交直流电动机闭环控制系统的实验平台搭建

0交直流电动机闭环控制系统的实验平台搭建摘要：电动机测试平台是目前最小电机系统之一，通过对它的结构和工作原理的分析，能够使得学习者对机电一体化技术有一个全新的认识。所研究的试验台是由四套独立不同种类的电机测试系统组成的实验平台组，因此在这里主要以步进电机实验平台的搭建来说明。首先，根据测试平台要完成的测试内容如：步进电动机的调速、加载以及定位等来选择测试平台所需要的主要组成部件。其次，就是对测试平台机械部分工装进行详细的说明以及主要构件的设计。最后，对步进电机测试平台的控制系统选择以PLC与IPC来组成的优越性的说明，并且完成硬件的选型和控制系统的设计最后搭建起该测试平台。关键词：二相混合步进电动机，S7-200PLC，测试平台1TheBuildingofAc/DcMotorClosedLoopControlSystemTestingPlatformAbstract:motortestingplatformisoneofthesmallestmotorsystems.Throughanalyzingitsstructureandworkingprinciple,learnerscanhaveathoroughlyunderstandingonMechatronicsTechnology.Thetestbed,anexperimentalplatformgroup,consistsoffourdifferentkindsofmotortestingsystems.Therefore,theauthorillustrateditthroughthebuildingofsteppermotorexperimentalplatform.firstly,theauthorselectedthemaincomponentsthattestingplatformneedsaccordingtothetestcontentsuchasspeedgoverning,loadingandlocationofthesteppermotor.Secondly,theauthorillustratedthemechanicalpartoftestingplatformindetailsanddesignedthemaincomponents.Finally,theauthorexplainedthesuperiorityofcontrolsystemthatconsistsofPLCandIPC,andcompletedtheselectionofhardwareandthedesignofcontrolsystem.Followingthesethreesteps,thetestingplatformcanbesetup.Keywords:two-phasehybridsteppermotor，S7-200PLC，testingplatform2目录1绪论.31.1研究的背景和意义.31.2论文的主要研究的工作.42电机测试平台分析.62.1步进电动机的分析.62.2主要部件的选择.92.2.1电机驱动器的选择.92.2.2磁粉制动器的选择.112.2.3传感器的选择.122.3测试平台的电路图和安装图的设计.133测试系统机械部分的设计.143.1机械系统部件的设计.143.2主要部件的安装与调试.154电机测试平台控制系统的设计.174.1控制系统分析.174.2控制系统设计.204.2.1控制系统的硬件配置.204.2.2控制系统的软件设计.215结论.33参考文献.34致谢.3531绪论1.1研究的背景和意义传统的交直流电动机的主要功能是完成能量转换，同时这也是衡量电机性能好坏的最重要的指标。传统的交直流电动机自从出现就为人们的生活带来很大的福利，但是随着社会各行各业飞速的发展，对电机又提出了许多新的要求，除了能够高效率的转换能量以外还要能够按照人们想象的方式运动。如实现对电机角速度和角位移的控制。而步进电动机就是为迎合人们的这种需要而出现的，同时它也是最早与人工智能控制相结合的电动机。在二十世纪六七十年代，随着科学技术的飞速发展和高性能材料的应用，科学家们提出了一个新的步进电动机的研究水平，使得适合众多领域的步进电动机应运而生。