机械手的PLC的控制毕业毕业设计

1、毕业设计（论文）（说明）题目：机器人PLC控制设计毕业设计（论文）作业本摘要机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构由滚珠丝杠、滑杆等机械装置组成；电气方面由交流电机、变频器、传感器和其他电子设备组成。该装置涵盖可编程控制技术、位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。本文介绍的机械手从PLC输出三个脉冲，分别驱动水平轴和垂直轴逆变器，控制机械臂水平轴和垂直轴的精确定位。微动开关将位置信号传送给PLC主机；位置信号由接近开关反馈。 PLC主机通过交流电机的正反转控制机械手的爪子，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械

2、手可在空间中抓取和放置物体，动作灵活多样，可替代高温、危险工作区域的人工操作，并可根据物料的变化随时改变相关参数。工件和运动过程的要求。关键词：机械手、PLC、变频器、交流电机目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc322595594 摘要 PAGEREF _Toc322595594 h 1 HYPERLINK l _Toc322595595 第一章机械手机械结构 PAGEREF _Toc322595595 h 3 HYPERLINK l _Toc322595596 1.1传动机构 PAGEREF _Toc322595596 h 3 HYPERLINK l _To

3、c322595597 1.2机械手及机座结构 PAGEREF _Toc322595597 h 4 HYPERLINK l _Toc322595598 第2章可编程序控制PLC PAGEREF _Toc322595598 h 7 HYPERLINK l _Toc322595599 2.1 PLC PAGEREF _Toc322595599 h 7简介 HYPERLINK l _Toc322595600 2.2 PLC 8的工作原理 PAGEREF _Toc322595600 h HYPERLINK l _Toc322595601 2.3 PLC型号 PAGEREF _Toc322595601 h

4、 10的选择方法 HYPERLINK l _Toc322595602 第三章三相异步电动机工作原理与结构 PAGEREF _Toc322595602 h 13 HYPERLINK l _Toc322595603 3.1三相异步电动机的结构 PAGEREF _Toc322595603 h 13 HYPERLINK l _Toc322595604 3.2三相交流电动机的工作原理 PAGEREF _Toc322595604 h 17 HYPERLINK l _Toc322595605 3.3机器人电机的选择 PAGEREF _Toc322595605 h 18 HYPERLINK l _Toc322

5、595606 第 4 章 变频器 PAGEREF _Toc322595606 h 19 HYPERLINK l _Toc322595607 4.1逆变器的组成 PAGEREF _Toc322595607 h 19 HYPERLINK l _Toc322595608 4.2变频器的分类及控制方法 PAGEREF _Toc322595608 h 23 HYPERLINK l _Toc322595609 第5章机器人PLC控制系统设计 PAGEREF _Toc322595609 h 27 HYPERLINK l _Toc322595610 5.1机械手工艺流程 PAGEREF _Toc3225956

6、10 h 27 HYPERLINK l _Toc322595611 5.2 PLC控制系统 PAGEREF _Toc322595611 h 29 HYPERLINK l _Toc322595612 参考文献 PAGEREF _Toc322595612 h 35 HYPERLINK l _Toc322595613 至 PAGEREF _Toc322595613 h 36第一章机械手机械结构1.1 传动机构1.螺杆机构螺杆机构由螺杆、螺母和框架组成。它的主要功能是将旋转转化为直线运动，同时传递运动和动力。根据丝杠副中的摩擦特性，丝杠机构可分为滑动丝杠机构和滚动丝杠机构两种。类型。按用途可分为传力螺

7、钉、传导螺钉和调节螺钉三种。本实用新型结构简单，制造方便，传动平稳，无噪音，自锁容易。2、滑动丝杆机构螺杆副是具有滑动摩擦的螺杆机构，称为滑动螺杆机构。滑动丝杠机构采用的螺纹为矩形、梯形和锯齿螺纹，传动性能好，效率高。滑动丝杠机构由螺母和丝杠组成。根据机构的组成和运动方式，滑动丝杠机构分为以下两种。(1)。滑动丝杠机构由螺母和丝杠组成。螺母与机架固定连接，丝杠旋转移动（如图1-1b所示）。这种丝杠机构主要是传递动力，所以也称为传力丝杠机构。一般需要很小的扭矩才能产生很大的轴向力，多用于工作时间短、转速低的场合。(2)。一种由螺母、丝杠和机架组成的滑动丝杠机构，-1a如图1所示，丝杠转动，螺母移

