畢業(yè)設(shè)計--基于plc的機械手臂設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計 （論文） 任 務(wù) 書</p><p>　　姓名 </p><p>　　專業(yè)班級 </p><p>　　任 務(wù) 下 達 日 期 年 月

2、 日</p><p>　　設(shè)計（論文）開始日期 年 月 日</p><p>　　設(shè)計（論文）完成日期 年 月 日</p><p>　　設(shè)計（論文）題目：

3、 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p>　　系（部）主 任 </p><p>　　年 月 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會記錄</p&g

4、t;<p>　　系 專業(yè)，學(xué)生 于 年 月 日</p><p>　　進行了畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。</p><p>　　設(shè)計題目： </p><p>　　專題（論文）題目：

5、 </p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p>　　答辯委員會根據(jù)學(xué)生提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）材料，根據(jù)學(xué)生答辯情況，經(jīng)答辯委員會討論評定，給予學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計（論文）成績?yōu)?。</p>&

6、lt;p>　　答辯委員會 人，出席 人</p><p>　　答辯委員會主任（簽字）： </p><p>　　答辯委員會副主任（簽字）： </p><p>　　答辯委員會委員： ， ， ，</

7、p><p>　　， ， 。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）評語</p><p>　　第 頁</p><p>　　共 頁</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）及答辯評語：____________________________

8、____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9、_____________________</p><p>　　基于PLC的機械手臂設(shè)計</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要3</b></p><p><b>　　引 言4</b></p><p>　　第

10、一章機械手機械結(jié)構(gòu)5</p><p>　　1.1 傳動機構(gòu)5</p><p>　　1.1.1 螺旋機構(gòu)5</p><p>　　1.1.2 滑動螺旋機構(gòu)5</p><p>　　1.1.3 滾動螺旋機構(gòu)6</p><p>　　1,2 機械手夾持器和機座的結(jié)構(gòu)6</p><p>　　1.

11、2.1 機械手夾持器6</p><p>　　1.2.2 機座7</p><p>　　第二章 可編程控制PLC的選擇8</p><p>　　2.1 PLC簡介8</p><p>　　2.2 PLC內(nèi)部原理9</p><p>　　2.2.1 中央處理單元（CPU）9</p><p>　　

12、2.2.2 存儲器9</p><p>　　2.2.3 I/O映象區(qū)10</p><p>　　2.2.4 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū)10</p><p>　　2.2.5 用戶程序存儲區(qū)10</p><p>　　2.2.6 常用的I/O分類11</p><p>　　2.3 PLC的工作原理11</p>&

13、lt;p>　　2.3.1 輸入采樣階段13</p><p>　　2.3.2 用戶程序執(zhí)行階段13</p><p>　　2.3.3 輸出刷新階段13</p><p>　　2.3.4 輸入/輸出滯后時間14</p><p>　　2.4 PLC機型的選擇方法14</p><p>　　2.4.1 PLC的類型

14、14</p><p>　　2.4.2 輸入輸出模塊的選擇14</p><p>　　2.4.3 電源的選擇15</p><p>　　2.4.4 經(jīng)濟性的考慮15</p><p>　　2.5 機械手PLC選擇及參數(shù)15</p><p>　　2.5.1 主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：15</p><p>

15、;　　2.5.2 PLC主機的組成17</p><p>　　第三章 伺服電機的選擇18</p><p>　　3.1 伺服電機的工作原理18</p><p>　　3.2 交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)19</p><p>　　3.3.1 功率驅(qū)動單元20</p><p>　　3.3.2 控制單元21</

16、p><p>　　第四章 變頻器的選擇24</p><p>　　4.1變頻器的構(gòu)成24</p><p>　　4.1.1 整流器26</p><p>　　4.1.2 平波回路26</p><p>　　4.1.3 逆變器26</p><p>　　4.1.4 制動電路26</p>

