管道清淤机器人及控制系统研究_毕业论文(编辑修改稿)

管道清淤机器人及控制系统研究_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

80 62 190 80 62 存储器 程序 2048 字 2048 字 2048 字 2048 字 用户数据 1024 字 1024 字 1024 字 1024 字 用户存储器类型 EEPOM EEPOM EEPOM EEPOM 数据后备典型值 50 小时 50 小时 190 小时 190 小时 本机 I/O 本机 I/O 6 入 /4 出 8 入 /6 出 14 入 /10 出 24 入 /16 出 扩展模块数量 无 2 个模块 7 个模块 7 个模块 I/O 总计 数字量 I/O 映象区大小 （ 128 入 /128 出） （ 128 入 /128 出） （ 128 入 /128 出） （ 128 入 /128 出） 模拟量 I/O 映象区大小 无 16 入 /16 出 32 入 /32 出 32 入 /32 出 指令 33MHz 下布尔指令执行速度 I/O 映象寄存器 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 128I 和 128Q 内部寄存器 256 256 256 256 计数器 /定时器 256/256 256/256 256/256 256/256 字入 /字出 无 16/16 32/32 32/32 顺序控制继电器 256 256 256 256 For/Next 循环 有 有 有 有 整数运算 有 有 有 有 实数运算 有 有 有 有 附加功能 内 置高速计数器 4H/（ 20KHz） 4H/（ 20KHz） 6H/W（ 20KHz） 6H/（ 20KHz） 模拟量调节电位器 1 1 2 2 脉冲输出 2 2 2 2 通信中断 1 发送器 /2 接收器 1 发送器 /2 接收器 1 发送器 /2 接收器 2 发送器 /4 接收器 定时中断 2 2 2 2 硬件输入中断 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 4，输入滤波器 实时时钟 有（时钟卡） 有（时钟卡） 有（内置） 有（内置） 口令保护 有 有 有 有 通信 通信口数量 1（ RS485） 1（ RS485） 1（ RS485） 2（ RS485） PROFIBUS 点对点 NETR/NETW NETR/NETW NETR/NETW NETR/NETW 2 清淤机器人控制系统分析 11 程序设计中用到的 PLC 指令 1. 传送指令 字节、字、双字和实数的传送指令梯形图 : MOVX EN ENO IN OUT 图 4 传送指令 其中， MOV 为传送指令符号， X 表示数据类型。 数据类型有：字节 （ B） 、字（ W） 、双字 （ DW） 、实数 （ R）。 EN 为使能端，即当 EN 前面的逻辑条件满足时，才能进行数传送。 IN 是所要传送的数 据输入端。 OUT 是数据传输的输出端。 字节、字、双字和实数的传送指令是把输人数据（ IN）传送到输出端（ OUT），在传送过程中不改变数据的大小。 2. 定时器指令 1）接通延时定时器（ TON） Txxx 图 5 接通延时定时器 其中 Txxx 为定时器编号， IN 为定时器使能输入端， PT 为定时器的预设值端。 每个定时器均有一个 16 位当前值寄存器及一个 1 位的状态位（反映其触点 的状态）。 当使能输人端接通时，接通延时定时器开始计时，当定时器（ Txxx）的当前值大于等于预设值时，该定时器的状态位被置 1（即触点被接通），但定时器继续计时，一直计到最大值 32767，并保持状态位，直到使能输人端断开，清除接通延时定时器的当前值，定时器才复位。 