8、动。这种螺杆机构主要传递运动，所以也称为传导螺杆机构。(a) 螺杆旋转，螺母移动 (b )螺母固定，螺杆旋转并移动图1-1传导丝杠机构与滑动丝杠机构的区别3. 滚丝机构丝杠副是具有滚动摩擦的丝杠机构，称为滚动丝杠机构或滚珠丝杠。其机构特点是在丝杠与螺母之间设有封闭的循环滚道，其间装有刚性球。当丝杠旋转时，刚性球沿螺旋滚道滚动，带动螺母做直线运动。根据流通方式的不同，分为外流通和流通两种形式。在循环过程中，球始终与螺杆接触的循环称为循环。球返回时与丝杠脱离接触的循环称为外循环（如图1-2所示）。图 1-2 外环外循环螺母只需设置一个反向器。当球进入反向器时，被挡住并转动，从返回通道返回到滚道的另

9、一端，形成循环回路。机械手横向移动采用滚动丝杠传动。滚动丝杠机构摩擦阻力小，动作灵敏度高，传动效率高，可达90%以上。间隙可通过调整方法消除，传动精度高。1.2 机械手及机座结构1. 机械手抓手机械手的机械夹爪多为双指夹爪式，按夹爪的运动方式可分为平移式和旋转式。旋转式手柄可分为单支点和双支点旋转式，按夹持方式可分为外夹式和支撑式。根据驱动方式，可以是电动的、液压的和气动的。回转式夹爪结构较简单，但当被夹持工件的直径发生变化时，会造成工件轴线偏移。对于平移夹具，工件直径的变化不会影响轴的位置。但其机械机构复杂、体积庞大，制造精度要求高。因此，在设计机械手夹爪时，在满足工件定位精度的条件下，尽可

10、能采用结构相对简单的旋转夹爪。本文设计的机械手采用楔槽杠杆式旋转夹持器。如右图所示，安装在杆上端的滚子3与楔块之间存在滚动接触。当电机带动连杆向前移动时，两个手柄通过楔块4的斜面和杠杆1产生拉紧动作和拉紧力。当楔块向后移动时，手指被弹簧的拉力释放。由于楔块与滚轮之间为滚动接触，末端执行器摩擦力小，动作灵活，机构简单。2.机器底座底座是机械手的支撑部件，底座承受机械手的全部重量和工作载荷，因此底座应具有足够的强度、刚度和承载能力。此外，机器底座还需要足够大的安装底座，以保证机械手的稳定运行。如图1-3所示，机械手采用普通轴承作为支撑元件的基础支撑结构。这种结构具有制作简单、成本低廉、安装调整方便

11、等优点。图中，电机3通过减速器4、主动小齿轮5、中间齿轮6、大齿轮7带动丝杠2转动，从而带动升降平台上下运动。整个底座安装在底座8上。机械手的组成第二章可编程序控制PLC2.1 PLC简介自1960年代美国引入可编程逻辑控制器（PLC）以取代传统的继电器控制装置以来，PLC发展迅速，在世界范围内得到广泛应用。同时， PLC的功能也在不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术和网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关处理的基础上又增加了模拟量处理、运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着非常重要的作用。PLC作为离散控制的首选产品，从1

12、980年代到1990年代发展迅速，全球PLC年增长率保持在20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来工业化国家PLC的增速有所放缓。然而，PLC在中国等发展中国家的增长非常迅速。综合相关资料，2004年全球PLC销售收入约100亿美元，在自动化领域占有非常重要的地位。PLC是模仿原有的继电器控制原理发展而来的。 1970年代，PLC只有开关量逻辑控制，首次应用于汽车制造业。它存储用于执行逻辑运算、顺序控制、计时、计数和操作的指令，并通过数字输入和输出操作控制各种类型的机械或生产过程。用户编写的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并预先存储在PLC的用户程序存

13、储器中。运行时，根据存储程序的内容，逐一执行，完成工艺流程所需的操作。 PLC 的 CPU 有一个程序计数器，用于指示程序步的存储地址。在程序运行过程中，每执行一步计数器自动加1，程序从初始步（步号为零）到最后一步（通常是END指令）依次执行。 )，然后返回起始步骤循环操作。 PLC 完成一个周期操作所需的时间称为一个扫描周期。对于不同类型的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。 PLC采用梯形图编程，显示出求解逻辑速度快的优势。以微秒为单位，求解一个 1K 的逻辑程序只需要不到 1 毫秒。它将所有输入视为开关量，将 16 位（和 32 位）视为模拟量。大型PLC使用另一个CPU来完成模

14、拟量的运算。计算结果被致到PLC的控制器。通用PLC应用于专用设备时，可视为嵌入式控制器，但PLC比通用嵌入式控制器具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中遇到的一些用户原本使用嵌入式控制器，现在逐渐用通用PLC或定制PLC代替嵌入式控制器2.2 PLC的工作原理可编程控制器有两种基本工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。在运行状态下，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出响应随时可能变化的输入信号，用户程序不仅执行一次，而且反复重复执行，直到可编程序控制器停止或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序外，在每个循环中，控制器都可