17、<p>　　4.2 控制電路27</p><p>　　4.2.1 運算電路27</p><p>　　4.2.2 驅(qū)動電路27</p><p>　　4.2.3 速度檢測電路27</p><p>　　4.3 保護電路27</p><p>　　4.3.1 逆變器保護27</p><p

18、>　　4.3.2 過載保護。28</p><p>　　4.3.3 再生過電壓保護28</p><p>　　4.3.4 瞬時停電保護28</p><p>　　4.3.5 接地過電流保護28</p><p>　　4.3.6 冷卻風(fēng)機異常保護28</p><p>　　4.4 異步電動機的保護29</p

19、><p>　　4.4.1 過載保護。29</p><p>　　4.4.2 超頻（超速）保護。29</p><p>　　4.4.3 其他保護29</p><p>　　4.5 變頻器的控制方式29</p><p>　　4.5.1 非智能控制方式30</p><p>　　4.5.2 智能控制方式

20、31</p><p>　　4.5.3 變頻器控制的展望32</p><p>　　4.6 FR-A540變頻器33</p><p>　　4.6.1 主回路接線33</p><p>　　4.6.2 主電路接線端子介紹及注意事項34</p><p>　　第五章 機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計36</p>

21、<p>　　5.1 機械手的工藝過程36</p><p>　　5.2 PLC控制系統(tǒng)37</p><p>　　5.2.1 確定輸入/輸出點數(shù)并選擇PLC型號37</p><p>　　5.2.2 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計38</p><p><b>　　致謝42</b></p><p&

22、gt;<b>　　參考文獻43</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化的

23、典型代表儀器之一。本畢業(yè)設(shè)計介紹的機械手是由PLC輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機械手橫軸和豎軸的精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給PLC主機；位置信號由接近開關(guān)反饋給PLC主機，通過交流電機的正反轉(zhuǎn)來控制機械手手爪的張合，從而實現(xiàn)機械手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)機械手是能夠模仿人手動作

24、，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓（吸）取、搬運工件或工具或進行操作的自動化裝置，它能部分的代替人的手工勞動。較高級型式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。</p><p>　　在機械制造業(yè)中，機械手已被廣泛應(yīng)用，從而大大地改善了工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。在我國，工業(yè)機械手近年來有較快的發(fā)展，投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用，并且很好的效果。本課

25、題主要研究的問題是"近距離自動移動式機械手臂設(shè)計--氣壓驅(qū)動式"。設(shè)計包括兩大方面，其中之一是自動行走部分，另一部分為手臂的運轉(zhuǎn)。采用同一驅(qū)動能源--氣泵。行走部分可以采用氣壓馬達帶動兩輪轉(zhuǎn)動。氣壓泵固定在某處，用一根軟管將泵與馬達相連，馬達安裝在行走裝置中。運動手臂的直線運動用氣缸來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運動用氣壓馬達來實現(xiàn)。行走的時候手臂不動，手臂運動的時候，行走部分停止運動。</p><p>　　關(guān)

26、鍵字：機械手，PLC，自動化，可編程控制器</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等

27、，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作。</p><p>　　工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，

28、受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。</p><p>　　本課題擬開發(fā)物料搬運機械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，對機械手的上下、左右以及抓取運動進行控制。該裝置機械部分有滾珠絲杠、滑軌、機械抓手等；電氣方面由交流電機、變頻器、操作臺等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機械手完成各種動作。</p><p>　　由于時間倉促和個人水平限制，我的設(shè)計存在著許多還沒來

29、得及解決的問題，希望廣大老師、同學(xué)能夠給予批評指正并予以解決。</p><p>　　第一章機械手機械結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　1.1 傳動機構(gòu)</b></p><p>　　1.1.1 螺旋機構(gòu)</p><p>　　螺旋機構(gòu)由螺桿、螺母和機架組成，其主要功能是將轉(zhuǎn)動變換為直線運動，并同時傳遞運動和動力，按螺旋副中

