类PLC的理念及其在工业控制系统中的应用

1、类 PLC的理念及其在工业控制系统中的应用摘要通过对可编程序控制器 (PLC)的概念和特征 ( 可编程逻辑控制器 ) 和嵌入式系统的概念的分析 , 并在此基础上 , 提出一种准 -PLC 相结合的优势 , 可编程控制器 (PLC) 与嵌入式系统。准， PLC和架构一顶向下的设计与协作，软件和拟 - PLC的嵌入式控制系统的硬件设计方法进行了研究，然后。最后，设置大型工业阀门控制系统为例， 对类 PLC及相关技术的概念被用于工业阀门控制系统， 并得到满意的应用效果，这就证明了准概念的合理性， PLC及相关技术。关键词 - 类 PLC，控制系统，嵌入式系统。1 简介PLC是一种广泛使用的通用控制器

2、的一种具有良好的适应性和易于写控制逻辑程序，而且目前工业领域对它有很多的关注。嵌入式系统具有为对象， 定制的应用等嵌入式控制系统中嵌入的特点是在工业控制领域的嵌入式技术的应用， 它是一个迅速发展的控制系统。为了结合 PLC和嵌入式系统的突出优势，并确保它是更方便地使用在工业控制领域的嵌入式系统，一些机构和企业正在做的理论和实践研究，其中嵌入式PLC的概念， PLC等，但没有考虑到在同一时间，嵌入式系统和 PLC技术的优势。嵌入式 PLC技术主要指的嵌入式系统的本质。 虽然软 PLC技术具有易编程的特点，它不考虑对控制应用共性，它仍然需要定制不同的应用系统。在本论文中，我们提出了类 PLC控制系

3、统的概念基于嵌入式首次系统技术，结合了 PLC和嵌入式的同时完美的系统。 类 PLC提供解决问题的控制一种具有的共同要求，也提供了一个为嵌入式系统在工业控制领域的实际应用方法。 本文就类 PLC及其在工业控制中的应用， 本文分为五个主要部分。 第一节简要介绍， 第二节， PLC的特点和嵌入式系统的调查。第三节提出来的概念和类 PLC的结构，并介绍了关于准基于 PLC系统的开发流程。 在第四节，设置为例大型阀门控制系统，阐述了一个类 PLC在工业阀门控制系统的应用。最后一节是对本文的总结。2 关于 PLC及嵌入式系统2.1 概念与 PLC的特点可编程序控制器 (PLC)是设计用来代替继电器逻辑控

4、制系统。 目前，PLC具有运行到可编程控制器， 不仅具有逻辑控制功能， 而且还过程控制， 数据处理和通讯等，这是一个特殊的专为工业控制应用工业控制计算机， 它已成为一个主要和标准控制设备逐渐。我们简要总结 PLC的优点如下：（1）完善的功能和强大的控制能力。（2）高可靠，抗干扰。（3）轻松写入控制代码。（4）标准化和模块化。但也暴露了一些 PLC技术在同一时间问题，分列如下：（1）之间的冗余和资源不足的矛盾。（2）它不能使产品个性化的发展。12.2嵌入式系统的概念及特征嵌入式系统是计算机技术为基础，软件和硬件可削减，使其可行，以适应不同的应用系统在另一个角度， 它是一种特殊的计算机系统， 具有

5、可靠性，成本低，尺寸和功耗严格要求的消耗。这是对技术的发展，如计算机，半导体，通讯，电子，自动化控制，相结合的产物。嵌入式系统已广泛地应用于计算机网络， 通讯，消费电子产品，工业控制领域，医疗器械，航空航天，国防工业领域，等等。嵌入式系统的特点如下：（1）嵌入。（2）特别制度。（3）扩展接口。但是，仍然有在控制领域的嵌入式应用系统的困难。这些问题包括：（ 1）嵌入式控制系统的设计问题。（2）嵌入式控制系统的可靠性问题。（3）嵌入式控制系统的兼容性问题。3 类 PLC控制系统的研究3.1 类 PLC的概念 .结合 PLC的优势和嵌入式系统的类 PLC的概念。类 PLC的嵌入式控制系统是基于传统的

6、嵌入式系统技术为基础。 在准嵌入式控制系统的 PLC开发过程中，要定制的硬件， 并生成控制代码很容易， 根据一个特殊的控制问题， 并最终形成一个嵌入式控制系统的快速。一般来说，嵌入式控制系统设计，以适应给定的控制对象， PLC是一种最常见的控制系统控制对象，而类 PLC是一种嵌入式系统和 PLC，它设计一个共同的控制系统集中妥协一种控制对象。解决控制目标的一类问题中，类 PLC的预期实现的目标如下：（1）应符合实际环境，如大小，形状，工作条件，可靠性等（2）除了满足基本需要的功能，硬件和软件应该拥有一个简单的架构，并没有突出的冗余资源，是高度集成的。（3）它很容易编写控制代码，专业知识是没有必

