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电动平移门设计

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编号:209453712    类型:共享资源    大小:2.27MB    格式:ZIP    上传时间:2022-04-25 上传人:机械设计Q****6154... IP属地:上海
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电动 平移 设计
资源描述:
电动平移门设计,电动,平移,设计
内容简介:
电动平移门设计AUTOMATIC SLIDING DOOR 摘要自动门是一种结合了电机控制技术、自动控制技术和传感器技术的一类典型的自动化产品。旧式的自动门可能只能实现简单的按键自动开门和定时锁门等功能,随着传感器技术的进步,超声波传感器、热释电红外传感器和红外对射传感器等各类障碍检测技术和活体检测技术的出现,微电子技术,乃至图像处理技术等的不断完善,使得自动门已经成为了一种典型常见的机电自动一体化设备,除传统的非人力开门外,还可以实现人体检测开门、障碍检测开门和远程控制等功能。自动门产品美观大方,实用性高,可以大幅度的提高建筑物的外观档次,提升人群的出入效率。由于上述优点,电动门在各个领域中,如旅店、银行、酒店、餐厅等各类服务类行业和写字楼等高端建筑中得到了极为广泛的应用,并逐渐向家庭生活中渗透,很多厂家已经推出了针对家庭用户的各种自动门产品,进一步提高了家居生活的用户体验。本项目设计了一款基于PLC的自动门控制系统,该系统集成了微波传感器和红外对管等各种传感器,除可以实现普通自动门产品的人体检测开门效果以外,还可以实现精确的防夹人检测效果,进一步提高了自动门产品的稳定性、安全性和易用性,具有较高的实际意义。关键词 直流电机;自动门;微波感应;PLCAbstract The automatic door is a kind of typical automation product which combines the motor control technology, automatic control technology and sensor technology. The automatic door would have only a simple button to open the door automatically locked and timing functions such as the old, with the sensor technology, ultrasonic sensor and pyroelectric infrared sensor and infrared sensor to shoot all kinds of obstacle detection technology and in vivo detection technology, micro electronic technology and image processing technology continues to improve, making the automatic the door has become a typical common automatic electromechanical integration equipment, in addition to the traditional non human to open the door, open the door, also can realize human detection and obstacle detection and remote control function to open the door. Automatic door product appearance, high practicability, can greatly improve the appearance of the building quality, improve the efficiency of access to people。 