第7章电工与电子系统

1、第7章 电工与电子系统第第7章章 电工与电子系统电工与电子系统7.1 电工与电子系统概论电工与电子系统概论7.2 温度测量控制系统温度测量控制系统7.3 由由PLC控制的双坐标运动系统控制的双坐标运动系统 7.4 由由PLC和变频器组成的三相交流异步电动和变频器组成的三相交流异步电动机闭环控制系统机闭环控制系统7.5 基于工业控制计算机的剑杆织机控制系统基于工业控制计算机的剑杆织机控制系统第7章 电工与电子系统7.1 电工与电子系统概论电工与电子系统概论7.1.1 电工与电子系统的基本概念电工与电子系统的基本概念 系统系统是由若干相互作用相互依赖的事物组成的是由若干相互作用相互依赖的事物组成的

2、具有特定功能的整体具有特定功能的整体 电工与电子系统电工与电子系统是为完成某一特定功能，由相应是为完成某一特定功能，由相应的电工设备和电子设备组成的装置或装置的集合的电工设备和电子设备组成的装置或装置的集合第7章 电工与电子系统电工与电子系统的组成电工与电子系统的组成输入输入单元单元功率放功率放大和驱大和驱动动负负 载载反馈反馈环节环节接收、处理来接收、处理来自传感器或人自传感器或人工信号和命令工信号和命令对处理后的信号，对处理后的信号，进行功率放大，然进行功率放大，然后驱动负载后驱动负载控制控制对象对象 第7章 电工与电子系统7.1.2 电工电子系统的分类电工电子系统的分类处理信号方式处理信

3、号方式数字系统数字系统模拟系统模拟系统混合系统混合系统有无反有无反馈信号馈信号开环系统开环系统闭环系统闭环系统 随着计算机技术和中大规模集成电路的发展，通随着计算机技术和中大规模集成电路的发展，通常信号变换和处理都是由计算机或单片机等带常信号变换和处理都是由计算机或单片机等带CPU的智能模块组成，这类系统又称的智能模块组成，这类系统又称智能系统智能系统 输输 入入单单 元元功 率功 率放 大放 大和 驱和 驱动动负负 载载反馈反馈环节环节第7章 电工与电子系统7.2 温度测量控制系统温度测量控制系统7.2.1简介简介已知湿度已知湿度混合气体混合气体加热器加热器渗透渗透配气室配气室+已 知 流

4、量已 知 流 量干燥气体干燥气体恒温室恒温室目的：控制恒温室温度恒定在目的：控制恒温室温度恒定在100 第7章 电工与电子系统温度检温度检测测放大放大调整单元调整单元功率驱功率驱动动温度传温度传感器感器加热加热器器恒温室恒温室温度测量控制系统框图温度测量控制系统框图第7章 电工与电子系统7.2.2 温度的检测温度的检测一一.电阻型温度传感器的比较电阻型温度传感器的比较铂电阻铂电阻温度传感器精度高、线性度好，但成本温度传感器精度高、线性度好，但成本高，用在要求较高的场合高，用在要求较高的场合 铜电阻铜电阻价格便宜，线性度一般，机械强度较差，价格便宜，线性度一般，机械强度较差，温度高时易于氧化，多

5、用于要求不高的场合温度高时易于氧化，多用于要求不高的场合 热敏电阻热敏电阻是一种半导体电阻，对温度变化十分敏是一种半导体电阻，对温度变化十分敏感，有良好的分辨率，但是线性度不好，分为负感，有良好的分辨率，但是线性度不好，分为负温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻和临界温度电阻器等三种温度电阻器等三种第7章 电工与电子系统二二.电阻型温度传感器的测量电路电阻型温度传感器的测量电路1 1、电桥测量电路、电桥测量电路R1R2R3RTUO+VCC+设传感器在设传感器在0时的阻值为时的阻值为RT，受热后阻值变化为受热后阻值变化为RT+R，如果，如果调整电桥在调整

