机电一体化实验室实验台设计与开发

机电一体化实验室实验台的设计与开发摘要本文为了解决太原工业学院机械工程系机电一体化实验室缺乏机械模块，控制模块不足等功能不完善的问题，在现有实验模块的基础上，针对实验台提出进一步改进、设计与开发。从而更好地满足机电一体化实验教学的需求。先根据机械设计理论设计基本传动机构；再采用机电一体化系统设计理论，选用单片机，PLC以及继电器等控制模块，控制直流电机、三相异步电机和步进电机等模块，从而驱动传动机构实现机电一体化控制运动。通过设计开发具有功能可重组、模块化的机电一体化实验台,学生可以灵活重组不同功能模块,通过多种不同的实验完成对四杆机构的综合控制。而且,实验台还保留了原功能模块的实验功能。关键词机电一体化，实验台，模块化,重组THEDESIGNANDDEVELOPMENTOFMECHATRONICSLABORATORYEXPERIMENTTABLEABSTRACTTHEPAPERAIMEDATSOLVETHEPROBLEMTHATTHEMECHATRONICSLABORATORYOFMECHANICALENGINEERINGDEPARTMENTOFTAIYUANINDUSTRIALCOLLEGELACKMECHANICALMODULE,CONTRLMODULEANDTHEFUNCTIONISNOTPERFACTTHEREFORE,BASEDONTHEEXISTINGEXPERIMENTALMODULE,WEPUTFORWARDFURTHERIMPROVEMENT,DESIGNANDDEVELOPMENTAIMEDATTHEMECHATRONICSLABORATORYTESTBEDSOASTOBETTERMEETTHENEEDSOFOURSCHOOLSMECHATRONICSEXPERIMENTTEACHINGFIRSTLY,WEHAVEDESIGNEDTHEBASICTRANSMISSIONMECHANISMACCORDINGTOMECHANICALDESIGNTHEORY,THENAPPLYINGTHEDESIGNTHEORYOFMECHATRONICSYSTEM,CHOOSINGCONTROLLERMODULE,SUCHASSCM,PLCANDRELAYCONTROLMODULE,THROUGHTHESCMPROGRAM,PLCPROGRAMANDCONVERTERTOCONTROLTHEDCMOTOR,THREEPHASEASYNCHRONOUSMOTORANDSTEPPERMOTORMODULE,SOASTODRIVETHETRANSMISSIONMECHANISMTOREALIZEMECHATRONICSCONTROLMOVEMENTDESIGNINGANDDEVELOPINGMECHATRONICSINTEGRATEDEXPERIMENTALPLATFORMSWITHTHEFUNCTIONSOFRECONFIGURATIONANDMODULARIZATIONBASEDONITSTUDENTSCANRECONFIGUREDIFFERENTFUNCTIONMODULESTOACCOMPLISHTHECOMPREHENSIVECONTROLOFTHEFOURBARMECHANISMWITH9DIFFERENTEXPERIMENTSMOREOVER,THEPREVIOUSEXPERIMENTALITEMSOFTHEFUNCTIONMODULESAREALSORESERVEDKEYWORDSMECHANICALANDELECTRICALINTEGRATION,EXPERIMENTALPLATFORM,MODULARIZATION，RECONBINATION第I页共I页目录1前言12机电一体化系统设计理论221机电一体化时代与机电一体化技术革命222优先发展机电一体化领域及共性关键技术423机电一体化系统构成要素及功能构成424机电一体化构成要素之间的相互连接925机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型113机电一体化实验室实验台的设计1331实验台的整体结构设计1332机械模块的设计1333其他模块的选择164开发后的实验台能够完成的实验1841PLC控制三相异步电动机的实验18411PLC控制三相异步电动机正反转的实验18412PLC控制三相异步电动机变频调速的实验2142单片机控制三相异步电动机的实验2643继电器控制三相异步电动机的实验2744直流电机的继电器控制实验2945直流电机的PLC控制实验3246直流电机的单片机控制实验3447步进电机的PLC控制实验38结论43参考文献44致谢4501前言随着社会的发展和科术的进步，由机械工程技术、微电子技术、传感器技术、PLC技术、计算机及网络通讯技术等等多种技术融合而成的机电一体化技术，在当今社会中得到极为广泛的应用，已经成为当今工业自动化重要组成部分，于是机电一体化实验在实验教学、科研实验及工业生产中也占有着越来越重要的地位。