而作为永磁式步进电动机和反应式不进电动结合而来的混合式步进电动机，应用更广、发展更迅速。在而二十世纪六七十年代后期，各个工业发达国家都将混合式步进电动机作为以一种新兴产业来发展，使其成为了电动机大家庭中的正式一员。步进电动机是一种相对比较特殊的电动机，他是依靠接收到的离散的电脉冲信号来控制步进电动机的运转，因此单纯的使用通常的直流或交流电源是不能驱动步进电动机的运转的，它需要专门的驱动器来为其提供离散的电脉冲信号。每输送一个电脉冲信号步进电动机就转过一定的角度，实现由脉冲到位移的信号转换。并且步进电动机的这种驱动能力是不受外界因素影响的，在能力范围内，位移量和点脉冲个数成线性关系。因此在数字控制系统的自动控制中，步进电动机因其定位精确、容易控制、工作可靠得到了广泛的应用。在工业以外的其他行业如:实验教学、轻工业、以及石油的行业也得到了越来越广泛的应用。工业生产能否顺利高效的进行与步进电机的运行状况有着直接的关系，所以我们必须有相应的电机测试平台来测试电机的主要参数、性能和运行情况。随着步进电动机的广泛应用，生活中的方方面面都已经离不开它的存在。而伴随而来的就是对电机质量和性能的好标准要求。因此我们必须了解步进电动机的重要的性能参数，来对电机做出改进和升级。这就需要有相应的测试系统为步进电动机的质量改进和性能优化提供数据保障。随着这些年来专家和学者们的不断努力以及一些新兴技术的发展所带来的依托，电动机性能测试系统有了很大的改进和提升。4特别是随着日益成熟的计算机技术和大规模集成电路的出现，PC控制测试技术日益成为主流测试方法，并且向着更加完善、更加成熟的方向发展着。在以前通常会采用一般的指针式仪表，就需要大量的人工操作，例如需要人工读数以及处理数据然后绘制出相应的曲线或图形，这是最传统的电机测试方法。因此存在着很大的弊端，大量的工作都是人工来完成，这就需要测试人员拥有较高的工作经验和高度集中注意力去应对仪表和测试中的一些突发情况，即使这些条件都满足，仍然难以保证数据的精确度。同时存在着工作效率低，劳动量比较大的缺点。还有另外一种比较完善的测量方法。那就是采用一些数字电压表、光电智能测速仪以及数字转矩转速仪表等这些相对先进一些的仪器。这类测试大多是由单片机来控制完成的。相比较前一种测试方案来说，不仅测量精度较高，而且自动化程度相对比较高，大大的减少了人为因素的干扰，但是仍旧存在着一些弊端。例如：对测试系统反应比较迟缓，数据生成较慢；不具有数据处理以及图像生成的能力。在PLC控制不断优化的今天，再结合计算机辅助控制所组成的测试系统已经成为目前来说最高效、快捷的测试方法。首先采用可编程控制器PLC作为主要的控制器，因为PLC具有强大的控制功能，可以根据不同的需要来编写相应的程序，体积小、安装方便、并且有强劲的通讯能力。其次是计算机辅助监控系统的功能越来越强大，能够存储实验过程中的各种数据并且进行分析，最后通过比较直观的方式呈现给操作人员。同时两者具有故障诊断能力，在出现问题时可以迅速的解决，这样不仅效率大大的提高，而且得出的结果的精度相当的高。因此研究该测试系统具有很高的实用价值和很好的推广前景。1.2论文的主要研究的工作这篇文章是在经过查阅大量的参考资料并且借鉴了现有的一些比较先进的电机测试平台的基础上来进行研究的。对测试平台的整体结构进行了设计，同时绘制出了电路连接图和接线图，构建出了基于先进的MCGS触摸屏系统辅助PLC控制的新型控制系统。可以实现对步进电动机的启停、换向、加减速的调节，对电流电压检测等功能并且可以绘制速度和位置曲线。论文从以下三个主要方面来进行了详细的论述：5电机测试平台的构建。主要测试对象（步进电动机）的详细剖析，一些主要组成部件的选择以及安装图的设计。电机测试平台的机械部分的设计。主要包括主要测试平台的主要零部件的设计和机械部分的安装和调整。电机测试平台的控制系统的设计。主要包括控制系统硬件设施的选择和系统电气原理设计，PLC控制程序的编写以及人机界面的设计。62电机测试平台分析2.1步进电动机的分析电磁力为大多数电动机的动力源泉。步进电动机的运动也同样需要电磁力，但是有所不同的地方在于它所需要的电磁力是由通电的定子绕组产生的磁场对由磁性材料按照一定形状做成的转子磁极的吸引力形成的。