so in many areas, such as hotels, banks, hotels, restaurants and other service industries and other high-end office buildings have been widely used, and gradually penetrate into the in family life, many manufacturers have introduced a variety of automatic door products for home users, to further improve the user experience Home Furnishing life. This project designs a automatic door control system based on PLC, the system integrates the pyroelectric infrared sensor and infrared tube and other sensor, can detect human effect of the common door automatic door products, can also realize the anti pinch detection effect accurately, to further improve the stability, automatic door products safe and easy to use, has high practical significance.Keywords Single chip automatic door pyroelectric infrared tube31目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 选题背景及意义11.2 自动门技术国内外发展概述11.3 本文的主要内容22 电动门机械机构方案设计32.1 机械结构设计3 2.2 机械结构参数设计32.2.1门体材料尺寸设计32.2.2摩擦力计算42.2.3电机功率计算4 2.2.4同步带设计计算5 2.2.5三维建模图63电动平移门控制系统方案设计83.1控制功能需求分析83.2控制流程83.3平移门系统构成104电动平移门的硬件设计104.1 PLC的选择104.2驱动装置的选型114.3电机驱动方案选择124.3.1直流电动机的调速144.3.2直流电动机的优势16 4.4 限位开关16 4.5平移门控制系统I/0地址分配表17 4.6平移门控制系统的原理图17 4.7外围接线185平移门控制系统软件的设计185.1 工作过程的分析185.2梯形图程序185.2.1梯形图的概述185.2.2 梯形图的设计19结论21致谢22参考文献231 绪论1.1 选题背景及意义随着人们生活水平的提高和社会的进步,各类自动智能化设备逐渐走进了人们的日常生活中,成为了现代都市生活中不可或缺的一部分,自动门就是其中的重要代表。自诞生以来,自动门以其方便、美观等多种优点,在各类现代化建筑中得到了广泛的使用。但与此同时,由于某些自动门产品本身的设计缺陷或质量问题,由于自动门导致的各类日常问题和安全事故也时有发生。因此,设计一款安全合理、结构稳固、工作稳定且成本低廉的自动门控制系统就具有较高的实际意义。目前,市面上的低成本自动门控制系统往往直接使用少量模拟器件进行纯硬件控制,仅能够实现基本的感应开关门效果,不但功能少、灵活度低、同时往往极容易由于传感器探头探测盲点或元器件老化而导致自动门的误响应,导致夹人等严重安全事故。随着微控制器技术的普及应用,采用微型控制器驱动的各类消费电子产品也层出不穷。采用微控制器进行软件控制,不但不会由于模拟电路系统元器件老化造成安全事故,同时还可以实现更加复杂的动作和功能,更加适合于各类现代建筑的应用。因此,本项目选用一款应用极为广泛的,基于PLC的低成本微控制器作为系统主控,通过使用高精度微波传感器和微动开关等检测人员以及门开关程度、通过状态等等信息,经过分析后通过电机驱动模块来驱动两个电机的动作,来实现自动门效果。与传统自动门控制器相比,具有工作稳定、安全性高、成本低廉和通用性高等优点。1.2 自动门技术国内外发展概述人们对自动门的向往由来已久,在童话故事中芝麻开门就体现了人对自动门的向往。这个故事深受人们喜爱,而现在传说变成了现实,人们通过科学力量,“芝麻开门”不再是童话故事,而是活生生呈现在我们面前。在大多定义中,所有不依靠人力来开启和关闭的门都可以定义为自动门。若依此来讲,则自动门的历史非常悠久:据史料记载,早在古希腊时代,古希腊人海伦就设计出了一种可自动开启的神殿大门。由于神殿大门异常厚重,因此海伦还借助了蒸汽的力量。这可以说是自动门的一个原始的雏形。在现代,自动门的历史可以追溯到上个世纪30年代至40年代之间,在那时候自动门主要用于一些特殊场合,比如军事基地,可以起到防火,防弹,方便开启的作用。