15、以如上图所示进行编程，完成零件加工、通讯加工等工作。一个周期可分为5个阶段。可编程控制器的这种循环工作模式称为扫描工作模式。由于计算机执行指令的速度非常快，因此处理似乎是从外部输入输出关系同时完成的。联合阶段由部门处理。可编程逻辑控制器检查 CPU 模块部分的硬件是否正常，并复位监控定时器以完成一些其他工作。在通讯服务阶段，可编程控制器通过微处理器与其他智能设备进行通讯，并根据编程器输入的命令更新编程器的显示内容。上述操作仅在可编程控制器处于 STOP 状态时进行。当可编程控制器处于（RUN）状态时，必须完成另外 3 个阶段的操作。在可编程控制器的内存中，设置了一个区域来存储输入信号和输出信号

16、的状态，分别称为输入图像寄存器和输出图像寄存器。可编程控制器梯形图中的其他编程元素也有相应的图像存储区域，统称为元素图像寄存器。在输入处理阶段，可编程控制器将所有外部输入电路的ON/OFF状态读入输入寄存器。当外部输入接点电路接通时，对应输入图像寄存器为“1”状态，梯形图中对应输入继电器的常开接点接通，常闭接点断开。外部输入触点电路断开，对应输入图像寄存器为“0”状态，梯形图中对应输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生变化，输入图像寄存器的状态也不会相应变化，输入信号变化后的状态只能在下一次扫描的输入处理阶段读取循环。可编程控制器的用户程序由多条指令

17、组成，指令在内存中按照步号的顺序排列。当没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，依次执行用户程序，直到用户程序结束。执行指令时，从输入图像寄存器或其他元件图像寄存器中读出编程元件的0/1状态，并根据指令要求进行相应的逻辑运算，并将运算结果写入相应的元素图像寄存器。 ，因此，每个编程元素的图像寄存器（输入图像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU 将输出影子寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。当输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出图像寄存器为“1”。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中相应硬件继电器的线圈得电，其常开触点闭合，使外部负载得电工作。若梯形

18、图中输出继电器线圈断电对应的输出图像寄存器为“0”状态，则经过输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应硬件继电器的线圈通电off，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。当与编程元件对应的图像寄存器处于“1”状态时，编程元件被称为ON，当图像寄存器处于“0”状态时，编程元件被称为OFF。扫描周期 当可编程控制器处于 RUN 工作状态时，2.5.1a如图所示执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1100ms。执行一条指令所需的时间与用户程序的长度、指令的类型和CPU执行指令的速度有很大关系。当用户程序较长时，指令执行时间占扫描周期的相当大比例。但严格来说，扫描周期还包括自诊断、通信等

19、。如图2.1c第第(N-1)个扫描周期输出刷新第(N+1)个扫描周期输入采样第N个扫描周期输入采样输出刷新用户程序执行图 2-1 PLC 扫描方式1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读取所有数据和状态。它们存储在 I/O 图像区域的相应单元中。输入采样结束后，进入用户程序行和输出刷新阶段。在这两个阶段，即使输入数据和状态发生变化，I/O 图像区域中相应单元的数据和状态也不会发生变化。因此，如果输入是脉冲信号，其宽度必须大于一个扫描周期，以确保输入在任何情况下都可以被读取。2.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC CPU 总是从上到下，从左到右扫描梯形图。对控制电路进行逻辑

20、运算，相应地刷新逻辑线圈或输出线圈的系统RAM存储区中相应位的状态。或者判断是否执行梯形图指定的特殊功能指令。例如：算术运算、数据处理、数据通信等。3.输出刷新阶段在输出刷新阶段，CPU根据I/O图像区对应的数据和状态刷新所有数据锁存电路，然后通过输出电路驱动相应的外设。这是PLC的实际输出。4.输入/输出滞后时间输入/输出滞后时间，又称系统响应时间，是指可编程控制器的外部输入信号发生变化到其控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。它由输入电路的滤波时间决定。 ，输出电路的滞后时间和由于扫描工作模式引起的滞后时间由三部分组成。输入模块的CPU滤波电路用于滤除输入端引入的干扰噪声，消除外部输入触点

21、动作引起的抖动带来的不利影响。滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的延迟时间与模块的类型有关。继电器式输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向空硅型输出电路在负载开启时的延迟时间约为1ms，延迟时间约为1ms时负载从开启到关闭。最大延迟时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为 1ms。扫描工作方式导致的延迟时间最多可达两个多扫描周期。可编程控制器的总响应延迟时间一般只有几十毫秒，与一般系统无关。要求输入和输出信号之间的延迟时间尽可能短的系统可以选择扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。PLC模型的方法1 、PLC的类型PLC按结构分为整体式和