而交流电动机工作时，定子绕组通电产生变化的磁场，变化的磁场使得转子在其中不停的做切割磁感线运动，因此在其内部会形成感应电流。当转子中有感应电流通过时，就会在其周围形成感应磁场，与通电的定子绕组产生的变化磁场相互作用，从而形成工作所需要的作用力。因为只有在一定的强度的感应电流才能够形成足够强的磁场与原磁场相互作用，这就要求交流电动机的旋转磁场在转速上有一定的限制要求。对于所有的电动机来说，由于他们的工作原理的差异以及内部结构方面的区别，使得电动机产生的作用力可以分为两种表现形式：一种形式表现为两个磁场间的相互作用导致了磁场力的产生；另一种形式表现为作用力则是由定/转子间气隙磁阻的变化产生的，当定子绕组通电时，产生一个单相磁场作用于转子，由于磁场在转子和定子之间的分布要遵循磁阻最小的原则（或磁导最大原则），即磁通总是沿着磁阻最小（磁导最大）的路径闭合，因此，当转子产生的磁场的磁极轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象1。对于第一种形式中的定子与转子之间的相互作用的两个磁场的来源有两种形式：一种是由磁铁产生的固定磁场，另一种是由电流通过定子或转子绕组产生的。如交流电动机，其定子磁场由外加电源产生的电流通过定子绕组产生，转子磁场由感应电流产生。而某些直流电动机，则是定子由磁铁做成，转子绕组则是由电流通过产生磁场；同步电动机则是定子由电流通过定子绕组产生磁场，转子由磁铁（或电磁铁）做成2。以上两种产生力矩的方式都被用于步进电动机，其中励磁式步进电动机是由电磁作用产生力矩的，反应式步进电动机是由磁阻原理产生力矩的。因为步进电动机的工作与内部的感应电流没有关系，所以可以从步进电动机的构造入手，进行一定的改变，并且通过控制流经定子绕组的电流，来实现对步进电动机工作的操控。使其在位置和转动方面都能够满足人们对步进电动机的要求。而7且通过结构上面的设计和改变，可以方便的实现转换，即实现每输入一个电脉冲信号，步进电动机就会有一个相应的角位移出现。由于其工作电源是脉冲电压，因此步进电动机又称为脉冲电动机。步进电动机是通过接受专门的驱动器输送来的脉冲信号来运动的，因此适合于作用于数字系统中作为伺服元件。因为步进电动机特殊的工作原理，可以使得步进电动机的转速有一个很大的变化空间，并且能够快速的完成一写电动机最基本的动作。例如：启动、制动和正反转等。步进电动机在设计条件下工作时，各种性能参数都相对比较的稳定，无论外界的因素怎么样的变化对它都不会有太大的影响。混合式步进电动机是步进电机中性能最为突出的一种，它是结合了另外两种步进电动机的工作原理而设计出来的，同时具备两者的长处。可以做到步距小而驱动转矩大。它又分为两相、三相和五相,两相步进角一般为1.8度,三相步进角一般为1.2度,而五相步进角一般为0.72度3。本测试平台就选择的就是两相混合式步进电机作为测试对象。因在此着重以两相混合式步进电机为对象加以分析。图2.1.1步进电机结构图8图2.1.2步进电机绕组接线图如上图所示A,B两相绕组沿径向分相，在N极和S极四个方向分别有2（组）*4（个）平面形状不规则、凸起的定子环绕，以小于9以内的数来对其进行编号，磁极分为两组，一组称为A极相，另一组称为B极相，奇数分布在A上，偶数分布在B上，不仅如此，电机的由于要保证稳定结构，因此不同的磁极都有不同的固定组件，最常见的是五个齿固定有序排列在电机定子上。转子方面，圆形空心磁铁与几个方形铁芯相结合，在中心处是圆形磁铁，转动过程中得磁，一般情况下都是两个固定铁芯并且分别分布在相对的磁极。因内部结构需要，每个磁铁上面都会带有一些小齿，这些齿交叉互补，前一个铁芯的齿尖刚好和后一个铁芯的齿槽相对应。转子内部均匀排列多个齿，数量为标准数，定子与转子的齿间距要保持一致。当这组电机按AABBAABBAA由上到下，由前到后的排列依次通电后，它们正好构成一组环绕，就像循环组合，此结构需要4个定点，但是只有一支线圈导通即可。当i流经线圈内部时，会改变电动势，电动势此时变为磁动势，由于能量间的转化，转子内部的永磁铁与这种转化能量彼此作用产生作用力，这就为电机的转动提供了原动力，还会改变电磁的转矩。