30、的摩擦性質(zhì)，螺旋機構(gòu)可以分為滑動螺旋機構(gòu)和滾動螺旋機構(gòu)兩種類型。按用途可以分為傳力螺旋、傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋三種類型。</p><p>　　螺旋機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳動平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點。</p><p>　　1.1.2 滑動螺旋機構(gòu)</p><p>　　螺旋副內(nèi)為滑動摩擦的的螺旋機構(gòu)，稱為滑動螺旋機構(gòu)?；瑒勇菪龣C構(gòu)所用的螺紋為傳動性能好，效率高的矩形

31、、梯形和鋸齒形螺紋。</p><p>　　滑動螺旋機構(gòu)由螺母和螺桿組成。根據(jù)機構(gòu)的組成及運動方式，滑動螺旋機構(gòu)又分為以下兩種。</p><p>　　由螺母和螺桿組成的滑動螺旋機構(gòu)，螺母與機架固聯(lián)，螺桿轉(zhuǎn)動并移動，這種螺旋機構(gòu)以傳遞動力為主，故又稱傳力螺旋機構(gòu)。一般要求用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向力，多用在工作時間短，速度較低的場合。</p><p>　　由螺母、螺桿和

32、機架組成的滑動螺旋機構(gòu)，螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，這種螺旋機構(gòu)以傳遞運動為主，故又稱為傳導(dǎo)螺旋機構(gòu)。</p><p>　　本文所介紹的機械手的豎軸就是用的傳導(dǎo)螺旋機構(gòu)。這種傳動形式結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較大，傳動效率高，精度高。</p><p>　　1.1.3 滾動螺旋機構(gòu)</p><p>　　螺旋副內(nèi)為滾動摩擦的螺旋機構(gòu)，稱為滾動螺旋機構(gòu)或滾珠絲杠。其機構(gòu)特點是在螺桿和螺母之間

33、設(shè)有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當螺桿轉(zhuǎn)動時，剛球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母作直線運動。按循環(huán)方式的不同，分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種形式。滾珠始終在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。滾珠在返回時與螺桿脫離接觸的循環(huán)叫外循環(huán)。外循環(huán)螺母只需設(shè)置一個反向器，當滾珠進入反向器時，就被阻止而轉(zhuǎn)彎，從返回通道回到滾道的另一端，形成一個循環(huán)回路。機械手的橫向運動采用的便是滾動螺旋傳動。滾動螺旋機構(gòu)摩擦阻力小，動作靈敏度高，傳動效率高，可達9

34、0%以上。用調(diào)整的方法可消除間隙，傳動精度高。</p><p>　　1,2 機械手夾持器和機座的結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.2.1 機械手夾持器</p><p>　　機械手的機械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手抓有可分為單支點和雙支點回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可以分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動方式可以電動、液壓和氣動三種。</p&g

35、t;<p>　　回轉(zhuǎn)型夾持器結(jié)構(gòu)較簡單，但當所夾持的工件直徑有變動時，將引起工件軸心的偏移。對平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機械機構(gòu)繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當設(shè)計機械手夾持器的時候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結(jié)構(gòu)比較簡單回轉(zhuǎn)型夾持器。 </p><p>　　圖1.1機械手夾持器</p>&l

36、t;p>　　本文設(shè)計的機械手采用的是楔槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子3和楔塊之間為滾動接觸。當電機帶動連桿前進時，通過楔塊4的斜面和杠桿1，使兩個手抓產(chǎn)生加緊動作和加緊力。當楔塊后移時，靠彈簧的拉力使手指松開。這種末端執(zhí)行器由于楔塊和滾子之間為滾動接觸，摩擦力小，活動靈活，且機構(gòu)簡單。</p><p><b>　　1.2.2 機座</b></p>&l

