毕业设计（论文）-汽车发电机试验系统设计.doc

汽车发电机试验系统设计摘 要 随着当今社会汽车科技的发展，人们对发电机的各项指标越来越关注，于是促就了电机试验技术的发展。现在对发电机装配质量及技术性能综合评价的重要环节之一就有发电机性能测试，它已经成为了发电机的制造和生产的重要工序。操作方法过于繁琐，需要仪器繁多，需要大量人工作业来对数据进行读取和测试对比，这些都是以前的技术带来的不便，这些不便，干扰了发电机性能测试的准确度与速度。随着汽车装备技术越来越精细，汽车对发电机的要求也一步一步提高了，所以对发电机测试方法的改进已是迫在眉睫的了。关键词： 发电机、 装配、性能测试目 录摘 要1关键词 2目 录3第一章 绪 论41.1课题背景及意义41.2本课题的目的内容41.3汽车交流发电机的作用41.4汽车交流发电机性能测试的现状及趋势5第二章：汽车发电机72.1汽车发电机的特点、结构和原理72.2汽车发电机的分类8第三章：汽车交流发电机测试台的基本组成93.1基本组成9第四章：汽车交流发电机的拖动电机的变频器控制10第五章：整机电路图设计135.1使用硬件135.2使用电气元器件清单185.3控制回路原理图195.4检测回路原理图19第六章：PLC编程206.1PLC I/O口定义206.2PLC程序编写21第七章：组态王软件设计247.1程序界面26结 论29参考文献30第一章 绪 论1.1课题背景及意义随着经济的发展，人们生活水平的提高，汽车逐渐走入了人们的家庭，成为一门重要的产业，尤其是一些家用小轿车为人们所关注、喜爱。汽车的性能为人们所看重。汽车上的各种电子设备也随之而发展。汽车交流发电机是汽车的主要电源之一，交流发电机问世以来，以其输出功率大，可靠性好，使用寿命长等优点深受广大群众欢迎。近几十年来，交流发电机无论是在结构方面。加工工艺方面还是在原材料使用方面都有了较大的改进。目前国内绝大多数汽车发电机生产厂家对汽车发电机的性能测试都是沿用传统的测试方法，其测试精度低、误差大、效率低、数据不能存贮。给产品质量追溯带来很大的不便。而国外发达国家的汽车发电机生产厂家已经把微机引入到这一领域。近几年来国内几家大型汽车电器企业也陆续引进了此类设备，但价格昂贵，因此，在我国研制性能稳定、测试精度高的汽车发电机性能微机测试系统，是一件很有意义而又迫切的工作。1.2本课题的目的内容本课题设计一套汽车交流发电机的测试系统，该系统测试汽车发电机是否能按要求输出电压和电流，为蓄电池充电。测试时再转速范围内取三个点，每个转速设定一个负载电流，测试发电机的输出电压和电流，判断发电机是否合格。要求设计硬件电路及上位机操作界面，上位机界面用组态王。1.3汽车交流发电机的作用输出功率大、可靠性好、使用寿命长，体积小、重量轻、维护方便。1.4汽车交流发电机性能测试的现状及趋势在电机的生产运行和科研过程中，需要对电机的性能，参数等进行必要的测试，以检验电机是否满足有关技术要求的规定，或寻求改进设计工艺的途径和方法。电机性能测试台主要是研究电机各种特性及参数的测试，包括电机的工作特性、机械特性、热、声、磁场、电量及电参数的测试，误差分析和试验数据处理。随着电子技术和计算机的发展，仪器仪表业发生了历史性的变化仪器仪表参数的数字化和智能化，也使得电机测试技术有了长足的进步。数字化电压表，数字转矩转速仪，光电数字测遮仪，智能型温控仪，以及数字存储示波器等一系列现代测试仪表的出现促进了电机自动测试技术的发展，解决了过去难以解决的电机测试技术课题，测试系统的精度和可靠性也大大提商。国内外已研发出一些先进的数据采集卡以及数据输入输出卡，如研华公司的数据采集卡PCL-812PG，PCL-8181T。数据输入输出卡PCL-724等等。利用这些嵌入式卡把采集到的各种传感器信号输入到计算机中进行处理。测试系统与自动控制系统一体化是现代电机测试技术的主要特征之一。国外可编程控制器已引入了电机的数字化测试中。因为可编程控制器具有与计算机、单片机一样的编程能力，编程语。言简单、易学、抗干扰能力强它可将中间继电器、时间继电器之间大量的控制逻辑关系变成简单的程序，输入给PLC中的CPU进行运算和处理。然后只将结果输出给执行单元，使得控制系统在中间控制逻辑的环节中不会出现任何问题，从而大大提高了系统的可靠性。在继电器控制系统中，如果要对一台已设计好的控制器作一些原理上的变动。那就的变动连线，甚至增加元件。但使用可编程控制嚣就方便多了，只要改变一下程序或增加几条程序就可圆满解决问题。但如果控制对象的输入输出接口数量和内存容量大，可编程控制器比较昂贵，不易实现对发电机的参数模拟量的检测。采用通用工业Pc微机控制系统是一种比较好的控制方法。工控机系统是指对机电设备进行测量和控制的自动化系统，是检测、判断、处理、通讯的总称。