在二战期间,自动门用语机库的开启,发挥了不错的作用。在我们现在生活中,高铁上也用到了空气自动门的技术,为人们的生活带来方便。如今,自动门技术不断提升,在不同场合不同需要下诞生了各式各样的自动门,比如自动伸缩门,开合式自动门。一开始的自动门使用的是油压和空气压作为动力的,虽然原理简单易懂,但是转化效率太低,修理复杂。伴随技术的提高,电动机直接作为动力已然成为主流。到后来,城市化发展迅速席卷世界,各行业为了提高工作效率,竞相安装自动门。1970年往后,随着感应技术和动力技术的发展,自动门的成本减少,效率逐渐提高,种类也逐渐变多。而我国电动门发展较晚,开始时基本都是引进国外技术,来满足国内市场需求。渐渐的随着外资的投入和技术的发展,我国有了独自的自动门生产线,发展至今,我国的自动门技术已经接近世界水平。同时,自动门产品也逐渐被小型商户和门市所接受,例如小餐馆、便利店等小型服务商铺。同时,适用于家居环境的自动门产品也逐渐被消费者所接受在世界发展快速的脚步下,电动平移门技术会趋于成熟,为人们的生活提供便利。1.3 本文的主要内容本文对现代电动平移门的设计提出一套可行的方案,本方案是基于机械设计和PLC控制,红外感应的自动门设计。第一章内容主要介绍电动门的课题意义和发展背景。第二章内容主要表达电动门的机械结构部分,简单计算机械结构的参数。第三章内容介绍电动门的控制要求,简单介绍PLC的内容。第四章内容主要介绍电动门的一些硬件选型的介绍。第五章内容则是叙述软件的设计及梯形图。2 电动门机械机构方案设计2.1结构设计由于本设计是适用于商场或办公等场地,电动门的结构设计需要一定的安全性和便捷性。商场或办公场的人流量较大,因此,需要传动结构能够迅速反应以防造成人流堵塞。另外,人流量大的情况下,结构的安全性需要做到充足保障,一旦感应到人员的移动信号需要立即反向运转。鉴于以上要求本项目所设计的自动门结构如图2-1所示。电动门采用平移门结构,在门的上方部署有微波感应开关,用于实现人体检测功能。在门框上安装有用于实现防夹人功能的近距离红外对管,和用于实现人流量检测的远距离红外对管,这样就可以实现效果较好的人体检测和防夹人功能效果。图2-1自动平移门传动结构2.2 机械结构参数设计2.2.1门体材料尺寸设计:自动门安装部分选择不锈钢材料;自动门面选用钢化玻璃。门体尺寸的设计:(1)自动门体宽度:活动门扇900mm,固定门扇900mm,各2个。(2)自动门高度:2100mm,总高度为2500mm(3)自动门玻璃材料选择:钢化玻璃,厚度为6mm(4)活动门体质量(单扇):45kg(5)门体滑动最大速度0.5m/s(6)门体常速滑动速度0.3m/s2.2.2 摩擦力计算电动平移门运行总阻力包括摩擦力、坡度阻力、风力和惯性力。生活中惯性力通常忽略不计。(1)摩擦力门滑动的滚动摩擦力: (2-2) 式中移动键的质量,包括玻璃门和门吊件,双扇门及吊件总质量为,100kg。 滑动摩擦系数;查表得,0.05。代入数值,得(2)运行风阻力门扇是安装在建筑物的门洞,因此必须考虑风载荷的作用。自动的风阻力: (2-3)式中风力系数;平滑门取 计算风压,Pa;取 迎风面积,;计算得, 门滑轮与止摆器的综合摩擦系数。计算得,。 代入数值,计算得。(3)平滑自动门总运行阻力如: (2-4)即平滑自动门的总运行阻力是由门的滑动摩擦力和运行时的风阻力所构成的。2.2.3电机功率计算正确选择电动机的功率,对电动门日常工作和使用寿命都有巨大影响。当电动机的功率选择太小,电动门就不能正常工作,就可能因为负载过大烧毁,甚至引起危险事故;当电动机功率选择太大,就容易造成资源浪费,电动机不能满负载运行。电动机发热条件好坏影响着电机的功率。一般来说电动平移门工作稳定并且长期使用,所以只要所选电动机的额定功率等于或稍大于所需要的工作功率就可以了,即,这样使用电动机在安全工作范围内就不会发热,一般情况下不必校验电动机的发热和启动力矩。计算功率: (2-5) 式中工作机(电动门)产生的阻力 工作机(电动门)的速度,m/s 效率,取0.95代入数值计算,得电动机工作时需要的功率: (2-6)式中工作机(门)所需功率,及工作机(门)的计算功率; 从电动机到工作机(门)间各运动副的总效率。2.2.4 同步带设计计算(1)确定计算功率,查得工况系数 (2-7)(2)确定带轮基准直径并推算蜗杆转速初选XL(特轻)型带,初选带轮基准直径 (2-8) (2-9)取。蜗轮蜗杆传动比: (2-10) 选择蜗杆头数为2,蜗轮齿数为25即可满足所需传动比。(3)同步带齿型计算并修正其他参数查表得,XL型节距 (2-11) 取整得,。