6、电桥在0平衡，有平衡，有R1R3=R2RT，则，则 2oCC231TRRU =V(R +R )(R +R + R)CCo1VURR 取取R1=R2，R3=RT,且且R1R3，则上式可简化为：，则上式可简化为：输出电压输出电压UO与相对于与相对于0的温度变的温度变化量化量R呈线性关系呈线性关系 第7章 电工与电子系统2 2、恒流源测量电路、恒流源测量电路ISUORT+VCCoTss()URR IUIR 设传感器设传感器RT在在0时的阻值为时的阻值为RT，受热后阻值变化为受热后阻值变化为RT+R 式中式中显然，用这两种方法都能得到与温度的显然，用这两种方法都能得到与温度的 变化成比例的电压值变化成

7、比例的电压值STIRU 第7章 电工与电子系统7.2.3 信号的放大信号的放大 设计放大电路时，首先要考虑所要放大信号的性质，设计放大电路时，首先要考虑所要放大信号的性质，如信号的频带，是双极性信号还是单极性信号如信号的频带，是双极性信号还是单极性信号 单极性信号单极性信号双极性信号双极性信号反相或同相比例运算反相或同相比例运算单端输入电路单端输入电路 差动放大电路差动放大电路 第7章 电工与电子系统AD620RpOUTREFRpIN_IN+AD620简介简介VV VV+、V-：电源电压端（：电源电压端（2.3V 18V）IN+、IN-：差模信号输入端（差：差模信号输入端（差 模输入电压范围：

8、模输入电压范围：25V）REF：参考电阻端，通常可悬空：参考电阻端，通常可悬空RP：放大倍数调整端（放大倍数：放大倍数调整端（放大倍数 A=1+(49.4K/Rp) ）；）；OUT：输出端：输出端 第7章 电工与电子系统AD620双端输入放大电路双端输入放大电路2 1 8 63 74UoUiRp+15V-15V调整可变电阻器调整可变电阻器Rp的阻值可调整放大电路的放大倍数的阻值可调整放大电路的放大倍数 第7章 电工与电子系统四集成运放四集成运放LM124简介简介1234567891012131411+VCC-VCC+-+-+-+电源电压为电源电压为15V，其使用与普通运放没有什么不，其使用与普

9、通运放没有什么不同，只不过在一块芯片内集成了同，只不过在一块芯片内集成了4个运放而已。个运放而已。第7章 电工与电子系统7.2.4 温度控制温度控制温度测温度测量与放量与放大大温度温度比较比较电路电路放大放大与调与调节节功率功率驱动驱动恒温恒温室室设定温度设定温度TiTfTeTiTf，即，即Te0，恒温室温度未达到设定温度，恒温室温度未达到设定温度Ti，则加，则加热，加热功率的大小与误差热，加热功率的大小与误差Te成比例。反之，成比例。反之，Te0，表明恒温室温度比设定温度高，则停止加热。，表明恒温室温度比设定温度高，则停止加热。第7章 电工与电子系统7.2.5 功率驱动和加热功率驱动和加热

10、第7章 电工与电子系统tttttt同步同步电压电压3端端4端端12端端9端端10端端KC05工作波形工作波形工作原理工作原理：从：从KC05的的6脚脚输入一个输入一个28V的移相信的移相信号，与同步信号共同作用，号，与同步信号共同作用，在在9脚输出双向晶闸管的脚输出双向晶闸管的触发信号，从而控制双向触发信号，从而控制双向晶闸管晶闸管G的导通角，加热的导通角，加热器和交流器和交流220V相串联，当相串联，当双向晶闸管关闭，则在加双向晶闸管关闭，则在加热器上没有电流通过，反热器上没有电流通过，反之，则由电流通过双向晶之，则由电流通过双向晶闸管闸管G，加热器开始加热，加热器开始加热 第7章 电工与电

11、子系统7.2.6 系统电路简介系统电路简介电桥测温电电桥测温电路将温度信路将温度信号转化为电号转化为电压信号压信号 AD620放大放大 比较电路，将测量比较电路，将测量的温度值与设定值的温度值与设定值进行比较，得到温进行比较，得到温度的误差信号度的误差信号 Rp4实现温度设定实现温度设定第7章 电工与电子系统比例放比例放大电路大电路 比例放比例放大电路大电路 稳态时，加热所稳态时，加热所需的恒温功率需的恒温功率 KC05输入为输入为28V，稳，稳压管稳压使之不超过压管稳压使之不超过8V 第7章 电工与电子系统7.3 由由PLC控制的双坐标运动系统控制的双坐标运动系统7.3.1双坐标运动系统的构