37、t;p>　　機座是機械手的支撐部件，機座承受機械手的全部重量和工作載荷，所以機座應(yīng)有足夠的強度、剛度和承載能力。另外機座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機械手工作時的穩(wěn)定行。 </p><p>　　機械手采用普通軸承作為支撐元件的機座支撐結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有制造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點。圖中電動機3經(jīng)減速器4、主動小齒輪5、中間齒輪6、大齒輪7驅(qū)動絲桿2旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動升降臺上下運動。整個機座

38、安裝在基座8上。</p><p>　　第二章 可編程控制PLC的選擇</p><p><b>　　2.1 PLC簡介</b></p><p>　　自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時，PLC

39、的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。</p><p>　　作為離散控的制的首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和P

40、LC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。 </p><p>　　PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通

41、過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PL

42、C，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。</p><p>　　相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件

43、和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動化水平的不斷提高，今后

44、一段時期內(nèi)PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 </p><p>　　通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制</p><p>　　2.2 PLC內(nèi)部原理</p><p>　　2.2.1 中央處

45、理單元（CPU）</p><p>　　中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū), 然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算等任務(wù)。

46、并將邏輯或算術(shù)運算等結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為止。</p><p><b>　　2.2.2 存儲器</b></p><p>　　與微型計算機一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)

47、軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。</p><p>　　PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型 PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶程序存儲區(qū)。</p><p>　　系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系

48、統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的各項功能。</p><p>　　系統(tǒng)RAM存儲區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。</p><p>　　2.2.3 I/O映象區(qū)</p&g

49、t;<p>　　由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲單元（RAM）以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作I/O映象區(qū)。一個開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個位（bit）, 一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字（16個bit)。因此，整個I/O映象區(qū)可看作由開關(guān)量的I/O映象區(qū)和模擬量的I/O映象區(qū)兩部分組成。

50、</p><p>　　2.2.4 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū)</p><p>　　除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM存儲區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后者當PLC停止運行時，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)

51、全部置“零”。</p><p>　　2.2.5 用戶程序存儲區(qū) </p><p>　　用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC其存儲容量各不相同，一般來說，隨著PLC機型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。不過對于新型的PLC，其存儲容量可根據(jù)用戶的需要而改。</p><p>　　2.2.6 常用的I/O分類</p><p>　　常用的I

52、/O分類如下：</p><p>　　開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。</p><p>　　模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模

53、塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。</p><p>　　2.3 PLC的工作原理</p><p>　　可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時可能

54、變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機 或切換到STOP工作狀態(tài)。</p><p>　　除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時完成的。</p&g

55、t;<p>　　在內(nèi)部處理聯(lián)合階段。可編程序控制器檢查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。</p><p>　　在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢≧UN）狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作。</p>

56、<p>　　在可編程序控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。</p><p>　　外接的輸入觸點電路接通時，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對

57、應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。</p><p>　　可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令

58、時，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。</p><p>　　在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸

59、出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。</p><p>　　若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時，稱該編程

60、元件為ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為OFF。掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖2.1所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1

61、 PLC的掃描運行方式</p><p>　　2.3.1 輸入采樣階段</p><p>　　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該

62、輸入均能被讀入。</p><p>　　2.3.2 用戶程序執(zhí)行階段</p><p>　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。</p><p>　　2

63、.3.3 輸出刷新階段</p><p>　　在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才是PLC真正的輸出。</p><p>　　2.3.4 輸入/輸出滯后時間</p><p>　　輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化

64、的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。</p><p>　　輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為10ms左右。</p><p>　　輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在1

65、0ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為1ms，負載由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期。可編程序控制器總的響應(yīng)延遲時間一般只有幾十ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求輸入—輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。</p><p>　　2.4 PLC機型的

66、選擇方法</p><p>　　2.4.1 PLC的類型</p><p>　　PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地

67、選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.4.2 輸入輸出模塊的選擇</p><p>　　輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出

68、模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。</p><p>　　2.4.3 電源的選擇</p><p>　　PLC的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選

69、用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。</p><p>　　2.4.4 經(jīng)濟性的考慮</p><p>　　選