机电一体化综合实验是高校机电工程专业本科生必修的实践课。然而,随着微电子技术的迅猛发展,原有的机电一体化实验台与当代工业企业需求有较大差距,这些实验台已经不能充分满足科学发展对学生在机电一体化专业领域的需求。因此,加强机电一体化综合实验台的设计与开发具有积极而现实的意义。为满足实验教学的需求,建设提升我机系机电一体化实验室功能,提出多功能机电一体化实验台的模块化可重组建设。该实验教学改革项目的建设在资金投入少的情况下,能够达到实验平台具有先进性,综合性,创新性,实验内容丰富,构思巧妙,方法灵活,综合性强的诸多优点。从而提高本校机械工程专业学生实践能力、创新设计能力和综合应用能力,有效培养机电一体化专业学生的创新素质。我校也有机电一体化实验室，但是现有的实验室实验台功能并不完善控制系统模块欠缺，机械结构严重缺乏，实验室整体功能不够完善，只能满足部分机电一体化实验实验台及实验项目综合性不强，不能满足创新性实验的要求，存在较大的局限性，已不能很好的满足当今实验教学及实验创新的需求。因此有针对的开展机电一体实验室实验台的设计与开发具有重要的现实意义。在我系机电一体化实验室现有实验台模块的基础上，本课题设计开发具备机械结构、驱动元件、控制系统等各种模块的模块化可重组实验台，而且通过各个实验模块的有机组合，可以完成不同的机电一体化实验。大大完善我系机电一体化实验室实验台的实验模块，改善实验教学与科研实验效果，提高学生实践操作能力。12机电一体化系统设计理论21机电一体化时代与机电一体化技术革命211概述“机电一体化”的基本思想是机械技术、电子技术和信息技术等相关技术有机结合的一种新形式，是电子技术向机械技术领域渗透过程中逐渐形成的一个新概念。其构成要素包括机械本体部分、动力部分、控制部分、执行机构、检测传感部分、信息处理单元及接口等。机电一体化的目的是提高系统的附加价值，即多功能、高效率、高可靠性、省材料省能源，并使产品结构向短、小、轻、薄化方向发展，从而不断满足人们生活的多样化和生产的省力化、自动化需求。因此，机电一体化的研究方法应该改变过去那种拼拼凑凑的“混合”设计法，应该从系统整体角度出发，采用现代设计分析的方法，充分发挥相关学科的技术优势。212含义解析“机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称”机电一体化是机械技术、微电子技术相互交叉、融合有机结合的产物。机电一体化并不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑，而是有机地相互结合或融合，是一门新兴学科，有其特定地技术基础、设计理论和研究方法。主要包含两方面的内容机电一体化技术与机电一体化产品。213共性关键技术检测传感技术信息处理技术伺服驱动技术自动控制技术2精密机械技术系统总体技术等。214机电一体化的目的使系统产品高附加价值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化。使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展。不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。215研究方法改变过去的拼拼凑凑的“混合”设计法。应该从系统的角度出发，采用现代设计分析方法，充分发挥边缘学科技术的优势。216意义及地位以机械为主的产品，如机床、汽车、缝纫机、打字机、照相机等，由于应用了微型计算机等微电子技术，使它们都提高了性能并增添了头脑。1G铀1X106G1吨石油能源技术的革命计算机运行速度及体积的革命性变化计算机技术的革命将微型计算机等微电子技术用于机械并给机械以智能的技术革新潮流机电一体化技术革命22机电一体化系统构成要素及功能构成221机电一体化系统基本构成构成要素机械系统机构电子信息处理系统计算机3动力系统动力源传感检测系统传感器执行元件系统如电动机图21机电一体化系统的基本构成要素4222系统分类全闭环系统通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统半闭环系统通过传感器检测某一部位（如伺服电动机等）运动并进行反馈、间接控制目标运动的系统223工业三要素物质、能量和信息224机电一体化系统的目的功能机电一体化系统用于满足人们使用要求的功能目的功能根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息即工业三大要素进行某一处理，输出所需要的物质、能量和信息225三大目的功能变换加工、处理功能传递移动、输送功能储存保持、积蓄、记录功能图22三