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1、摘 要機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件組成；電氣方面有交流電機(jī)、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機(jī)械手是由PLC輸出三路脈沖，分別驅(qū)動(dòng)橫軸、豎軸變頻器，控制機(jī)械手橫軸和豎軸的精確定位，微動(dòng)開關(guān)將位置信號(hào)傳給PLC主機(jī)；位置信號(hào)由接近開關(guān)反饋給PLC主機(jī)，通過交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制機(jī)械手手爪的張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動(dòng)的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運(yùn)機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行

2、作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手 PLC 變頻器 交流電機(jī)AbstractManipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor,

3、 and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the verti

4、cal axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision, micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manip

5、ulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can chang

6、e the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters. Key Words: Manipulator PLC Inverter AC motor 目 錄摘 要1ABSTRACT2引 言4第一章機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)511傳動(dòng)機(jī)構(gòu)512機(jī)械手夾持器和機(jī)座的結(jié)構(gòu)6第二章可編程控制PLC821 PLC簡介822 PLC內(nèi)部原理10A. 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)11B. 系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)11C用戶程序存儲(chǔ)區(qū)1123 PLC的工作原理1224 PLC機(jī)型的選擇方法1526 機(jī)械手PLC選擇及參數(shù)17第三章

7、 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)1931 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)1932 三相交流電機(jī)工作原理2333 三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理2533 機(jī)械手電機(jī)的選用29第四章 變頻器294.1變頻器的構(gòu)成304.2 變頻器的分類和控制方式344.3 FR-A540變頻器37第五章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4051 機(jī)械手的工藝過程4052 PLC控制系統(tǒng)42致答謝詞48參考文獻(xiàn)49引 言在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有

8、毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。本課題擬開發(fā)物料搬運(yùn)機(jī)械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，對(duì)機(jī)械手的上下、左右以及抓取運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。該裝置機(jī)械部分有滾珠絲杠、滑軌

9、、機(jī)械抓手等；電氣方面由交流電機(jī)、變頻器、操作臺(tái)等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動(dòng)作。由于時(shí)間倉促和個(gè)人水平限制，我的設(shè)計(jì)存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學(xué)能夠給予批評(píng)指正并予以解決。 第一章機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)11傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1螺旋機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)由螺桿、螺母和機(jī)架組成，其主要功能是將轉(zhuǎn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，螺旋機(jī)構(gòu)可以分為滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)兩種類型。按用途可以分為傳力螺旋、傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋三種類型。螺旋機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪聲易于自鎖等優(yōu)點(diǎn)。2. 滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滑動(dòng)摩擦的

10、的螺旋機(jī)構(gòu)，稱為滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)?；瑒?dòng)螺旋機(jī)構(gòu)所用的螺紋為傳動(dòng)性能好，效率高的矩形、梯形和鋸齒形螺紋?；瑒?dòng)螺旋機(jī)構(gòu)由螺母和螺桿組成。根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動(dòng)方式，滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)又分為以下兩種。（1）由螺母和螺桿組成的滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，螺母與機(jī)架固聯(lián)，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)（如圖1-1b所示），這種螺旋機(jī)構(gòu)以傳遞動(dòng)力為主，故又稱傳力螺旋機(jī)構(gòu)。一般要求用較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向力，多用在工作時(shí)間短，速度較低的場合。（2）由螺母、螺桿和機(jī)架組成的滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，如圖1-1a所示，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)，這種螺旋機(jī)構(gòu)以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，故又稱為傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)。本文所介紹的機(jī)械手的豎軸就是用的傳導(dǎo)螺旋機(jī)構(gòu)。這種傳動(dòng)形式結(jié)構(gòu)緊湊，剛度較大