于是有 (2-12) (2-13)(4)确定同步带的中心距和基准长度由活动门扇的长度以及门吊件距离,初选中心距为: (2-14) 初选为带所需的基准长度: (2-15)取计算实际中心距: (2-16) 2.2.5 三维建模图如图2-17所示本方案设计的是双向平移门,吊轮与门的夹板连接通过同步带的转动下进行门的开启和关闭。图2-17自动平移门三维外观如图2-18是平移门的内部结构图,从图中我们可以看出电机通过电机驱动,同步带开始运转,使得连接同步带的吊架沿着导轨运行,从而使门打开。图2-18 内部结构如图2-19所示是个吊架结构图,从图中我们可以看出吊架的运行轨迹,这样的设计有利于摩擦里的减小,从而减小电机的压力,另外该结构简单,便捷,经济,环保。图2-19吊架结构如图2-20所示是一个同步带和电机的传动结构图,从图中我们看出电机与同步带的传动关系。图2-20皮带及电机传动结构本项目所设计的自动门通过图2-17,2-18,3-19,2-20所示,在门的上方装有吊架和轴承,电机固定于门顶的右端,通过驱动电机的正向和反向转动即可实现门的开合动作。 3电动平移门控制系统方案设计3.1控制功能需求分析本方案设计主要是针对一些商场或办公场所,所以自动门的设计必须足够安全和可靠。根据现实情况要求,平移门应具有以下要求:(1)自动门的开启和关闭应该具有手动和自动模式自动门具有手动和自动模式有利于电动门的维修,当感应器装置收到人体信号但是门并没有打开或者没有到人体信号而门并没有关闭,PLC向启动电机传递动作输出信号用正转或者反转的方式来开门或者关门。(2)遇到紧急情况迅速停止当控制系统收到夹人信号时,可闭合紧急停止开关,控制系统自动启动开门电路。自动门控制系统主要是通过PLC控制并由执行元件执行信号任务。现在,在市场上大多数控制门的控制模式是采用自动和手动控制方式。此次设计方案是用PLC作为控制中心传达信号任务,使得传动结构按信号运行,来实现电动门的开关和自动化功能。3.2控制流程(1)当光电传感器感应到有人体信号时,启动开关K1或K2,运行元件KM1启动,电动机正转,当门运行到限位开关K3处,电机停止运行。(2)当电动门在运行到限位开关后滞留8s,8s后电动门进入关门程序,元件KM2启动,电动机反转,在门运行到限位开关K4时,电机停止运行。(3)在关门过程中,如果光电感应器感应到人体信号时,应该立刻进入开门程序,停止关门动作。(4)在门开启后滞留8s期间,如果光电感应接收到人体信号,滞留时间则刷新重新计时,再自动进入关门过程,确保人员进出安全。3.3控制系统构成自动门控制系统主要是通过PLC控制并由执行元件执行信号任务。现在,在市场上大多数控制门的控制模式是采用自动和手动控制方式。此次设计方案是用PLC作为控制中心传达信号任务,使得传动结构按信号运行,来实现电动门的开关和自动化功能。3.4 PLC的概述PLC全称是可编程控制器,英文Programmable Controller,,本课题中就用PLC作为可编程控制器的简称。PLC开始是建立于计算机上的产物,它起源于继电器控制技术,现在大多是作为工业中控制器而是用。这项技术将自动化和计算机通信有效结合在一起,并把微处理器作为核心,通过提前在内存中写下程序,使得机器按指令工作,将电路中的输入信息变换成要求的物理信息,来实现对机械装置的控制。PLC虽然开始于计算机,但是它不同于计算机。一般计算机在交流信息时,并不会去在意信息交流的物理过程,更多的是注重信息的内容。但PLC并不是只是传递信息内容,它还要保障信息传递的可靠性和实用性。尤其在使用广泛的工业场所更需要其适用性,例如安装和维修的便捷性,抗干扰能力的强弱等问题,进出信息的转换和物理动作的有效实现,是PLC的两个基础点。PLC便于交流信息,通过其外接插口可以轻松实现。它的诸多功能相比于继电器控制装置要更加简单有效。PLC有各种各样的指令,和各种各样的I/O接口、通信接口,有大容量的内存,有可靠的自身监控系统,所以而具有以下基本功能:(1)自检测、自诊断功能;(2)数据运算功能;(3)联网通信功能;(4)高速计数功能;(5)中断处理(可以实现各种内外中断)功能;(6)程序与数据存储功能;(7)准确定时功能;(8)逻辑处理功能。现在可以说PLC基本包含了普通小型计算机的许多功能。PLC拥有如此丰富的功能,在这方面是没有其他电控制器可以代替的,更远远领先于传统的继电器控制电路。因此,PLC的使用更加广泛,与此同时,也为电动门产业的智能化打下了基础。在现代工业生产中,控制要求越来越复杂。PLC在工业生产中使用较为广泛,它受到大多技术人员的热爱。其主要特点有:(1)抗干扰能力强,可靠性能高;(2)功能强大,成本低;(3)编程方便,易于使用;(4)控制系统结构简单,通用性强;(5)设计、施工、调试的时间短;(6)维护方便。 