22、模块式两种，按应用环境分为现场安装和控制室安装两种； 32位、64位等。从应用的角度来看，通常可以根据控制功能或输入输出点数来选择。一体式PLC的I/O点数固定，用户选择较少，用于小型控制系统；模块化PLC提供多种I/O卡或插卡，用户可以更合理的选择和配置控制系统I/O点数方便灵活，一般用于大中型大小的控制系统。2 、输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如，对于输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对于输出模块，应考虑所选输出模块的类型。通常，继电器输出模块具有价格低、工作电压范围宽、寿命短、响应时间长等特点；晶闸管输出模块适用于频

23、繁开关和低感性功率因数。负载场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟输出等，应与应用要求一致。根据应用需求，合理选择智能输入输出模块，提高控制水平，降低应用成本。考虑您是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。三、电源的选择同时引进设备时，PLC的电源应根据产品说明书的要求进行设计和选择。一般PLC的电源应设计选用220VAC电源，与国网电压一致。对于重要应用，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身有可用电源，则应检查提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接电源。为防止外部高压电源因误动作而引入PLC，需要对输入和输出信号进行隔离，有时可以采用简单的二极

24、管或熔断管隔离。4.内存选择由于计算机集成芯片技术的发展，内存的价格有所下降。因此，为了保证应用项目的正常运行，一般需要PLC的内存容量，根据256个I/O点至少选择8K内存。当需要复杂的控制功能时，应选择容量更大、档次更高的存储器。 5 、冗余功能的选择(1)控制单元的冗余重要的处理单元：CPU（包括内存）和电源应1B1冗余。必要时也可采用PLC硬件和热备软件组成的热备冗余系统、双机或三机冗余容错系统等。(2) I/O接口单元的冗余控制回路的多点I/O卡应冗余配置。重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。 3) 重要的I/O信号根据需要可选择2路或3路I/O接口单元。6.经济考虑选择PLC时，应

25、考虑性价比。在考虑经济性时，要同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进而选择更满意的产品。输入输出点的数量直接影响价格。每个额外的 I/O 卡都需要额外的费用。当点数增加到一定值时，相应的内存容量、机架、主板等也会相应增加。因此，估计点数的增加会影响CPU、内存容量、控制功能范围等的选择，在选择时要充分考虑，让整个控制系统有更合理的性能价格比比率。第三章三相异步电动机的工作原理及结构3.1 三相异步电动机结构三相异步电动机的种类很多，但各种三相异步电动机的基本结构是相同的。它们都由定子和转子两个基本部分组成，定子和转子之间有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件

26、，如图3-1所示。图3-1 封闭式三相鼠笼式异步电动机结构示意图1轴承； 2前端盖； 3转轴； 4接线盒； 5吊环； 6定子铁芯； 7转子； 8定子绕组； 9框架； 10后端盖； 11窗罩； 12风扇1 .定子部分定子用于产生旋转磁场。三相电动机的定子一般由机壳、定子铁芯和定子绕组组成。( 1 )壳牌三相电机外壳包括机架、端盖、轴承盖、接线盒和吊环等部件。机架：铸铁或铸钢铸件，其作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、小型三相电动机的机架上还有两个端盖支撑转子，是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常，底座的外观要求良好的散热性能，所以散热片一般都是铸造的。端盖：铸铁或铸钢，其作用是将转子固

27、定在定子腔的中心，使转子在定子内均匀转动。轴承盖：也用铸铁或铸钢铸造。它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，还起到储存润滑油和保护轴承的作用。接线盒：一般用铸铁铸造，其作用是保护和固定绕组的引线端子。吊环：一般由铸钢制成，安装在机座上端，用于起吊和提升三相电机。( 2 )定子铁芯的定子铁芯是电动机磁路的一部分，由0.35mm涂有绝缘漆的薄硅钢片在较厚的表面上层压而成，如图3-20.5mm所示。由于硅钢片较薄且片材绝缘，因此减少了交变磁通通过时引起的铁芯涡流损耗。铁芯圆上有均匀分布的槽口，用于嵌入定子绕组。( a ) 定子铁芯 ( b ) 定子冲头图3-2定子铁芯与冲片示意图( 3 ) 定子绕

