机电工程综合实践说明书2.docx
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机电工程综合实践说明书2
学号
06100000
成绩
机电工程综合实践说明书
设计题目交流电机控制的机电系统动力学特性
设计时间2008年5月-6月
系别机械与汽车工程系
专业机械设计制造及自动化
班级0班
姓名000
指导教师李大琳
2000年0月00日
目录
引言3
一．设计任务4
1.实践目的4
2.实践任务4
二．机电一体化系统的组成4
1.直线工作台结构及各模块作用4
2.各模块设备5
3.各模块的接口技术13
4.机械系统设计13
5.电气系统设计14
6.软件设计15
三．系统调试环境说明15
1.系统调试环境简介15
2.调试环境主要功能及操作方法15
3.使用注意事项24
四．交流电机控制的几点系统动力学特性24
1.交流电机控制的三种模式24
2.相关硬件组成和实现的软件模块24
3.任务操作流程:
24
五．总结25
六．参考文献26
引言
现代科学技术发展引起了工程领域的技术改造与革命。
机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
机电一体化的应用范围正越来越广，几乎涉及无所不包的社会领域。
现已有种类繁多的机电一体化产品与系统，例如锻压、铸造、轻工、纺织、冶金、印刷、通讯、办公、起重运输等所用的机械，机床，机器人量仪，量具、仪表，低压电器，焊接设备，电机传动装置电站控制系统信息装置，军事装备以及医疗器械、家用电器等。
特别是在数控机床方面，机器人方面，CAD/CAM/CAE,FMS,CIMS方面，信息系统方面，电力电子技术方面，以及汽车电子化方面，中国投入了大量人力物力，取得了飞速的发展。
而其主要发展方向也在向着数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化等方向发展。
在传统的应用范围以外，生产技术，车辆技术和电子娱乐技术中以及在其他的技术性和非技术性的应用领域中都有更多的机电一体化系统得以投入使用。
其中包括例如:
应用在医疗领域、服务性行业、土木工程学、移动技术系统等。
采用机电一体化技术设计和制造的产品和系统具有以下几个方面的特点：
●柔性好：
机电一体化系统通常可以通过改变计算机软件就可以实现最佳运动，并增加新的运动，具有很强的可扩展性。
●速度快、精度高：
随着电路集成度的不断提高，处理速度和响应速度也迅速提高，使机电一体化装置总的处理速度能够充分满足实际应用的需要。
●设计灵活，操作性改善，质量提高。
●体积小、重量轻：
由于半导体与集成电路技术的提高和液晶技术的发展，使得控制装置和测量装置可以做成原来重量和体积的几分之一甚至几十分之一，迅速向轻型化和小型化发展。
一．设计任务
1.实践目的
基于“PC+控制器+驱动器+电机”的控制系统设计能够完成大部分对电机控制和执行机构设计的需求。
具有PLC与系统显著不同的特征和优势，越来越成为工业上典型机电一体化系统的解决方案。
因此本次实践就是要参与者了解此类型机电一体化系统的设计、器件选型、程序设计和设备维护等基本内容。
2.实践任务
1.了解直线工作台的基本结构：
器件选型、器件间接口
2.了解直线工作台的设计原理：
器件布局、器件连线、软件和硬件的关系。
3.掌握直线工作台调试环境使用：
基本功能点的操作、软件界面和硬件设备功能点对应关系。
4.完成运动控制器编程
5.编写设计说明书
二．机电一体化系统的组成
1.直线工作台结构及各模块作用
直线工作台由底座、工作台、步进电机、丝杆、行程开关、导轨、磁性传感器组成。
如下图：
各模块作用如下：
工作台：
用于安放、固定加工工件；
步进电机：
根据输入信号实现不同转速及启停，从而控制工作台的不同运动；
步进电机驱动器：
驱动步进电机，使其带动滚轴丝杠转动；
继电器：
具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测；
滚珠丝杆：
用来控制工作台的移动；
Pic传感器：
用来限制工作台运动的位置，设置硬极限；
导轨：
引导工作台做直线运动；
2.各模块设备
2.1PC机：
CPUPentium1.2MHz或以上，
128M内存或以上,
带至少2个空闲的PCI插槽；
显示分辨率1024*768或以上。
2.2运动控制卡：
运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。
运动控制卡是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。
脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。
数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。
库函数包括S型、T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。
产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。
具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能,这些功能能通过计算机方便地调用。
2.3Pic传感器：
磁感应传感器的主要构成的材料来自于干簧管。
干簧管是一种磁敏的特殊开关。