12、成双坐标运动系统的构成可编程可编程序控制序控制器器步进步进电机电机AY轴轴运动机运动机构构 步 进 电步 进 电机 驱 动机 驱 动器器 A步进步进电机电机B步 进 电步 进 电机 驱 动机 驱 动器器 BX轴轴运动机运动机构构 第7章 电工与电子系统电机电机B电电机机AY轴轴运运动动机机构构笔架笔架底座底座X轴运动机构SQ4SQ1SQ2SQ3限位开关限位开关SQ1SQ4 X轴运动机构通过丝杠传动方式带动轴运动机构通过丝杠传动方式带动Y轴的运动机轴的运动机构运动，构运动，Y轴的运动机构通过丝杠传动方式带动笔轴的运动机构通过丝杠传动方式带动笔架运动，可以实现双坐标绘图仪的功能架运动，可以实现双坐

13、标绘图仪的功能 。第7章 电工与电子系统7.3.2驱动部分驱动部分1概述概述 用两台用两台45BYG250B45BYG250B型两相混合式步进电机加上配型两相混合式步进电机加上配套的细分驱动器实现套的细分驱动器实现X X轴和轴和Y Y轴的驱动功能轴的驱动功能 混合式步进电机的混合式步进电机的特点特点： 具有自阻，在未加电时有一定的自锁力具有自阻，在未加电时有一定的自锁力 体积小、效率高，运行时相对较平稳，输出力矩相体积小、效率高，运行时相对较平稳，输出力矩相对较大，运行时噪声小对较大，运行时噪声小第7章 电工与电子系统2步进电机的驱动步进电机的驱动 每发一个脉冲信号每发一个脉冲信号, , 通过

14、驱动器就使步进电机旋通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。转一个步距角。转速与脉冲信号的频率成正比。转速与脉冲信号的频率成正比。 细分控制技术和升频升压控制技术是能够较为有细分控制技术和升频升压控制技术是能够较为有效地降低步进电机低频运转时的振动和噪音的主要效地降低步进电机低频运转时的振动和噪音的主要方法。方法。 第7章 电工与电子系统7.3.3 用用PLC实现对双坐标运动系统的控制实现对双坐标运动系统的控制1PLC的脉冲输出指令及其在步进电机控制中的应用的脉冲输出指令及其在步进电机控制中的应用 脉冲输出指令：对于脉冲输出指令：对于SIEMENS 200系列的系列的CPU，如果，如果CPU模块

15、上的输出类型为模块上的输出类型为DC型（晶体管输出），型（晶体管输出），Q0.0和和Q0.1具有高速输出功能。可设置为脉冲串输出（具有高速输出功能。可设置为脉冲串输出（PTO）或）或脉宽调制输出（脉宽调制输出（PWM），频率可以达到），频率可以达到20kHz。当使用脉。当使用脉冲输出功能时，它们受专用的冲输出功能时，它们受专用的PTO/PWM发生器控制，而不发生器控制，而不受输出映像寄存器控制。受输出映像寄存器控制。 PTO操作有单段操作有单段PTO操作和多段操作和多段PTO操作两种。单段操作两种。单段PTO操作，每执行一次操作，每执行一次PLS指令，输出一串脉冲。如果想再输出指令，输出一串脉

16、冲。如果想再输出一串脉冲，需要重新设定相关的特殊存储器，并再执行一串脉冲，需要重新设定相关的特殊存储器，并再执行PLS指令。多段指令。多段PTO操作，执行一次操作，执行一次PLS指令，可以输出多段脉指令，可以输出多段脉冲冲 第7章 电工与电子系统2SIEMENS S7-200系列系列PLC与步进电机驱动器的连接与步进电机驱动器的连接 S7-224 PLCQ0.3Q0.2Q0.01L+1MNPNNPNNPNR13KR23KR33KDRIVER步进电机步进电机+24V+5VCOMPLUSDIRFREEA+A-B+B-V+V-第7章 电工与电子系统3 控制程序设计控制程序设计运动轨迹控制：运动轨迹控