11、，傳動(dòng)效率高，精度高。 （a）螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng) (b) 螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)圖1-13滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋副內(nèi)為滾動(dòng)摩擦的螺旋機(jī)構(gòu)，稱為滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)或滾珠絲杠。其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是在螺桿和螺母之間設(shè)有封閉循環(huán)滾道，并在其間放如剛球，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，剛球沿螺旋滾道滾動(dòng)并帶動(dòng)螺母作直線運(yùn)動(dòng)。按循環(huán)方式的不同，分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種形式。 滾珠始終在循環(huán)過程中始終與螺桿保持接觸的循環(huán)叫內(nèi)循環(huán)。滾珠在返回時(shí)與螺桿脫離接觸的循環(huán)叫外循環(huán)（如圖1-2所示）。外循環(huán)螺母只需設(shè)置一個(gè)反向器，當(dāng)滾珠進(jìn)入反向器時(shí)，就被阻止而轉(zhuǎn)彎，從返回通道回到滾道的另一端，形成一個(gè)循環(huán)回路。機(jī)械手的橫向運(yùn)動(dòng)采用的便是滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。滾動(dòng)

12、螺旋機(jī)構(gòu)摩擦阻力小，動(dòng)作靈敏度高，傳動(dòng)效 率高，可達(dá)90%以上。用調(diào)整的方法可消除間 隙，傳動(dòng)精度高。 圖1-2 12機(jī)械手夾持器和機(jī)座的結(jié)構(gòu)1機(jī)械手夾持器機(jī)械手的機(jī)械夾持器多為雙指手抓式，按其手抓的運(yùn)動(dòng)方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型?；剞D(zhuǎn)型手抓有可分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，按夾持方式可以分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動(dòng)方式可以電動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種?；剞D(zhuǎn)型夾持器結(jié)構(gòu)較簡單，但當(dāng)所夾持的工件直徑有變動(dòng)時(shí)，將引起工件軸心的偏移。對(duì)平移型夾持器，工件直徑的變化不影響其軸心的位置。但其機(jī)械機(jī)構(gòu)繁雜，體積大，制造精度要求高。所以當(dāng)設(shè)計(jì)機(jī)械手夾持器的時(shí)候，在滿足工件的定位精度要求的條件下，盡可能的采用結(jié)構(gòu)比較簡單回轉(zhuǎn)

13、型夾持器。 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的是楔槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器。如右圖所示，裝在桿上端的滾子3和楔塊之間為滾動(dòng)接觸。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)連桿前進(jìn)時(shí)，通過楔塊4的斜面和杠桿1，使兩個(gè)手抓產(chǎn)生加緊動(dòng)作和加緊力。當(dāng)楔塊后移時(shí)，靠彈簧的拉力使手指松開。這種末端執(zhí)行器由于楔塊和滾子之間為滾動(dòng)接觸，摩擦力小，活動(dòng)靈活，且機(jī)構(gòu)簡單。2機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的支撐部件，機(jī)座承受機(jī)械手的全部重量和工作載荷，所以機(jī)座應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)械手工作時(shí)的穩(wěn)定行。如圖1-3所示，機(jī)械手采用普通軸承作為支撐元件的機(jī)座支撐結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有制造簡單、成本低、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。圖中電動(dòng)機(jī)3經(jīng)減

14、速器4、主動(dòng)小齒輪5、中間齒輪6、大齒輪7驅(qū)動(dòng)絲桿2旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)。整個(gè)機(jī)座安裝在基座8上。第二章可編程控制PLC 21 PLC簡介自二十世紀(jì)六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。作為離散控的制的

15、首選產(chǎn)品，PLC在二十世紀(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%30%。隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表

16、達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)C

17、PU來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的不斷提高，

18、今后一段時(shí)期內(nèi)PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時(shí)可以認(rèn)為它就是一個(gè)嵌入式控制器，但PLC相對(duì)一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實(shí)際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器22 PLC內(nèi)部原理 PLC實(shí)質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一的。如圖2.1所示， PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖所示：編程器中央處理單元（CPU）輸入電路輸出電路系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)用戶程序存儲(chǔ)區(qū)電源圖2-1 PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖（1）中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC

19、系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū), 然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運(yùn)算等結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行為止。（2）存儲(chǔ)器與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺(tái)完整的PLC。PL

20、C的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。PLC存儲(chǔ)空間的分配：雖然大、中、小型 PLC的CPU的最大可尋址存儲(chǔ)空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理， 其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶程序存儲(chǔ)區(qū)。A. 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的各項(xiàng)功能。B. 系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象區(qū)

21、以及各類軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲(chǔ)區(qū)。（A）I/O映象區(qū)由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元（RAM）以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲(chǔ)單元稱作I/O映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位（bit）, 一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字（16個(gè)bit)。因此，整個(gè)I/O映象區(qū)可看作由開關(guān)量的I/O映象區(qū)和模擬量的I/O映象區(qū)兩部分組成。（B）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類

22、軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后者當(dāng)PLC停止運(yùn)行時(shí)，將這部分存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部置“零”。C用戶程序存儲(chǔ)區(qū) 用戶程序存儲(chǔ)區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC其存儲(chǔ)容量各不相同，一般來說，隨著PLC機(jī)型增大其存儲(chǔ)容量也相應(yīng)增大。不過對(duì)于新型的PLC，其存儲(chǔ)容量可根據(jù)用戶的需要而改變。D常用的I/O分類常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔

23、離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。（3）PLC電源PLC電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的PLC，還是中、大型的PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對(duì)PLC內(nèi)部的所有器件提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動(dòng)在正負(fù)10%（15%）之間，因

24、此可以直接將PLC接入到交流電網(wǎng)上去。可編程序控制器一般使用220V交流電源。可編程序控制器內(nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的元件提供直流電壓。某些可編程序控制器可以為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置（如接近開關(guān)）提供24V直流電源。驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源一般由用戶提供?？删幊绦蚩刂破魇菑睦^電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。這種計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。23 PLC的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。

25、在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī) 或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時(shí)完成的。在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作

26、。 在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于（RUN）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外3個(gè)階段的操作。在可編程序控制器的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖

27、中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會(huì)隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩舫绦蛴扇舾蓷l指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按步序號(hào)順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)

28、果寫入到對(duì)應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對(duì)應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為ON，映

29、像寄存器為“0”狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為OFF。掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次圖2.5.1a所示的掃描操作所需的時(shí)間稱為掃描周期，其典型值為1100ms。指令執(zhí)行所需的時(shí)間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序較長時(shí)，指令執(zhí)行時(shí)間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。不過嚴(yán)格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖2.1c所示。第(N-1)個(gè)掃描周期輸出刷新第(N+1)個(gè)掃描周期輸入采樣第N個(gè)掃描周期輸入采樣輸出刷新用戶程序執(zhí)行圖2.1c PLC的掃描運(yùn)行方式（1）輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象

30、區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會(huì)改變。所以輸入如果是脈沖信號(hào)，它的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（2）用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對(duì)控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)。或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。（3）輸出刷新階段在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新

31、所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)才是PLC真正的輸出。(4)輸入/輸出滯后時(shí)間輸入/輸出滯后時(shí)間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指可編程序控制器的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，它由輸入電路濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間三部分組成。輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點(diǎn)動(dòng)作是產(chǎn)生的抖動(dòng)引起的不良影響，濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定了輸入濾波時(shí)間的長短，其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時(shí)間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時(shí)間一般在10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載

32、接通時(shí)的滯后時(shí)間約為1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開時(shí)的最大滯后時(shí)間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長可達(dá)到兩個(gè)多掃描周期?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫?yīng)延遲時(shí)間一般只有幾十ms，對(duì)于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求輸入輸出信號(hào)之間的滯后時(shí)間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。24 PLC機(jī)型的選擇方法1PLC的類型PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶

33、選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。2輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價(jià)格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸

34、出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本?？紤]是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O機(jī)架等。3.電源的選擇PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。4.存儲(chǔ)器的選擇由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PL