3.5电动门系统构成电动门系统运行流程组成:PLC驱动装置传动装置电动门感应器件 图3-1电动门系统运行流程从上图,我们可以看出当感应器件接收到人体或物体信号时,将信号传递给PLC,PLC则进行分析收集到的信号然后发出控制信号,驱使驱动装置运行,通过传动装置来实现门的开启和关闭,从而实现电动门的智能化。4自动门的硬件设计4.1 PLC的选择在选择PLC类型时,我们应考虑以下几种问题:(1)I/O点数的估算:在对输入输出点数估算时,应考虑余量问题,余量后还要根据制造厂商PLC产品特点进行点数的圆整。(2)储存器的容量:存储器容量是PLC本身硬件的存储单元大小,程序容量则是存储器中应用项目实用的存储单元的大小,所以程序容量小于存储器容量。(3)控制功能的要求:PLC功能有许多种,例如运算功能,控制功能,诊断功能等等,结合本设计只要介绍控制功能,编程功能和诊断功能。首先,在顺序逻辑控制上大多是使用PLC,大多采用单回路或多回路控制器解决控制模拟量,当然也有用专用的智能输入输出单元实现需要的控制作用,从而提高处理速度和容量。其次,离线编程方式中PLC和编程器使用的是一个CPU,编程模式和运行模式不能同时使用,在编程模式中,不能控制现场设备,在运行模式中,不能进行编程,所以该方式使用和调试并不方便。在编程方式则是PLC和编程器有各自的CPU,这种方式使用调和方便,但是成本较高,一般在大型PLC中采用。最后,PLC的诊断功能一种对于爆孔硬件和软件进行诊断的功能,在硬件诊断中是通过硬件的逻辑判断来找出故障所在,软件诊断则分为外诊断和内诊断,通过软件查找PLC的内部故障为内诊断,而通过软件对CPU外部的输入输出设备的检查叫做外诊断。(4)PLC的类型PLC有整体型和模块型两种结构类型,在应用环境类型上分为现场安装和控制室安装两种类型。整体型PLC由于输入输出点数固定,因此用户使用的余地很小;模块型PLC拥有多种卡件,所以用户可以根据实际要求选择输入输出点数,功能扩展性强,通常用于大型PLC控制。综合以上等因素,本设计采用德国西门子公司的CPU224小型PLC。4.2驱动装置的选型在自动门中,一个好的驱动器能够保证自动门的良好工作。本设计采用的是直流无刷电机。这种直流电机密度高,运行可靠,修理方便,噪音也小,结构简单,同时也拥有直流电动机调速范围大,工作效率高的优点,比较适合一些安静,小巧的地方。所以本设计使用亚坦电机控制公司的45BLDC系列的无刷直流电机.该电机参数如下:直径:45额定转数:4000转电压:额定扭矩:0.036N.m功率:15w100w额定电压:24v DC4.3感应器件的选型 目前,在市场上大多是微波感应,红外感应和光电感应。红外感应器的特点是反应物体的存在,只要在感应区内,都会对此反应,此外,红外感应比微波感应的速度要慢。而微波感应器,又称为微波雷达,是对于物体移动进行探测反应,并且不收到噪音,温度,湿度的影响。而光电传感器没有机械结构,但是使用寿命长,基本免维护, 如图4-1所示。图4-1光电传感器实物所以结合本设计的实际需要,我们选用型号为GDJ-612G/R的光电感应器,其参数如下:技术参数:引 线:5芯屏蔽电缆,标准长度2m工作电压:1224V/DC光 源:绿色/红色外壳材料:工程塑料环境温度:-1565输出指示:红色LED亮通指示响应时间:1ms以下角 度:光线与被测物表面垂直,允许偏差15消耗电流:45mA以下4.4电机驱动方案选择直流电动机是系统的重要组成部分。与交流电动机相比,直流电动机的扭力等数据参数较小。但之所以使用直流电机作为动力设备,是由于电动车中往往使用蓄电池作为电源,交流电动机需要使用三相或多相交流电源进行供电,若直接使用电池作为电源,则需要使用复杂的逆变电路等将直流电转换为交流电供电机使用,这就会造成很多额外的电能资源浪费,无刷直流电机如图4-2所示。 图4-2无刷直流电机实物同时,交流电机的调速系统设计较为复杂,而直流电机可以非常容易的实现线性调速,只要调节控制电压,就可以轻松的对直流电机的转速和输出功率进行调节,结构简单,控制方便。因此,使用电磁作为电源的电动车往往使用直流电动机作为动力。但同时,由于直流电机的驱动力在同功率往往小于交流电机,而且大功率的直流电机往往成本较高,因此在大负荷的电动机应用中,如采用交流电网进行供电的有轨电车和无轨电车等,往往使用交流电机提供动力。直流电动机或交流电动机都由定子和转子两个主要工作部件结构组成。定子的功能是为直流电机的转子的工作提供稳定的磁场,其主要的有效工作部分为永磁体或电磁铁,以及电机外壳和其他固定结构等,组成电机的定子系统。此外为了电机正常工作,除了需要电机外壳作为支撑结构,还需要盖端、电刷、换向极、轴承等支持电机正常工作不可缺少的各种结构和设备。转子是电动机的动力输出部分,由转轴和转子的铁芯组成。铁芯往往使用磁性材料叠层制成,在铁芯上面缠绕有铜线,在转子的线圈通电时会产生磁性,与定子的磁铁作用产生安培力。