70、擇PLC時，應(yīng)考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機架、母板等也要相應(yīng)增加，估因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。</p><

71、;p>　　綜合上述原則機械手控制系統(tǒng)主機為三菱的FX2N-48MR。</p><p>　　2.5 機械手PLC選擇及參數(shù)</p><p>　　2.5.1 主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　工作電源：24VDC</p><p><b>　　輸入點數(shù)：24</b></p><p><

72、b>　　輸出點數(shù)：24</b></p><p>　　輸入信號類型：直流或開關(guān)量</p><p>　　輸入電流：24VDC 5mA</p><p>　　模擬輸入：-10V～10V（-20mA～+20mA）</p><p>　　輸出晶體管允許電流0.3A/點（1.2A/COM）</p><p>　　輸出

73、電壓規(guī)格：30VDC</p><p><b>　　最大負載：9W</b></p><p>　　輸出反應(yīng)時間：Off→On 20μs On→Off 30μs</p><p>　　基本指令執(zhí)行時間：數(shù)個μs</p><p>　　程序語言：指令+梯形圖+SFC</p><p>　　程序容量：3

74、792STEPS</p><p>　　基本順序指令：32個（含步進梯形指令）</p><p><b>　　應(yīng)用指令：100種</b></p><p>　　初始步進點：S0～S9</p><p>　　一般步進點：118點，S10～S127</p><p>　　輔助繼電器：一般用512+232點（M0

75、00～M511+M768～M999）</p><p>　　停電保持用256點（M512～M767）</p><p>　　特殊用280點（M1000～M1279）</p><p>　　定時器：100ms時基64點（T0～T63）</p><p>　　10ms時基63點（T64～T126，M1028為ON時）</p><p&g

76、t;　　1ms時基1點（T127）</p><p>　　計數(shù)器：一般用112點（C000～C111，16位計數(shù)器）</p><p>　　停電保持用16點（C112～C127，16位計數(shù)器）</p><p>　　高速用13點1相5kHz，2相2kHz（C235～C254，全部為停電保持32位計數(shù)器）</p><p>　　數(shù)據(jù)寄存器：一般用408

77、點（D000～D407）</p><p>　　停電保持用192點（D408～D599）</p><p>　　特殊用144點（D1000～D1143）</p><p>　　指針/中斷：P64點；I4點（P0～P63/I001、I101、I201、I301）</p><p>　　串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232</p>

78、<p>　　一般功能通訊口：RS485</p><p>　　主機電源220V AC</p><p>　　2.5.2 PLC主機的組成</p><p>　　輸入單元：輸入單元由8個按扭、8個開關(guān)和16個接插件組成，它們分別與PLC的16個輸入點相接。改變這些開關(guān)或按扭的通斷狀態(tài)，即可對主機輸入所需要的開關(guān)量。16個接插件可外接其它直流或開關(guān)量輸入信號。&l

79、t;/p><p>　　輸出單元：輸出單元由24個二極管和24個接插件組成，它們分別與PLC的24個輸出點相連。發(fā)光二極管是否發(fā)光，即可表示輸出點的狀態(tài)，使用者可得到主機的輸出信息。24個輸出接插件可外接其它需要控制的設(shè)備。輸出單元的4個地端，分別引出到面板，其中只有C4與3V電源共地。</p><p>　　電源單元：PLC主機左邊有外接220V/AV的電源插座，作為PLC的工作電源。內(nèi)裝變壓器

80、，輸出3V電源，供二極管使用。另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接輸入器件（如傳感器）的工作電源用</p><p>　　第三章 伺服電機的選擇</p><p>　　3.1 伺服電機的工作原理</p><p>　　伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動

81、器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。</p><p>　　永磁交流伺服系統(tǒng)具有以下等優(yōu)點：</p><p>　?。?）電動機無電刷和換向器，工作可靠，維護和保養(yǎng)簡單；</p><p>　　（2）定子繞組散熱快；</p><p>　　(3)慣量小，易提高系統(tǒng)的快速性；</p><p>　?。?）適應(yīng)于高速大