通用工业Pc微机具有良好的开发性、能降低控制系统的成本，且具备良好的安全性、灵活性和联网性，并简化了维护和培训。它的外部坚固，耐冲击能力和震动：具有工业标准电源。高可靠，高性能，开放式架构，具备升级扩展能力。选用通用工业Pc微机，再配以有关功能卡。使用相关系统及应用软件可完成电机的自动测量和控制。综上所述，研究开发和使用PLC加上位机或者使用工业控制计算机来测量控制电机是当前国内外的主流和发展方向。第二章：汽车发电机2.1汽车发电机的特点、结构和原理汽车发电机是用来对蓄电池进行充电和供给汽车上各种用电设备所需的电能，它输出的必须是直流电。交流发电机作为汽车的一种电源，是由三相同步发电机，硅整流器及电压调节器三部分组成的。汽车用的三相交流发电机的基本原理同三相交流发电机，它在结构上与一般工业用凸极式交流发电机不同汽车用三相同步发电机的磁场是采用鸟嘴形磁极，它的形状像鸟嘴。这种磁极是可以使定子感应的交流电动势近似于下弦曲线。每个磁极的磁通经转子的铁芯回合形成发电机的总磁通。总磁通等于一个极性所有磁极的磁通总和。这样就可以采用一个简单的激磁绕组。绕在转子的铁芯上。所以只消耗少量的铜线。发电机的转子是电机的磁场部分。它主要由激磁绕组，磁极和滑环组成。单个磁极的形状像鸟嘴形，但它的整体像一个爪子。所以一个极性的整体磁极也称爪极。磁极数目有4对，5对。6对，7对等，我国目前生产的汽车交流发电机大多采用6对磁极，即转子每旋转一转，定子的每相电路上能产生6个周期的交流电动势。转予的滑环也称集电环，是由2个彼此绝缘的铜环组成中间的绝缘材料一般使用玻璃纤维塑料。这个滑环与装在炭刷端盖上的2个炭刷接触，用接线柱引到发电机外部。要使交流发电机定子绕组中产生电动势，就必须对其磁极进行激磁。激磁的方法，一般分为他激和自激两种。一般工业用的交流发电机的源磁大都采用他激的，即完全由另外的电源对发电机的磁级进行激磁；另一种是自激的，即利用本身定子绕组中发出的电，供给本身的磁极。另外一种是永磁式。汽车用的交流发电机的激磁方法与一般工业用交流发电机不同，它在低速运转时，即还未达到蓄电池充电电压时，是他激的，即用蓄电池的电流供给发电机的激磁绕组；当高速运转时，即发电机的转速已达到蓄电池充电电压的转速时，发电机是自激的，即利用定子绕组本身产生的、经过整流的直流电流供给发电机本身的激磁绕组。汽车交流发电机的使用条件与一般工业用的交流发电机不同。一般工业用的交流发电机的使用转速是固定的，而汽车交流发电机是安装在发动机上，按固定的传动比(即发动机曲轴皮带轮直径与发电机皮带轮直径之比)由发动机曲轴带动。所以，发电机的转速在很大的范围内变化，即在相当于发动机最低速度(即发动机怠转时)到相当于发动机最高转速的范围内变化。大多数的汽车交流发电机的整流器是由6只硅二极管组成，3只负极管子装在后端盖上，另三只正极管子装在一块整体的散热板上，称为元件板。6只二极管组成三相桥式全波整流线路。汽车交流发电机是三相同步电机转子的转速和定子绕组中产生的感应电动势的频率成一定的比例。他们的关系是：f=pn/60式中：f发电机的频率，P发电机磁极对数n转子的转速，2.2汽车发电机的分类汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰，交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：1.按结总体结构分五类a) 普通交流发电机又称为“硅整流发电机”。b) 整体式交流发电机c) 带泵交流发电机。d) 无刷交流发电机。e) 永磁交流发电机。2.按整流器结构分四类a) 六管交流发电机b) 八管交流发电机；c) 九管交流发电机d) 十一管交流发电机。第三章：汽车交流发电机测试台的基本组成3.1基本组成交流发电机测试台由机械系统、测量控制系统、工业控制计算机及变频调速控制等组成。(1)电气硬件设计该系统由上位机显示器、键盘、鼠标、操作台、电器元器件箱等三部分组成。操作台高度1.65米，比较人性化的设计。全九折型材和16折型材骨架搭建而成，表面做喷塑处理（国际灰）。配19寸显示器，及急停按钮。工控机采用研华品牌，抽屉式。转速测量传感器选用军品传感器，耐高温，响应速度快，采样精确。通过三维建模软件设计详细外观，如图3-1所示：1、散热风扇2、电控柜3、监控电脑4、操作平台图3-1测试平台三维效果图第四章：汽车交流发电机的拖动电机的变频器控制本文的交流发电机的拖动采用交流异步电动机拖动，异步电机的控制采用变频器来控制。通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调试在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率因而具有高效率宽范围和高精度的调速性能。