下硬件的緊急制動(dòng)按鈕，同時(shí)軌道兩端安裝了行程開關(guān)，小車不能在指定地點(diǎn)制動(dòng)而觸碰到行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)被觸發(fā)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，直流無刷控制器控制小車制動(dòng)停止。2.3運(yùn)動(dòng)控制策略的選擇本節(jié)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)提出了具體的方案，是基于PLC控制、旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的運(yùn)動(dòng)控制。從單一運(yùn)動(dòng)控制來說，只要通過PLC輸入?yún)?shù)信號(hào)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(shí)驗(yàn)軌道小車獲得加速度加速至要求的運(yùn)行速度。在本設(shè)計(jì)提出三種運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)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(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速；那么Vc以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)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 VVc 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：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(duì)應(yīng)，即小車的速度v與調(diào)速電壓Vc一一對(duì)應(yīng)。因此可以找出小車速度v與調(diào)速電壓V的對(duì)應(yīng)值。2.3.1 直接變加速反饋控制計(jì)算好小車在理論狀態(tài)下要達(dá)到運(yùn)行速度時(shí)需要的調(diào)速電壓，直接變加速反饋控制原理是小車啟動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)原理及作用），直至小車速度到達(dá)值時(shí)調(diào)速電壓到達(dá)并保持到所設(shè)定運(yùn)行距離的過程，加速過程的即變加速啟動(dòng)。調(diào)速電壓Vc和速度v與時(shí)間t的關(guān)系如圖2-11和圖2-12：圖2-11 調(diào)速電壓Vc-t圖 圖2-12 運(yùn)行速度v-t圖直接變加速反饋控制中a由0，對(duì)設(shè)備沖擊較小。但是不足的是：在2.1.2實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)學(xué)建模中分析過的啟動(dòng)距離對(duì)恒加速度啟動(dòng)時(shí)過長(zhǎng)，可能達(dá)不到啟動(dòng)運(yùn)行距離的參數(shù)要求如式（2-1）： （2-1）實(shí)際情況下小車的運(yùn)行速度與調(diào)速電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系不符合理論情況下對(duì)應(yīng)關(guān)系。2.3.2半閉環(huán)一次反饋控制計(jì)算好小車在理論狀態(tài)下要達(dá)到運(yùn)行速度時(shí)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(dòng)時(shí)調(diào)速電壓直接加到最大值并保持，此時(shí)小車獲得最大加速度并保持加速狀態(tài)直至運(yùn)行速度達(dá)到值時(shí)，調(diào)速電壓跳轉(zhuǎn)至運(yùn)行速度時(shí)對(duì)應(yīng)的調(diào)速電壓并保持直至運(yùn)行距離到達(dá)。調(diào)速電壓Vc和速度v與時(shí)間t的關(guān)系如圖2-13和圖2-14：圖2-13 調(diào)速電壓Vc-t圖 圖2-14運(yùn)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(shí)間內(nèi)加速到運(yùn)行速度值，但可能出現(xiàn)的問題是在實(shí)際情況下小車的運(yùn)行速度與調(diào)速電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系不符合理論情況下對(duì)應(yīng)關(guān)系，或在運(yùn)行過程中外部環(huán)境因素的變化影響理想狀況下運(yùn)行速度與調(diào)速電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但可以通過實(shí)驗(yàn)找出實(shí)際情況下兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。2.3.3半閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋控制半閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋控制不需要計(jì)算好小車在理論狀態(tài)下要達(dá)到運(yùn)行速度時(shí)需要的調(diào)速電壓，原理是小車啟動(dòng)時(shí)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(yùn)行速度為允許誤差上偏差時(shí)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(shí)，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(dòng)。實(shí)際該反饋控制的調(diào)速電壓只有兩個(gè)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(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。PWM信號(hào)是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)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(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)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(shí)間t的關(guān)系如圖2-15和圖2-16。t/st/s 圖2-15 調(diào)速電壓Vc-t圖 圖2-16 運(yùn)行速度v-t圖半閉環(huán)實(shí)時(shí)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(dòng)，即也可看成小車運(yùn)行速度的等效值。這種半閉環(huán)實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)控制策略避免了運(yùn)行速度與調(diào)速電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系不符合理論情況下對(duì)應(yīng)關(guān)系的情況，并且能在最短時(shí)間內(nèi)加速到，但是可能存在系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間跟不上調(diào)速速度，對(duì)電機(jī)調(diào)速控制器和機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)間歇停頓性啟動(dòng)運(yùn)行行為等問題。2.4小結(jié)本章首先通過對(duì)實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)情況的分析建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合參數(shù)要求對(duì)控制系統(tǒng)做出了總體方案設(shè)計(jì)。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(shí)時(shí)反饋控制作為控制方案的編程和調(diào)試對(duì)象。第三章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計(jì)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、AFPXDA2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(bào)警指示燈等組成。系統(tǒng)的框圖如圖3-1所示：圖3-1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成框圖如圖3.3所示，通過觸摸屏設(shè)定運(yùn)行速度v和運(yùn)行距離s，設(shè)定參數(shù)經(jīng)過RS485串口信號(hào)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(hào)傳送到DA2模擬量模塊變成模擬量信號(hào)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(dòng)。直流無刷控制器整合信號(hào)后輸出霍爾信號(hào)控制直流電機(jī)。實(shí)驗(yàn)軌道小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是直流電機(jī)，經(jīng)過傳動(dòng)元件后到車輪軸上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)軌道小車的實(shí)際運(yùn)行速度是否到達(dá)設(shè)定的運(yùn)行速度值。