PLC控制的步进电机在驾驶仪中的应用.pdf

第 3 期 总第 1 5 4 期 2 O 0 9年 6月 机 械 工 程 与自 动 化 MEC HANI C AL ENGI NE ERI NG AUTOM AT1 0N N 0 ．3 J u n ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 O O 9 O 3 一 O 1 l 7 0 3 P L C控制的步进 电机在驾驶仪 中的应用 赵瑞旺 ，李元 宗 ，崔荣华。 1 ．太原理工大学 机器人实验室，山西 太原 O 3 O O 2 4 ；2 ．南通大学 理 学院 ．江苏 南通 2 2 3 0 1 9 摘要 介绍了自动驾驶仪的换档机械手与油门、制动 和离合器机械腿 的机构设计 ，以及 P L C控制步进 电机在 基于汽车尾气排放检测 自动驾驶仪 中的控制原理与应用 ， 详细讨 论了自动驾驶仪控 制系统及各硬件的选型， 最 后讲述了程序设 计方法。经实验证实该方法编程容 易、系统运行稳定 关键词 P L C；步进 电机 ；自动驾驶 中图分类号 T P 2 7 3 T P 2 4 文献标识码A 0 弓 I 言 根 据 轻型汽 车污染 物排 放 限值及 测量 方法 I 1 I 的规定 ，汽车排放 耐久性 试验可 以在室 内底盘 测功机 或室外跑 道上进行 ， 目前 国 内有 几家汽 车制造 厂引进 了国外 的 自动驾驶 机器人 在底盘 测功机上 进行 测试， 还有许多厂家在汽车试验场的跑道上进行测试。 采用第一种方法需要花费大量的资金引进设备，而后 者 也需要投 入大量 的人力 、 物力 和财力 ， 试 验时 间长 ， 试验数据的客观性和准确性难以控制。许多发达国家 研制的在室内进行试验的汽车 自动驾驶机器人系统， 其传动部分主要依靠液压及气动来实现， 具有成本高、 设备 笨重等 缺点 ， 而 步进 电机具有较 好的控制 性能 ． 其 运行方式的改变可以在较短时间内完成，且具有较高 的控 制精 度 。对此 本 自动 驾驶 系统 提 出 了利 用 P I C P r 0 g r a mma b l e I o g i c C o n t r o l l e r 控 制 步进 电机 ，依 靠齿轮齿条驱动 自动驾驶仪运动机构的方法来实现驾 驶仪的基本动作。 l 自动驾驶仪 机构设 计 机构部分的设计主要分为两个方面一是换档机 械手 ；二是油 门、刹车 和离合 器机械腿 。整体 系统 的 机构设 计 主要采 用渐 开线 齿 轮 和齿 条作 为传 动机 构 ， 将 齿条装 在导轨 中防止偏 差发 生 ， 以实现 精确定 位 。 各 机 构安装 在固定支 架上 。整个机 构依靠 固定基 座安装 在汽车的驾驶座上 。 1 ． 1 换档机 械手 设计 采用机械手基座作为机械手的运动支撑和位置固 定装 置 ， 其上 固定有左 、 右运动臂 的驱 动步进 电机 。 步 进 电机 的固定装 置包括 固定 底 座和防偏 心抱 紧架 。固 定底 座 的两 面夹角 为 9 0 。 ， 固定在驾 驶座 椅上 。 换 档机 械手 机构见 图 1 。 l 一机械手基座；2 一 步进电机固定底座；3 ～带 齿轮步进电机和安装架； 4 一编码器固定基座 ；5 一编码 器；6 ⋯帮街条左、右运动臂； 7 ～带齿条前 、后运动臂 ；8 ⋯机械 手 f 、下 位段调整滑杆； 9 一机械手前、后位 置调整螺杆 ；l O ⋯变速杆抱紧与机械手联 接装 置i l l 一变速杆抱 紧与机械手联接装置后盖 ；l 2 一变速杆装置 图 1 换 档 机 械 手 机 构 1 ． 2 机械 腿设 计 为了保证机械腿在汽车里的安装通用性．适应各 种汽车油门、刹车和离合器踏板之间的距离，分别在 齿轮齿条系统的前、后两端各加上一个万向节。这样 就能保证安装时机械腿方向的灵活性，齿条的运动方 收稿 日期 2 O 8 1 0 一 O 7 ；修回 日期2 o o 9 一 O l o 7 作者简介 赵瑞旺 1 9 7 9 一 ． 男． 山东潍坊人 ． 在读硕士研究生。 研究方向 机器人 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 O O 9年第 3期 向由导轨和齿条共同决定 。油门、制动及离合器机械 腿机构 见图 2 。 l 一 座 位 侧 万 向 ；2 一 齿 条 导 轨 ；3齿条 4 __ 一 齿轮 ；5 一步进 电机固定座 ；6 一编码器固定底 座； 7 一步进电机 ；8 一 光电编码器 ；9 一踏板 侧万 向节 图 2 油 门、制动及离合器机械 腿机构 2控制 系统设计 系统控 制结构 简 图见 图 3 ，图 3仅 为简单 示意 图 ， 实 际控制 中需要 用步进 电 机分别 控制油 门 、制动 和离 合器机械腿及换档机械手 ，通过编制程序使各机构之 间协调配合，用以实现加速、减速，使汽车在底盘测 功 机上按 所设定 的时 间及 速度行 驶 。 