大目的功能5226三类机械加工机以物料搬运、加工为主，插人物质原料、毛坯等、能量电能、液能、气能等和信息操作及控制指令等，经过加工处理，主要输出改变了位置和形态的物质的系统或产品，如各种机床、交通运输机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械等动力机以能量转换为主，插入能量或物质和信息，输出不同能量或物质的系统或产品，其中输出机械能的为原动机，如电动机、水轮机、内燃机等信息机以信息处理为主，输人信息和能量，主要输出某种信息如数据、图像、文字、声音等的系统或产品，如各种仪器、仪表、计算机、传真机以及各种办公机械227系统的五种内部功能主功能实现系统“目的功能”直接必需的功能动力功能向系统提供动力、让系统得以运转的功能计测功能对系统内部信息和外部信息进行检测与计算处理的功能控制功能对整个系统进行控制,使系统正常运转以实施“目的功能”构造功能使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能228机电一体化系统五要素及其五大功能系统五要素控制器检测传感器执行元件动力源机构机电一体化系统的五大要素及相应的五大功能6机电一体化系统五大要素实例图23机电一体化系统的五大要素图24机电一体化系统的五大功能图25723机电一体化系统构成要素之间的相互连接机电一体化系统产品五要素控制器、检测传感器、执行元件、动力源、机构231接口INTERFACE机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各要素或子系统之间必须能顺利进行物质、能量和信息的传递与交换。各要素或各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件就可称为接口接口是保证机电一体化系统产品各要素或各子系统顺利进行物质、能量和信息的传递与交换所必须具备的联系条件232重要意义机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”，是系统就成为综合性能好坏的决定性因素。233接口分类按变换、调整功能零接口仅起连接作用而不进行任何变换和调整、输出即为输入等，如输送管、接插头、接插座、接线柱、传动轴、导线、电缆等无源接口用无源要素进行变换、调整的接口，如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜等8图26有源接口含有有源要素，主动进行匹配，如电磁离合器、放大器、光电锅合器、DA和AD转换器以及力矩变换器等智能接口含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件，如自动变速装置、通用输人输出LSI8255等通用IO、GPIB总线、STD总线等按输入输出功能机械接口根据形状、尺寸精度、配合、规格等进行机械联接，如联轴节、管接头、法兰盘、万能插口、接线柱、接插头与接插座及音频盒等物理接口受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束，如受电压、频率、电流、电容、传递扭矩的大小、气液体成分压力或流量约束的接口9信息接口受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件的约束，如GB、ISO、ASCII码、FORTRAN、C、C、VC、VB等。环境接口对周围环境条件有保护和隔绝作用的借口，例如防尘过滤器、防水连接器、防爆开关等机电一体化系统各构成要素之间的相互联系图27各组成要素之间的相互联系24机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型241注意事项机械系统与控制系统的电气参数相匹配的参数设计控制系统时，应根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数，使二者相互协调、相互补充，使系统或产品得到最佳性能。10242机电一体化系统设计的考虑方法机电互补法、融合（结合）法、组合法机电互补法机电互补法又称取代法。该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传统机械产品（系统中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足融合（结合）法它是将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件子系统，其要素之间机电参数的有机匹配比较充分组合法它是将结合法制成的功能部件子系统、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统（品），故称组合法243机电一体化系统的设计类型开发性设计、适应性设计、变异性设计开发性设计它是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产品或系统。