电机内部的线圈得电产生磁场，磁极异性相互吸引，此时转子与定子真好产生相对磁极，相互吸引，这两结构组是齿对齿，定子绕组磁极3与转子是齿对槽，定子绕组磁极5与转子是齿对齿，定子9绕组磁极7转子是齿对槽每个齿间都是分布、交叉互补排列，因此在转子的S极端，定子绕组磁极1产生S极磁场对转子S极产生排斥，因此定子绕组磁极1。4因子转子上共有50个齿,其齿距角为360/50=7.2,定子每个极距所占，此时继续得电，N极上齿的排列保持不变，根据磁极的变化齿的排列方式变为对应。磁力线是沿转子N端A(1)S磁极导磁环A()N磁极转子S端转子N端,成一闭合曲线。在不同的相，得电和失电会将定子转子互斥排列、磁极打乱，有不同的组合方式，例如A失电而B得电后，磁铁2的S极变化，变为对应的N极，这改变了转子转动的形式。按照这样的形式进行下去，它每转动一个角度都会产生信号波，即脉冲信号，转过360度需要多个信号，具体计算方法为一圈的角度比1.8，在另一面也有同样的现象。该测试平台选择了四宏电机有限公司生产的两相混合式57系57BYGH255-3004B小型步进电动机。2.2主要部件的选择2.2.1电机驱动器的选择步进电动机单独存在时是无法正常运转的。由于它特殊的工作原理，使得它必须在其他辅助元件的驱动下才能正常工作。而步进电动机驱动器和脉冲信号发生器就是组成驱动系统的两个重要组成部分，驱动器能够对输送的脉冲信号在输送给电动机前做预处理，从而电机的定子绕组的通电情况能够按照一定的规律进行，达到操控的目的。对于整个驱动系统来说，每一个组成部分的工作能力的好坏都能够直接的影响到整体的正常运行以及效率的高低。因此对步进电动机驱动器的选择方面应该相当的慎重。本测试平台选择了上海四宏电机有限公司生产的AKS230细分驱动器。该驱动器具有很多性能突出的地方。该细分驱动器是专门为目前市场上应用比较多并且也非常受欢迎的混合式步进电动机而设计研发出来的。主要针对的是混合式步进电动机中的两相和四相，本测试系统的测试对象就选择的是四宏电机的57系列中的57BYGH255-3004B，因此特别的吻合。除此之外，由于它利用的是最新型的双极性电流保持恒定数值的斩波技术，这样就会使得电机的运行环境相对的比较稳定：振动10小、精度高、噪声低。同时它在研发的时候就为用户设计了许多不同的细分模式，以供用户根据具体情况来选择，并且开放性非常的好，用户可以根据需要对驱动器的微型电脑进行相应的设定。很人性化同时也非常适用于实验室测试平台中。图2.2.1AKS230实物图电机驱动器通过向步进电动机提供脉冲频率信号和的高低电平信号，以此来达到对电动机的转速、转向和位置的控制。如上图所示，该驱动器的VCC+，GND端为外接直流电源，直流电压范围为+20V+45V。2040VDC.注：在使用的时候一定要不要让工作电压高于四十伏特，以防止在运行的过程中烧坏了模块,A+，A-端和B+，B-端为电动机的两相接口,CP+、CP-：为步进电脉冲输入端口（上升沿有效，持续时间10S）,CW+、CW-：是对电机运转方向控制端口，通过对该端子上的高低电平信号的控制来改变电机运转的方向,REST+、REST-：为急停复位端口。在驱动器上的红色部分为驱动器输出电流以及驱动器微步细分数设定的区域。总共有SW1SW8这八个可以供用户随意设定的拨码开关，其实前三个拨码开关是对驱动器输出电流的数值进行改变用的；SW4是一个特殊功能拨码开关，它具有自动半流功能，在通常情况下，为了降低整个驱动系统的发热情况，是系统能够在一个相对稳定的情况下进行；SW5SW8是对驱动器微步细分数设定的拨码开关，该部件为用户提供了七种不同的模式以供用户自由选择。具体的输出电流设定和微步细分数的设定如下表所示，实验者在根据自己需要更换使用数据时，应先断开电源使部件停止。11表2.2.1细分数和电流选择表2.2.2磁粉制动器的选择该测试系统选择磁粉制动器来改变负载调节转速。由于它采用了特殊的结构和工作原理，使得它所传递的转矩与激磁电流成线性关系，可以实现高精度的控制，响应速度快，结构简单。同时可以轻松的进行大范围的控制。运行平稳，在启动、运行、制动状态下，无振动、无污染、无冲击、无噪声。优越的耐久性，因采用了耐热、耐磨耗、耐氧化、耐腐蚀的超合金磁粉因此使用寿命也很长。磁粉制动器除了单纯用于启动、制动之外，还可作速度调节、位置控制、过载保护、微动和定位等多种用途。