7、要的电气工程师，操作控制系统。（4）它是灵活方便，就像使用的 PLC。（5）在一个特殊的范围，它可以代替 PLC，并具有与 PLC类似的电气性能。（6）应针锋相对当前工业标准和技术标准，并提供标准的设备互连。（7）要消耗较低的成本设计和实施，可以去开发和未来的更新容易。3.2类 PLC控制系统的体系结构类 PLC要求控制代码可以被改变 , 以适应一种应用 , 使它容易构造是不同的嵌入式系统。图 1 显示控制系统的体系结构类 PLC。正如您在体系结构图所示，我们可以选择或定制的嵌入式 CPU，它可以较低的 8 位 CPU，或者更高的 32 位 CPU，或者特殊的 DSP。输入和输出类 PLC接口

8、的设计还根据控制应用程序，这也被削减。的接口类型，端口，接口电路，电性能数字，和连接线必须加以考虑。2由于拟在 PLC的解决除了要满足的基本要求之一的控制问题， 它有一种类似的功能要求，目标，所设计的类 PLC的冗余解决了资源问题，使系统结构优化。3.3类 PLC控制系统开发步骤类 PLC技术的关键是前景的技术， 而最重要的问题是类 PLC控制系统的设计。嵌入式系统的设计基本上是一项复杂的工程。 开发一种有效的设计方法是关键问题。在谈到自顶向下设计的嵌入式系统的方法， 我们提出一个自上而下的设计与协作软件及嵌入式控制系统的硬件设计方法。 在实际类 PLC的嵌入式控制系统设计中，我们改变和调整了

9、一些步骤。 图 2 给出了一个类 PLC控制系统的开发流程。3.4控制类 PLC控制系统的代码开发传统的嵌入式系统有一个固定的目的，功能和程序也不变。类 PLC的内核是一个嵌入式系统，如果设计类 PLC控制系统具有在系统可编程（ ISP）的能力，那么它可以轻松地改变控制代码程序。 有几种方法和技术， 以实现不断变化的控制代码程序的功能。 一个经常的做法是， 我们定义了一个先进的程序语言或使用图形模式，如梯形图和状态图。 基于先进的语言或图表表达， 电气工程师可以实现自己的控制算法。该技术还可用于 PLC和人机界面领域。嵌入式操作系统具有切割启用， 这基本上是一个固定的基本纲领和多变的方案组成部

10、分的一般特征。 在某种程度上， 我们可以说， 类 PLC控制系统和嵌入式操作系统具有相同的要求。谈到源编码流行的， RTC的微小，智能实时操作系统等的原则，我们提出了一个类 PLC程序生成计划。控制程序代码分为两部分，一部分是程序的数据，另一部分是程序算法。包含程序数据等， 而固定的程序算法结构方案，特别控制算法， 包括方案的基本子集等逻辑数据，变量，物质资源，系统常数，通信缓冲区。程序数据和程序算法聚合在一起形成了完整的控制程序代码。4应用准在工业控制中的PLC类 PLC的概念和相关技术已成功应用于大规模的工业阀门控制系统。阀门的用途和工作环境可能有所不同， 根据不同的工程要求， 控制方式，

11、 功能和性能可能也各不相同，导致设计为每个个案的特殊控制系统的必然。大比例阀可分为三大类， 它们是电动蝶阀， 液压蝶阀和电动流量阀。 传统的控制方法是，继电器控制系统是简单的情况和 PLC控制系统中的应用是在复杂的局面。随着自动化技术，网络技术，嵌入式系统，阀门控制系统具有巨大的挑战面前，阀门控制系统和现代化的发展， 必须有这样的特殊功能和特殊的表演个性特征。目前，一些传统的 PLC和扩展模块组装在一起，实现了个性特征，但这种方式，控制系统包含独立的知识少， 成本高得多， 而且对产品的市场竞争力直接影响。现在，我们可以用一个更好的解决办法准的 PLC，而不是传统的 PLC控制系统。控制系统的要

12、求除了在第三节的规定，基于类PLC的阀门控制系统必须满足以下要求：（1）支持常见的工业总线协议在阀门控制领域中使用，如 Modbus协议，控制系统等，都必须是透明和开放的外部世界， 而且必须提供连接到标准的人机界面，数码相机和 PLC。3（2）提供技术支持，应用层，如地点 / 远程调试，远程监控和故障诊断，设计报告，手工管理，等等。控制系统开发技术框架图 3 表明了控制系统的开发技术框架。 正如你在图中看到，我们可以清楚地知道，开发步骤和技术，我们的应用。在图 3 的上半部分是支持技术的应用平台，下部分是应用程序。所需的硬件，我们分析有三个阀门类型调查，我们发现，无论电动蝶阀，液压或电动蝶阀，

