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1、小车运动控制系统的研究摘要：小车运动控制型实物教学模型的机械结构由丝杆、滑杆等机械部件组成；电气方面有直流减速电机、传感器、开关电源等电子器件组成；可编程控制器可采用目前市面上比较流行的各类PLC，如西门子、三菱或欧姆龙等。本论文采用的是欧姆龙的PLC。该模型是将PLC技术，位置控制技术、机械传动等有机结合成一体的教学仪器。本文详细介绍了小车运动控制系统的硬件电路的设计与实现。并给出详细的电路连接图。对欧姆龙PLC，直流电机以及接近开关传感器的工作原理和在本实验中直流电机，传感器所起的作用做了详细的介绍。重点就如何用梯形图实现小车的左行与右行，停止以及位置的显示，如何报警进行研究。对现场总线和
2、工业现场控制进行了简单的介绍。用PLC继电器逻辑实现小车的智能控制具有深远的现实意义，可以将此技术广泛应用于车间物料的传送。其具有极为方便的操作性能，较高运行效率和运行可靠性。关键词：直流电机；接近开关；欧姆龙PLC；机械传动；36The study for vehicle motion control systemAbstract: The mechanical structure of the teaching model which is called the type Motion Control Vehicle is made up of screw, slider and othe
3、r mechanical components; There are DC geared motors, sensors, electronic devices, such as switching power supply components in electrical part; The PLC can be the currently popular types in the market, such as Siemens, Mitsubishi or Omron. In this thesis, the Omron PLC is used. The model is the teac
4、hing equipment which is the organic integration made up of PLC technology, the location of control technology, mechanical transmission.This paper describes the design and implementation of the hardware circuit in car motion control system. And a detailed connection diagram of the circuit is given. F
5、or Omron PLC, the working principle of DC motors and the proximity switch sensor switch, as well as the actions of DC motor and sensors in this experiment are presented in detail. Which are focused that how to achieve the left-right running, stop as well as the location display of car by ladder diag
6、ram, and how to give an alarm. CAN-Bus and control system in industrial site are also introduced in brief.There is far-reaching practical significance using PLC relay to logically achieve the intelligent control of car, and this technology can be widely used in the transmission of workshop materials
7、. It has very convenient interoperability, and can improve the operating efficiency and operating reliability.Keywords: DC motor; proximity switch; Omron PLC; mechanical transmission目录第一章 绪论11.1 课题在理论和实际应用方面的价值11.2 主要研究内容2第二章 智能小车的研究现状32.1 国内智能小车的研究现状32.2 国外智能小车的研究现状4第三章 小车运动控制系统的关键技术63.1 PLC的选择及工作原
8、理63.2 直流电机与接近开关113.2.1 直流电机的基本工作原理113.2.2 接近开关的工作原理：143.3 机械传动原理和现场总线技术153.3.1 机械传动原理153.3.2 现场总线技术16第四章 小车运动控制系统的设计194.1 硬件电路的设计194.1.1 实验器材194.1.3 控制要求234.1.4 实验步骤244.2 梯形图的设计24结 论32致 谢33参考文献34第一章 绪论1.1 课题在理论和实际应用方面的价值 小车运动控制系统，也就是最简单的轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，它们已在许多工业部门获得广泛应用。它们可以比人类工作得更好并且成本低廉。以下