磁粉制动器主要构成部分为：内外两个由轴承支撑的旋转体、通有变化电流的线圈以及磁粉。其中起最主要作用的就是磁粉了，激磁线圈在通电的时候会使得磁粉磁化，然后迅速的链接在一起成为传动转矩的新型元件。其工作原理大致可表述为：在没有变化的电流通过线圈时，则磁粉没有被磁化会自由的分布在磁粉制动器的内部，如果主动转子有旋转，则磁粉由于主转子运动所产生的作用力的作用都分布在主动转子的内壁上；当有变化的电流通过线圈时，产生的电磁作用使得磁粉磁化，自由分布的磁粉链接起内外两个由轴承支撑的旋转体，使得转矩在他们两者之间进行传递，从而起到减速制动的作用。本测试平台所选是由兰陵机电生产的FZ2.5J磁粉制动器。详细参数如下表所示：12表2.2.2磁粉制动器详细参数表图2.2.2磁粉制动器尺寸图2.2.3传感器的选择在现代的电机测试中，传感器的起着越来越重要的作用。为了对电机中的电量和非电量进行检测，就需要把这些被测量转换成容易比较并且容易传送的信息。而传感器在测试系统中就起到这样的作用。它能够非常灵敏的捕捉到实验过程中的各种需要检测的实验动态变化，并且迅速的做出反应，将这些变化的信息转化成为控制系统所能接收的电信号输送给控制系统。成为控制系统和测试对象之间的桥梁，形成闭环。本测试平台选择旋转编码器作为传感器。旋转编码器是一种光电式旋转测量转速装置并且配合PWM技术可以达到快速调速。它是通过感应测试对象（步进电动机）运转过程中的机械参数，并且快速的将这些信息转化为可编程控制器所能接收的高速脉冲信号。当可编程控制器接收到这些信息的时候，就会启动它的数据统计模块并且将这些信息储存起来以供用户参考。旋转编码器的输出方式有两种，即单线方式和双线方式。但是在大多数情况下都会选择第二种输出方式，因为这种方式13不仅可以得出电机的旋转速度而且还可以知道它是正转还是反转。从编码器的结构上分析，在它的中心有一个由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分的部件，结合自身的光电发射和接受部件，在使用时可以得到将周波平均分成四组的正弦波信号，分别标记为A,B,C,D。将C、D信号反向叠加在A、B两相上，便可以实现增强稳定信号。同时可以通过对比A、B两相的先后，就可以知道编码器的旋转方向。该测试平台所选择的传感器是由HENGXIANGOPTICAL生产的K38-J6C2000B8C2旋转编码器。图2.2.3旋转编码器尺寸图2.3测试平台的电路图和安装图的设计测试平台的的电路图和安装图在附件CAD设计图纸上有详细的说明。因此在这里就不予以介绍了。143测试系统机械部分的设计本测试平台是由机械系统和电路控制系统两大部分组成的，在整个测试平台中这两部分起着至关重要的作用。在上一章中已经对机械系统所需要的主要部件做了选择。本章重点在于这些部件的安装和调试工作，因为所选择的测试对象是小型的混合式步进电动机，所以为了保证测试方案的可行性和测试数据的精确性，这就对机械系统的安装提出了很高的要求，而系统的稳定性则是最为重要的部分。3.1机械系统部件的设计（1）测试台底座设计：按照测试系统的要求对机械系统搭载的底座设计如下，测试平台底座是采用铸铁加工而成的。测试平台底座中间的十个孔是分别用来与旋转编码器的工装底座、步进电机的工装底座以及磁粉制动器的机座连接的。尺寸与所选部件的安装尺寸一致。因为被测试的步进电机在运行时会处于局部高低温环境，所以安装底板的结构为上中下三层不同的材料构成：上层为铸铁材料构成，中层为隔热材料构成，下层仍然为铸铁材料构成。同时为了将底板的热变形程度减到最小，在上层的表面还附着一层热反射材料。整个测试平台底座是经过一次加工成型的，保证了安装底板的平面度的要求，使得个部件可以精密的安装，避免了误差对实验的准确性造成的影响。下图为测试台底座设计图。15图3.1.1测试底板设计图（2）测试台工装装配图：结合上面的测试平台机械系统部件的选型和主要部件的设计后，组装成如下的机械系统。图3.1.2测试平台机械系统工装图3.2主要部件的安装与调试因为该测试平台所选的被测步进电动机为双轴输出，所以将旋转编码器和磁粉制动器分别安装在步进电动机的两边。