它通常由两个或三个既导磁又导电材料做成的簧片触点，被封装在充有惰性气体（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管内管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点。
磁性开关顾名思义，就是通过磁铁来感应的开关。
这个“磁”就是指磁铁，包括市场上面常用的磁铁有橡胶磁、永磁铁氧体、烧结钕铁硼等。
开关就是干簧管了。
干簧管是干式舌簧管的简称，是一种有触点的无源电子开关元件，具有结构简单，体积小便于控制等优点，其外壳一般是一根密封的玻璃管，管中装有两个铁质的弹性簧片电板，还灌有一种叫金属铑的惰性气体。
平时，玻璃管中的两个由特殊材料制成的簧片是分开的。
当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁场磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使结点所接的电路连通。
外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开了。
因此，作为一种利用磁场信号来控制的线路开关器件，干簧管可以作为传感器用，用于计数，限位等等（在安防系统中主要用于门磁、窗磁的制作），同时还被广泛使用于各种通信设备中。
在实际运用中，通常用永久磁铁控制这两根金属片的接通与否，所以又被称为“磁控管”。
干簧管又叫磁控管，它同霍尔元件差不多，但原理性质不同，是利用磁场信号来控制的一种开关元件，无磁断开，可以用来检测电路或机械运动的状态，另一种磁性开关就是市场上所说接近开关、门磁开关、又叫感应开关，它是有干一个开好模具并且是标准尺寸塑胶外壳，将干簧管灌封在黑色外壳里面导线引出来另一半带有磁铁的塑料外壳固定在另一端当这个磁铁靠近带有导线的开关时，发出开关信号!
一般信号距离为10mm接通，此产品广泛引用到防盗门、家用门、打印机、传真机、电话机、等电子仪器设备上面。
还有一种磁性开关是在密闭的金属或塑料管内，设置一点或多点的磁簧开关，然后将管子贯穿一个或多个，中空而内部装有环型磁铁的浮球，并利用固定环，控制浮球与磁簧开关在相关位置上，使浮球在一定范围内上下浮动。
利用浮球内的磁铁去吸引磁簧开关的接点，产生开与关的动作。
2.4滚珠丝杠：
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品，是由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。
丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠（精度分为从CO-C7的6个等级）和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠轴承（精度分为从C7-C10的3个等级）
上银滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。
上银滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。
它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
由于具有很小的摩擦阻力，上银滚珠丝杆被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
上银滚珠丝杆是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
选型种类：
CoolType2重负荷型、CoolTypeⅠ系列、E2系列、R1系列（螺母旋转式）、SuperS系列、精密研磨级、轧制级、重负荷型
原理
当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。
优点：
1、定位精度高2、传动效率高3、使用寿命高（磨损低）
缺点：
1、承载能力较低2、加工成本高3、运行噪音高4、对使用环境要求高5、不能自锁
2.6继电器
继电器（英文名称：
relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。
它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
继电器的触点有三种基本形式：
1、动合型（常开）（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。
以合字的拼音字头“H”表示。
2、动断型（常闭）（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。
用断字的拼音字头“D”表示。
3、转换型（Z型）这是触点组型。
这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。
线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。
这样的触点组称为转换触点。
用“转”字的拼音字头“z”表示。
工作原理：
当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。
可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。