9、列举了机器人的一些应用1，所有这些用途正逐步渗入到工业和社会的各个层面。焊接 这是机器人与焊枪及相应配套装置一起将部件焊接在一起，是机器人在自动化工业中最常见的一种应用。由于机器人连续运动，可以焊接得非常均匀和准确。 喷漆 这是另一种常见的机器人应用，尤其是在汽车工业上。由于人工喷漆时要保持通风和清洁，因此创造适合人们工作的环境是很困难的，而且与人工操作相比，机器人更能持续不断地工作，因此机器人非常适合喷漆工作。检测 对零部件、线路板及其它类似产品的检测也是机器人比较常见的应用。一般说来，检测系统中还集成有其他一些设备，它们是视觉系统、X射线装置、超声波探测仪或其他类似仪器。医疗应用 由于要求
10、机器人完成的许多操作（如切开颅骨、在骨体上钻孔等）比人工操作更为准确，因此手术中许多机械操作部分都由机器人来完成。帮助残疾人 在日常生活中，机器人可以做很多事情来帮助残疾人，诸如将盛着食品的盘子放入微波炉，从微波炉中取出盘子，并且将盘子放到残疾人面前给他用餐等。其他许多任务也可通过编程让机器人来执行。危险环境 机器人非常适合在危险的环境中使用。在这些险恶的环境下工作，人类必需采取严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作，且不需要得到像对人一样的保护。另外，智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例
11、如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量，尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径。1.2 主要研究内容1） 国内外智能小车的研究现状2） 小车运动控制系统的关键技术（PLC控制的基本原理、直流电机、传感器等器件的原理及使用等）3） 小车运动控制系统的设计（硬件电路设计与PLC梯形图的设计）第二章 智能小车的研究现状2.1国内智能小车的研究现状吉林大学智能车辆课题组长期从事智能车辆自主导航机理及关键技术研究。20世纪90年代以来，课题组开展的组态式柔性制造单元及图像识别自动引导车的研究对我国独立自主开发一种新型自动引导车辆系统，从而为我国生产组织模式向柔性或半柔性生产组织转化
12、提供了有意义的技术支撑和关键设备。课题组已开发出JLUIV1、JLUIV2、JLUIV3 三种型号的自动引导车辆，其中JLUIV3实用型视觉导航AGV已投入工厂进行中试，并得到吉林省科委“新型视觉引导AGV及自动物流运输系统开发”项目、长春市政府科技引导计划新星创业项目、吉林大学科技园高新技术产品孵化项目的立项资助，目前该种AGV已完成商品化研制，即将投入市场。由于JLUIV3型AGV性能优越，智能化程度高，属国内首创，必将会产生重大的社会效益和经济效益。中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于2003年7月研制成功 我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下，在高
13、速公路上行驶的最高稳定速度为130公里/小时，最高峰值速度为170公里/小时，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。轿车自主驾驶的基本原理是仿人驾驶。车内的环境识别系统识别出道路状况，测量前方车辆的距离和相对速度，相当于驾驶员的眼睛；车载主控计算机和相应的路径规划软件根据计算机视觉提供的道路信息、车前车辆情况以及自身的行驶状态，决定是沿道路前进还是换道准备超车，相当于驾驶员的大脑；接着，自动驾驶控制软件按照需要跟踪的路径和汽车行驶动力学，向方向盘控制器、油门控制器和刹车控制器发出动作指令，操纵汽车按规划好的路径前进，起到驾驶员的手和脚的作用。另外，我国清华大学、北京理工大
14、学等单位也正在研发智能车辆。汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机科学和汽车操纵动力等多门学科于一体的综合性技术，汽车自主驾驶功能水平的高低常被用来作为衡量一个国家控制技术水平的重要标准之一。智能车辆的相关技术，也将为促进轮式机器人的研究。2.2 国外智能小车的研究现状智能车辆的研究始于20世纪50年代初，美国Barrett Electronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轿车装配工厂与SchiinderDigitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及
15、叉车等运输工具。由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构正在研发智能车辆，其中具有代表性的智能车辆包括意大利MOBLAB的研究。MOBLAB是开放“移动试验室”的代名词，后来用来研发车载实时图像处理系统，通过计算机视觉系统来检测车道轨迹，实现车辆自主驾驶。MOB-LAB有以下主要特点：车辆前后装备彩色摄像机，用来检测辆外部环境；两个实时数字图像处理器（利用相应算法结构，以200ms一幅图像速度分析图像）；4个车载传感器来测量横向和纵向车辆加速度；在车辆
16、左右侧安装的毫米波雷达感知道路左右两侧环境；两个PC处理器处理雷达和其他融合的传感器数据；德意志联邦大学的研究。德意志联邦大学已经研发出多辆智能原型车辆。在1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆就已经在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试。使用机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMETHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA，7t）也进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性，同时还包括一些其他种类的传感器：三个加速度计、一个车轮位置编码器（可作为