所选的旋转编码器为盲孔式的因此通过力矩销钉直接与步进电机的转轴连接，在连接的时候要严格保证中心线在同一个高度以16及他们的同轴度要求，否则长期使用会给编码器造成损坏同时也会给测量带来很大的误差。磁粉制动器传动轴必须要按照水平的方式进行工装，安装精度为GB中的H8/f8。它与步进电动机的另外一边的转轴通过联轴器进行衔接，要求在工装过程中保证同轴度保持在0.05mm左右。具体的解决方式为：对于装配误差，在安装好机械部件之后要检查旋转编码器、不进电动、磁粉制动器它们三个的中心线是否在同一高度，如果不在的话要进行微调，保证同轴度小于0.05mm，然后将它们各自牢固的固定在自己的支撑架上，不允许有松动，工装配合面的尺寸加工精度要求小于0.01mm。对于系统刚度的问题，测试平台的底座必须满足刚度要求，为测试过程提供一个相对平稳的环境，不会应为在测试过程中电机的振动和发热现象，使整个测试环境不稳定，依次来影响到测试数据的准确性和精度。对于联轴器的选择，在进行实验的过程中可能会因为电机的发热而导致测试环境的温度发生变化从而引发变形问题。使得轴向，径向的误差发生，出现垂直度和同轴度的问题。这就需要使用弹性联轴器，来解决上述问题的发生。但是在工装的时候要保证同轴度必须小于0.2mm，如果超过了0.2mm就不能使用弹性联轴器了。174电机测试平台控制系统的设计4.1控制系统分析该测试平台是为了满足广大学生能够对步进电机有一个全面而直观的认识而设计的实验用设备，因此对控制系统主要有一下几个方面的要求：安全性的要求：因为是面向广大学生用户的教学用设备，所以安全性应该放在首位。在整个实验进行发的过程中控制系统应该保证运行是安全稳定的，必须保证事故的发生率为零。因此当设备在运行的过程中有突发情况发生时，系统能够自动报警并且能够自动断开电源连接，是设备停止运转。可维护性的要求：控制系统应该具有良好的故障诊断功能当测试平台的某一个部位发生故障的时候，用户就可以根据控制系统的自我诊断功能及时的发现问题突发的地方，迅速的排除故障时系统恢复运行。实时性的要求:控制系统能够实时的监测和控制电机测试的过程并且对测试过程中的各种信号进行实时采集并完成做处理，例如转速、转矩、脉冲个数等，操作人员只需要通过人机界面就可以看到所有的实验数据并且完成对整个现场设备的控制。综上所述，控制系统应该具备实时控制功能，控制系统通过向测试平台的各个执行机构发送指令来控制整个测试系统的运行，能够通过人机界面来设定转速值，加载力矩值等各参数，当做出简单的改动就可以得到不同的实验结果；画面显示功能，所有的测试数据都能够在人机界面上通过表格或曲线图的形式显现出来；报警显示功能，当现场设备运行超出允许范围或是运行发生故障时，控制系统能以声光信号报警，提醒操作人员注意，排除故障。在此基础上确定了以PLC为主要的控制器，这是因为PLC具有的性能有点很贴切控制系统的要求（可靠性高，抗干扰能力强。正是由于这一突出的特点，PLC成为了现代电器监测和控制系统的首选。PLC无论是在其硬件还是软件都具有非常完善的抗干扰措施，几乎能适应各种工业现场的要求，并且平均安全使用寿命可达10万小时以上。可以满足大多数情况下的需要，可变性比较强并且在硬件结构上可以根据实际需要随意拼接，设计者可以根据需要灵活选用。编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电控制电路极为相似的梯形图语言，直观易懂。控制系统设18计、安装、调试方便。PLC中含有大量的“软元件”，并且可以通过编程代替繁琐的接线，节省了空间使得整体结构得到大大的简化。设计人员可以直接通过编程，催控制系统进行模拟调试。维修工作量小。PLC具有完善的自诊断、履历信息存储监视功能。可编程控制器对自身各个部分的状态都有显示，因此无论出现什么情况都可以在第一时间查找到并予以解决）以PLC和IPC相结合的控制为整个测试平台的控制系统。由于PLC的人机接口功能相对比较较差，为此系统选用专门为工业现场设计的工业控制计算机来弥补这一缺点。工业控制计算机简称工控机或IPC，它适应工业现场的强烈震动，强电磁场干扰等特点，且可以进行长期的连续作业，其软件资源丰富，人机接口功能极强。并且计算机的软件和硬件资源十分强大，用户可以很方便的进行系统开发和功能扩展，更可以利用计算机的Windows操作系统，方便地管理各个试验过程以及有效控制。