82、力矩工作狀態(tài)；</p><p>　?。?）相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應(yīng)用于機床、機械設(shè)備、搬運機構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機器人、加工機械、高速卷繞機、紡織機械等場合，滿足了傳動領(lǐng)域的發(fā)展需求。</p><p>　　永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器經(jīng)歷了模擬式、模式混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進入了全數(shù)字的時代。全數(shù)字伺服驅(qū)動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制

83、在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活，使伺服驅(qū)動器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且性能更加的可靠?，F(xiàn)在，高性能的伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流伺服電動機和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器兩部分。伺服驅(qū)動器有兩部分組成：驅(qū)動器硬件和控制算法。控制算法是決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分，也是在技術(shù)壟斷的核心。</p><p>　　3.2 交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)<

84、/p><p>　　交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動器其集先進的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)所不可比擬的。</p><p>

85、　　目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。</p><p>　　圖3.1 交流永磁同步伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)</p>&

86、lt;p>　　伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊。如圖2所示功率板（驅(qū)動板）是強電部，分其中包括兩個單元，一是功率驅(qū)動單元IPM用于電機的驅(qū)動，二是開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。</p><p>　　控制板是弱電部分，是電機的控制核心也是伺服驅(qū)動器技術(shù)核心控制算法的運行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應(yīng)的算法輸出PWM信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相

87、永磁式同步交流伺服電機的目的。</p><p><b>　　圖3.2 驅(qū)動板</b></p><p>　　3.2.1 功率驅(qū)動單元</p><p>　　功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單

88、元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。</p><p>　　逆變部分（DC-AC）采用采用的功率器件集驅(qū)動電路，保護電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)，主要拓撲結(jié)構(gòu)是采用了三相橋式電路原理圖見圖3，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即PWM(Pulse Width Modulation)通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率,

89、改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時間比,也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓副值的大小以達到調(diào)節(jié)功率的目的。</p><p>　　圖3.3 三相逆變電路分析</p><p>　　3.2.2 控制單元</p><p>　　控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心,實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。所采用的數(shù)字信號處理器(DSP)除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還

90、集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時計數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲器等。伺服驅(qū)動器通過采用磁場定向的控制原理( FOC) 和坐標變換,實現(xiàn)矢量控制(VC) ,同時結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制模式對電機進行控制 。永磁同步電動機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與

91、直流電機的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實際位置就可以得知電機轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。</p><p>　　伺服驅(qū)動器控制交流永磁伺服電機( PMSM)伺服驅(qū)動器在控制交流永磁伺服電機時,可分別工作在電流(轉(zhuǎn)矩) 、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示由于交流永磁伺服電機(

92、PMSM) 采用的是永久磁鐵勵磁,其磁場可以視為是恒定;同時交流永磁伺服電機的電機轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速,即其轉(zhuǎn)差為零。這些條件使得交流伺服驅(qū)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機時的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖4可以看出,系統(tǒng)是基于測量電機的兩相電流反饋和電機位置。將測得的相電流結(jié)合位置信息,經(jīng)坐標變化(從a ,b ,c 坐標系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d ,q 坐標系) ,得到分量,分別進入各自得電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標變化(從d ,q 坐

93、標系轉(zhuǎn)換到a ,b ,c 坐標系) ,得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令,經(jīng)過反向、延時后,得到6 路PWM 波輸出到功率器件,控制電機運行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下,指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器,得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中,d ,q 軸的轉(zhuǎn)矩電流分量是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下,磁通分量為零( = 0) ，但是當速度大于限定值時,可以通過弱</p><p>　　圖3.4 系統(tǒng)

94、控制結(jié)構(gòu)</p><p>　　從a，b，c坐標系轉(zhuǎn)換到d，q坐標系有克拉克（CLARKE）和帕克（PARK）變換來是實現(xiàn)；從d，q坐標系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標系是有克拉克和帕克的逆變換來是實現(xiàn)的。</p><p>　　第四章 變頻器的選擇</p><p>　　變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(

