西门子四平PLC模块总代理

　　*，电机是传动以及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移;尤其是对电机的速度、位置、转矩的控制。但电机根据不同的应用会有不同的设计和驱动方式，咋看下好像选型非常复杂，因此为了人们根据旋转电机的用途，进行了基本的分类。下面我们将逐步介绍电机中有代表性、常用、基本的电机——控制电机和功率电机以及信号电机。

控制电机

　　控制电机主要是应用在的转速、位置控制上，在控制系统中作为“执行机构”。可分成伺服电机、步进电机、力矩电机、开关磁阻电机、直流无刷电机等几类。

　　1. 伺服电机

　　伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。一般地，伺服电机要求电机的转速要受所加电压信号的控制;转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化;转矩能通过控制器输出的电流进行控制;电机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。

　　伺服电机有直流和交流之分，早的伺服电机是一般的直流电机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电机。当前随着永磁同步电机技术的飞速发展，绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机。

2. 步进电机

　　所谓步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构;更通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

　　步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电机;所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。由于步进电机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点，所以步进电机广泛应用在生产实践的各个领域;尤其是在数控机床制造领域，由于步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是的数控机床执行元件。

　除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

　　此外，步进电机也存在许多缺陷;由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声;不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制;并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。

　提高现代化工厂部门之间物料搬运和内部运输的协调性，是实现生产全盘自动化的重要举措。传统物料运输车具有设备复杂、功耗大、投资高、污染环境等缺点，其中有轨运输车需铺设专门轨道，若生产程序改变，需重新铺设轨道，破坏路面，投资高；无轨运输车包括叉车及手推运料小车，均需专人驾驶，劳动强度大，运输效率低。

　　本设计采用光电检测技术，以日本三菱公司生产的FX-2N可编程控制器为控制核心，通过编程实现智能控制。若生产工序改变，只需重新铺设光轨便可以相应改变。是一种新型、高效、无污染的自动寻迹运输车，无人驾驶、安全可靠、操作方便。可降低生产成本，提高生产效率。

　　1、系统总体方案

　　直流电机固定在运输车底座下侧，驱动后轮前进，步进电机控制前轮转向，PLC作为控制系统中心，并与步进电机、直流电机及触摸屏相连，得到速度、位置和障碍物信息同时输出相应的控制命令到直流电机、电磁制动器及步进电机。触摸屏作为操作界面，给用户提供一个可视化的操作平台。

　系统设计可划分为信号检测部分和控制部分。其中，信号检测部分包括轨道线检测设计、障碍物检测设计、速度检测设计，控制部分包括驱动控制设计、制动控制设计、转向控制设计。

运输车循迹采取光电探测法的原理。在车体底部安装3只光电传感器，运输车在地板上按照引导线自动运行时不断地向地面发射红外光。由于光电管对不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点：当红外光遇到绿色引导线时发生漫反射，反射光被装在运输车上的接收管接收，输出为低电平；如果遇到其他颜色则红外光被吸收，输出为高电平。可编程控制器便可根据3只光电传感器的状态编码为依据来确定引导线的位置和运输车的行走路线闭。

2、系统硬件设计

　　2．1转向及驱动控制电路设计

　　本设计运输车载重不超过70kg，对电机的负载能力有一定的要求，由于直流减速电机转动力矩大，可以产生较大转矩，因此选择xM4—10125A型直流减速电机作为该系统的驱动电机，该电机自带一个小链轮，齿数z1为9，选取大链轮齿数z2为19

驱动电机连接电路图如图4所示。电机通电后经链条传动使驱动轮转动。本设计将PLC输出端Y2与两相继电器J5相连，当Y2低电平时，J5活动触点KM与触点l连接，电机正转；反之Y2高电平时，J5活动触点KM与触点2连接，电机反转。电机驱动器(CT一30lA9)通过J5连接电机，调整ADJ端子参数可以改变电机转速，检测到的路况输入信号，经过PLC控制单元进行计算并按结果的要求输出控制信号到Y2端，控制电机的正反转，从而实现运输车的前进、后退。

PLC输出端Yo连接到步进电机驱动器的Pu(步进脉冲信号)，Y1连接到DR(方向控制)。PLC根据传感器检测到的信号，进行程序控制，当运输车偏离引导线时，Yo接通，步进电机开始工作(初始设置为右转)，当判断需要左转时，Y1接通，控制步进电机反方向转动。

　2．2光电检测电路设计

　　综合各种光电检测器件的性能及本设计的具体要求，采用RPR220型光电对管。其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。