当转子的线圈与磁场平行时,由于安倍力的方向和电机的转向相反,就会导致电机出现反转或震荡的现象,因此此时需要电刷和换向器工作使线圈的电流反向,使安培力的方向不变。换向器是直流电动机必不可少的一个重要组成部分,其结构方案较多。而由于工作原理不同,交流电机不需要换向器结构。电机驱动模块是影响项目稳定性的一个重要因素。本方案所设计的平移门是用2个直流电机作为系统的动力部分,并且需要控制电机的正反转,所以我们选用H桥电机驱动的方案。 H桥驱动电路原理如下:直流电机驱动是一个很重要的学科,对于电动车来讲,电机驱动系统也是系统的重要组成部分,直流电机驱动系统的工作稳定性和输出功率也会对整个电动车的各项参数和稳定参数影响。同时,随着电机电子技术的发展和集成电路工艺技术的发展,集成电机驱动器逐渐取代了结构复杂的传统的电机驱动电路,成为了各种电机驱动系统的广泛应用的设计方案。集成电机驱动芯片根据工作原理不同,用于直流电机驱动的集成电机驱动器往往内部结构较为简单,同时也没有其他的功能性控制电路。而用于步进电机或伺服电机的集成驱动器往往内部集成有控制电路,可以直接提供伺服电机或步进电机的驱动时序,控制较为方便,同时也可以大幅度的减少系统的复杂程度,提高系统的稳定性,并减少成本。在本项目所设计的儿童电动车控制系统中,为了提高电机驱动系统的稳定性,同时减少不必要的开发成本和硬件成本,上文中提到,各类直流电机驱动的项目中往往使用各种集成的驱动器,如集成的单片桥式驱动电路。桥式驱动电路是将若干晶体管或场效应管以一定的拓扑结构和连接方式的常用的,可以实现一定功能特殊电路。用于直流电机驱动的桥式驱动电路往往以H桥居多。全桥是电路设计中的重要部分。基于晶体管的H桥的典型电路如下图所示:图4-3 H桥式电机驱动电路如上图4-3所示,该电路图非常像一个大写的洋文字母“H”,因此被称为H桥式驱动系统。在字母H的横梁上接有电动机,在四个臂上各自部署一个三极管或场效应管,即可实现H桥驱动功能。要使电机通电的话,只需要对角线的两个器件接通,即可实现电机驱动作用。如图所示,将四个三极管分别标记为Q1、Q2、Q3和Q4,Q1和Q3为PNP结构,Q2和Q4为NPN结构。Q1和Q2、Q3和Q4的集电极接到一起,用于直流电机输入,并分别接到直流电机的两端。Q1和Q3的发射极接到电源正极,Q2和Q4接到电源负极,之后通过调节这四个三极管的开关状态,就可以实现电机驱动效果。直流电机的旋转需要在直流电机的两端接入不同的电压,电流流过之后就可以实现电机驱动效果。以这个H桥电路为例,若要实现电机旋转,则需要在电机的左侧和右侧分别接到电源正极和电源负极中。若想要实现电机的左边接电源正极,在电机的右边接电源负极的效果,只需要使Q1和Q4导通,Q2和Q3截止,就可以实现该功能。此时的电路状态如下图4-4,4-5图4-4 H桥电机驱动电机顺时针转动图4-5 H桥电机驱动电机逆时针转动使用类似的方式,通过控制H桥中四个三极管的不同的状态,就可以实现电机的正反转动和停止作用。4.4.1直流电动机的调速并励或他励直流电动机和和交流异步电动机不同点在于其市面价格昂贵,结构也较为复杂,在维修方面也没有便捷性,然而并励或他励直流电动机调速性能却有着巨大优势。鼠笼式电动机在调速性能上劣势巨大,因为它在通常情况下不能调速,更加不能无级调速,因此,如果在调速性能上有要求的话,一般选用直流电机。相对鼠笼式电动机来说,直流电机能够无级调速,而且他的机械结构也相对简便。直流电动机的转速公式: (4-6)通过式(4-6)可知,当、U和中任何因素发生改变的话,都会使转速相应产生变化,通过调节电枢电路外电阻也可以改变转速,但是这样的方法十分耗电,而且机械特性软,可调节的范围小,不能越级调速,所以这种方式现在基本不予采用。现在改变直流电机转速有以下两种办法。 (1)调磁法调磁法也就是改变磁通量。保持电源电压U为额定值,通过改变,来改变励磁电流以改变磁通量,由于 (4-7)可知磁通减少时,升高,转速降增大,但后者与成反比,所以磁通愈小。机械特性曲线愈陡,但仍具有一定硬度,在一定负载下,愈小,则愈高。当电动机在额状态运行时,由于它的磁路已接近饱和状态,所以通常都是用减小磁通()的方法,来将转速往上调(nnn)。调速的过程是:当电压U保持恒定时,减小磁通。由于机械惯性,转速产立即发生变化,于是反电动势就减小,随之增加。由于增加的影响超过减小的影响,所以转矩也就增加。如果阻转矩未变,则转速上升。随着的升高,反电动势增大,和T也着减小,直到=时为止。但这时转速已比原来升高了。首先,当电动机在额定状态下运行,则电枢电流Ia为额定值,如果调速时负载转矩仍旧保持不变(为额定值),由于,故减小磁通量后必然超过额定值,因此调速后负载转矩必须减小。