适应性设计它是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。变异性设计它是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。113机电一体化实验室实验台的设计31实验台的整体结构设计机电一体化实验台属于典型的机电一体化设备，是集机械、电气、检测传感及控制等技术于一体的综合性实验台，其整体结构设计基于机电一体化系统设计理论，如图31所示。图31实验台的一体化系统结构框架32机械模块设计321总体设计思路电一体化实验台包括机械本体模块、电机驱动模块、交流变频模块、传感检测模块、控制系统模块5个部分，由于最终的控制要体现在机械模块上，所以应首先设计机械模块，然后选定驱动模块，最后才能选定控制模块。这里设计的机械模块是曲柄摇杆机构，其示意图如图32所示，机械模块动力模块电源控制模块上位机PLCSCM继电器传感检测模块传感器执行模块直流电机交流电机步进电机12图32机械模块曲柄摇杆机构实验台工作原理是该曲柄摇杆机构通过电机驱动，电机正反转可控制摇杆摆角，电机改变转速可调节曲柄转速。322解析法设计四杆机构基于机械原理平面四杆机构设计理论知识，这里采用解析法设计四杆机构解析法是以机构参数来表达各构件间的函数关系，以便按给定条件求解未知数。用解析法作平面机构的运动设计的关键是建立机构位置矢量封闭方程式。常用的解析法有矢量法、复数矢量法及矩阵法等。解析法求解精度高，能解决较复杂的问题。在用解析法设计连杆机构时，涉及到大量的数值运算，这种繁琐的计算工作可由计算机来完成。计算机辅助连杆机构设计的基本过程为由设计者制定设计任务，选定连杆机构类型，建立设计的数学模型，选择算法并编制程序；由计算机完成数值计算、结果输出数据与图形和结果分析。目前已有连杆机构计算机辅助设计商业化软件，可以直接使用。13现用解析法设计如下曲柄摇杆机构有急回机构特点，设计时，主要利用机构在极位时的特性（如图33）一般希望其最小传动角具有最大值，这时可利用图34来进行设计。现在取行程速度变化系数K14，摇杆摆角60,可由图34查得可能获得最小传动角的最大值MAXMIN及的大小，再计算各杆的相对长度A/DSIN/2SIN/2/COS/2/2B/DSIN/2COS/2/SIN/2/2C/DA/DB/D12A/DB/DCOS选定机架长度D,即可算得各杆的绝对长度。由公式180（K1）（K1）得30A/D04527B/D09366现取D20CM,则可求得ABA20CMBCB187CMCDC20CM设计完成。图33图3414323建模及动画仿真现对以上所设计曲柄摇杆机构用PROE建模仿真如下图35曲柄摇杆机构图36曲柄摇杆机构动画仿真1533其他模块的选择331驱动模块的选择由于曲柄摇杆机构中，原动件曲柄的运动为选装运动，因此可初步选择用电动机驱动。结合我校机电一体化实验室现有设备情况，选定用现有的三种电动机分别驱动。即直流电机（RPM10），三相异步电机（RPM1400）和步进电机（RPM240），这样一来，既满足了设计的要求，又节省了资源，并且有效利用原有设备，是原有资源的利用达到最大化。332控制模块的选择控制模块、驱动电路为控制系统的核心部分。控制单元是整个系统最核心的部分,是系统的指挥中心。用于协调各部分的运行，主要负责接收通信端口或输入电路送来的信息，并对其进行识别，译码，并做出相应的动作，发出控制信号用以控制步进电动机。控制单元实质上是具有处理能力的微处理器芯片。控制单元可以由单片机、DSP、PLC、继电器等等充当。结合我系实验室现有设备及实际情况本设计拟选用PLC、单片机和继电器作为控制模块。PLC和继电器模块实验室已经具备，而单片机模块仍需添加。333传感检测模块的选择本设计传感检测模块的功能主要是用来控制摇杆的转向和转速，根据实验室现有情况，在试验台架恰当位置安置行程开关即可。该传感器实验室已经具备，可以直接选用。334动力模块的选择由于本设计选用的驱动模块为直流电机和交流电机，因此，动力源模块自然是选用电压可调的交流电源和直流电源模块，这两种模块实验室均具备，可以直接选用。16335辅助模块的选择由于现有的三相异步电动机转速较高，为防止转速过高损坏机械架构，需要对电极进行调速，本设计选用简单易操作的变频调速，因此，需要用到变频器，该实验模块实验室已经具备，可以直接选用。然后还需要控制按钮模块，和实验导线，九针孔数据线。174开发后的实验台能够完成的实验41PLC控制三相异步电动机的实验411PLC控制三相异步电动机正反转的实验（1）实验目的熟悉异步电动机正反转控制的原理。