17、里程表或速度计），在VaMoRs车中，GPS接收机可以实现车辆位置的初步估算。美国俄亥俄州立大学的研究。美国俄亥俄州立大学智能交通研究所所研发的三辆智能原型车辆，配备不同的传感器来实现数据融合和错误检测技术：基于视觉的系统；雷达系统（检测与车道的横向位置）；激光扫描测距器（障碍物检测）；其他传感器，如侧向雷达、转向陀螺仪。利用基于视觉的方法实现道路检测。利用一台安装在后视镜处的CCD摄像机，位置要尽可能高，车道检测系统可以处理这样的单幅灰度图像。算法假设道路是水平地，并且有连续或点化的车道标志线。前几帧检测的车道标志线数据也用来决定下一步兴趣热点区域，以简化图像处理。算法从图像中提取出重要的亮
18、域，并以向量行驶存储，如道路消失点或道宽这样的数据参数，都可以作为计算车道标志线的参考，最后为了处理点划车道线，可以通过一阶多项式曲线来拟合，在进行向量计算。如果检测到左右车道标志线，就可以利用左右标志线来估计车道中心线；否则也可以利用估计的车道宽度及相关可视标志来估算中心线。另外，斯特拉斯堡（Strasbourg）试验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。第三章 小车运动控制系统的关键技术3.1 PLC的选择及工作原理 本系统采用欧姆龙公司CP1H系列PLC。PLC是机电一体化设备中的控制器，机电一体化理念强调系统中各
19、个部分之间的配合与协调，其目标是整体性能最佳。CP1H系列PLC正是为了实现这一目标而研制的一款小型一机体，并可扩展CPM1A系列I/O单元和CJ1系列高功能I/O单元及CPU总线单元。CP1系列PLC的特点是其内置有四轴高速计数功能，四轴脉冲输出功能，四路模拟量输出功能以及串行通信功能。PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。图3.1为一典型PLC结构简图。 图3.1 PLC的结构简图1）中央处理单元 中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。 CPU的主要功能：从存储器中读取指
20、令 执行指令 顺序取指令 处理中断 2）存储器 只读存储器ROM 随机存储器RAM3）输入输出单元 输入接口电路 输出接口电路 通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图3.2和图3.3分别为一种型号PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。图3.2描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1。即输入映像寄存器的对应位由0变为1。图3.2 直流
21、输入电路图图3.3交流输入电路图工作原理：PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，其工作过程如图3.4所示。图3.4中当PLC方式开关置于RUN（运行）时，执行所有阶段；当方式开关置于STOP（停止）时，不执行后3个阶段，此时可进行通信处理，如对PLC联机或离线编程。可编程序控制器的输入处理、执行用户程序和输出处理过程的原理如图3.5所示。PLC执行的五个阶段，称为一个扫描周期，PLC完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。PLC作为一种特殊形式的计算机控制系统，是利用计算机技术对传统的硬件逻辑
22、控制系统“继电器控制”进行硬件软化的结果。但在运行方式上，PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。 继电器控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或者放电，该继电器的所有触点（不论是常开还是常闭、也不论其处于继电器线路的哪个位置上）都会立即同时动作；而PLC的软件逻辑是通过CPU逐行扫描执行用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点并不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模板等方面作了特别的考虑。 1、循环扫描： PLC
23、采用了一种不同于普通微型计算机的运行方式-循环扫描方式。因为继电器控制中各类触点的动作时间一般超过100ms，因此只要PLC运行整个用户程序的时间“扫描周期”小于100ms，其运行结果与继电器控制就没有什么差别。 2、建立I/O映像区： PLC在输入输出操作上采用定时采样、定时输出的方式。即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始或结束）采样所有的输入点，采样结果存入RAM中一个区域（输入映像区）。这样在执行程序时，所需的现场讯息全部从输入映像区中取用，不直接从现场取样。同样控制讯息输出也不是采取生成一个就输出一个的方法，而是先将它们存放在RAM中的一个区域（输出映像区），扫描周期结束时
24、再将输出映像区中控制讯息集中输出。通过建立I/O映像区，使PLC成为一个真正的数字采样控制系统；虽然PLC不可能像继电器控制那样随时根据现场输入实时控制现场输出状态，但只要采样周期足够短，即采样频率足够高，这样的采样系统应该完全符合实际系统的需要。 3、特殊功能模板： 由于PLC在扫描周期方面限制了用户程序的长度，这对于一般的数字量控制应该不成问题。但实际的生产过程对PLC提出了更多得要求：仿真量处理、死循环控制、网络通讯、高速I/O等。对于模拟量输入输出以及简单的控制，一般是利用PLC的主CPU和一定的硬件支持，通过相应的软件来实现；其它情况由于牵涉到比较的计算量和CPU运算时间，以及PLC