35、C的存儲(chǔ)器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。5.冗余功能的選擇a控制單元的冗余（1）重要的過程單元：CPU（包括存儲(chǔ)器）及電源均應(yīng)1B1冗余。（2）在需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。b I/O接口單元的冗余（1）控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。（2）重要檢測點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對(duì)重要的I/O信號(hào)，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。6.經(jīng)濟(jì)性的考慮選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較

36、和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，估因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。26 機(jī)械手PLC選擇及參數(shù) 綜合上述原則機(jī)械手控制系統(tǒng)主機(jī)為三菱的FX2N-48MR。1.主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：工作電源：24VDC輸入點(diǎn)數(shù)：24輸出點(diǎn)數(shù)：24輸入信號(hào)類型：直流或開關(guān)量輸入電流：24VDC 5mA模擬輸入：-10V10V（-20mA+20mA）輸出晶體管允許電流0.3A/點(diǎn)（1.2

37、A/COM）輸出電壓規(guī)格：30VDC最大負(fù)載：9W輸出反應(yīng)時(shí)間：OffOn 20s OnOff 30s基本指令執(zhí)行時(shí)間：數(shù)個(gè)s程序語言：指令+梯形圖+SFC程序容量：3792STEPS基本順序指令：32個(gè)（含步進(jìn)梯形指令）應(yīng)用指令：100種初始步進(jìn)點(diǎn)：S0S9一般步進(jìn)點(diǎn)：118點(diǎn)，S10S127輔助繼電器：一般用512+232點(diǎn)（M000M511+M768M999）停電保持用256點(diǎn)（M512M767）特殊用280點(diǎn)（M1000M1279）定時(shí)器：100ms時(shí)基64點(diǎn)（T0T63）10ms時(shí)基63點(diǎn)（T64T126，M1028為ON時(shí)）1ms時(shí)基1點(diǎn)（T127）計(jì)數(shù)器：一般用112點(diǎn)（C000

38、C111，16位計(jì)數(shù)器）停電保持用16點(diǎn)（C112C127，16位計(jì)數(shù)器）高速用13點(diǎn)1相5kHz，2相2kHz（C235C254，全部為停電保持32位計(jì)數(shù)器）數(shù)據(jù)寄存器：一般用408點(diǎn)（D000D407）停電保持用192點(diǎn)（D408D599）特殊用144點(diǎn)（D1000D1143）指針/中斷：P64點(diǎn)；I4點(diǎn)（P0P63/I001、I101、I201、I301）串聯(lián)通信口：程序?qū)懭?讀出通訊口：RS232 一般功能通訊口：RS485主機(jī)電源220V AC2.PLC主機(jī)的組成1、輸入單元輸入單元由8個(gè)按扭、8個(gè)開關(guān)和16個(gè)接插件組成，它們分別與PLC的16個(gè)輸入點(diǎn)相接。改變這些開關(guān)或按扭的通斷狀

39、態(tài)，即可對(duì)主機(jī)輸入所需要的開關(guān)量。16個(gè)接插件可外接其它直流或開關(guān)量輸入信號(hào)。2、輸出單元輸出單元由24個(gè)二極管和24個(gè)接插件組成，它們分別與PLC的24個(gè)輸出點(diǎn)相連。發(fā)光二極管是否發(fā)光，即可表示輸出點(diǎn)的狀態(tài)，使用者可得到主機(jī)的輸出信息。24個(gè)輸出接插件可外接其它需要控制的設(shè)備。輸出單元的4個(gè)地端，分別引出到面板，其中只有C4與3V電源共地。3、電源單元PLC主機(jī)左邊有外接220V/AV的電源插座，作為PLC的工作電源。內(nèi)裝變壓器，輸出3V電源，供二極管使用。另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接輸入器件（如傳感器）的工作電源用第三章 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)31 三相異