13、 流量阀，它们具有类似的硬件资源需求，只有在波动范围内不同的资源输入和输出端口， 差异数量非常少。 我们考虑了约三阀门类型， 主要研究了开关输入端口数，开关量输出端口，模拟输入端口，模拟输出端口，相序检测端口和通讯端口，那么我们得到的端口数，准机时，必须所拥有。现在，让我们以身作则交换机输入端口， 电动蝶阀需要 12-18 交换机输入端口， 以及电动流量阀需要 15-18 交换机输入端口，以及液压蝶阀人数 16-19 所以，在设计准的 PLC，我们设置 20-24 开关输入端口。 这样，类 PLC可适应三种类型的阀门的需求， 我们只需要一个类 PLC的嵌入式控制系统的一种适合他们。四控制系统硬

14、件我们的架构在第三节中描述的基础上，我们开发了一种特殊的准嵌入式阀的PLC控制系统。其硬件包括一个核心和一些外部接口电路。有没有特殊要求， 在计算能力方面，我们只考虑架构，资源和微控制器的价格。类PLC控制系统的硬件，我们设计采用 Silicon Laboratories的 C8051F02X。5 结论类 PLC是一种嵌入式系统和 PLC，结合 PLC的特点和嵌入式系统的妥协。本文研究的概念， 体系结构和类 PLC控制系统，然后设计并实现准阀的 PLC控制系统，包括硬件和软件的开发步骤。 所设计的控制系统现在测试湖北洪城通用机械股份有限公司 （HBHC），并在该公司的电气工程师们可以轻松地设计

15、一个阀门控制系统，写自己的控制算法，控制系统具有个人特色，可以代替在公司，这也证明了准当前 PLC可编程控制器技术的合理性。鸣谢这项工作主要是支持国家自然科学基金中国（批准号： 50675166，50335020）和重大国际合作与交流国家自然科学基金中国项目（批准号： 50620130441）计划。作者在此感谢他们的贡献， 也感谢湖北洪城通用机械有限公司支持与合作， 。在这几个文件工作已申请中国专利和软件著作权。参考文献1 XuCheng, “Research on Related Theories and Applicationof EmbeddedSysteminElectro-mecha

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21、机是气动步进电机的新类型。 离散位移定向旋转运动是通过连续加压电机的三个端口。 脉冲产生的压力波通过远程气动分配的。 电机组件包括一个电机，减速机，在一个紧凑的，中心孔建设和增量位置编码器。一个特殊的电子驱动器是用来控制电动步，进索引和标准的新电机运动控制卡。电机接受开环步操作和用传感器反馈的闭环控制。 一个特殊的控制功能的实施适应了经典控制算法的新电机， 并进行了实验验证。 在与之间的分配和气动软管长度电机的电机降低的速度性能。 实验结果被提出来揭示这个问题， 并设置期望的水平。尽管如此，容易控制的步进达不到像其他气动马达精确的运动。 电机的设计要与磁共振成像的医疗设备兼容， 能驱动医用图像

22、引导介入的机器人。 出于这个原因，马达是完全由非磁性和电介质材料构成，如塑料，陶瓷和橡胶。编码是用光纤，从而使电机用电自由， 专门使用的压力和光。 气动步进电机很容易适用于其他气动或液压精密运动应用。关键词：图像引导介入，磁共振成像（ MRI）的兼容性，医疗机器人，气动液压马达，步进电机，步进。1 导言气动执行机构是常用的工业和商业应用的装置，其成本低，体积小，高功率重量比，可靠性和低维护。在许多情况下，这些特点使它的电驱动好，特别是当气源是现成的。 气动执行器的作用主要限制，旋转或直线， 一直是他们在运动控制精度降低 1 。这主要是由于空气的可压缩性和摩擦，在阀和驱动器之间，它使泵行致动器动

23、力系统的高度非线性。新型硬件和气动伺服控制解决方案已经被提出来，并且解决这些问题， 令人印象深刻的成果已达到有效控制和调速。然而，这些复杂的解决方案需要特殊看待，所以大部分的实际应用仍然有限。另外，本文提出了一种新的方案，这在某些应用，可能没有运用气动步进电机，伺服的问题。例如，蒸汽机操作的蒸汽压力，运动可以把每个活塞的行程量化。事实上，一些气动马达的设计。例如，英国公司生产的三缸气动电机系列就配有控制曲轴。曲柄是回转式空气分配器， 它将上下的空气供应给三个汽缸。 最近，该公司增加了编码接近传感器的气缸盖， 活塞。尽管他们声称， 步进电机不会因为它们内部的空气换向需要连续电源供电， 从而比直流