25、扫描周期的限制，一般采用自带CPU的专用模板，由模板系统软件完成相应的控制任务。这样，这些模板与PLC主CPU并行工作，两者之间通过总线接口进行联系，主CPU定期向模板发送命令，模板也定期将自身的状态讯息发送给主CPU。 综合以上所述，在完成系统自身初始化以后，PLC系统执行用户程序的循环扫描方式可分为三个阶段：输入扫描、程序扫描、输出扫描。而计算量比较大或者响应实时性比较高的应用则由自带CPU的专用模板和专用软件来实现。图3.4 工作原理图 图3.5程序执行原理图3.2 直流电机与接近开关3.2.1 直流电机的基本工作原理 直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接
26、触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。
27、直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机
28、中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。（1）直流发电机7的基本工作原理 直流发电机和直流电动机具有相同的结构，只是直流发电机是由原动机（一般是交流电动机）拖动旋转而发电。可见，它是把机械能变为电能的设备。直流电动机则接在直流电源上，拖动各种工作机械（机床、泵、电车、电缆设备等）工作，它是把电能变为机械能的设备。我们首先来观察直流发电机是怎样工作的。 如图3.2.1所示，电刷A、B分别与两个半圆环接触，这时A、B两电刷之间输出的是直流电。我们再来看看这时线圈在磁极之间运动的情况。从图3.2.1可以看出，当线
29、圈的ab边在N极范围内按逆时针方向运动时，应用发电机右手定则，这时所产生的电动势是从b指向a。这时线圈的cd边则是在S极范围内按逆时针方向运动，依据发电机右手定则可以判断，cd边中的感应电动势方向是从d指向c。从整个线圈来看，感应电动势的方向是d-c-b-a。因此，和线圈a端连接的铜片1和电刷A是处于正电位；而和线圈的d端连接的铜片2和电刷B是处于负电位。如果接通外电路，那么电流就从电刷A经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。 图3.2.1 直流电动机的工作原理当线圈的ab边转到S极范围内时，cd边就转到N极范围内，用右手定则判断可以知道，这时线圈cd边中产生的电动势方向是从c到d，
30、而ab边转到了S极范围内，其中电动势的方向则是有a到b。由于电刷在空间是不动的，因此和线圈d端连接的铜片2和电刷A接触，它的电位仍然是正。而与线圈a端连接的铜片1则和电刷B接触，它的电位仍然是负。接通外电路时，电流仍然是从电刷A经负载流入电刷B，与线圈一起构成闭合的电流通路。不过，要注意到这时线圈内的电流已经反向了。 由此可知，当线圈不停地旋转时，虽然与两个电刷接触的线圈边不停的变化，但是，电刷A始终是正电位，电刷B始终是负电位。因此，有两电刷引出的是具有恒定方向的电动势，负载上得到的是恒定方向的电压和电流。也就是说，尽管线圈abcd中感应电动势的方向不断交变，但是电刷A总是和处在N极范围内的
31、线圈边接触，电刷B总是和处在S极范围内的线圈边相接触，它们的极性始终不变。于是，线圈中的交流电经过铜片和电刷整流后，便成为外电路中的直流电了。这两个半圆形的铜片就叫做换向片，它们合在一起叫做换向器。 （2）直流电动机的基本工作原理 上面已经讨论了直流发电机的工作原理，现在再来讨论直流电动机是怎样工作的。如果直流电机的转子不用原动机拖动，而把它的电刷A、B接在电压为U的直流电源上，那么会发生什么样的情况呢？可以看出，电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。前面已经说过，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd
32、两导体都要受到电磁力Fde的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半州之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。因此，电磁力Fdc的
33、方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。 从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。换向器和电刷就是完成这个任务的装置。在直流发电机中，换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出；而在直流电动机中，则用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。可见，换向器和电刷是直流电
34、机中不可缺少的关键性部件。 当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。 比较直流发电机和直流电动机的工作原理可以看出，它们的输入和输出的能量形式不同的。正如前面已经说过，直流发电机由原动机拖动，输入的是机械能，输出的是电能；直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。3.2.2 接近开关的工作原理：(1)概述接近传感器可以不与目标物实际接触情况下检测靠近传感器金属目标物。操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应高频振荡型，使用磁铁
35、磁力型和利用电容变化电容型2。特性：1） 非接触检测，避免了对传感器自身和目标物损坏。2） 无触点输出，操作寿命长。3） 有水或油喷溅苛刻环境中也能稳定检测。4） 反应速度快。5） 小型感测头，安装灵活。(2)类型1） 按配置来分2） 按检测方法分通用型：主要检测黑色金属（铁）。所有金属型：相同检测距离内检测任何金属。有色金属型：主要检测铝一类有色金属。(3)高频振荡型接近传感器工作原理3电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生涡流吸收了振荡器能量，使振荡减弱停振。振荡器振荡及停振这两种状态，转