读懂电路图，进行接线及操作练习。了解控制系统中各种保护及自锁、互锁环节的作用。进一步学习西门子软件的应用及PLC程序的调试。了解西门子公司S7200系列PLC的基本指令。（2）实验简介传统上是用接触器直接实现这一过程的，电路原理图可参照教科书或三相异步电机正反转继电器控制实验。本实验采用PLC控制正反转,电路简图41所示图41异步电动机正反转控制18图42电机正反转控制程序（3）实验仪器和设备计算机一台PLC西门子一套JDY综合实验台一台三相交流电源模块一块继电器控制模块一块三相交流异步电动机一台插接线若干（4）实验步骤及内容在工程环境下绘制出梯形图。或调用“”文件中的梯形图，根据电路图连接电路。检查确认后，接通电源，传送PLC程序。19电动机不供电，监测PLC动作是否正确。若不正确，应排除故障。电动机供电，操作按钮，观察电动机的动作。若动作不正常，应排除故障。（5）预习要求复习电动机正反转的工作原理，绘制出工作原理图。复习正反转控制中使用的元器件，及其接线方法。有兴趣的同学可以自己设计控制电路，绘制出PLC的梯形图程序及电路图。（6）注意事项仔细检查过后才能开启电源，接通电路。尤其是学有余力的同学在运行自己设计的程序，自己设计的电路图时，一定要征询实验指导老师的意见，在老师同意，并检查通过后才可以进行程序传送，电路连接。并要在断电的情况下才能进行拆、接线。由于电动机的工作电压为380V，因此在电源，尤其是强电电源接通后不要用手接触电动机或实验台。同学们一定要注意安全。412PLC控制三相异步电动机变频调速实验（1）实验目的学习和掌握变频器的操作及控制方法；深入了解三相异步电动机变频调速性能；进一步学习PLC控制系统硬件电路设计和程序设计、调试。（2）实验原理三相交流异步电动机变频调速原理1通过改变三相异步电动机定子绕组电压的频率，可以改变转子的旋转速度，当改变频率的同时改变电压的大小，使电压与频率的比值等于常数，则可保证电动机的输出转矩不变。变频器就是专用于三相异步电动机调频调速的控制装置。它的输入为单相交流电压（控制750W及以下的小功率电动机）或三相交流电压（控制750W以上的大功率电动机），而输出为幅值和频率均可调的三相交流电压供给三相异步电动机。变频器的生产厂家很多，产品也很多，但基本原理相同。本实验中采用的是松下小型变频器VFO200W，有如下几种操作模式。20运行/停止、正转/反转的操作模式对于电动机的启动/停止以及正反转的控制有外部操作和面板操作两种模式，通过专用参数的设定来实现。面板操作模式通过变频器自带面板上的操作键实现运行/停止、正转/反转控制；外部操作模式通过接在变频器专用输入端开关信号的接通、断开实现运行/停止、正转/反转。频率设定模式频率的设定分为面板设定、外部设定两种，通过专用参数的设定来实现。面板设定模式是根据面板上的电位器或专用键来设定频率的大小。外部设定模式可以通过变频器上专用输入端上的电位器、电压信号、电流信号、开关编码信号以及PWM信号来实现频率的设定。实验电路图2本次实验的主要内容为“外部控制和外部电位器频率设定”。实验电路图如图41所示。21图43三相交流异步电动机变频调速实验电路图由图43可知，运行时，PLC程序要使Y4为1，停止时要使Y4为0，频率大小通过改变1、2、3端连接的电位器位置来调节。电路接线表3本实验的电路接线表如下表41（注图41中方框内的接线已经在内部接好，不需再接线）表41三相交流异步电动机变频调速实验电路接线图序号端子端子连接电缆序号端子端子连接电缆1PC端COM1PLC串行通信板通信电缆8R4左J1导线2PC端COM4PLC程序传送接口编程电缆9R4中J2导线3启动右X10导线10R4右J3导线4停止右X11导线11COM2J3导线5启动左COM导线12JUJDU导线6停止左COM导线13JVJDV导线7Y4J5导线14JWJDW导线（3）实验步骤2223按表41接线（为了安全起见，接线时请务必断开QF4）；1征得老师同意后，合上断路器QF2和QF4，接通操作面板上的电源开关；2运行PC机上的PLC工具软件FXGP_WINC，输入课前编好的PLC程序（或直接打开已经编制好的，路径为HJDDJ1程序实验17变频调速PMW），确认程序无误后，将其写入到PLC并运行。步骤如下端口设置【PLC】【端口设置】COM4；停止运行【PLC】【遥控运行/停止】【中止】；程序写入【PLC】【传送】【写出】【范围设置】，【终止步】设置为程序的步数，【确定】；运行程序【PLC】【遥控运行/停止】【运行】。