24、电动机好。 电机不能接受和保持一个步骤命令。气动步进电机是四个实验研究的结果。 我们还报告了液压步进马达数6其他版本。这些版本之一，“谐波电机”有点类似早期气动马达，更适用于20世纪 80 年代工业造纸厂。谐波电机采用流体动力，在共同变形的地方机械波发生器的谐波传动弯曲的样条。另一个版本，我们以前的报道，“行星运动”，是这里的气动步进电机设计最新的前兆。这一发展为医疗应用创建的一个机器人，可以精确地在封闭空间运作，承担高强度的核磁共振成像（ MRI）设备。这条件下的范围内进行磁共振成像扫描仪的远程控制。该系统的诊断和治疗潜力非常重要， 因为核磁共振成像是软组织的首选方法。该图像提供了操作机器人

25、的路线图。 例如，要在肿瘤中心插入一根针。今天，活检程序通常与随机抽样方法进行。机器人的使用能减少假阴性采样率。电机驱动与气动步进电机机器人已经完成，现在正在评估。创建磁共振机器人是一个非常具有挑战性的工程任务。 磁共振成像扫描仪使用的是非常高密度的磁场， 脉冲磁场和无线电频率场。 创建被动的核磁共振仪器干涉及与非磁性， 并精心挑选最好的材料。 在使用仪器的情况下， 确保磁共振兼容性是一个更艰巨的任务， 因为，在所涉及的驱动和传感不应干预成像功能的能量。通常采用电磁马达的机器人是与原则相抵触。 在机器人研究领域一致利用超声波（压电）电机。这些都是自由的磁性，但仍然存在导电元件和用电创造的图像失

26、真，如果操作距离小于 0.5 米的图像中心。 气动执行机构是一个完美的选择从根本上磁共振兼容性。 已经在手持式气动钻机类仪器和机器人末端执行器设计测试，但还不能精确控制在运动。我们所有的气动步进电机原型是完全兼容的 MRI（磁共振成像半透明，医学上安全，准确），使用的磁性和电介质材料中，采用光纤编码空气压力的议案。在其他应用中， 电机可以增加机械金属部件的性能和耐用性， 且有可能是实行了较高的转矩 / 体积比液压操作。2 电机运动学该气动步进电机发明是基于简单的理论，气缸内的活塞运动总是准确。这可以通过简单的加压气缸， 比定位更容易在与控制行程中的活塞。步进电机的设计陆续收集在一个旋转运动的小

27、端至端的议案。一个步骤是由一结束行程的议案。一个新的运动原则是用于诱导步进电机（齿轮下来）与相同的机制。基本电机转动，但集成减速机可用于各种步长，任旋转或线性输出。电机的运动图如图 1。电机平面图（ xy ），原理图显示了等轴测视图的外部零件。电机是由三个膜片气缸的 D1，D2和 D3 和接地基地。这是径向同样会一轴，这是该机制的中心轴间距。 高压气瓶是通过其端口， 膜片上的压力作用。 这是连7接到一个内部齿轮， 通过连接外部链接， 。齿轮是支持与连杆三个相等的平行四边形曲柄机制的 C1，C2 和 C3。曲柄也径向放置大约在同一中轴线上，同样间隔之间的隔膜。该基本的曲柄轴承和曲轴轴承接地支持连

28、杆。内部齿轮啮合中央。运动示意图 PneuStep 电机。其接地装置持续在中轴轴承。对上面介绍的几个部件，形成一个严格的零件 / 装配，命名为“箍齿轮”。这是内部齿轮， 三连杆。箍齿轮连接到曲柄的 C1，C2 和补体 C3 形成了平行四边形的机制： C1至 C2的， C2 - C3 的，和 C3 - C1 的。这种支持机制，限制了平移圆（ TC）的轨迹箍齿轮。箍齿轮不旋转，但它在一个圆形的路径转换，在任意一个圆。箍齿轮设在电机的 D1，D2和 D3，这下压力迫使箍齿轮远离各自的汽缸。该 3p 的机制确保三曲柄具有相同的旋转和共同的三个隔膜的议案。曲柄转动的方向，先后收集加压横膈膜 c。因为在一

29、个圆箍齿轮转换，它的齿轮进来，走出与齿轮的接触，导致它在相反方向旋转（ g）赋予电机总成的旋转输出。它与呼拉圈玩具的运动相似。在功能上，气动步进电机机制提供了两个部分组成：电机和减速机。电机是由气缸膜片代表 D1至 D3 的，曲柄的 C1 - C3 和箍齿轮。该曲柄旋转运动产生是由隔膜在中央圆柱齿轮运动， 所以对电机本身输出的是曲柄。 在同一时间， 曲柄的 C1 - C3 ，箍齿轮，正齿轮和可分别作为传输。如果应用到旋转运动，旋转时齿轮一一对应。这些组件充当减速机。这种部件的分类表明，曲柄和箍齿轮组件设计中发挥作用，无论是在双马达以及减速机。为此，作为设计的机制功能，其减速机是不可拆分的，这是