28、组定子绕组是三相电动机的电路部分。三相电动机具有三相绕组。当通过三相对称电流时，会产生旋转磁场。三相绕组由三个独立的绕组组成，每个绕组由几个线圈连接而成。每个绕组为一相，每个绕组之间的空间差为120 电角。线圈用绝缘铜线或绝缘铝线绕制。中小型三相电机多采用圆形漆包线，大中型三相电机的定子线圈用绝缘扁铜线或截面较大的扁铝线绕制，然后嵌入定子铁芯槽内按照一定的规则。定子三相绕组的六个出线端均引至接线盒，首端分别标示为U 1 、V 1 、W 1 ，末端分别标示为U 2 、V 2 ， W 2 。接线盒内六个出线端子排列如图3-3所示，可接成星形或三角形。( a ) 星形连接 ( b ) 三角形连接图3

29、 - 3定子绕组的连接2 .转子部分( 1 )转子铁芯0.5mm采用厚硅钢片叠压而成，套在转轴上，具有与定子铁芯相同的功能。( 2 )转子绕组异步电动机的转子绕组分为绕线型和鼠型两种，又分为绕线型转子异步电动机和鼠型异步电动机。绕组绕组与定子绕组一样也是三相绕组，一般接成星形。三相引线分别连接在转轴上与转轴绝缘的三个集电环上，并通过电刷装置与外电路相连。这样就可以在转子电路中串联一个电阻或电动势来提高电机的运行性能，见图3-4。1集电环； 2刷子； 3压敏电阻图3 - 4绕组转子与外部压敏电阻的连接笼式绕组在转子铁芯的每个槽中插入一根铜排，在铜排的每一端用一个铜环（称为端环）连接铜排，称为铜排

30、转子，如图3-5 （ a)所示。也可用铸铝的方法用铝液一次浇铸转子导杆和端环扇叶，称为铸铝转子，如图3-5 （ b ）所示。 100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。( a ) 铜棒转子 ( b ) 铸铝转子图3 - 5 个松鼠转子绕组3 .其他部分其他部件包括端盖、风扇等。除了保护端盖外，端盖还装有轴承来支撑转子轴。风扇用于通风和冷却电机。三相异步电动机的定子和转子之间的气隙一般只有0.2mm 1.5mm。气隙过大会降低电机的功率因数；气隙过小，装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而增加附加损耗，使启动性能变差。3.2 三相交流电动机的工作原理1 .三相交流电动机的旋转磁场三相异步

31、电动机的转子之所以旋转并实现能量转换，是因为转子气隙具有旋转磁场。接下来，我们讨论旋转磁场的产生。如图3.6所示， U 1 U 2 、V 1 V 2 、W 1 W 2是三相定子绕组，它们在空间上相隔120 ，连接成Y形。三相绕组的首端U 1 、V 1 、W 1接入三相对称电源，三相绕组中流过三相对称电流。假设电源相序为U、V、W，初始相位角为零，如图3-6波形图所示。图3-6三相交流电流波形(3-1)(3-2)(3-3)为了分析方便，假设电流为正时，在绕组中从头流向尾，电流为负时，在绕组中从尾流向头。根据“右手螺旋定则”，三相电流产生的磁场叠加的结果会形成复合磁场，如图3-7( a )所示，可

32、以看出：此时的复合磁场是一对磁极（即两个磁极）。 )，右侧为N极，左侧为S极。当旋转磁场有p个相反的磁极时（即磁极数为2 p ），每循环一个交流电，旋转磁场在空间中旋转1/ p 。因此，三相电动机定子旋转磁场的每分钟转速n 1 、定子电流频率f和极对数p之间的关系为(3-4)3.3 机器人电机的选择Y2系列三相异步电动机具有结构新颖、外形美观、噪音低、振动小、绝缘等级高等特点。产品已达到1990年代国际先进水平，是Y系列电机的更新换代产品。外壳防护等级IP54 ，具有良好的启动性能和运行性能，结构简单，运行可靠，维护方便等特点。电机采用E或B级绝缘，外壳防护等级IP44，冷却方式ICO141，

33、额定频率为50Hz。 ，额定电压为380V。垂直轴驱动电机承载着整个机械手的全部负载，对功率要求较高，机械手主要用于生产线中较轻物体的夹持。综合考虑，垂直轴选用Y2-2 ，功率-63M2250W ，可满足生产需要。水平轴主要带动横臂左右运动，承重小。选用Y2 -63M1-2 ，功率180W，可满足生产需要。电机3主要用于控制机械手的拧紧和松开，负载最小。所以可以选择功率为120W的Y2-63M1-4。第四章逆变器变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。 1960年代以后，电力电子器件经历了SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效

34、应晶体管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静态Induction Thyristor)、MGT(MOS Controlled Transistor)、MCT(MOS Controlled Thyristor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、HVIGBT(High Voltage Insulated Gate Bipolar Thyristor)的发展历程，器件的更新推动了电源的不断发展电子转换技术。 1970年代以来，PWM-VVVF调速的研究备受关注。 1980年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起了人们的浓厚兴趣，得到了很多优