图 3系统 控 制 结 构 衙 图 2 ． 1 硬 件 的选型 2 ． 1 ． 1 步进 电机 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位 移或线 位移 的电磁 机械装 置 ，具有 转子惯 量低 、定 位 精度高 、无 累积误 差 、控 制 简单等 特点 ，已成 为运 动 控制领 域 的主要执 行元 件之 一l_ 】 j 。 根据 汽 车油 门、 制 动 及离合踏板的行程与所用力的大小 ，本系统中采用北 京 和 利 时 电机 技 术 有 限 公 司 的三 相 混 合 式 步 进 电 机 5 7 B YG3 5 0 DI 。 该 电机为 三相 低压 电机 ， 单 轴 ， 步距 角 为 O ． 6 ” ，静态 相 电流6 A，保持 转矩 最大 1 ． 5 Nm，定 位转 矩O ． 0 8 Nm， 输 入 电压2 4 V～7 O V I C 。 步 进 电 机驱动器采用与陔步进电机匹配的 s H一3 O 8 O 6 ，该驱 动器具备脱机、错相保护功能，共有 1 6 种细分模式， 最大可达 3 O 0 O O步／ 转。 采用 低压步 进 电机与 驱动 器可使 自动驾 驶仪 整个 系统 在操 作上更 安全 、易 于实现 。步 进 电机 较小 的步 距角及驱动器的多种细分模式使整个系统具有较高的 控制精度 ，完全能够满足 自动驾驶仪运动的需要。由 步进 电机 5 7 B YG3 5 O DI 的矩频 特性 曲线 可知 ， 其 在较 高的转速下仍然能够维持比较大的转矩，可以满足 自 动驾驶仪各执行机构的需要。在给定 4 O V D C 的驱 动电压、6 O O步／ 转的细分及脉冲频率小于5 k Hz 的情 况下 ，该 电 机 的 转 动 力 矩 几 乎 不 变 ，始 终 能 维 持 在 1 ． 1 Nm～1 ． 2 Nm范 围之 内。 2 ． 1 ． 2 P I C可编 程控 制器 P I C作 为 一 种 可 编程 序 控 制 器 ，具 有 模 块 化 结 构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能 力 、多种 控 制 功 能 、网 络 技 术 和 优 越 的性 价 比等性 能_ _2 ] 。 利用 P I C控制步进电机 ， 通过 P I C控制脉冲的 发 生 个 数 ，从 而控 制 步 进 电机 的运 转 角 度 及旋 转 方 向 ，实现对位置的精确控制 ，达到对换档机械手与油 门、制动和离合器机械腿的控制。 本 自动 驾驶 仪 系 统 的 P I C采 用 西 门子 S 7 2 0 0 系列 的 C P U2 2 4为主控 单元 ，它 有两 个 晶体 管 型的数 字 量输 出 口 QO ． O和 QO ． 1 ， 经 过程 序 编制 可 实现 高 速脉冲输出，控制步进电机 的转角，同时控制步进 电 机 的转速 及方 向 ， 实 现运 动控制 。 系统 中用 1 0 ． O 、 I O ． 1 控制步进电机的启动、 停止 ； l o ． 2 、 I o ． 3控制步进电机 正 转 、反转 ； QO ． O 控 制步进 电机 的启停 ，步进 电机驱 动器与步进电机之间采用单脉冲模式 的接法l_ 3 ] 。 2 ． 2 程 序设 计 为 防止 步进 电机失 步的发 生 ．需 要 以一定 的加速 度 启动 或停 止 电机 ， 使用 脉 冲包络 可以实 现这 一过程 。 P I c的脉 冲输 出指令 P I s能在高速输出点 Q0 ． O和 Q0 ． 1 上 实 现 脉 冲 输 出 P T o 和 脉 宽 调制 P wM ， P T0可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串 使用脉 冲 包络 ， 本系统 中实现的是多段脉冲操作 ， 即利用带有 脉冲包络的 P T 0控制步进电机 ，实现步进电机的加 速 、匀速 和减速 停止 过程 。 程序 框 图见 图 4 ，启 动 主程序 后使 用 一个 子 程序 流 程 较 简单 。 图 中 没 有 给 出 来初 始 化 多 段 P T O 脉 冲输 出． 用 首 次扫描 标志 位 S M0 ． 1 将 P T 使 用 的输 出点清 O 。采用 这 样 的子程 序调 用 的好 处是 后 续扫 描 不 会再调 用该 子程 序 ，从而减 少 了扫描 时间 ，也使 程 序 更加结 构 化 。对 图 l 的说 明如下 1 启 动主程 序进 行初 始化 ， 把 P T ／ P wM 控 制 字 节 1 6 8 5 送 入控 制 寄存 器 S M6 7 ，即设 置 P T 以 微 秒 为增量 单位 ，选 择 P T 操 作 。 2 确定是对驾驶仪哪一部分进行操作 机械手 、 油门机械腿 、 制动机械腿或离合机械腿 。 