30、经典齿轮设计的案例。真正起作用的是 3p 的机制的一部分。 一个单平行四边形机构 （1P）P 机制也就没有了牵引力控制系统 ( 运动 ) 。然而 , 典型的 3P 机制消除 1P 奇异位置的机制。这些发生在曲柄和连杆是对齐的。 对于一个 3P 机制 , 同时对齐可能永远不会发生 ,使它奇异性自由的。步进顺序是通过加压的隔膜控制。方向由下给出的序列，即顺序是， - Z 表示的 D1- D2-D3轮作和 + Z 表示的 D1- D3 的- D2 的轮作。电机步长为 120 曲轴旋转 ?。常见的半步操作步骤给出了一个双重的尺寸缩小， 同时提高运动性能。 至于电动踏步机，这项措施大大降低了故障的共振问

31、题步进电机负载的动态系统是众所周知有经验的速度。半步是通过交替一个D1- D1D2- D2 型 D2D3-D3- D3D1序列。单，双相位操作。电机曲轴产量六步 / 转。齿轮传动比和电机步长：对比赛议案的半径给出了（图 2）等于曲柄偏心距e。齿轮轧制条件8PDh - PDg =2e (1)其中的 PDH和 PDG是在外直径和圆柱齿轮，分别。数的箍和齿轮（ZG的）齿轮涉及同一齿轮模数M为该减速机的传动比可以表示为这表明，传动比可高达ZG。该减速机降低了电机的步t 倍大小。3 电机设计实现电机的设计与中央两等距截面如图 3。这个数字标识的运动图，并精确定位的其他构成的组件中的元素。 这个电机使用了

32、一个圆柱状组织，由一个盖关闭。隔膜气缸 D1至 D3的内部建成。 隔膜固定环和汽缸盖的线程。 隔膜的正面是连接到箍齿轮垫圈之间的两个螺丝。 注意，垫圈用于减少摩擦， 允许其在车身装配齿轮大小。箍齿轮是支持的三个三个相同偏心曲柄形式建造的 C1 - C3 。每个部分包括一个曲柄 （偏心孔与圆柱状） ，一轴，一套管，四轴承。支持由齿轮，轴承两侧。压实度，这些轴承环是建立在外形和盖部分，聚四氟乙烯球。提出了一个内螺纹齿轮从事螺丝部分， 如果电机需要译码输出。 轴套，轧辊，支持螺旋轴包括： （呈现相反的方向扁脸，三个或四个面可取的，如果空间允许的话）。带旋转输出，中心孔是为驱动传递方便，通过负载的轴。

33、在电机的运动学重要的发现是， 该运动电动机就是运动学的横膈膜的运动不是直线。因此，中央部分的隔膜描述圆周运动。 这种不寻常的轨迹需要考虑特殊设计和制造的因素， 以防止过早磨损和撕裂隔膜， 保持固定的占空比。 该隔膜横向位移，直接关系到曲柄，应仔细与其他设计参数协调重心。其次，设计也应允许其有足够的空间，侧膜片间隙，以便它可以自由行动而不拉伸和楔入。 我们建议使用了固定的隔膜薄， 其汽缸用尼龙面硫化硅橡胶涂层织物制成。保持外侧涂层与侧壁减少摩擦。我们也观察到了隔膜面料织造方向。 横向的条纹更好， 显着影响其寿命。 面料是方向是织造伸展在角线方向。 出于这个原因， 面料应选择具有较高的对角线的延展

34、性，以及隔膜组装， 以便其延展的方向是横向位移方向一致。 隔膜刚度创建制动力矩（非加压所需的旋转力矩马达），这是不可取的。对于磁共振兼容性，电动机，构建了表一所列的材料9建造了两个电机大小（图4）70 毫米× 20 毫米× 25 mm外形尺寸，并与八五毫米× 30 毫米× 30mm外直径较大的一个， 内孔，和宽度分别。 较大的模型前总监 =三七毫米，深航 = ZG的 2 和 6 毫米 / 转与四场螺距。电机的步长为3.33 造成?（角）和 0.055 毫米（线性）。电机设计具有的问题是要尽量减少，同时消除齿轮之间的步长齿轮的干扰。小步骤需要与（ 3）几乎