执行PLC中的“监控测试/开始监控”，PLC进入监控状态；4按操作面板上的“启动”按钮，变频器通电，如表172设定变频器参数；5表42变频器主要参数设定参数编号设定数据意义PR083输入端J5的信号为“1”时，电动机正转，否则停止；输入端J6的信号为“1”时，电动机反转，否则停止；PR092外部电位器设定频率大小参数设定操作步骤如下1）按动变频器面板上的“MODE”键，直到显示参数号PR01；2）按“”或“”键，调节参数号，使其为所需设定的参数号；3）按“SET”键，进入修改参数状态,数字闪烁；4）按“”或“”键，改变数字使其为所需设定的数字；5）按“SET”键，设定值被写入；6）重复2）、3）、4）、5）设定其它参数。调节电位器旋钮，使变频器的显示频率为10，读取数据寄存器D0里的6转速值并记录于表42中；2425表42实验记录表显示频率（HZ）速度（R/MIN）1015202530354045调节电位器的旋钮，使变频器的显示频率分别为表172中的显示频率设8定值，重复步骤5；按“停止”按钮，电动机停转；9断开电源QF2、QF4。10（4）注意事项接线和拔线时，请务必断开QF4；QF4合上后，请不要用手触摸接线端子；请务必不能将导线一端接入交流电源、交流电动机、变频器的接线端子上，另一端放在操作台上而合上QF4。（5）实验用电器元件和工具PC机1台PLC1台变频器1台三相异步电动机1台转矩转速传感器1台电压传感器1台断路器2个按钮2个26实验导线若干6实验前的准备预习实验指导书及附录相关内容，编写好实验用程序。7实验报告要求画出PLC控制程序梯形图并写出相对应的指令代码；1已知电动机的转差率S002，请计算表172各频率下对应理论转速值，2并与实测转速值进行比较，分析误差产生的主要原因。8思考题三相异步电动机调速的主要方法有几种1为什么三相异步电动机调频调速时要同时改变电压的大小22742继电器控制三相异步电动机的实验421实验目的熟悉异步电动机正反转控制的原理。读懂电路图，进行接线及操作练习。了解控制系统中各种保护及自锁、互锁环节的作用。422实验原理机床的工作部件常需要作两个相反方向的运动，大都靠电动机的正反转来实现。实现电动机正反转的原理很简单，只要将电动机的三相电源中的任意两相对调，就可以使电动机反相运转。参考电路原理图1用接触器联锁的正反转控制线路。图45触器联锁的正反转控制电路423实验器材JDY综合实验台一台多功能电源模块一块继电器控制模块一块28三相交流异步电动机一台护套插接线若干424实验步骤1按实验要求画出原理图，认真检查，确认无误后，按图连接好控制电路，上电操作，看继电器的动作情况确认连接的正确与否，确认正确后再接入主电路。2实验完毕后，停止总电源并整理好实验器材。425注意事项1由实验老师检查后才能开启电源，接通电路。尤其是学有余力的同学在运行自己设计的电路图，一定要征询实验指导老师的意见，在老师同意，并检查通过后才可以进行电路连接。并要在断电的情况下才能进行拆、接线。2由于电动机的工作电压为380V，因此在电源，尤其是强电电源接通后不要用手接触电动机或实验台。同学们一定要注意安全。43直流电动机的继电器控制431实验目的1熟悉直流电动机正反转及调速控制的原理。2读懂电路图，进行接线及操作练习。3了解继电器控制系统中各种保护及自锁、互锁环节的作用。432实验原理实验台的机械模块即曲柄摇杆机构要实现顺时针和逆时针两个相反方向的运动，需要靠驱动模块直流电动机的正反转来实现。而实现直流电动机正反转的原理很简单，只要将直流电动机的两极对调，就可以使电动机反相运转。同时，改变电阻，又可以实现电机的调速参考电路原理图291用接触器联锁的正反转及调速控制线路。图46直流电机的继电器控制如图46所示，在控制电路中，按下时，交流接触器线圈得电，的动合主触头接通，直流电动机正转；当按下SB3时，交流接触器线圈得电，的动合主触头接通，电路实现交叉连接，改变电枢回路中的电流方向，直流电动机反转。电路中采用互锁，一条电路接通时，立即切断另一条电路。调节可以改变电动机的转速。433实验器材JDY综合实验台一台多功能电源模块一块继电器控制模块一块直流电动机一台护套插接线若干434实验步骤1按实验要求画出原理图，认真检查，确认无误后，按图连接好控制电路，上电操作，看继电器的动作情况确认连接的正确与否，确认正确后再接入主电路。2实验完毕后，停止总电源并整理好实验器材。435注意事项1由实验老师检查后才能开启电源，接通电路。尤其是学有余力的同学在运行自己设计的电路图，一定要征询实验指导老师的意见，在老师同意，并检查通过后才可以进行电路连接。并要在断电的情况下才能进行拆、接线。302由于电源电压为V，因此在电源，尤其是强电电源接通后不要用手接触电动机或实验台。同学们一定要注意安全。44直流电机的控制实验441实验目的掌握PLC的基本工作原理掌握PID控制原理掌握PLC控制直流电机的方法及直流电机的调速方法442实验器材计算机控制技术实验装置一台CP1H编程电缆一条PC机一台443实验内容根据输入，实现PLC对直流电机的调速PID控制。1输入功能功能操作，按钮1按钮1按下一次，显示SV设定点值。按钮1按下两次，显示速度设定值。按钮1按下三次，设定P值，显示。