3 分 别调 用各 自的子程 序 ，因机 械手 、油 门机 械腿、制动机械腿和离合器机械腿的子程序类似，故 仅 给 出其 基本 流程 。 4 确定速度及行程 ，向存储器 S Mw1 6 8写入包 络表 存储 器首 地址 ，并 在包络 表 中设定 段数 。 5 脉冲串输出完成时 ，使脉冲串输出完成中断 事件调用一个 中断子程序，子程序结束并返回。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 o O 9年第 3 期 赵瑞 旺，等 P L C控制的步进电机在驾驶仪 中的应 用 1 1 9 6 判断全部动作是否结束．如果未完成，则继 续重复步骤 2 ；如果全部动作完成则退出主程序。 图 程 序 框 图 3结 论 本论 文根据驾 驶仪实 际运动控 制 的需 要 ，对 自动 驾驶仪 的机构进行 了相关 的设计 ． 并基 于西 门子 S 7 2 【 0系列可 编程 序控 制器 与三 相 混合式 步 进 电机 5 7 B Y G3 5 0 DI ， 提 出了一种控制 自动 驾驶仪 的方法 。 利 用 西 门子 S 7 2 O O系列 编程 软件 S T E P 7 Mi c r o wI N 进行 了编程 ，并进行 了控制实 验 ，结 果表 明本 系统 具 有控制简单 、可靠性高等特点 ．是一种切实可行的控 制 方案 。 参考文献 [ 1 ] 刘 宝廷 ， 程 树康． 步进 电动机 及其驱动控制 系统 M] ． 哈 尔滨 哈尔滨工业大学 出版社 ， 】 9 9 7 ． [ 2 ] 江华生 ， 李呜． 基于 P L C的步进电机控制技术 J ． 自动化 技术与应用 ， 2 O 0 6 ， 2 5 1 O 5 |I 一 5 5 ． [ 3 ] 宋小宁． P I c控制步进 电动 机的一个实 例[ j ] ． 包装 与食 品机 械 ． 2 0 0 5 ， 2 3 5 3 5 3 6 ． Ap pl i c a t i 0 n 0 f PLC b a s e d S t e pp i n g M 0 t 0 r i n Au t 0 ma t i c Dr i V i ng R0 b 0 t ZHA0 Ru i wa ng ， LI Yu an z On g ， CUI Ro ng h ua 1 ． R0 b 0 “ c s I a b 0 r a t or y r r a i y u a n Un i v e r s i t y f Te c hn ol o gy． Ta iyu a n O 3 0 O 2 4． Ch ． I 1 a ； 2 ．Na n t o ng UI1 i v e r s i t y． Na r 1 t on g 2 2 3 O l 9． h l l 1 a Abs t r a c t Thi s p ap e r p r e s e nt s t h e n l e c h a ni s n1 d e s i gn of t he s h i f t man i p ul a t o r， t he mac hi n e r y l e gs ab o L l t a c c e l e r at or， br a ke a n d c l ut ch of a n a ut o n 1 a t i dr i Vi ng r ob ot ． a s we l 1 a s t he a pp l i c a t i on of PL 一 b a e d s t e p pi ng mo t o r i n t l 1 e a ut o ma t i c d r i vi n g r o} ot ． The de s i g n o f a u t o n l a t i c d r i 、 ’ i n g r o b o t c o n t r o l s y s t e m a n d t h e c h o i c e 0 f s y s t e m h a r d wa r e r i r e d i s c u s s e d p a r t i c u l a r 1 y ． L a s t l y t h e p a p e r p r e s e n t s t h e me t l 1 d o f p r o g r a m d e s i g n ． Th e s y s t e m i s e a s y t o p r o g r a mn 1 e a n d s t a b l e t 0 r u n ． Ke y wor ds PI C； s t e p pi ng n1 ot ‘ r； a ut o mat ； c dr i v i n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m