　　车体上的3个光电管对路径信息进行检测，将检测到的信号送到PLC输入端，从左至右记作：x1、x2、x3，当PLC检测到的信号为低电平时，则红外光被地上的绿色引导线反射，表明运输车处在绿色引导线上；反之运输车已经偏离轨道。光电传感器的输入电压为5V，而整体设计中输入模块采用的电压为24V。采用稳压管LM317，调整电位器使其输出电压恒为5V，保证光电传感器的正常工作。

2．3测速传感器电路设计

　　本设计采用测速传感器来获取运输车当前速度，其作用主要有：

　　1)监控运输车速度变化，为弯道速度控制提供参考；

　　2)实现速度的闭环控制，增加运输车稳定性。系统的主要控制对象是转向轮和驱动轮。测速传感器安装于运输车驱动轮附近，测速轮安装在靠近运输车驱动轮的轴上，测速轮上开有间隔均匀的30个小齿，即齿轮转动一周，测速传感器检测到30个脉冲。当运输车运行时，测速传感器不断输出脉冲，其脉冲个数存放到PLC的内部寄存器中。测速传感器电路设计如图7所示。根据式(3)计算出驱动轮每分钟转动的转数N，再结合驱动轮的直径就可算出运输车当前的运行速度V。

式中：n为测速轮每一周测得脉冲数，n=30；D5为测速传感器测速时段输出脉冲个数；t为测速时段的计数时间，ms。

　　2．4速度控制电路设计

　　速度控制电路如图8。由传感器采集到的信号输入到PLC上，经PLC处理后传送到Y端，3个输出端Y11、Y12、Y13通过继电器J1、J2、J3分别连接不同的分压电路，电阻值的不同使得所分电压不同，同时电机驱动器(CT一301A9)输出发生变化，从而控制电机转速，实现速度控制。

　　2．5避障电路设计

　　障碍物检测电路设计如图9所示。在运输车的四周安装有红外光电传感器，其检测原理与路面检测相似，当运输车运行时，传感器检测到人或其他障碍物，输出为低电平，通过输入端传送到PLC，进行数据处理，输出报警信号，反之，输出高电平。

2．6制动电路设计

　　运输车遇到障碍物或到站时，需要自动停止。停止由PLC编程控制，因此只需将输出端Y4连接制动装置即可。本设计由继电器J4动作进而通过电感的吸合作用带动绕在驱动轮上的皮带控制运输车的制动。

　3、系统软件设计

　　运输车的控制采用模块化的结构，其基本思路是：将位置传感器采集来的道路信息、速度传感器采集来的速度信息和避障传感器检测到的障碍物信息经PLC处理，输出PwM信号到舵机和驱动电机。方向控制和速度控制系统分别构成两个闭环系统，两者可相互影响，比如根据路径识别的结果来控制速度，使得运输车在弯道上慢速，而在直道上快速。

方向控制：运输车舵机是由舵轮、机械结构、步进电机和控制电路组成的一个位置随动系统。通过内部的位置反馈来实现舵轮输出转角正比于给定的控制信号。本设计将位置传感器反馈的路面信息、测速传感器测得的速度信息和避障传感器检测到的障碍物信息，经过PLC控制单元进行计算并按结果的控制要求向步进电机发出命令(PWM信号形式)，通过对步进电机的正反转控制来实现舵轮的正反转，在脉宽改变时，使其自动变化到对应值。

　速度控制：直流电机转速的控制采用PWM(脉宽调制)调速方法。为进一步控制运输车速度，还需要引入闭环速度控制。利用位置传感器、速度传感器和避障传感器检测到的实时信息与期望速度之间的比较来确定输出到直流电机的PWM信号，从而确定加速或减速强度的大小。

　　4、结论

　　本系统采用PLC作为核心控制器，采用机电一体化设计，已完成了样机制作，可实现物料的自动运输，目前处于程序优化阶段。相对于国内常见的轨道运输系统，本系统体积较小、安装方便，轨道铺设简单，根据生产工序粘贴轨道纸便可实现无人驾驶；生产工序改变时，无需重新铺设铁轨，不破坏路面，从而确保了自动运输车的平稳运行。该系统基于光学引导的思路实现简单，导向可靠，可以大幅度降低生产成本，有利于更加广泛推广和应用。该系统采用触摸屏对自动寻迹运输车进行控制，直接选择屏幕上的菜单，便可操作运输车。该系统配备了自动检测、报警及避障装置，更加安全可靠，大大减少了不安全事故的发生