这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变(恒功率调速)的场合。 这种调速方法有3个优点:(1)调速平滑,可无级调速;(2)机械特性较硬,稳定性较好;(3)调速经济,控制方便。这种调速方法的在转速调节上只能提高不能降低,也就是说调节转速后,其值要超过额定转速。由于电机一旦转速过高会发生危险,所以它的调速范围会有所限制。在正常工作中,这种方法只能作为后备方案。 (2)调压法通过改变电压保持他励电动机的励磁电流为额定值,降低电枢电压,则从下公式可以看出 (4-8) 变低了,但未改变。因此改变可得出一组平行的机械特性曲线。在一定负载下,愈低,则愈低。由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变,所以转速将下调(nn)。调速的过程是:当磁通保持不变时,减小电压由于转速不立即发生变化,反电动势便暂不变化,于是电流减小,转矩也减小。如果阻转矩未变,则,转速下降。随着的降低,反电动势减小,和增大,直到时为止。但这时转速已比原来降低了。由于调速时磁通不变,如在一定的额定电流下调速,则电动机的输出转矩便是一定的(恒转矩调速)。4.4.2直流电动机的优势和异步电动机相比较,直流电机调速更加简单,主要有下面几种优势: (1)因为直流电机用的是高性能永磁材料,其转子的大小可以减小,惯性也随之减小,响应速度更快,转矩惯量变高等特点。 (2)因为没有转子损耗(转子为永磁材料),也不需要定子励磁电流分量(应用新理论),所以无刷直流电机拥有较高的效率和功率密度。而对于同等容量输出,交流异步电机则需要更大功率的逆变器和整流器。 (3)因为转子没有发热问题,所以就不用考虑转子冷却的问题。 (4)交流异步电机因为其非线性的特性,对其控制十分困难。无刷直流电机把其复杂的磁场定向控制简化为离散状态的转子位置控制,不要求变换坐标,使得调速范围更大,控制性能更好。 从上述优点可知,无刷直流电机具有更高的效率、更大的功率密度(铁芯利用率高)和更优越的控制性能,而省却变频器、节能因素以及产能提高因素也考虑其中的话,厂商的生产成本大幅度下降。所以在本课题设计中采用无刷直流电动机作为驱动装置。 4.5 限位开关限位开关又称行程开关,通常用于控制机械运动方向,距离,位置,一般行程开关主要是根据机械的碰撞来确认执行命令,如图4-9所示。 图4-9限位开关示意限位开关的使用十分广泛,在各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制都能见到。当机械进行生产运动到指定位置时,行程开关根据机械部位的碰撞,将机械信号转化为电信号,向控制系统发送指令来控制生产机械的运行,让机械在运行中避免出现事故,通过这种方式保护生产机械,实物如图4-9所示。4.6平移门控制系统I/0地址分配表 编写PLC程序第一步要分配I/0,这也是现场接线的基础。I/0分配表如下:输入点X0:屋外光电开关控制的继电器KA1X1:屋内光电开关控制的继电器KA2X2:开门到位行程开关SQ1X3:关门到位行程开关SQ2X4:开门减速行程开关SQ3X5:关门减速行程开关SQ4输出点Y0:开门接触器KM1Y1:关门接触器KM2Y2:换速继电器KA34.7平移门控制系统的原理图4.7.1主电路及供电线路 电动门控制系统的主电路如下图所示:图4-10主电路原理从图4-10中,我们可以看出按下总开关,自动门开始通电,直流电机开始通电,电流通过熔断器。当KM1闭合时电机正转,门开启;KM2闭合时电机反转,门闭合。当屋外光电开关探测到信号时,KA1关闭KM1自锁通电,门开启,当门到位后SQ1断开门停止运转,屋内光电同理。SQ1通电后启动开门延时电路,门停下不动,当光电开关无信号时启动关门电路,在门运行时启用减速电路以免门发生损坏。4.7.2外围接线如图4-11所示KA1 KA2是感应器控制的两个继电器,当感应器接收人体信号时会自动闭合,SQ1、SQ2是开关门到位行程开关 ,用于监测门开启时有没有达到底部,SQ3、SQ4是开关门时减速行程开关,用于避免门开启和关闭时发生剧烈碰撞。图4-11外围接线图5电动平移门控制系统软件的设计5.1 工作过程的分析由于本设计所需要的控制性和安全性,所设计的程序应该如下面流程所示,来完成方案的最终设计,方案工作流程如下:(1)第一步通过启动按钮运行设备,当传感器接收到人体信号后,接通电动机正转电路,电机正转,自动门执行开门任务。(2)电动门开门任务结束后,门的限位开关打开,并让自动门停止工作,滞留8s时间。 期间如果感应器重新检测到有人体信号时,则刷新8s滞留时间。 (3)当8s的滞留时间达到后,接通电动机反转电路,开始进行关门程序,期间如果传感器再次接收到人体信号,那么停止关门任务并运行开门程序。为了防止自电动门在运行过程中发生故障不能有效工作,所以设置了手动模式和自动模式。5.2梯形图程序5.2.1梯形图的概述在工业控制中,多数电气技术人员希望能拥有简单有效的控制装备,而PLC因此诞生了。根据多数技术人员的使用能力和工作习惯,PLC通常避免微机的编程语言,采用的大多是直接面向控制过程和问题的“自然语言”编程。在1994年5月公布的IEC1131-3(可编程控制器语言标准)中国际电工委员会(IEC)详细的说明了语义、句法和下述5中编程语言:功能表图(sequential function chart)、功能块图(function black diagram)、梯形图(ladder diagram)、指令表( Instruction Iist)、结构文本(strured text)。语言分为图形语言和文字语言,梯形图和功能图属于图形语言,指令表和结构文本是文字语言。梯形图中的符号是用于表达程序内容的,梯形图设计语言就是用此方式表达程序的。梯形图程序设计语言通过因果关系来表达一个事件所发生的条件和结果,每个梯级是一个因果关系。在梯级中,描述事件发生的条件表示在左面,事件的结果表示在右面。在现代工业,梯形图设计语言使用十分广泛,它起源于继电器逻辑控制系统的描述。而现代工业控制方面,电气技术人员对继电器逻辑控制技术十分熟悉。因此,由这种控制技术诞生的梯形图受到人们的欢迎,并且使用广泛。 梯形图程序设计语言的特点: 1.为了现代工业技术人员的方便,与之前继电器逻辑控制技术一样,便于掌握和学习; 2.和电气的原理图互相对应,具有对应性和直观性; 3.与原有继电器逻辑控制技术相比较,梯形图中的能流(Power Flow)并不是实际上的电流,内部的继电器也不是实际存在的继电器,因此应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待;梯形图是现代工业使用最多的一种程序设计,又被称为PLC的第一编程语言,和电气控制系统的电路十分相似,分析时简单易懂,十分直观,很容易被掌握,同时特别适用于开关开关量逻辑控制,而梯形图也被称为电路或程序,梯形图的设计又称为编程。5.2.2 梯形图的设计 设计梯形图的基本方法和步骤:(1)首先要清楚工艺要求,然后进行分析,最后根据要求绘制控制流程图,要求图的内容表达准确、清晰。在有特别要求时,可将控制系统分为相应的几个部分,要求简化,有利于编程。 (2)把一些输入信号,例如压力,时间,速度,和一些指令开关列下,再将输出控制对象,例如指示灯,电动机,接触器等列出,按照采用的PLC型号内部逻辑元件编号范围,对I/O端子进行合理适当的分配和安排。(3)根据控制流程图,合理分配元器件,然后利用PLC内部有关的逻辑元件(如辅助继电器、定时器、计数器等)形成相应的基本回路。(4)在使用梯形图的形式来表达控制要求时,也要遵循编程原则。(5)列出程序清单时,一定要按梯形图的逻辑单元和逻辑行的编排顺序(由上而下,从左到右)依次进行。 本系统采用三菱公司设计开发的GX DEVELOPER来设计该程序,选择其梯形图语言进行程序设计。在设计过程中应遵循以下编程规则:(1)每个继电器的线圈和其触点都用同一个编号,每个元件的触点使用时没有数量限制。(2)梯形图每一行都是从左边开始,线圈接在最右边(线圈右边不允许再有触点)。(3)保证线圈接线时不能够直接接在左边的母线上。(4)在同一个程序中,双线圈输出也就是将同一编号的线圈使用2次,为了避免误操作,应避免此类情况。(5)因为在梯形图中没有实际意义的电流流动,为了便于分析PLC的逻辑上的因果关系和周期扫描原理,假设在梯形图中有电流流动,这个电流只能在梯形图中进行单向流动,即从左向右流动,从上向下流动。(6)所选用得PLC机型,其所使用的软件编号(即地址)必须在该机型的有效范围以内。本课题设计根据以上PLC的编程方法和规则编写了自动门控制系统的梯形图程序,具体程序如图5-1所示:图5-1电动门控制系统梯形图结论首先,我通过网络资源查阅了与本项目的研究方向相同的各类相关资料,包括自动门和自动门控制系统的国内外发展历史和研究现状,并总结了现有的自动门产品的优缺点。通过参考现有的自动门产品的设计方案,此次方案设计了一款具有防夹人功能并基于PLC的自动门控制系统。根据自动门的实际设计要求,本方案设计和计算了自动门的机械结构。之后,向老师学习了光电传感器等项目所需的传感器的原理和应用技术,并设计了基于PLC的自动门控制系统的硬件结构,绘制了电路原理图。并根据硬件结构设计方案和所要实现的功能,
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