35、相等的多齿齿轮。这将构成一个在该部位的齿轮。与它不接触的就不会受到干扰。通常，这是调节较大的角度，齿廓接触或修改。后者是其首选的径向力较低。一个有趣的现象是，在这些条件下，齿轮的“粘性“，这意味着他们可能无法撤出参与了在径向方向。图 3 显示，齿轮的大小如图 4。两个马达原型大小。这其实有两层含义。首先，大的会进行轴向。更有趣的是，这表明汽车的设计可能没有 3p 的曲柄机制，但输出将成为通过横膈膜的灵活性要求。这是用在我们前面的行星运动，没有 3P 和扭转，构成气动步进电机。4 气动分配器电机的三个端口连接到一个气动换向分配器产生的压力波。实施了两种类型：机械和电子气动旋转式分配器：机器的设计

36、如图5。提出三个等距 P1 - P3 的 36 径向端口。压力P 和 R分别返回耦合通过定子。转子是安装在轴承和连接到电动机轴上的位置。转子构造以产生6 个压力循环 / 转。之间的设计提出了转子和定子漏气问题。 这可能是解决通过精确制造的部件， 使空气的差距是最小的。我们构建了后者，因为它是无摩擦，但生产是困难的。出于这个原因，提出了下一步的电子方法的可取性。然而，旋转分配器是非常直接的使用， 并可能在特殊情况下的简单实现远程驱动。远程驱动是通过简单地连接电机和分配器的端口。这甚至可能会使用人工输入。与 1:1 的运行转换率和扭矩放大电力，自由机制的实施使得泵转子与电动机曲柄。由旋转式分配器齿

37、轮驱动机制的 3p 的运动。为了清晰 , 马达帽 , 正齿轮 , 和几个轴承已经被移除。2）电子分配器：分配器构建了一个气动电动阀门用三流形上安装。该阀为常闭，三通，二位直动式电磁阀。激活时，就可以加压，排气。一设计了一种特殊的电子驱动马达控制步进电机新标准和运动控制索引卡片。 新的发动机。电机定向周期运动中所需顺序的六步阀启动， 由索引器的步骤和方向信号控制。 在图7 实现了一个 6- B 的它旋转 registerU2- U3 的（通用移位寄存器）由在时钟信号的输入方向迈出的一步。 U1 的逻辑门，然后用它的状态转变为所需的蛋白 D1-D1D2- D2 型 D2D3和 D3- D3D1 序

38、列，它的命令的阀门固态继电器 U9- U11 的。10预设的逻辑和方向是实现由单稳态U6 启动，城门 U4的， U5A，和 U7。触发器施密特电路（ U8的， U6 的含税）降低噪声对输入信号的灵敏度。在三种类型的阀门测试， 我们发现快动阀 NVKF334V，由 SMC公司（麦克马斯特 61975K7）5D 条是我们的应用程序最好在一个均衡的响应时间 / 空气流通能力方面。这是一个 24 伏。最大限度的循环 , 但不是额定频率比阀门额定 50 赫兹实验装置 , 这个阀门 , 是非常可靠的。该阀（ fmax 为 赫兹 ）的最大循环频率使电机的速度第一个限制。换用的测序（全步或半步）独立，是一个阀

39、门，每一次循环曲柄转向。因此，最大步进频率（ Vmax值）和输出齿轮（ g）的最高速度在我们的原型，这些最大值为 300 步 / 秒， 166.6 转速旋转输出，以及 16.6 毫米 / s 的线性关系。然而，电子分配器是在大多数应用中更可取，因为它使用现成的组件，更简单。使用较少的运动部件，不漏步，并优于旋转分配器。电子实现还允许动态改变相位波重叠的减刑。 这是一个新的研究课题， 优化了半步压力周期的时间， 以达到最大扭矩转速在连续高速运动性能。 相较于电动踏步机， 具有时滞和空气压缩气压处理。 因此，一个动态气动机械系统的详细研究， 可能会导致电机的表现有所改善。5 光学编码光学编码，监视

40、或控制其电机的运动。为了与磁共振环境相容性，我们采用光纤编码，以便所有的电气元件位置偏远，保持电机自由运行。为简单起见，现有齿轮电机的部分也可用于传统编码器轮的地方。两个光纤电路设置，以便齿轮，在其运动，光束产生周期性的中断他们的正交编码信号。图6 显示了一个节的B- B 图特写镜头的看法。根据这种观点，已曲柄旋转（ c= 45?），使纤维完 41，42 成为可见。这些目标的光纤与同轴对准匹配完箍上的齿轮（在第 15 个固定部分）的对面。对盖两侧的纤维卷曲返回（通孔 26），使光纤连接 27（图 3）是在电机位于同一侧。要获得正交信号，现已存放在半径 90 ?除了从曲柄轴其中 RR是在曲轴轴承