17、制：直线插补和圆弧插补直线插补和圆弧插补 系统逻辑控制：起动、停止和限位保护系统逻辑控制：起动、停止和限位保护 第7章 电工与电子系统7.4 由由PLC和变频器组成的三相交流异步电动机和变频器组成的三相交流异步电动机 闭环控制系统闭环控制系统 7.4.1系统概述系统概述PLC变频变频调速调速器器速度传感器速度传感器及接口电路及接口电路电电机机 负负载载 D/A模模块块频率频率设定设定 通过速度传感器将电动机的转速信号传送给通过速度传感器将电动机的转速信号传送给PLC，PLC经过控制规律的运算后，给出控制信号，用以控制变频器经过控制规律的运算后，给出控制信号，用以控制变频器来改变电动机输入电压的

18、频率，来调节电动机的转速来改变电动机输入电压的频率，来调节电动机的转速 第7章 电工与电子系统7.4.2 系统硬件设计系统硬件设计1 1电动机转速的测量和输入接口电路设计电动机转速的测量和输入接口电路设计NPNR10K24V+24V+输入信号输入信号1MI0.0S7-224 输入脉冲信号来自光电编码器，辐值为输入脉冲信号来自光电编码器，辐值为5V，而，而PLC逻辑逻辑1要求最小电平为要求最小电平为15V，故需要电平转换电路，使之满足，故需要电平转换电路，使之满足PLC逻辑电平的要求。同时逻辑电平的要求。同时PLC的的I0.0有高速计数功能，正好可用有高速计数功能，正好可用来计数，得到输入脉冲信

19、号的脉冲个数。来计数，得到输入脉冲信号的脉冲个数。第7章 电工与电子系统2PLC与变频调速器的连接与变频调速器的连接 要使变频器工作，需要使变频器工作，需要预先设定变频器工作参要预先设定变频器工作参数，如运行频率的数，如运行频率的“输入输入电压电压”参数参数Pr73=1，即，即DC0-10V输入。输入。 PLC的开关量输出的开关量输出Q0.0，Q0.1分别接到变频器的正转分别接到变频器的正转启动（启动（STF）和反转启动）和反转启动（STR）端子上）端子上,控制电机控制电机的正反转。的正反转。PLC的模拟量输出接到变频器的频率给定端子（的模拟量输出接到变频器的频率给定端子（2、5端之端之间），

20、这样改变模拟量输出的大小，就改变了变频器的频率，间），这样改变模拟量输出的大小，就改变了变频器的频率，也就改变了电机运行的转速。也就改变了电机运行的转速。 第7章 电工与电子系统7.4.3 系统软件设计系统软件设计1. 概述概述初始化高速计数器、初始化高速计数器、定时中断、标志位定时中断、标志位控制信号延时处理控制信号延时处理 电机启动电机启动/停止控停止控制、正反转控制制、正反转控制读取高速计数读取高速计数器、数据滤波器、数据滤波控制规律运算控制规律运算输出控制信号输出控制信号中断返回中断返回主程序主程序定时中断程序定时中断程序第7章 电工与电子系统2定时中断程序设计定时中断程序设计 由于输

21、入有干扰，要有数值滤波处理，这里由于输入有干扰，要有数值滤波处理，这里采用平均值数值滤波的方法。采用平均值数值滤波的方法。 控制算法采用增量式比例控制算法采用增量式比例-积分积分-微分（微分（PID） ，但为了抑制超调，根据设定值与测量值的偏差大小但为了抑制超调，根据设定值与测量值的偏差大小分为四个区间，在每个区间采用不同的比例系数，分为四个区间，在每个区间采用不同的比例系数，当偏差值进入当偏差值进入-5 +5的区间内，再加入积分控制。的区间内，再加入积分控制。 第7章 电工与电子系统7.4.4 监控系统设计监控系统设计用用MCGS监控组态软件设计系统图形界面监控组态软件设计系统图形界面第7章