根据系统的测试台试验要求，使用IPC作为上位机，用PLC作为核心控制器，PLC与工控机使用数据通讯设备连接起来，上位机监控画面的编写通过使用组态软件来完成，同时实现系统监控和人机接口通讯两个功能。在此电机测试控制系统中，检测与采集各个信号以及控制各个试验部件的运行情况由PLC来完成此功能，系统的实时检测和显示控制由IPC和组态软件来完成，控制系统能够实现自动控制各个试验过程和集中管理各种试验数据，系统能完成对试验数据的采集、显示和存储，能够对系统进行自动检测、自动控制等功能。控制系统结构图如下图所示。图4.1.1控制系统结构图19在整个测试系统中，主要由可编程控制器来完成对整体的控制。一方面，要控制有步进电动机和步进电动机驱动器所组成的驱动系统的运行，使得步进电动机的一些性能参数得以表现出来，然后通过旋转编码器将这些信息转换成为电脉冲信号输送给PLC，PLC再将这些信息传递给组态软件和工控机所组成的人机界面显示给用户。另一方面，要控制程控电流源与磁粉制动器的组合，来实现测试过程中对测试对象的加载工作。下图为控制系统的电气示意图。图4.1.2控制系统电气示意图4.2控制系统设计4.2.1控制系统的硬件配置（1）PLC的选型原则对于整个测试平台来说，PLC的能力的高低直接影响着整个测试系统能否实现。因此在对PLC的选型上应该着重研究，在选择PLC的型号时应该注意以下几点：对储存容量的选择。一般对控制系统所需要的存储容量没有确切的数字，只能通过估算的方法的出来。算法为输出总点数5输入总点数10；如果系统有模拟量的输入与输出，则每一路模拟量大概需要80100字；每个借口通信大约需要200字的容量，最后还需要留出大约60%的富余量。信号输送点个数的选择。根据实际情况需要的点数再加上12%22%的空余部20分总点数就构成了所需要的总点数。对输入/输出响应时间的选择。在PLC控制系统中，如果扫描的时间大于系统信号保持的时间，这样被测信号就不能被扫描到，导致被测信号丢失。因此扫描处理信号的时间越短越好。但是由于输送电路的滞后现象等因素的存在，使得PLC的输入/输出响应时间出现了一定的延迟，开关量对信号的影响非常的小，基本上不用考虑在影响因素之内，但是控制系统中又不都是开关量，还有模拟量的存在，它的输入/输出响应的时间就比较的长，这样就容易造成信号丢失，特别是在闭环控制系统中，这种现象更为突出。PLC主要有两种不同的组成形式，分别为箱式和模块式。前一种组成形式价格便宜而模块式PLC虽然价格相对较贵但是更人性化一些，因此用户可以根据实际的需要来选则合适的结构形式的PLC。（2）PLC的选型根据测试平台控制系统的任务要求，本测试平台选择了西门子公司生产的S7-200小型PLC,它在中小型控制电路中应用的时分的广泛。其控制模块配置为1个CPU模块：CPU224XPCN(6ES7214-2AD23-0XB8),该CPU集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，13K字节程序和数据存储空间，2路独立的100kHz高速脉冲输出，6个独立的100kHz高速计数器，1个RS485通讯/编程口，同时还具有很多种通讯方式供选择所以在与外部设备连接通讯方面比较多元化，适用面也比较的广。1个输出位控模块：EM253CN（6ES7253-1AA22-0XA0），提供四种不同的原点寻找方式，因此该型号PLC在位置控制方面绝对会有相当不错的表现。（3）工控机的选择该电机测试平台所选择的上位机为北京昆仑通态自动化科技有限公司生产的TPC7062KS,它是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。RAM为64M，屏幕的大小为7inch,并且还提前装载了与之相适应的组态软件，可以根据实际需要设置相应界面和编写相应的系统，因此具有强大的功能，同时结构简单安装方便，很适合应用于教学设备中来使用。（4）PLC与工控机的连接在该电机测试系统中，IPC和PLC只有通过硬件顺利的连接在一起才能完整灵活的控制和数据的传递。但是在该控制系统中，所选择的上位机的串行接口为RS232，21所选的西门子PLC的串行接口为RS485，所以要想让两者实现沟通就必须想办法将两者连接在一起。