35、化模式，其中以鞍波PWM模式效果最好。自1980年代后半期以来，美国、日本、德国、英国等发达国家的VVVF逆变器相继投入市场并得到广泛应用。4.1 变频器配置图 4-1 为使用变频器调速运行时异步电动机的结构示意图。通常，变频器的主电路（IGBT、BJT或GTO作为逆变元件）为异步电动机提供调压和调频电源。该电源的输出电压或功率和频率由控制回路命令控制。控制指令是根据外部运行指令运行得到的。对于需要精确调速或快速响应的场合，计算中还应包括逆变器主电路和输电系统检测到的信号和保护电路的信号，即防止因过压和过流造成的损坏。逆变器的主电路、异步电动机和传动系统也应加以保护。图 4-1 逆变器结构图

36、4-2 典型电压源逆变器示例主电路向异步电动机提供调速、调压、调频电源的电源转换部分称为主电路。图 4-2 显示了一个典型的电压逆变器示例，其电路由三部分组成，一个将工频功率转换为直流电的“整流器”，以及一个吸收整流和逆变过程中产生的电压脉动的“整流器”。 “平滑回路”，带有将直流电转换为交流电的“逆变器”。此外，当异步电动机需要制动时，有时还需要增加“制动电路”。1.整流器最近广泛使用基于二极管的转换器，如图 4-2 所示，它将工频电源转换为直流电源。也可以用两组晶体管变换器组成一个逆变器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运行。2.平滑电路整流器整流后的直流电压包括六倍于电源频率的脉动电压，

37、逆变器产生的脉动电流也会使直流电压波动。为了抑制波动，使用电感器和电容器来吸收脉动电压（电流）。如果器件容量较小，如果电源和主电路的元件有余量，可以省略电感，采用简单的平滑电路。3.逆变器与整流器相反，逆变器的作用是将直流电转换成所需频率的交流电。根据PWM控制信号，将6个开关器件导通和关断，即可得到三相频率相同的交流输出。4.制动电路当异步电动机用于再生制动区（转差率为负）时，再生能量储存在平滑电路电容器中，使直流电压升高。一般来说，机械系统（包括电机）的惯性所储存的能量要大于电容器所储存的能量。当需要快速制动时，可用变频器回馈电源或设置制动电路（开关和电阻）消耗再生电能。以防止直流电路电压

38、上升。5.控制电路向向异步电动机供电的主电路提供控制信号（电压和频率可调）的电路称为控制电路。如图4-1所示，控制电路由以下电路组成，频率和电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电机的“转速检测电路”，以及运算电路的控制回路信号。放大“驱动电路”与变频器和电机的“保护电路”配合工作。在图 4-1 的点划线中，当控制电路仅由控制部分 A 组成时，没有速度检测电路，为开环控制。在控制电路B中增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行更精确的闭环控制。控制电路主要包括：(1) 运算电路将外部速度、转矩等指令与检测电路的电流、电压信号进行比较，确定变频器的输出电压和

39、频率。(2) 电压/电流检测电路与主电路电位隔离，检测电压、电流等。(3) 驱动电路驱动主电路器件的电路。它打开和关闭主电路设备。(4) 速度检测电路将安装在异步电机轴上的速度检测器（TG、PLG等）的信号作为速度信号，送入计算电路，电机可以按照指令速度运行命令和计算。6.保护电路检测主电路的电压、电流等。当出现过载或过电压等异常时，为了防止变频器和异步电机损坏，变频器停止运行或电压和电流值被抑制。保护电路主要包括：(1) 逆变器保护瞬时过流保护。当流过逆变器装置的电流因逆变器负载侧短路等原因达到异常值（超过内容值）时，逆变器运行瞬间停止，电流被切断。逆变器的当输出电流达到异常值时，逆变器也停

40、止运行。过载保护。如果变频器的输出电流超过额定值并持续超过规定时间，请停止运行，以免损坏变频器周期和线路。适当的保护需要反时限特性，使用热继电器或电子热保护（使用电子电路）。过载是由于负载的过大GD（惯性）或由于负载过大导致电机失速。再生过压保护。当使用变频器使电机快速运转时，由于再生电力，直流电路电压会升高，有时会超过内容值。您可以采取措施停止变频器运行或快速减速以防止过电压。 瞬时停电保护。对于超过几毫秒的瞬时停电，控制电路正常工作。但当瞬时停电时间超过10s时，控制电路通常会出现故障，主电路无法供电，因此逆变器检测后会停止工作。 接地过流保护。在逆变器负载侧的接地设计中，为了保护逆变器，