22、 电工与电子系统7.5 基于工业控制计算机的剑杆织机控制系统基于工业控制计算机的剑杆织机控制系统7.5.1 剑杆织机的原理和系统组成剑杆织机的原理和系统组成后罗拉后罗拉经轴经轴钢筘钢筘布辊布辊综框综框 送纬部分在图中没有画出。最早是梭子，后来发送纬部分在图中没有画出。最早是梭子，后来发展了喷水、剑杆，喷气等形式。是提高织机工作速度展了喷水、剑杆，喷气等形式。是提高织机工作速度的主要途径。的主要途径。 开口开口送送经经卷取卷取打纬打纬第7章 电工与电子系统剑杆织机控制系统原理框图剑杆织机控制系统原理框图输输 出单出单 元元输输 入单入单 元元控制器控制器输入接口输入接口电路电路执行机执行机构构操

23、作输入信号（开关操作输入信号（开关等）等）故障信号（断纬、断故障信号（断纬、断经等）经等）反馈信号（速度、张反馈信号（速度、张力等）力等）工业工业控制控制计算计算机机 共有共有77个输入输出开关量（其中有个输入输出开关量（其中有16路高速输出路高速输出端口），端口），1路模拟量输入，路模拟量输入，1路模拟量输出。设计时路模拟量输出。设计时将输入输出信号按功能分类，把外围接口电路设计将输入输出信号按功能分类，把外围接口电路设计成配件式、模块式，与软件配合，可满足用户不同成配件式、模块式，与软件配合，可满足用户不同配置的要求。配置的要求。 第7章 电工与电子系统7.5.2 工业控制计算机简介工业控

24、制计算机简介 简称工控机，是以计算机为核心的测量和控制系统，简称工控机，是以计算机为核心的测量和控制系统，它有别于常用的计算机，可在复杂、恶劣的工业现场它有别于常用的计算机，可在复杂、恶劣的工业现场环境可靠的工作。具有如下特点：环境可靠的工作。具有如下特点： 1. 丰富的过程输入丰富的过程输入/输出功能输出功能。除有通用计算机设。除有通用计算机设备外，还有大量的过程输入备外，还有大量的过程输入/输出设备和完善的外部设输出设备和完善的外部设备。备。 2实时性好实时性好。工控机具有时间驱动和事件驱动的。工控机具有时间驱动和事件驱动的能力，能对生产过程工况变化进行实时监测和处理，能力，能对生产过程工

25、况变化进行实时监测和处理，当过程参数出现偏差甚至故障时能迅速响应，做出相当过程参数出现偏差甚至故障时能迅速响应，做出相应处理。应处理。第7章 电工与电子系统 3高可靠性高可靠性。连续工作时间长，要求设备具。连续工作时间长，要求设备具有低故障率、运行效率高等特点。有低故障率、运行效率高等特点。 4环境适应性环境适应性。工业环境往往高温、高湿、。工业环境往往高温、高湿、高腐蚀、高振动冲击、高灰尘，电磁干扰严重，高腐蚀、高振动冲击、高灰尘，电磁干扰严重，工控机必须具有极高的电磁兼容性。工控机必须具有极高的电磁兼容性。 5丰富的软件资源、编程方便丰富的软件资源、编程方便。工控机可像普。工控机可像普通计

26、算机一样，运行在通计算机一样，运行在DOS或或Windows环境下，环境下，如果实时性要求较高，则需要实时操作系统。在如果实时性要求较高，则需要实时操作系统。在DOS或或Windows环境，软件资源丰富，方便快捷，环境，软件资源丰富，方便快捷，也不需要专门硬件的知识，软件硬件设计可由不也不需要专门硬件的知识，软件硬件设计可由不同的人分别进行，缩短了开发周期。同的人分别进行，缩短了开发周期。第7章 电工与电子系统下面是某型号工控机和相应的数值量输出板卡的彩图下面是某型号工控机和相应的数值量输出板卡的彩图第7章 电工与电子系统7.5.3 系统硬件设计系统硬件设计1 数字量输入输出板卡原理图数字量输入输出板卡原理图CPU系系统统总总线线I / O 译译码和其码和其它控制它控制逻辑逻辑数 据数 据缓 冲缓 冲和 锁和 锁存存达 林 顿达