具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
2.7步进动电机
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。
每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。
脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。
在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。
它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。
些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。
直流伺服是梯形波。
但直流伺服比较简单，便宜。
步进电机主要由两部分组成：
定子和转子。
它们均有磁性材料构成，其上分别为六个、四个磁极。
定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。
如右图，为步进电机内部构造。
通过图可知，A，~A是联通的，B和~B是联通。
那么，A和~A是一组a，B和~B是一组b。
不管是两相四相，四相五线，四相六线步进电机。
内部构造都是如此。
至于究竟是四线，五线，还是六线。
就要看A和~A之间，B和B~之间有没有公共端com抽线。
如果a组和b组各自有一个com端，则该步进电机六线，如果a和b组的公共端连在一起，则是5线的。
所以，要弄清步进电机如何接线，只需把a组和b组分开。
用万用表打。
四线：
由于四线没有com公共抽线，所以，a和b组是绝对绝缘的，不连通的。
所以，用万用表测，不连通的是一组。
五线：
由于五线中，a和b组的公共端是连接在一起的。
用万用表测，当发现有一根线和其他几根线的电阻是相当的，那么，这根线就是公共com端。
对于驱动五线步进电机，公共com端不连接也是可以驱动步进电机的。
六线：
a和b组的公共抽线com端是不连通的。
同样，用万用表测电阻，发现其中一根线和其他两根线阻止是一样的，那么这根线是com端，另2根线就属于一组。
对于驱动四相六线步进电机，两根公共com端不接先也可以驱动该步进电机的。
工作特点：
1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2．步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
2.8步进电机驱动器
步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。
其组成主要有环行分配器、保护电路、传感器。
步进电机驱动器型号：
F3922、F3722L、F3722、F3722A、F3722M、F368、F3522A、F3522H、F3522、F2611、F268C、F875、F556、F256B、F265、F255、F235B、F245、F223
F3522
1、F表示步进驱动器
2、表示相数，2表示两相，3表示3相
3、5表示电流5安培
4、22表示电压220V
步进电机驱动器的原理：
采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。
图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示。
驱动器相当于开关的组合单元。
通过上位机的脉冲信号有顺序给电机相序通电使电机转动。
技术参数：
①直流供电：
电压范围（DC15V-DC40V/AC10-AC29V）
②相电流：
1.28A-3.5A
③典型电压：
DC24V-DC40v
④精度可选：
2、4、8、16、32、64、128、5、10、20、25、40、50、100、125
⑤输入电信号TTL兼容
⑥静止时，线图电流自动减半
⑦双极性恒流斩波方式
⑧匹配电机：
35、39、42、57、86（4线、6线、8线电机）
⑨外型尺寸：
132×76×38（mm）
3.各模块的接口技术
传感器和控制器的接口：
限位开关都通过9芯D型插座（DB9）与接口板连接（实际只使用其中的电源、输出、接地三个引脚），接口板通过DB68、DB25与PC机连接，接口协议：
RS-232。
电机和控制器的接口：
交流伺服电机、驱动器通过DB9与接口板连接，接口板通过DB68、DB25与PC机连接，接口协议：
RS-232。
控制器和PC机接口：
通过插卡形式，将控制器主卡插在PC机的PCI插槽上，接口协议：
PCI总线协议。
4.机械系统设计
机械系统采用台湾滚珠丝杠、导轨，机身为铝结构设计，重量轻，采用模块化设计，可根据需要组成不同的结构，美观大方.丝杠导程:
4mm
平台通过电机的正转和反转来带动滚珠丝杠转动。
电机是整个系统的最终执行机构。
电控箱內部配有X轴电机驱动器，驱动器驱动机床上X轴电机旋转，从而带动平台沿X方向行走。
5.电气系统设计
主电路图（控制电路图）
系统供电分两部分：
一是由直流电源插座直接向步进电机供电；二是由电源插座供电：
打开断路开关QF1，QF1与开关KM1串联，所以紧接着要按下SB1船型开关，再按下圆形启动按钮SB3。
这时继电器KM1得电，KM1自锁，开关KM1闭合，电源紧接着输入到开关电源（转换成24V电源）。