41、有时需要接地过流保护功能。但是，为了确保人身安全，需要安装漏电断路器。冷却风扇异常。带散热风扇的设备，风扇异常时设备温度会升高。因此，风扇热继电器或设备散热片传感器用于在检测到异常后停止逆变器。(2) 异步电动机的保护过载保护。过载检测装置与变频器保护共用，但在考虑低速运行过热时，将温度检测器嵌入异步电动机中，或采用安装在变频器中的电子热保护器来检测过热。动作频繁时，可考虑降低电机负载，增加电机和变频器的容量。超频（超速）保护。当变频器输出频率或异步电机转速超过规定值时，变频器停止运行。(3) 其他保护防止失速过流。在快速加速过程中，如果异步电机的跟踪速度较慢，过流保护电路将动作，无法继续运行

42、（失速）。因此，需要在负载电流减小之前控制频率升高或降低频率。恒速运转时的过电流也进行同样的控制。防止失速再生电压。减速时产生的再生能量使主电路的直流电压上升。为了防止再生过电压保护电路动作，需要在直流电压下降之前进行控制，以抑制频率下降，防止失速再生过电压。4.2变频器的分类及控制方法变频器的分类方法有很多。按主电路工作方式可分为电压型变频器和电流型变频器；按开关方式可分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频变频器。 PWM控制逆变器；按工作原理分类，可分为V/f控制逆变器、转差频率控制逆变器和矢量控制逆变器；按分类可分为通用逆变器、高性能专用逆变器、高频逆变器、单相逆变器和三相逆变器

43、等。 变频器中常见的控制方式： 1. 非智能控制方式 非-交流变频器采用的智能控制方法包括V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 (1) V/f控制提出V/f控制以获得理想的转矩-转速特点，基于改变电源频率进行调速的思想，同时保证电机的磁通量保持不变。变频器基本采用这种控制方式。 V/f控制逆变器的结构很简单，但该逆变器采用开环控制方式，不能达到很高的控制性能。此外，在低频时，必须进行转矩补偿以改变低频转矩特性。 (2) 转差频率控制转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方法。它是基于V/f控制，根据异步电动机实际转速对应的电源频率，并根据需要调节变频器的输出频率，使电动机具有

44、相应的输出转矩。在这种控制方式中，需要在控制系统中安装速度传感器，有时还会增加电流反馈来控制频率和电流。因此，这是一种闭环控制方式，可以使逆变器具有良好的稳定性，快速加减速和负载变化具有良好的响应特性。 (3)矢量控制矢量控制是通过矢量坐标电路控制电机定子电流的幅值和相位，从而控制电机在d、q、0坐标轴上的励磁电流和转矩电流分别，然后控制电机。扭矩的目的。通过控制各个向量的动作顺序和时间，使其与零向量的动作时间相匹配，可以形成各种PWM波，达到各种控制目的。例如，形成具有最少开关次数的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方法主要有基于滑差频率控制的矢量控制方法和不带速度传感

45、器的矢量控制方法。基于转差频率的矢量控制方法与转差频率控制方法的常数特性是一致的，但基于转差频率的矢量控制方法还通过坐标变换来控制电机定子电流的相位，使其满足一定的条件。为了消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方法比转差频率控制方法可以大大改善输出特性。但是这种控制方式是闭环控制方式，需要在电机上安装速度传感器，所以应用范围有限。无速度传感器矢量控制是通过坐标变换分别控制励磁电流和转矩电流，然后通过控制电机定子绕组上的电压和电流来识别速度来控制励磁电流和转矩电流。这种控制方式具有调速范围广、启动转矩大、运行可靠、操作方便等优点，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器进行计算

46、。因此，实时性并不理想，控制精度受计算精度的影响。 . (4)直接转矩控制直接转矩控制利用空间矢量坐标的概念，分析交流电机在定子坐标系中的数学模型，控制电机的磁链和转矩，通过检测定子磁链来观察定子磁链。定子电阻。因此省略了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观简洁，计算速度和精度较矢量控制方法有所提高。即使在开环状态下，也能输出100%的额定扭矩，并具有多次拖动的负载均衡功能。 (5) 最优控制最优控制在实践中的应用根据不同的要求而不同，根据最优控制的理论，可以针对一定的控制要求对个别参数进行优化。例如，在高压逆变器的控制应用中，成功地采用了时间段控制和移相控制两种策略，实现了一定条件下的最优电压

47、波形。 (6) 其他非智能控制方法在实际应用中，在变频器的控制中实现了一些非智能控制方法，如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制、 ETC。 。 2、智能控制方法智能控制方法主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在具体应用中，有一些在变频器控制中使用智能控制的成功例子。 (1) 神经网络控制神经网络控制方法用于变频器的控制，一般用于较复杂的系统控制，此时对系统的模型知之甚少，因此神经网络不仅要完成系统识别功能，还需要采取控制。而且，神经网络控制方式可以同时控制多台逆变器，因此更适合多台逆变器级联时进行控制。但是，神经网络层数过多或算法过于复杂，在具体应用中会带