40、步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 三相異步電動(dòng)機(jī)的種類很多，但各類三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件，如圖3-11所示。 圖3-1 封閉式三相籠型異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖1軸承；2前端蓋；3轉(zhuǎn)軸；4接線盒；5吊環(huán)；6定子鐵心；7轉(zhuǎn)子；8定子繞組；9機(jī)座；10后端蓋；11風(fēng)罩；12風(fēng)扇1定子部分 定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。三相電動(dòng)機(jī)的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。（1）外殼 三相電動(dòng)機(jī)外殼包括機(jī)座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。 機(jī)座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護(hù)和固定三相電動(dòng)機(jī)的定

41、子繞組。中、小型三相電動(dòng)機(jī)的機(jī)座還有兩個(gè)端蓋支承著轉(zhuǎn)子，它是三相電動(dòng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。通常，機(jī)座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。端蓋：用鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是把轉(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn)子能夠在定子中均勻地旋轉(zhuǎn)。軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子不能軸向移動(dòng)，另外起存放潤滑油和保護(hù)軸承的作用。接線盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護(hù)和固定繞組的引出線端子。吊環(huán)：一般是用鑄鋼制造，安裝在機(jī)座的上端，用來起吊、搬抬三相電動(dòng)機(jī)。 （2）定子鐵心 異步電動(dòng)機(jī)定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，由0.35mm0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如

42、圖3-2所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞圈。 （a）定子鐵心 （b）定子沖片 圖3-2 定子鐵心及沖片示意圖 （3）定子繞組 定子繞組是三相電動(dòng)機(jī)的電路部分，三相電動(dòng)機(jī)有三相繞組，通入三相對(duì)稱電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相繞組由三個(gè)彼此獨(dú)立的繞組組成，且每個(gè)繞組又由若干線圈連接而成。每個(gè)繞組即為一相，每個(gè)繞組在空間相差120電角度。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相電動(dòng)機(jī)多采用圓漆包線，大、中型三相電動(dòng)機(jī)的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。

43、定子三相繞組的六個(gè)出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U1, V1, W1 ，末端分別標(biāo)為U2, V2, W2 。這六個(gè)出線端在接線盒里的排列如圖3-3所示，可以接成星形或三角形。 （a）星形連接 （b）三角形連接 圖3-3 定子繞組的聯(lián)結(jié)2轉(zhuǎn)子部分（1）轉(zhuǎn)子鐵心 是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。（2）轉(zhuǎn)子繞組 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)與籠形異步電動(dòng)機(jī)。 繞線形繞組 與定子繞組一樣也是一個(gè)三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通

44、過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻或電動(dòng)勢以改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，見圖3-4。 1集電環(huán)；2電刷；3變阻器 圖3-4 繞線形轉(zhuǎn)子與外加變阻器的連接 籠形繞組 在轉(zhuǎn)子鐵心的每一個(gè)槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個(gè)銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導(dǎo)條連接起來，稱為銅排轉(zhuǎn)子，如圖3-5（a）所示。也可用鑄鋁的方法，把轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)風(fēng)扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖3-5（b）所示。100kW以下的異步電動(dòng)機(jī)一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。 （a）銅排轉(zhuǎn)子 （b）鑄鋁轉(zhuǎn)子 圖3-5 籠形轉(zhuǎn)子繞組3其他部分 其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護(hù)作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇則

45、用來通風(fēng)冷卻電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm1.5mm。氣隙太大，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場增強(qiáng)，從而使附加損耗增加以及使啟動(dòng)性能變差。32 三相交流電機(jī)工作原理 1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場 三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子之所以會(huì)旋轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，是因?yàn)檗D(zhuǎn)子氣隙內(nèi)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。下面來討論旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生。如圖3.6所示，U1U2, V1V2, W1W2為三相定子繞組，在空間彼此相隔120，接成Y形。三相繞組的首端U1, V1, W1接在三相對(duì)稱電源上，有三相對(duì)稱電流通過三相繞組。設(shè)電源的相序?yàn)閁, V, W, 的初相角為零，