編碼器的反饋信號(hào)反饋到PLC以執(zhí)行是否繼續(xù)加速或制動(dòng)停止命令。在軌道上同時(shí)安裝了行程開關(guān)，防止過了指定運(yùn)行距離后能夠起到保護(hù)制動(dòng)；同時(shí)配置了緊急制動(dòng)按鈕，能夠在遇到緊急情況時(shí)能夠人為機(jī)械緊急制動(dòng)；運(yùn)行指示燈能在接通電源后指示為已為啟動(dòng)做好準(zhǔn)備，為接通電源狀態(tài)。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(chǔ)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(yùn)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(jì)。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)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(jiǎn)單、直觀；控制能力強(qiáng)；易于安裝，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。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(yùn)算、數(shù)字運(yùn)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(yùn)行，主要功能有：接收并存儲(chǔ)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(yǔ)法錯(cuò)誤；讀取輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)；讀取用戶程序指令，解釋執(zhí)行用戶程序，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳遞等任務(wù)，刷新輸出映像，將輸出映像內(nèi)容送至輸出單元。PLC的存儲(chǔ)單元分成兩個(gè)部分：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)的。后者又可分為程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。程序存儲(chǔ)區(qū)用于存放用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǎng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為中央處理單元能夠接收的電平信號(hào)；輸出單元?jiǎng)t將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)控制電平，或者模擬量，輸出至被控對(duì)象。圖3-3 AFPX 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(yùn)行運(yùn)動(dòng)控制程序，完成運(yùn)動(dòng)控制的主要控制元器件。本系統(tǒng)中，我們選擇松下（中國(guó)）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(jì)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(hào)表示為：狀態(tài)顯示LED、輸入/輸出顯示LED、RUN/PROG.模式切換開關(guān)、USB連接器(B型)、模擬量電位器、編程口(RS232C)、電源輸入端子臺(tái)、輸入用通用電源輸出端子臺(tái)、擴(kuò)展蓋、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(hào)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/O8輸入/6輸出擴(kuò)展時(shí)的控制I/O點(diǎn)數(shù)最大254點(diǎn)適配插件類型模擬量/通信插件響應(yīng)時(shí)間0.6ms以下內(nèi)部繼電器4096點(diǎn)(R0R255F)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器1024點(diǎn)(T0T1007/C1008C1023)特殊內(nèi)部繼電器192點(diǎn)(R9000R911F)鏈接繼電器2048點(diǎn)(L0L127F)內(nèi)置高速計(jì)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）1AFPX PLC提供一定數(shù)量的主機(jī)數(shù)字量I/O點(diǎn)，當(dāng)主機(jī)點(diǎn)數(shù)不夠或者處理的信息是模擬量時(shí)，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AFPXAD2、熱電偶插件AFPXTC2、測(cè)溫電阻插件AFPXRTD2、通信插件AFPXCOM3等。本系統(tǒng)外加了一個(gè)個(gè)型號(hào)為AFPXDA2的模擬量輸出插件，性能指標(biāo)如表3-2所示：表3-2 AFPXDA2模擬量輸出插件主要性能表分類性能指標(biāo)輸出點(diǎn)數(shù)2通道/插件輸出量程（電壓/電流）0-10V/0-20mA數(shù)字值K0K4000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(055)輸出阻抗0.5(電壓輸出)輸出最大電流10mA(電壓輸出)輸出允許負(fù)載電阻600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(shí)，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/CH1V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 AFPXDA2模擬量輸出插件端子排列圖模擬量插件0V10V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)00.04001.08002.012003.016004.020005.024006.028007.032008.036009.0400010.0 表3-4 模擬量參數(shù)性能表 所以，整個(gè)PLC系統(tǒng)由AFPX-C14TD型PLC和AFPXDA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)SB1Y3繼電器KM3（制動(dòng)）X3前進(jìn)行程開關(guān)SB2Y4狀態(tài)指示燈X4后退行程開關(guān)SB3WY10模擬量插件電壓輸出X5后退行程開關(guān)SB4X6緊急制動(dòng)按鈕SB53.2.2編碼器放大整形編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號(hào)。如圖3-6為光電編碼器原理示圖。脈沖輸出光敏元件碼盤透鏡透鏡光源轉(zhuǎn)軸圖3-6光電編碼器原理示意圖圖碼器一般分為增量型與絕對(duì)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(jì)算的脈沖數(shù)量確定的，而絕對(duì)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(gè)位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的；因此，當(dāng)電源斷開時(shí)，絕對(duì)型編碼器并不與實(shí)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?jī)蓚€(gè)光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)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(cè)量和角速度測(cè)量較絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價(jià)和簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接受管，A,B兩點(diǎn)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(gè)速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，那么可知輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)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(dòng)時(shí)，輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值仍相同。如果角度碼盤做變速運(yùn)動(dòng)，把它看成為多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期（在下面定義）的組合，那么每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中輸出波形圖中的S0：S1：S2比值與實(shí)際圖的S0：S1：S2比值仍相同。絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個(gè)位置絕對(duì)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(jì)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(zhǎng)度測(cè)量和定位控制。