36、换为电信号整形放大转换成二进制开关信号，经功率放大后输出。下面为详细介绍：1）通用型接近传感器工作原理振幅变化程度随目标物金属种类不同而不同，检测距离也随目标物金属种类不同而不同。2）所有金属型传感器工作原理所有金属型传感器基本上属于高频振荡型。和普通型一样，它也有一个振荡电路，电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时，目标物金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。3）有色金属型传感器工作原理有色金属传感器基本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路，电路中因感应电流目标物内流动引起能量损失影响到振荡频率变化。当铝或铜之类有色金属目标物接
37、近传感器时，振荡频率增高；当铁一类黑色金属目标物接近传感器时，振荡频率降低。振荡频率高于参考频率，传感器输出信号。(3)电容式接近传感器原理电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器检测面与大间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制开关信号。3.3 机械传动原理和现场总线技术3.3.1 机械传动原理利用机械方式传递动力和运动的传动。机械传动在机械工程中应用非常广泛,有多种形式,主要可分为两类：1） 靠机件间的摩擦力传递动力和运动的摩擦传动，包括带传动、绳传
38、动和摩擦轮传动等。摩擦传动容易实现无级变速,大都能适应轴间距较大的传动场合,过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，也不能保证准确的传动比。常用机械传动的特点8：带传动：中心距离变化范围广，结构简单，传动平稳，可起安全和减震作用，缺点是外廓尺寸大，轴向受力大，寿命短传动比不能严格保证。绳传动：中心距离变化大，传递动力大。缺点就是传动比不能严格保证。摩擦轮传动：结构简单，易实现无极变速。缺点就是轴向受力大传动比不能严格保证。齿轮传动:适用范围广，效率高，传动比准确，工作可靠，寿命长。缺点就是制造要求高，中心距不能过大。链传动：中心距变化范围大，平均传动比准确
39、，比带传动过载能力大。缺点就是瞬时传动比不准确。旋转传动：易于将回转运动变成直线运动。可用于微调机构和自锁机构，滚动旋转传动效率高。缺点是普通滑动旋转传动效率低，不适于大功率。2） 靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，包括齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动等。啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，但一般要求较高的制造精度和安装精度。每种机械传动都各有特点，分别适用于不同的条件。3.3.2 现场总线技术现场总线4（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网
40、络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点 :具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上
41、述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把420mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。
42、可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有:FoudationFieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本文将在简要描述现场总线技术特点的基础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状，最后阐述现场总线的发展趋势与技术展望。 一、现场总线的技术特点10 1、系
43、统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实
44、现互用。 3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4、系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5、对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与
45、通信，并可满足本质安全防爆要求等。 二、现场总线的优点 由于现场总线的以上特点9，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 第四章 小车运动控制系统的设计4.1 硬件电路的设计4.1.1 实验器材所
46、需的实验设备：1.小车运动控制型实物教学模型 一台2.计算机（用户自备） 一台3.导线 若干4.可编程控制器(带编程电缆)（用户自备） 一套4.1.2 工作原理1传感器：(1)接近开关：接近开关有三根连接线（棕、兰、黑）棕色接电源的正极、蓝色接电源的负极、黑色为输出信号，当与档块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。与PLC之间的接线图如下，当传感器动作时，输出端对地接通。PLC内部光耦与传感器电源构成回路，PLC信号输入有效。连接电路如下图所示：2.光耦电路光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议
47、的20mA电流环。对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过