46、如圖3-6波形圖所示。圖3.6 三相交流電流波形圖 設(shè) 為了分析方便，假設(shè)電流為正值時(shí)，在繞組中從始端流向末端，電流為負(fù)值時(shí)，在繞組中從末端流向首端。 當(dāng) 的瞬間， =0， 為負(fù)值， 為正值，根據(jù)”右手螺旋定則”，三相電流所產(chǎn)生的磁場疊加的結(jié)果，便形成一個(gè)合成磁場，如圖3-7（a）所示，可見此時(shí)的合成磁場是一對(duì)磁極（即二極），右邊是N極，左邊是S極。 圖3.7 兩極旋轉(zhuǎn)磁場示意圖 圖3-8空間120度 對(duì)稱分布的三相繞組通過三相對(duì)稱的交流電流時(shí)，產(chǎn)生的合成磁場為極對(duì)數(shù)p=1的空間旋轉(zhuǎn)磁場，每電源周期旋轉(zhuǎn)一周，即兩個(gè)極距；某相繞組中電流達(dá)到最大值時(shí)，磁極軸線恰好旋轉(zhuǎn)到該相繞組軸線上。 當(dāng) 時(shí)，即

47、經(jīng)過1/4周期后， 由零變成正的最大值， 仍為負(fù)值， 已變成負(fù)值，如圖3-8（b）所示，這時(shí)合成磁場的方位與 時(shí)相比，已按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過了90。 應(yīng)用同樣的方法，可以得出如下結(jié)論：當(dāng) 時(shí)，合成磁場就轉(zhuǎn)過了180，如圖3-8（c）所示；當(dāng) 時(shí)合成磁場方向旋轉(zhuǎn)了300，如圖3-8（d）所示；當(dāng) 時(shí)合成磁場旋轉(zhuǎn)了360，即轉(zhuǎn)1周，如圖3-8（a）所示。 由此可見，對(duì)稱三相電流 分別通入對(duì)稱三相繞組U1U2, V1V2, W1W2中所形成的合成磁場，是一個(gè)隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)磁場。 以上分析的是電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一對(duì)磁極時(shí)的情況，當(dāng)定子繞組連接形成的是兩對(duì)磁極時(shí)，運(yùn)用相同的方法可以分析出此時(shí)電流變化一個(gè)周期，磁場

48、只轉(zhuǎn)動(dòng)了半圈，即轉(zhuǎn)速減慢了一半。 由此類推，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有p對(duì)極時(shí)（即磁極數(shù)為2p），交流電每變化一個(gè)周期，其旋轉(zhuǎn)磁場就在空間轉(zhuǎn)動(dòng)1/p轉(zhuǎn)。因此，三相電動(dòng)機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場每分鐘的轉(zhuǎn)速n1、定子電流頻率f及磁極對(duì)數(shù)p之間的關(guān)系是 33 三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖3-9為三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理示意圖。 三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速 。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，且某時(shí)刻為上為北極N下為南極S，如圖3-10所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電動(dòng)勢和電流方向由里向外

49、，用表示；在下半部則由外向里，用表示。 圖3-9 三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理 圖3-10原理：定子旋轉(zhuǎn)磁場以速度n0切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電動(dòng)勢（發(fā)電機(jī)右手定則），在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中形成電流，使導(dǎo)體受電磁力作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n順n0方向旋轉(zhuǎn)（電動(dòng)機(jī)左手定則），并從軸上輸出一定大小的機(jī)械功率。(n不能等于n0)特點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)內(nèi)必須有一個(gè)以n0旋轉(zhuǎn)的磁場。實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的前提；電動(dòng)運(yùn)行時(shí)n恒不等于n0（異步）必要條件nn0； 建立轉(zhuǎn)矩的電流由感應(yīng)產(chǎn)生。流過電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力作用，力F的方向可用左手定則確定，如圖3-9所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上，對(duì)轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向