95、門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過程，器件的更新促進了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM－VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術(shù)

96、核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　4.1變頻器的構(gòu)成 </p><p>　　異步電動機用變頻器調(diào)速運轉(zhuǎn)時的結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO做逆變元件）給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻

97、電源。此電源輸出的電壓或電源及頻率，由控制回路指令進行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進行運算獲得。對于需要精密速度或快速響應(yīng)的場合，運算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓，過電流引起的損壞外就，還應(yīng)保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等。</p><p>　　圖4.1 變頻器的構(gòu)成</p><p>　　圖4.2 典型的電壓型逆變器一例<

98、;/p><p>　　主電路給異步電動機提供調(diào)速調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。典型的電壓逆變器的例子，其住電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時需附加“制動回路”。</p><p><b>　　4.1.1 整流器</b><

99、;/p><p>　　最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。</p><p>　　4.1.2 平波回路</p><p>　　在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容

100、量小時，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波電路。</p><p><b>　　4.1.3 逆變器</b></p><p>　　同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率相同的交流輸出。</p><p>　　4.1.4 制動電路<

101、/p><p>　　異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉(zhuǎn)差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用逆變器向電源反饋或設(shè)置制動回路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓升高。</p><p><b>　　4.2 控制電路</b></p><p&

102、gt;　　給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖4.1所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制回路信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。</p><p>　　在圖4.1點劃線內(nèi)，僅以控制A部分構(gòu)成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速

103、度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制?？刂齐娐分饕ǎ?lt;/p><p>　　4.2.1 運算電路</p><p>　　將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。</p><p>　　4.2.2 驅(qū)動電路</p><p>　　為驅(qū)動主電路器件的電路。它使

104、主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。</p><p>　　4.2.3 速度檢測電路</p><p>　　以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　4.3 保護電路</b></p><p>　　檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過

105、載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護回路主要包括：</p><p>　　4.3.1 逆變器保護</p><p>　　瞬時過電流保護。由于逆變器負載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉(zhuǎn)，切斷電流。變流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉(zhuǎn)。</p><p>　　4.3

106、.2 過載保護。</p><p>　　逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器期間、線路等損壞要停止運轉(zhuǎn)。恰當?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的GD（慣性）過大或因負載過大使電機堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。</p><p>　　4.3.3 再生過電壓保護 </p><p>　　采用逆變器使電動機快速時，由

107、于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\轉(zhuǎn)或快速減速的辦法，防止過電壓。</p><p>　　4.3.4 瞬時停電保護</p><p>　　對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在10s以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止工作。</p><p>　　4.3.5 接地過電流保護</

108、p><p>　　逆變器負載側(cè)接地設(shè)計，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要裝設(shè)漏電斷路器</p><p>　　4.3.6 冷卻風(fēng)機異常保護</p><p>　　有冷卻風(fēng)機的裝置，當風(fēng)機異常時裝置內(nèi)的溫度將上升。因此采用風(fēng)機熱繼電器或器件散熱片傳感器，檢出異常后停止逆變器。</p><p>　　4.4 異步電動機的保

109、護</p><p>　　4.4.1 過載保護。</p><p>　　過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉(zhuǎn)的過熱時，在異步電動機內(nèi)埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內(nèi)的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時，可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。</p><p>　　4.4.2 超頻（超速）保護。</p><p>　　逆變器的輸出

110、頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，逆變器停止運轉(zhuǎn)。</p><p>　　4.4.3 其他保護</p><p>　　防止失速過電流。急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進行（失速），所以，在負載電流 減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于 恒速運轉(zhuǎn)中的過電流，也進行同樣的控制。</p><p>　　防止失速再生電壓。減

111、速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過壓。</p><p>　　4.5 變頻器的控制方式</p><p>　　變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可