2）有记忆接通延时定时器（ TONR） IN TON PT 2 清淤机器人控制系统分析 12 Txxx 图 6 有记忆接通延时定时器 对于有记忆接通延时定时器，当使能输入端 IN 接通时，定时器开始计时，当使能输入端断开时，该定时器保持当前值不变；当位能输入端 再接通时，则定时器从原保持值开始再往上加，当定时器的当前值大于等于预设值时，定时器的状态位置1（但定时器继续计时，一直计到最大位 32767），以后即使输入端再断开，定时器也不会复位，若要定时器复位必须用复位指令（ R）清除其当前值。 3）断开延时定时器（ TOP） Txxx 图 7 断开延时定时器 断开延时定时器（ TOF）用来在输入断开延时一段时间后，才断开输出。 当使能输入端 IN 接通时，定时器立即接通，并把当 前值设为 0，当使能输入端断开时定时器开始定时，直到达到预设的时间。 当达到预设时间时，定时器断开输出，并停止计时当前值。 当输入断开的时间小于预设时间时，定时器仍保持接通。 当 IN 再接通时，定时器当前值仍设为 0。 3. 脉冲输出指令 其梯形图表示如下： 图 8 脉冲输出指令 IN TONR PT IN TOF PT PLS EN ENO 2 清淤机器人控制系统分析 13 对于 S7200 系列的 CPU，如果 CPU 模块上的输出类型为 DC 型（晶体管输出），那么在其 和 上可以产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形，频率可以达到 20kHz。 当在这两个点使用脉冲输出功能时，它们受 PWM 发生器控制，而不受输出映像寄存器控制。 脉冲宽度调制（ PWM）功能提供连续、可变占空比脉冲输出，用户控制周期和脉冲宽度。 每个 PTO/PWM 发生器有一个控制字节（ 8 位）、一个 16 位无符号的周期值寄存器、一个 16 位无符号的脉冲宽度值寄存器和一个 32 位无符号脉冲计数值寄存器。 这些值全部存储在特殊存储器中，一旦这些特殊存储器的位被置成所需操作，可以通过执行脉冲输出指令（ PLS）来调用这些操作。 PLS 指令使 S7200 读取相应特殊寄存器中的位，并对相应的 PWM 发生器进行 操作。 PWM 功能提供占空比可调的脉冲输出。 其周期和脉宽的单位可以是 ms 或 181。 s，周期值保存在（ SMW68 或 SMW78）中，周期的变化范围是 50181。 s65535181。 s 或 2ms65535ms；脉宽值保存在 SMW70（或 SMW80）中，脉宽值的变化范围是 0ms65535 ms 或 0ms65535ms。 当脉宽值等于周期值时，占空比为 100%，即输出连续接通；当脉宽值为 0，占空比为 0%，即输出断开。 PWM 操作实例：将 设置成 PWM 输出，其周期值为 1000ms，脉宽值为300ms。 在主程序的初次扫描时（ =1），调用初始化子程序。 如下图所示： 图 9 调用初始化子程序 在子程序 SBR0 中，进行 PWM 操作的初始化，如下图： SBR0 EN 2 清淤机器人控制系统分析 14 MOVB EN ENO 16DB IN OUT SMB77 MOVB EN ENO 1000 IN OUT SMB78 MOVB EN ENO VB0 IN OUT SMW80 PLS EN ENO 0 图 10 PWM 初始化 4. 通信指令 多台 S7200CPU 利用 PPI 协议进行网络通讯时，可以利用网络读写指令实现数据传送的功能。 1）网络读指令（ NETR） NETR EN ENO TBL PORT 图 11 网络读指令 网络读指令初始化通讯操作：通过指定的端口 PORT 从远程的其他 CPU 接收数据并存放在一个表（ TBL）中。 NETR 指令可以从远程站 点上读 16 个字节的数据。 2）网络写指令（ NETW） 2 清淤机器人控制系统分析 15 NETW EN ENO TBL PORT 图 12 网络写指令 网络写指令初始化通讯操作：通过指定的端口 PORT 从远程的其他 CPU 上写表（ TBL）中的数据。 NETW 指令可以向远程站点上写 16 个字节的数据。 步进电机及其驱动器简介 步进电机 步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移） 的机电元件。 