50、旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為n。三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終不會(huì)加速到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。因?yàn)橹挥羞@樣，轉(zhuǎn)繞組與旋轉(zhuǎn)磁場之間才會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中才能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見 ，且 ，是異步電動(dòng)機(jī)工作的必要條件，“異步”的名稱也由此而來。 轉(zhuǎn)差率 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 之差與同步轉(zhuǎn)速n1 之比稱為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s ， 即 , 轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)基本參數(shù)，對(duì)分析和計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及其機(jī)械特性有著重要的意義。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速n 同向。轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，n=0, ； 當(dāng) 時(shí)， ，可

51、知異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率的變化范圍總在0 和1 之間，即0 s 1 。 一般情況下，額定運(yùn)行時(shí)=1% 5% 。 主要系列 在三相電動(dòng)機(jī)的外殼上，釘有一塊牌子，叫銘牌。銘牌上注明這臺(tái)三相電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，是選擇、安裝、使用和修理（包括重繞組）三相電動(dòng)機(jī)的重要依據(jù)，銘牌的主要內(nèi)容如下。 1型號(hào) 國產(chǎn)中小型三相電動(dòng)機(jī)型號(hào)的系列為Y系列，是按國際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的三相異步電動(dòng)機(jī)，它是以電機(jī)中心高度為依據(jù)編制型號(hào)譜的，如 Y-200L2-6 異步電動(dòng)機(jī)中心高度200mm6極2號(hào)鐵心長機(jī)座（M中機(jī)座）（S短機(jī)座） 中、小型三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座號(hào)與定子鐵心外徑及中心高度的關(guān)系見表3

52、-11和表3-12。 表3-11 小型異步三相電動(dòng)機(jī)機(jī) 座 號(hào)123456789定子鐵心外徑（mm）120145167210245280327368423中心高度（mm）90100112132160180225250280 表3-12 中型異步三相電動(dòng)機(jī)機(jī) 座 號(hào)1112131415定子鐵心外徑（mm）560650740850990中心高度（mm）375450500560620 中、小型三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座號(hào)與定子鐵心外徑及中心高度的關(guān)系見表3-11和表3-12。 2額定功率 額定功率是指在滿載運(yùn)行時(shí)三相電動(dòng)機(jī)軸上所輸出的額定機(jī)械功率，用表示，以千瓦（kW）或瓦（W）為單位。3額定電壓 額定電

53、壓是指接到電動(dòng)機(jī)繞組上的線電壓，用UN表示。三相電動(dòng)機(jī)要求所接的電源電壓值的變動(dòng)一般不應(yīng)超過額定電壓的5%。電壓過高，電動(dòng)機(jī)容易燒毀；電壓過低，電動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)，即使啟動(dòng)后電動(dòng)機(jī)也可能帶不動(dòng)負(fù)載，容易燒壞。4額定電流 額定電流是指三相電動(dòng)機(jī)在額定電源電壓下，輸出額定功率時(shí)，流入定子繞組的線電流，用IN表示，以安（A）為單位。若超過額定電流過載運(yùn)行，三相電動(dòng)機(jī)就會(huì)過熱乃至燒毀。三相異步電動(dòng)機(jī)的額定功率與其他額定數(shù)據(jù)之間有如下關(guān)系式 式中 額定功率因數(shù) 額定效率5額定頻率 額定頻率是指電動(dòng)機(jī)所接的交流電源每秒鐘內(nèi)周期變化的次數(shù)，用fN表示。我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電源頻率為50Hz。6額定轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)速表示三相