按钮1按下四次，显示P值。按钮1按下五次，设定I值，显示。按钮1按下六次，显示I值。按钮1按下七次，设定D值，显示。按钮1按下八次，显示D值。按钮1按下九次，显示AT（PID自调整增益）按钮1按下十次，自整定显示按钮1按下十一次，复位增加按钮2，数值增加减小按钮3，数值减小确定按钮4，操作确定31PWM脉冲输出，接输出10100。直流电机测速、光耦，接高速脉冲输入。LED显示，根据按钮输入，显示设定值/测量值/加减量。444实验原理1直流无刷电机PWM调速原理PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20占空比波形,会有20的高电平时间和80的低电平时间，而一个60占空比的波形则具有60的高电平时间和40的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高如果占空比为0,那么高电平时间为0,则没有电压输出如果占空比为100,那么输出全部电压。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压，所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节。在使用PWM控制的直流无刷电动机中，PWM控制有两种方式使用PWM信号，控制三极管的导通时间，导通的时间越长，那么做功的时间1越长，电机的转速就越高。使用PWM控制信号控制三极管导通时间，改变控制电压高低来实现。2调速不只是改变电压（电源电压或者控制电压），改变电流也可以控制回路的电流，而不是PWM信号的电流）。PWM信号是一个矩形的方波，他的脉冲宽度可以任意改变，改变其脉冲宽度控制控制回路输出电压高低或者做功时间的长短，实现无级调速。2PID控制原理TUPID控制器TY被控对象反馈TRTE图47PID控制框图本实验中，被控对象为直流电机的转速值，输入为给定转速值值，无扰动，通过32PWM来调节直流电机的给定电压，使直流电机的速度保持并跟随给定转速值值。333实验接线图图48实验接线图445实验步骤（1）将PLC的八个输入点排线（接线板CON8）插至LED矩阵键盘模块CON3（10）。（2）将PLC的八个输出点排线（接线板CON2）插至LED矩阵键盘模块CON2（101）。（3）将PLC的八个输出点排线（接线板CON4）插至LED矩阵键盘模块CON1（100）。（3）将PLC的八个输入点排线（接线板CON10）插至直流/步进电机控制模块CON1（00）。（4）将PLC的八个输出点排线（接线板CON12）插至直流/步进电机控制模块CON2（101）。（5）将LED显示以及键盘板的电源插头插上。（6）按照实验内容编写程序34（7）调试程序，验证功能。446实验总结总结实验过程，书写实验报告。3545直流电机的单片机控制实验451实验目的掌握直流电机的驱动原理。了解直流电机调速的方法。452实验内容用0832D/A转换电路的输出经放大后驱动直流电机。编制程序改变0832输出经放大后的方波信号的占空比来控制电机转速。453实验线路图49454连线方法（1）0832的片选信号0832CS（CS5）连到译码输出FE20H。（2）0832的输出OUT端连到DJ插孔。（3）直流电机插头插到实验仪的DM插座上。455实验步骤36（1）确认连线正确性。（2）从起始地址0E00H开始连续运行程序。（3）观察直流电机的转速。456实验程序0E001ORG0E00H0E007581532HA14SMOVSP，53H0E0390FE203MOVDPTR，0FE20H0E0674FF4MOVA，0FFH0E08F05HA14SLMOVXDPTR，A；数字量FF送0832转换0E09120E126LCALLDELAY；即5V输出驱动直流电机0E0CF47CPLA；数字量口送0832转换0E0D120E278LCALLDELAY40E1080F69SJMPHA14S1；循环继续0E12C00210DELAYPUSH02H；延时子程序10EL4C00211DELAY1PUSH02H0E16C00212DELAY2PUSH02H0EL8DAFEI3DELAY3DJNZR2，DELAY30E1AD00214POP02H0E1CDAF815DJNZR2，DELAY20E1ED00216POP02H0E20DAF217DJNZR2，DELAYI0E22D00218POP02H0E24DAECI9DJNZR2，DELAY0E262220RET0E277FFF21DELAY4MOVR7，0FFH；延时子程序20E29DFFE22DELAY5DJNZR7，DELAY50E2B2223RET3746步进电机的PLC控制实验461步进电机与步进电机驱动器的接线图图410步进电机与驱动器的接线图步进电机驱动器与PLC连接，SH2H042MA步进电机驱动器的输入信号为CP、CP和DIR、DIR，其连接方式有三种共阳极方式把CP和DIR接在一起作为共阳端OPTO（接外部系统的5V），脉冲信号接入CP端，方向信号接入DIR端；共阴极方式把CP和DIR接在一起作为共阴端（接外部系统的GND），脉冲信号接入CP端，方向信号接入DIR端；差动方式直接连接。