41、（图6）在篮筐齿轮零件半径。11这方面的一个建设性的简化的缺点是每圈四编码器计数值大于曲柄半步骤6号，这增加了在闭环控制电机的有效措施降低大小。对完全匹配的六个步骤 , 实现了一种基于三个标志点电机车轮装在代码的曲柄和使用同样位于光纤。 这又增加了一个简单的部分 , 但提高了性能。两端的纤维被连接到两个 D10专家光纤传感器的旗帜的工程技术公司 , 每个光纤电路。这些传感器的数字量输出连接到 A 和 B 编码器的运动控制卡的渠道。6 开环运动试验电机的输出轴是连接到一个动态扭矩测量立场。电机是连接1 / 8的总代理=3.175 mm内径软管。实验是在各种压力和长度都和软管分配器。在图8 描述与

42、各种压力等级， 用 3 米长的软管与速度的旋转式分配器输出扭矩曲线图。这些图表显示出扭矩能力与速度的严重恶化。 该低通滤波器的作用是给予的动态和被压缩的空气脉冲通过快线， 阻尼压力波。这是显着影响的软管， 应尽可能减少长度。另外，空气阀可以试行使用，或其他方式图 9。电机与（ a）与回转泵软管长度失速速度（ b）提供电子泵和 7 米软管的压力。用尽单独的电路上的空气无法实施。目前的解决方案被选定为它的简单和的MRI环境的限制。每个组合的压力：软管长度：泵提出了一个特征速度高于该电机档位，当膜片上的压力作用下有效的马达内部摩擦水平下降。图9 （a）显示了对与旋转失速速度分配器软管长度的依赖。电机

43、的功率也是这些参数的功能，性能指标达到了37瓦特开环运动试验，以确定加强准确性。这些表明无漂移和定位错误，因为任何步进电机。步长的误差 99区间为± 0.84 的角步（ 3.333 ?）。与分配器进行电子控制阀实验显示增加的速度扭矩性能。图 9（ b）显示了 7 米的软管电机失速速度。这种提高可能被解释为更快的阀门打开时间， 这是加强让更多的空气波传播时间与频率无关。7 闭回路控制与试验在上述所提到的气动步进电机电机转速扭矩行为要求在贯彻落实电机，当闭环控制操作所需的特别重视。 就像任何一个步进电机， 当气动步进电机过载， 并跳过步骤。尽管运动的转矩下降时恢复， 失去的步骤不可能恢复

44、， 除非编码器使用。内置的光学编码器可被用来作为开环控制编码器， 或提供闭环反馈。 在这两种情况下，与气动步进电机电机， 增加扭矩是通过降低速度。 这种过程需要在控制器执行。12通用步进运动控制使用与各种前馈条件和饱和度的 PID 算法，来计算步进频率和方向上的编码器反馈的基础。 当磨蹭，这些命令更高步进电机频率赶上所需的运动。对于气动步进电机这是不合适的， 因为频率增加导致扭矩下降。 为了克服这个问题，我们推出了特殊的频率饱和函数其中饱和度 S是有限的 smin ，smax区间设置低于电机失速速度 图 9（ b） ，系数 kmin 和 kmax的实验设置， · vmin ，的Vma

45、x是一个错误的过渡区间其中 vd,va, 和 v是理想数据，实际上，在编码器的速度和错误的空间，分别为。在齿轮编码器情况下 6 / 4 转换因子是用于编码器和电机之间的步骤。随着三关口代码轮，这是 6 /12 。在正常操作中，保持了饱和函数下面smax命令的频率。当显着的速度检测到错误（°V 型>的Vmax），饱和度正逐步降低获得扭矩。当情况已经克服（°V 型<vmin ），饱和度是逐步恢复。算法应该被调整到只激活转矩超载时的情况。 类似的饱和功能适用于任何类型的选择主要控制其行为以适应新的发动机的特殊性。 测试是一个偏心重锤连接到电机轴和衡量一个额外的编码器与

46、轴（）旋转。电机是匀速完成从最低位置的偏移重心（ =0?）（ 125?/ s ）的启动和停下来休息的常加速度（125?/ S2 ）的完全旋转。在图图。10个地块中的轴与五个实验时的情况。对于低扭矩值， 开环，定期和修改 PID 控制具有相同的性能（图一）。在较高的扭矩， PID 控制器不能完成整个旋转周期 （图B），但修改后的 PID 控制（图 C）恢复并完成降低的速度和增加扭矩的怪圈。步骤错误也进行测试与修改后的 PID 控制。正如预期的那样，这些都与开环实验类似的结果。步长的 99置信区间为 5?±0.028 和（四数编码器使用）。8 磁共振兼容的机器人应用气动步进电机被用来驱动