54、電動(dòng)機(jī)在額定工作情況下運(yùn)行時(shí)每分鐘的轉(zhuǎn)速，用nN表示，一般是略小于對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速n1。如n1=1 500r/min，則nN =1 440r/min。 7絕緣等級(jí) 絕緣等級(jí)是指三相電動(dòng)機(jī)所采用的絕緣材料的耐熱能力，它表明三相電動(dòng)機(jī)允許的最高工作溫度。三相電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)和最高允許溫度參見表8.1。 8定額 定額是指三相電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即允許連續(xù)使用的時(shí)間，分為連續(xù)、短時(shí)、周期斷續(xù)三種。1）連續(xù) 連續(xù)工作狀態(tài)是指電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很長，電動(dòng)機(jī)的溫升可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫升的工作方式2）短時(shí) 短時(shí)工作狀態(tài)是指電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很短，使電動(dòng)機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升；停機(jī)時(shí)間很長，使

55、電動(dòng)機(jī)的溫升可以降到零的工作方式。（3）周期斷續(xù) 周期斷續(xù)工作狀態(tài)是指電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很短，使電動(dòng)機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升；停止時(shí)間也很短，使電動(dòng)機(jī)的溫升降不到零，工作周期小于10min的工作方式。 9接法 三相電動(dòng)機(jī)定子繞組的連接方法有星形（Y）和三角形（）兩種。定子繞組的連接只能按規(guī)定方法連接，不能任意改變接法，否則會(huì)損壞三相電動(dòng)機(jī)。 10防護(hù)等級(jí)防護(hù)等級(jí)表示三相電動(dòng)機(jī)外殼的防護(hù)等級(jí)，其中IP是防護(hù)等級(jí)標(biāo)志符號(hào)，其后面的兩位數(shù)字分別表示電機(jī)防固體和防水能力。數(shù)字越大，防護(hù)能力越強(qiáng)，如IP44中第一位數(shù)字“4”表示電機(jī)能防止直徑或厚度大于1毫米的固體進(jìn)入電機(jī)內(nèi)殼。第二位數(shù)字“4

56、”表示能承受任何方向的濺水。33 機(jī)械手電機(jī)的選用Y2系列三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀、噪音低、振動(dòng)小、絕緣等級(jí)高等特點(diǎn)，產(chǎn)品現(xiàn)已達(dá)到九十年代國際先進(jìn)水平，是Y系列電機(jī)的更新產(chǎn)品。外殼防護(hù)等級(jí)IP54，它具有良好的起動(dòng)性能和運(yùn)行性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維修方便等特點(diǎn)，電機(jī)采用E級(jí)或B級(jí)絕緣，外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，冷卻方式為ICO141，額定頻率為50Hz，額定電壓為380V。豎軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)承載整個(gè)機(jī)械手的所有負(fù)載，需要功率較大，而機(jī)械手主要用于生產(chǎn)線夾持較輕便物體，綜合考慮，豎軸選用Y2-63M2-2，功率250W，可滿足生產(chǎn)需要。 橫軸主要驅(qū)動(dòng)橫臂的左右運(yùn)動(dòng)，承載重量較小，選用Y2

57、-63M1-2，功率180W，即可滿足生產(chǎn)需要。電動(dòng)機(jī)3主要用來控制機(jī)械手抓的加緊和放松，所承載負(fù)載最小，因此可選用Y2-63M1-4，功率120W。第四章 變頻器變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20

58、世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWMVVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應(yīng)用。 4.1變頻器的構(gòu)成異步電動(dòng)機(jī)用變頻器調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO做逆變元件）給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電源及頻率，由控制回路指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對(duì)于需要精密速度或快速響應(yīng)的場合，運(yùn)

59、算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測出來的信號(hào)和保護(hù)電路信號(hào)，即防止因變頻器主電路的過電壓，過電流引起的損壞外就，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等。圖4-1 變頻器的構(gòu)成 圖4-2 典型的電壓型逆變器一例主電路給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)速調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖4-2示出了典型的電壓逆變器的例子，其住電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，有時(shí)需附加“制動(dòng)回路”。 1整流器 最近大量使用的是二極管的變流器，如圖4-2所示，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。2平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波電路。3逆變器同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，根據(jù)PWM控