从某种意义上说，如果能够有一个可以任意改变频率的电源的话，即可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的高速控制。但是，由于在实际的调速控制过程中，还必须考虑到有效利用电动机磁场。抑制起动电流和得到理想的转矩特性等方面的问题，一个普通的频率可调交流电源并不能满足对异步电动机进行调速控制的需要。改变定子电源频率可以改变同步转速和异步电动机的转速。第五章：整机电路图设计5.1使用硬件本次设计应用西门子S7-200 CPU224，S7-200 CPU224本机集成了14点输入/10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13字节程序和数据存贮空间，个独立的30KHz高速计数器，路独立的20KH高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。图4-1 CPU224接线图电源电压DC 24V，AC 100230V电源电压波动DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0550C，垂直安装0450C，595%大气压8601080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740P = 2 * ROMAN II，PG760P = 2 * ROMAN II，PC（AT）本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个此外还要用到扩展模块S7 200-EM235，EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。上图演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X和X；对于电流信号，将RX和X短接后接入电流输入信号的“”端；未连接传感器的通道要将X和X短接。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。EM235模块的常用技术参数：模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V/05V/01V/0500mV/0100mV/050mV 电压（双极性）10V/5V/2.5V/1V/500mV/250mV 100mV/50mV/25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位5.2使用电气元器件清单序号元器件名称品牌和型号数量1CPU模块西门子CPU22412扩展模块西门子EM23523空气开双单匹 6A施耐德14空气开关单匹 6A施耐德25自复位输入按钮施耐德56电源指示灯施耐德220V 红色17急停按钮施耐德18开关电源OMRON 24V 15W19转速传感器菲尼克斯/IFM110电流传感器品牌三菱311电流变送器转420mA 品牌三菱312电压传感器品牌三菱313电压变送器转420mA/品牌三菱314继电器OMRON/4常开4常闭315工控机研华科技116显示器19寸，清华同方117键鼠套装罗技118接线耗材-若干195.3控制回路原理图5.4检测回路原理图第六章：PLC编程6.1PLC I/O口定义功能地址电机转速输入AIW0测点1电压输入AIW2测点1电流输入AIW4测点2电压输入AIW6测点2电流输入AIW8测点3电压输入AIW10测点3电流输入AIW12启动I0.0停止I0.1档位1选择I0.2档位2选择I0.3档位3选择I0.4电压报警Q0.1电流报警Q0.2测点1报警值VW100测点2报警值VW102测点3报警值VW104测点1电压VW106测点1电流VW108测点2电压VW110测点2电流VW112测点3电压VW114测点3电流VW116转速VW1186.2PLC程序编写第七章：组态王软件设计 7.1程序界面程序首页监控画面实时数据报表参数实时曲线实时报警历史曲线结 论为期3学期的毕业设计结束了，在这短短的几年当中，我不仅巩固了以前学到的专业知识，更重要的是我学到了许多新知识，学会了设计一个系统的步骤、方法和设计思想，还学到了作为一个设计人员应该具备的素质。在毕业设计之初，我首先拿到了毕业设计的题目汽车发电机测试系统设计，从中我们知道了这次设计的目的、要求以及要完成的工作。设计总是在不断的改进和完善中完成的，在这次毕业设计中还存在很多不能令