在本設(shè)計(jì)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(yùn)行速度和運(yùn)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(hào)為MK803J-1024B-LM5增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，應(yīng)用于自動(dòng)控制、測(cè)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(shí)物圖。圖3-8 MK803J-1024B-LM5增量型旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)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(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)輸出電源電壓Vcc消耗電流52680mA52680mA50.25 52680mA50.25 526150mA負(fù)載電流40mA40mA40mA60mA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(shí)間MAX 1usMAX 1usMAX 1usMAX 200ms最高頻率響應(yīng)t300kHz300kHz300kHz300kHz機(jī)械特性每分鐘最大轉(zhuǎn)速啟動(dòng)扭矩軸最大負(fù)荷抗沖擊抗振動(dòng)5000r/min1Nm徑/軸向10/20N50G/11ms10G 10-2000Hz轉(zhuǎn)動(dòng)慣量工作溫度儲(chǔ)存溫度防護(hù)等級(jí)重量410-8kgm2-3085-3095IP50400g3.2.3 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(hào)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(chǔ)、并以曲線、動(dòng)畫等形式描繪自動(dòng)化控制的過程，并可簡(jiǎn)化PLC的控制程序。它可以實(shí)現(xiàn)以下作用： 監(jiān)視：以數(shù)據(jù)、曲線、圖形、動(dòng)畫等各種形式來反映 PLC的內(nèi)部狀態(tài)，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，從而直觀反映工業(yè)控制系統(tǒng)的流程、走向?？刂疲嚎梢酝ㄟ^觸摸屏來改變PLC內(nèi)部狀態(tài)位，存儲(chǔ)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(chǔ)配方數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)和歷史報(bào)警信息。本設(shè)計(jì)選擇的是松下GT01型號(hào)觸摸屏，如圖3-9為GT01觸摸屏的實(shí)物圖。圖3-9 GT01觸摸屏實(shí)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(hào)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(diǎn)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(yǔ)言種類日、簡(jiǎn)體中文等絕緣阻抗100M可登陸畫面數(shù)約160個(gè)背光燈方式LED(綠、橙、紅)通信（編程）串口RS2323.2.4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(hào)的控制裝置，同時(shí)利用模式還可對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制并對(duì)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(dòng)車無刷控制器主要由單片機(jī)主控電路、功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、電子換向器、霍爾信號(hào)檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)把信號(hào)電路、欠電檢測(cè)電路、限流/過流檢測(cè)電路、剎車信號(hào)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(jì)中，根據(jù)要求選擇了型號(hào)為MC3系列電動(dòng)平車用控制器，該直流無刷電機(jī)控制器實(shí)物圖如3-11所示。圖3-11 MC3系列電動(dòng)平車用控制器實(shí)物圖該型號(hào)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)（255）額定電壓V24364872額定電壓V1.02.01.53.02.04.02.05.0欠壓電壓V蓄電池供電20314263電壓軌道供20313131調(diào)速電壓范圍DC0VDC5V正反轉(zhuǎn)有效電平接地制動(dòng)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(hào)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-3060使用濕度20%90%RH3.2.5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(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，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(hào)，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(chǎng)軸線位置超前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間就會(huì)產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動(dòng)繞組。由于定子磁場(chǎng)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流-轉(zhuǎn)矩特性一樣。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流： (Nm)電動(dòng)機(jī)兩相繞組反電勢(shì)的差正比于電動(dòng)機(jī)的角速度：(V)所以電動(dòng)機(jī)繞組中的平均電流為：(A)其中，是加在電動(dòng)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(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：，、是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，為電動(dòng)機(jī)的角速度(rad/s)，所以，在一定的時(shí)，改變占空比，就可以線性地改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵(lì)直流電動(dòng)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(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：，那么+5V以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)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(shí)，反饋電壓變小，調(diào)制波的占空比就會(huì)變大，電樞電流變大，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止;反之，如果電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時(shí)，減小，減小，發(fā)生減速度，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止。可以說，永磁直流電機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)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(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。雖然直流電動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，但實(shí)際上電動(dòng)機(jī)存在由反電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成的反饋回路，該反饋信號(hào)的大小與電動(dòng)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(jì)算：斜齒圓柱齒輪單級(jí)減速10:1減速，1:1換向錐齒輪裝置傳動(dòng)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(jì)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(diǎn)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(dòng)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(shí)物圖。圖3-12 GC-90系列中功率高速直流無刷電機(jī)實(shí)物圖如下表3-9所示是該電機(jī)的電氣參數(shù)（255）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 V244896額定轉(zhuǎn)速rpm150015003000額定功率 KW1.52.01.52.07最大功率2.02.52.02.5額定功率的1.3倍