由开关点源出来输出到步进电机驱动器，步进电机驱动器得电；同时开关电源也供电给接口板。
系统的信号流向：
PC上的软件信号传到控制器，经接口板的CN5传到步进电机驱动器，进而控制电机的转动；步进电机转动，工作台运动，传感信号通过光栅尺经过接口板反馈到控制器，由软件显示。
当工作台运动到限位开关的位置时，限位开关上的信号由接口板的CN12端传回控制器。
6.软件设计
在PC显示器输入参数，运行软件，而控制卡控制步进驱动器运动，驱动器驱动步进电动机运动。
三．系统调试环境说明
1.系统调试环境简介
1）初始设置，设置控制器以及调试环境的一些基本参数；
2）运动控制，设置各项运动参数，如：
运动模式、加速度、速度、目标位置等，进行基本的运动控制，如：
运动、停止、捕捉等，并实时显示运动参数；
3）输入输出，实时显示输入状态信息以及控制I/O的输出；
4）中断测试，测试定时中断和事件中断；
5）动态响应测试，为了确定PID控制参数，所进行的正弦响应和阶跃响应测试；
6）ZL指令编程，运用组合指令控制电机的各种运动。
7）帮助模块，集成了控制器的使用说明，可以作为您使用的参考；
8）状态显示，实时显示控制器的各种状态。
2.调试环境主要功能及操作方法
2.1调试环境的主要功能
1）集成了运动控制器的所有控制命令，在该调试环境下可以方便的实现对控制器的控制。
2）可以显示运动控制过程中的各种状态，使用户清楚整个控制过程。
3）可以进行动态响应测试，为用户的具体使用提供较好的控制参数（PID参数和速度前馈参数）。
4）可以进行I/O测试。
5）可以进行zl指令编程。
2.2ZL运动控制器调试环境简介
2.2.1主窗口模块
当用户启动应用程序时，首先出现以下界面：
这是ZL系列运动控制器调试环境最基本的窗口，在该窗口下，用户可以
设置基本的工作参数、开启其它模块。
几个部分：
1）、状态显示窗口：
显示运动控制器各轴的工作状态。
2）、操作信息窗口：
显示操作调试环境的实时状态信息或操作提示信息。
3）、硬件复位按钮：
该按钮将使“输入输出”和“使能”以外的所有设置信息初始化。
4）、功能选择按钮：
进行功能操作窗口的切换。
可以实现调试环境6大功能模块的切换。
5）、功能操作窗口：
调试环境的主要窗口，进行运动控制、输入输出操作、中断测试、动态测试。
6）、硬件型号显示：
该框显示的是该控制器的型号，型号的含义参见“ZL运动控制器的命名方法”。
2.2.2系统设置模块
单击“初始设置”按钮，就会弹出以下窗口：
下面，分别介绍各参数设置的具体用法。
一、按钮说明
1）、“下载参数”和“上传参数”：
“下载参数”指把图3-2的界面设置参数下载至运动控制器，“上传参数”指从运动控制器中读取图3-2的参数并显示。
2）、“保存参数”和“文件参数”：
“保存参数”指把图3-2的设置参数保存至文件中，“文件参数”指从文件中读取图3-2的参数并显示。
3）、“用户认证”：
对已申请了用户认证的运动控制器，必须输入正确的用户认证码后，并按“用户认证”才可以正常使用。
二、设定极限参数
极限参数设定菜单的功能是为了设置用户的一些控制极限参数，最大加速度、最大位置误差等参数。
如果设置值超出允许值，将自动设置为允许的极限参数。
极限参数的单位：
1）、“正向极限”和“负向极限”：
位置极限，单位：
脉冲（p）。
2）、“速度极限”：
单位：
脉冲/秒（pps）。
3）、“加速度极限”：
单位：
脉冲/秒2（ppss）。
4）、“误差极限”：
单位：
脉冲（p）。
5）、“积分极限”：
PID控制算法的积分误差极限。
2.2.3控制器状态显示窗口
状态显示窗口是为用户提供一个监控窗口，可以在运行过程中获得控制器的各种状态，根据显示的内容，就可以知道控制器工作是否正常。
状态显示窗口由绿色、黄色和红色指示灯组成。
其中：
1）、正限、负限：
正向和负向硬件极限开关状态。
正常状态为绿色（0），当极限开关被压下时，则相应轴的对应极限状态指示灯显示红色警告
（1）。
2）、软正、软负：
正向和负向软件极限开关状态。
正常状态为绿色（0），当实际位置超过预先设置的软件极限时，则相应轴的对应软极限状态指示灯显示红色警告
（1）。
3）、零位：
零位开关的状态。
当零位开关被压下时，则相应轴的对应零位开关状态指示灯显示黄色
（1）。
4）、捕捉：
当捕捉到“零位”或“INDEX”时，相应轴的捕捉状态指示灯显示黄色
（1）。
5）、电机：
伺服驱动器工作状态。
正常状态为绿色（0），当伺服驱动器工作状态异常时，则相应轴的对应指示灯显示红色警告
（1）。
6）、运动：
运动状态指示。
正在运动则该轴运动状态指示灯显示黄色
（1），静止则显示。
7）、出错：
运动控制器的工作状态。
如果运动控制器工作正常则指示灯显示绿色（0），如果运动控制器工作出错则相应轴对应的出错指示灯显示红色警告
（1）。
8）、使能：
伺服驱动器使能。
OFF（按钮弹起）时输出0，外部高电平；ON（按钮按下）时输出值为1，外部低电平。
9）、脉冲/电压：
选择对应轴的输出方式。
上拨是脉冲，下拨是电压。
10）、轴开/轴关：
控制对应轴的axis_on/axis_off。
按钮弹起时轴关，按钮按下时轴开。
2.2.4运动控制模块
运动控制模块的界面分为四个部分：
实际参数显示、运动参数设置、运动操作按钮和快捷操作。
在该界面下，我们可以通过两种方式进行运动控制。
一、实际参数显示
实时显示各轴的实际参数，包括实际位置、实际
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