通俗地讲，就是外加一个脉冲信号于这种电动机时，它就运动一步。 正因为它的运动形式是步进式的，而称为步进电动机。 步进电动机的输入是脉冲信号，从它绕组内的电流来看，既不是通常的正弦交流，也不是恒定的直流，而是脉冲的电流，所以有时也叫做脉冲马达。 步进电动机的定子上通常具有多相绕组，转子为有齿的铁芯或具有永磁的磁极。 从电机元件本身来看只要在各相绕组内轮流通电，就能产生步进运动。 在实际系统内，这种轮流通电，通常是由电子的脉冲分配回路来达到的，并且经过功率放大。 分配回路和功率放大等环节在一路组成步 进电动机的驱动器。 驱动器和电动机是两个不可分割的组成部分，步进电动机简单的工作原理图如图 13。 当外加脉冲信号时步进电动机的机械运动与脉冲信号相对应，也就是说作同步的旋转。 顺便可以指出，如果脉冲信号发生器放在电机本身的轴上，就可以得到电枢不动的无刷直流电动机，它的转速将由外加电压的大小来决定。 步进电动机可以作为驱动电机，但大部分情况下是作为控制电动机用的。 步进电动机的优点如下：步距值不受各种干扰因素的影响，如电压的大小，电流的数值，温度的变化等。 也就是说，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率而转子运动的 总位移量则取决于总的脉冲信号；误差不长期积累。 步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差，从某一步 到任何一步，也就是走任意一定的步数以后，也总是有一定的累积误差， 但是每转一圈的累积误差为零，所 2 清淤机器人控制系统分析 16 图 13 步进电机和驱动器简图 以步距的误差不是长期地积累下去的；控制性能好。 起动停车，反转及其他任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。 因此，作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统 简化，工作可靠而且获得高的控制精度。 在多数情况下，可以代替直流伺服电动机和交流伺服电动机。 步进电动机不同于其它电机在于它必定要有专用驱动电源，否则就不能正常工作。 所以，发展推广步进电动机就与驱动电源的研究开发分不开。 目前步进电动机驱动电源种类繁多而且各具特点。 步进电机驱动电源 大家知道，步进电动机的控制指令是单一码，就是一串脉冲方波。 例如，从电子计算机送出的数字控制脉冲就是单一码。 变换器的基本构成形式由机械变换器发展到电子变换器。 目前由于电子技术迅速发展，机械变换器在步进电动机中已不再使用。 这 里只对电子变换器即驱动电源作介绍。 步进电动机的驱动电源由环形分配器和功率放大器两部分组成，环形分配器是每台电机一个，而功率放大器则是每相一套。 环行分配器主要使电机各相绕组按一定的顺序和时间导通并根据输入指令使电机正转或反转，实际上就是用以确定电机的工作方式。 由此，环行分配器要按照电机的工作方式来进行设计。 功率放大器的主要功用是根据电机或负载的需要，将环行分配器输出的各相电信号进行放大。 2 清淤机器人控制系统分析 17 驱动电源要求完整、准确、灵敏地执行控制指令，具有足够的功率，抗干扰能力强。 当然还有一些对设备的基本要求，如体积小、结构 简单、成本低、维修方便以及安全可靠等。 电机驱动器的选择 清淤机器人驱动电机的选型为： 载体步进电机的型号为 VRDM31117，其额定扭矩为 12Nm；刀具步进电机的型号为 VRDM31122，其额定扭矩为 ；调节压紧步进电机的型号为 VRDM397，其额定扭矩为 2Nm；收放直流减速电机的型号为 TYV330DC，额定电压为 24V，额定电流为。 其中，步进电机为 德国百格拉公司生产的步进电机。 步进电机驱动器的选择 步进电机驱动器选择德国百格拉公司的 WD3007 和 WD3008。 驱动器 WD3007 主要驱动 2Nm12Nm 三相混合式步进电机，因此它用来驱动载体步进电机和调节压紧步进电机。 驱动器 WD3008 主要驱动 三相混合式步。