462PLC接线图PLCSB1SB2COMI00I01SB3I02SB4I03步进电动机驱动器MQ01Q00PLSDIR图411PLC接线图（带驱动器）38PLCSB1SB2COMI00I01SB3I02SB4I03Q00COMQ01Q02MABC图412PLC接线图（不带驱动器，输出电源电压应与步进电动机额定电压匹配）注SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，SB3为加速按钮，SB4为减速按钮。463按带驱动器的PLC接线图编写PLC程序编程方法（1）使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求使用定器产生不同工作方式下的工作脉冲，然后按照控制开关状态输出到各相对应的输出点控制步进电机。图413M00作为总控制状态位，控制脉冲发生指令是否启动。一旦启动，采用T0、T1、T2以及它们的组合可以得到三相单三拍和三相双三拍的两种工作方式39下，各相的脉冲信号。如T0的状态为三相单三拍工作状态下A相的脉冲。同理可使用类40似程序得到三相单六拍时各相所需的脉冲信号。（2）使用移位指令实现各相所需的脉冲信号。例如在MW10中进行移位，每次移位的时间为1秒钟。如图为三相单六拍正向时序流程图，三相单三拍可利用相同的流程图，从M111开始移位，每次移两位，而三相双三拍从M112开始，每次移两位。程序段2三相单三拍或三相单六拍工作方式，此时均从M110开始移位，两种工作方式均为M116为“1”时返回。程序段3三相双三拍工作方式，此时从M111开始因为，而在M117时返回。程序段4若按下停止按钮或没有选择工作方式时，MW10中的内容为“0”，则不会有输出。程序段5三相单三拍或三相双六拍，每次应移动2位。程序段6三相单六拍，每次应移动一位。程序段7为移位指令，由于T1的周期为1秒钟，因此每间隔1秒钟，移位指令左移指定的位数。再将MW10中对应的位控制相应的输出，可实现步进电机的控制。步进电机的反向控制可根据相同的办法来实现。程序如下图425，41图414程序图4247步进电机的单片机控制实验471实验目的掌握KEILC51软件与PROTUES软件联合仿真调试的方法；掌握步进电机的工作原理及控制方法；掌握步进电机控制的不同编程方法。472实验内容用PROTEUS设计一四相六线步进电机控制电路。要求利用P1口作步进电机的控制端口，通过达林顿阵列ULN2003A驱动步进电机。编写程序，实现步进电机的正反转控制。正反转时间分别持续10S时间，如此循环。设计一可调速步进电机控制电路。P30P32分别接案件K1K3，其中K1为正反转控制按键，K2为加速按键，K3为减速按键，要求速度7档（17）可调，加减速各设3档，复位时位于4档，要求每档速度变化明显。该步进电机控制电路在以上电路的基础上自行修改。473实验仪器与设备微机1台KEILC51集成开发环境PROTEUS仿真软件474实验原理及步骤（1）用PROTEUS设计四相六线步进电机控制电路；（2）在KEILC51中编写步进电机正反转控制程序，编译通过后，与PROTEUS联合测试；（3）启动仿真，观察步进电机转动是否正常（4）用PROTEUS设计可调速步进电机控制电路，仿真调试、运行程序并查看效果。43475电路设计及调试1实验电路图415实验电路2程序设计与调试INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUCHARCODEZHENG0XF3,0XF6,0XFC,0XF9UCHARCODEFAN0XF9,0XFC,0XF6,0XF3/UCHARTBITFLAG0UINTSHIJIANUCHARTEMPVOIDDELAYUINTZUINTI,JFORI0I600SHIJIAN650ELSESHIJIANSHIJIAN100BREAKDEFAULTBREAKWHILETEMPP3VOIDMAINSHIJIAN350/TIMER_INITWHILE146KEYSCANIFFLAG0MOTOR_ZELSEMOTOR_F/VOIDTIMERINTERRUPT1TH06553650000/256TL06553650000256IFT200T0FLAGFLAGT/476实验后的经验总结（1）掌握了PROTEUS基本的操作方法与KEILC51联合调试的方法（2）掌握了步进电机工作原理的极编程的方法,做实验时要仔细,要按步骤来,避免人为错误，避免出现电路连接