目前比较适合的解决方法有采用RS485/RS232转换器进行转换或者使用西门子公司生产的PC/PPI电缆进行RS485/RS232的通讯接口的转换。4.2.2控制系统的软件设计PLC程序PLC软件程序的编写是通过STEP7-Micro/WINV4.0来完成的。STEP7-Micro/WINV4.0是西门子公司为S7-200系列PLC专门开发出来的编程软件，具有很强大的功能和人性化的操作界面，用户在使用时能够很轻松的入手，并且编程语言非常的丰富。例如：梯形图编程语言该LAD(LadderProgramming)语言经历多种变化和发展，最终趋于一种成熟的编程语言。它是以relay-contactor控制系统为的结构图为基础演化来的图形语言，并在此基础上逐渐发展和完善，成为了可编程控制器的一中汇编语言。它功能强大，通俗易懂，对操作人员来说很容易上手，这就为工作者节约了大量的时间而提高了工作效率，并且它对开关control系统有着更加显著的优势。语句表计算机作为信息技术和高科技的产物。它的汇编语言和各种符号语言运用方面都已经近乎完善了。而语句表STL(StatementList)就采用了与之相类似的编程语言，用户可以直观地根据梯形图写出助记符语言。功能块图功能块图FBD（FunctionBlockDiagram）又称为思维盒指令。它是一种和电子线路中的思维门电路相似的一种PLC编程语言。通过一些联系相对紧密的框图来代表各种控制条件。本文使用STEP7-Micro/WINV4.0作为编程软件，控制程序的编写采用梯形图编程语言。具体的程序流程如下图：22图4.2.1控制程序块梯形图1图4.2.2控制程序块梯形图223图4.2.3控制程序块梯形图324图4.2.4控制程序块梯形图4图4.2.5控制程序块梯形图525图4.2.6控制程序块梯形图6图4.2.7控制程序块梯形图7图4.2.9控制程序块梯形图926图4.2.10控制程序块梯形图10图4.2.11控制程序块梯形图11图4.2.12控制程序块梯形图1227图4.2.13控制程序块梯形图13图4.2.14控制程序块梯形图14图4.2.15控制程序块梯形图1528图4.2.16控制程序块梯形图16图4.2.17控制程序块梯形图1729图4.2.18控制程序块梯形图18图4.2.19控制程序块梯形图19图表0.1控制程序块梯形图2030PLC内部地址分配在编写PLC的程序流程图的时候，对PLC内部内存区的地址进行了合理分配，具体情况如下表。表4.2.1内部内存储地址分配表测试试验界面设计该上位机显示系统采用了MCGS嵌入式组态软件，因为简单灵活的可视化操作界面。MCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。通过一个个窗口的形式，用户可以根据实际的需要来设置不同的工作界面，来满足同一个实验不同的测试项目，都能够清晰直观的展现给用户。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面。在其内部提供有与外部硬件设备相联连接的专用的组件工具箱。通过系统的设定来给予组件相关的功能来达到对外部与之相联接的部件的管理。同时组件工具箱中的组件彼此之间没有什么依赖关系，因此在对局部做出改动的时候对31于整体不会造成影响。MCGS嵌入版有独特的“运行策略”窗口，因此设计者可以根据实际的需要来进行选择，这样就能够将相对复杂的运行过程分开简化成为一个个相对简化的部分同时再结合它的实时数据库进行数据交换。从而使复杂的过程顺畅的进行下去。下图为针对本测试系统设计出的电机特性测试界面。图4.2.21上位机触摸屏的主界面图4.2.22加载实验界面32图4.2.23定位实验界面图4.2.24调速实验界面335结论通过对步进电机测试平台结构和功能的预先设想，然后对预想的测试平台的各个环节的可实现性进行了分析。在其满足可实现的基础上，首先完成了对测试平台的主要组成部件的选型和工作原理的分析，说明各部件在整个测试平台中做起的作用；其次完成了对测试平台的机械部分的工装，根据各部件的尺寸选择合适的连接件同时在工装的过程中要满足每一个部件的安转注意事项