48、来很多实际困难。 (2)模糊控制采用模糊控制算法对变频器的电压和频率进行控制，从而可以控制电机的加速时间，避免过快的加速对电机使用寿命的影响以及过慢的加速对工作效率的影响。模糊控制的关键在于域、隶属度和模糊等级的划分。这种控制方式特别适用于多输入单输出的控制系统。 (3)专家系统专家系统是一种利用所谓“专家”的经验进行控制的控制方法。因此，一般在专家系统中建立专家数据库来存储一定的专家信息，还需要推理机制，便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家数据库和推理机制的设计尤为重要，关系到专家系统控制的质量。应用专家系统可以控制逆变器的电压和电流。 （4）学习控制学习控制主要用于重复输入，有规律的P

49、WM信号（如中心调制PWM）正好满足这个条件，所以学习控制也可以用于变频器的控制。学习控制不需要知道太多的系统信息，但需要12个学习周期，所以速度比较差，有时学习控制算法需要实现高级环节，这是模拟设备无法实现的，在同时，学习控制也涉及稳定性问题，应用时要特别注意。 3、逆变器控制展望随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，未来逆变器的控制方式将向以下几个方面发展。 （1）数字化控制变频器的实现现在，变频器的控制方式可以用数字处理器实现比较复杂的运算，变频器的数字化将是一个重要的发展方向80C。 ，辅以SLE4520或EPLD液晶显示器，实现更完美的控制性能。 (2)多种控制方

50、式的组合单一的控制方式各有优缺点，没有“万能”的控制方式。在某些控制情况下，需要结合一些控制方法，如学习控制和神经网络控制。将自适应控制与模糊控制、直接转矩控制与神经网络控制相结合，或称为“混合控制”，这样控制效果会更好。 (3)远程控制的实现计算机网络的发展使“世界末日近在咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。通过RS485接口和一些网络协议，可以对逆变器进行远程控制，从而在一些不适合人工现场操作的场合，可以轻松实现控制目标。 (4) 绿色变频器随着可持续发展战略的提出，人们越来越重视对环境的保护。逆变器产生的高次谐波会污染电网，降低逆变器工作时的噪声，增强其工作的可靠

51、性和安全性。出绿色逆变器。第五章机器人PLC控制系统设计5.1 机械手工艺流程1.了解设备概况机械手结构及各部分动作示意图如下图所示。机械手的工作由电机驱动，其上升、下降、左移、右移都是由电机带动的丝杠旋转完成的。2.分析过程机械手初始位置停在原点，按下启动按钮后，机械手将下降-拧紧工件-上升-右移-再次下降-松开工件-上升-左移八个动作，完成一个工作循环.机械手的下降、上升、右移、左移等动作过渡由相应的限位开关控制，而拧紧和松开动作的过渡由时间控制。为保证安全，机械手移动到正确位置后，只有在右侧工作台上没有工件时才能下降。如果上次移动到右侧工作台的工件还没有被取出，机械手应自动暂停等待。为此

52、提供了一个光电开关来检测“无工件”信号。三、控制要求图 5-1 机械手控制要求(1)单步工作模式：从原点开始，按照自动工作循环的步骤，为满足生产要求，机械手设置了手动工作模式和自动工作模式，自动工作工作方式分为单步、单循环和连续工作。手动工作模式：使用按钮控制机械手的每一步。例如按下“Down”按钮，机械手下降；按下“向上”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置，紧急停止后机械手返回原点。单循环工作模式：按下启动按钮，机械手按流程自动完成一个循环动作，回原点后停止。连续工作模式：按下按钮，机械手会自动从原点按步序重复连续工作，连续工作模式设置两种停车状态：正常停车：在正常运行条件下停车。

53、按下复位按钮后，机械手在完成最后一个工作循环后自动返回原点并停止。紧急停止：在发生事故或紧急情况时停止。按下急停按钮，机械手在当前状态下停止。故障排除后，需要手动回原点。5.2 PLC控制系统1.确定输入/输出点数，选择PLC型号(1) 输入信号位置检测信号：下限位、上限位、右限位、左限位，共4个行程开关，需要4个输入端子。“无工件检测”信号：采用光电开关作为检测元件，需要一个端子。“工作模式”选择开关：有手动、单步、单循环、连续4种工作模式，需要4个输入端子。手动操作：下降、上升、右移、左移、拧紧和松开需要6个按钮，以及6个输入端子。自动工作：还需要启动、正常停止、急停3个按钮，还需要3个输入端子。以上一共需要18个输入信号。(2) 输出信号PLC的输出