47、马达的第一个完全兼容的 MRI机器人。此前有报道MRI检查机器人有限的兼容性，主要是由于其压电驱动。这个机器人是专为磁共振直接指导下进行了会阴前列腺穿刺访问。 它的第一个应用是腔内。该机器人的位置旁边的桌子上病人的 MRI，如图所示。 11 。 气动步进电机性能匹配的低速临床应用“（ <20 毫米 / 秒），高准确度”（ <0.5 毫米）的要求，最重要的是安全。步进比伺服气动驱动更安全，因为在故障情况下13它可能只移位。打破气动步进电机软管，例如，可能不放松的机制，可能危害病人。使用与非金属材料建成一个高比例减速机高速气动电机方案可能工作的 MRI 机器人应用。然而，精密伺服气动控

48、制长软管和非金属部件的自定义仍然是具有挑战性的建设。因此，我们选择新创建的电机，更适合用于其方便性，可靠性和安全性的应用。该机器人控制从一个到7 米的空中和光纤进行远程软管位于内阁。该机器人是完全无磁性和电介质。 热像仪进行兼容性测试表明， 该机器人在 MRI和不干预的成像功能，在运动或静止。事实上，机器人是多成像仪兼容，因为它与所有的医学影像设备（ MRI检查给出了最严格的约束）其他类型兼容。运动测试表明，机器人的重复定位平均值与一个0.035 毫米标准偏差， 这是一个 “塑料” 机器人令人印象深刻的0.076 毫米。该气动步进电机电机也是在7 - T 的测试，核磁共振成像扫描仪（典型扫描仪

49、上升到3 吨），也没有问题，在运作上遇到的问题。目前正在进行动物实验。9 讨论新发动机的主要优点是它在精确运动控制简便。 这是通过使用步进电机的原理。像电动马达，步进是指挥的脉冲（在气动步进电机情况下气压）。压力等级比例的模拟控制并不是必需的。电机采用相同的步骤，如果用 10 或 100 psi 的压力。速度和扭矩会有所不同（如图所示的。例如图 8），但步骤都是相同的，压力（在一定限度内）无关。电机的机械性能允许其在驱动图像引导介入机器人和其他非医疗低速高精度应用。提高性能，预计会出现与动态优化设计，但主要限速因子，这是空气波脉冲，在概念上绑定到这个运动。 对于较长距离的信号放大器也可以考虑，

50、 但气动步进电机通常适用于短线。液压马达驱动，是更高的扭矩适用，但不得雇用破译了低通滤波器的长软管的问题。即使不可压缩，对脉冲液体量较高的质量收率较高的动态效果，空化，和气泡。虽然电动步进电机运动控制不能很好的适应伺服系统，步进电机仍然有几个简单的优点。对于气动，而且，伺服驱动仍存在重大的挑战与响应时间，误差和不稳定。不像伺服系统，气动控制步进可以轻松实现精确的运动。此外，在某些应用中很重要的是步进的故障安全行为，防止电机无意中失调。 共振是从来没有在实验中发现，但合理的怀疑，它可能发生在特定的速度惯性负载，即使在开环。由于电动马达，使用了一半一步的技术几乎完全避免了共振的。14如同步进电机，

51、气动步进电机的缺点是离散的定位，但集成减速机的交易速度允许步长的大小代替。切换到微控制（比例加压横膈膜）可为更好定点监管。再次，气动步进电机可能只会一定阶级的应用。10 结论本文提出了一种新的电机， 填补了步进电机的设计引入了简单和精确的低速气动驱动的差距。其新颖性，是在运动的原则，这涉及到多功能 3p 的机制。特别分配器，电子驱动器， 光学编码， 并介绍了简单的控制的修改是在运动中设置新的发动机。电机的旋转是直接关系到输入脉冲数，其速度是关系到脉冲的频率。电机持有其未经离合器或制动器援助负荷下的位置。这是合理的假设如下电机开环数字命令，如果电机负载的大小，以相应。闭环控制，使步进更强大的装载

52、不确定性， 以及使用无损失的可靠性低的大小电机允许。电机没有普遍适用的。然而，在它的局限性，电机可以轻松地执行准确，安全，不像其他类型的气动驱动。 气动步进电机是第一个气动步进和第一个完全磁共振兼容电机。声明内容纯属作者的责任，并不一定代表美国国立卫生研究院，国家癌症研究所的官方观点。参考文献1 H. S. Choi, C. S. Han, K. Y. Lee, and S. H. Lee,“Development ofhybrid robot for construction works with pneumatic actuator,” Autom.Construc., vol. 14, pp. 452459, 2005.2T. Hagglund,“A frictioncompensator forpneumatic controlvalves, ”J. Process Control, vol. 12, pp. 897904, 2002.3D.BendovandS.E.Sal cudean, “Aforce -controlledpneumaticactuator,”