基于PLC控制的交流伺服电机 - 图文

课程设计报告

（运动控制实践设计报告）

学 院：电气工程与自动化学院 题 目：运动控制实践

专业班级：自动化123班 学 号：21号 学生姓名：谢斌

指导老师：朱文虎 、林飞老师

日 期：2015年1月30日星期五

摘 要

我们生活在信息与科技高速发展的信息时代，高科技产品的更新的换代也是

越来越快。作为21世纪的大学生，我们身处这样的环境中，就必须使自己能够适应这个社会所需。自动化作为处在科技前沿的专业，我们学生就要打好基础， 跟上时代的步伐。

分拣控制系统在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。是工业控制及现代物流系统的重要组成部分，实现物料同时进行多口多层连续的分拣。在社会各行业如：物流配送中心、邮局、仓库等行业得到广泛应用。

本文在对熟悉了自动及分拣系统的原理的基础上，根据一定的分拣要求，采用了整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化，设计了一个物料传送及分拣系统。此系统以PLC为主控制器，结合传感器技术，气动装置和位置控制等技术，并运用梯形图编程，实现对铁质、铝质和不同颜色的材料的自动分拣。具有自动化程度高、容易控制、运行稳定、分拣精度高的特点，对不同的分拣对象，稍加修改本系统即可实现要求。

运动控制技术能够快速发展得益于计算机、高速数字处理器、自动控制、网络技术的发展。基于ARM的控制器逐步成为自动化控制领域的主导产品之一。高速、高精度以及具有良好可靠性始终是运动控制技术追求的目标。

随着自动化水平的不断提高，越来越多的工业控制场合需要精确的位置控制。因此，如何更方便、更准确地实现位置控制是工业控制领域内的一个重要问题。伺服系统是以机械运动的驱动设备，伺服电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统,这类系统控制电动机调转速，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。

本文介绍了基于ARM控制的交流伺服系统设计。该控制系统采用Cortex-M3芯片作为控制核心，经keil编程控制伺服电机驱动器，从而对电机的转速位移进行智能化，精确化控制。

以伺服电机、伺服电机驱动器为核心元件，通过伺服驱动器设定出伺服电机所需的各项参量，以达到控制要求。采用松下MINASA系列驱动器，伺服电机为MSMA042A，并通过PLC给出多种控制信号，在实验平台上尽可能体现出伺服电机

的执行控制中各项特性、优点。

为了让我们在实践中学习，自己设计反馈装置以实现物料分拣的控制，并从中深入了解和理解物料分拣的工作原理与流程。从而为进一步实现人机对话，测量以及控制这些自动化的基本控制做基础。从理论到实践，让同学们更好的理解基于PLC的物料分拣控制系统，增长我们的实践和设计能力。所以我们迫切需要一场物料分拣控制系统、基于ARM控制的交流伺服电机、基于PLC控制的交流伺服电机的实战训练，同时，我们还进行了机器人的手动操作及用编程的方式对机器人的运动进行控制。

关键字：

可编程控制器（PLC）；传感器；气动控制；物料分拣控制系统；自动化；运动控制；ARM；Cortex-M3；伺服电机；驱动器；伺服电机；伺服电机驱动器；机器人。

目 录

第一章 基于PLC的物料分拣系统 ......................... 8

1.1 分拣系统的介绍 ....................... 错误！未定义书签。 1.1.1 分拣系统的工作过程概述 .............................. 8 1.1.2 分拣系统的控制要求 .................................. 9 1.2分拣系统的硬件设计 ..................................... 9 1.2.1 PLC的型号选择....................................... 9 1.2.2 I/O模块的选型...................................... 11 1.2.3传感器的简介 ....................................... 13 1.2.4传感器的选择 ....................................... 14 1.2.5 驱动部分的分析与选择 ............................... 15 1.2.6 系统执行机构的分析与选择 ........................... 17 1.2.7 硬件设计及实际模型的建立 ........................... 18 1.2.8 其他元器件及其选择 ................................. 20 1.2.9 I/O接口的选择及PLC的接线 .......................... 21 1.3 物料分拣系统软件设计 ................................. 24 1.3.1 可编程控制器（PLC）的简介 .......................... 24 1.3.2分拣系统的控制要求及其流程图 ........................ 27 1.3.3软件设计及编程...................................... 29 1.4控制系统的安装接线及运行调试 .......................... 29 1.4.1 硬件调试 ........................................... 30

1.4.2 软件调试 ........................................... 30 1.4.3 整体调试 ........................................... 30

第二章 基于ARM控制的交流伺服电机 ..................... 8

2.1 交流伺服电机的控制原理简介 .......................... 31 2.1.1 ARM Cortex-M3简介 ................................ 34 2.1.2 空气开关 .......................................... 34 2.1.3 光耦 .............................................. 35 2.2 系统硬件设计 ....................................... 36 2.2.1 总体设计 .......................................... 36 2.2.2 硬件布局设计 ...................................... 36 2.2.3 强电电路连线设计 .................................. 37 2.2.4强电部分的连线如图所示 ............................. 37 2.2.5电机与伺服电机电源接线 ............................. 37 2.2.6编码器与伺服电机的接线 ............................. 37 2.2.7 ARM核心板电路图 ................................... 38 2.3 系统软件设计 ........................................ 38 2.3.1 交流伺服系统程序框图 .............................. 38 2.3.2 测速方式及原理 .................................... 39 2.3.3 M法数字测速 ...................................... 40 2.3.4 M/T法数字测速..................................... 41 2.4 系统调试及注意事项 ................................. 41

2.4.1系统的调试 .................................... 41

等;交流,110 V,220 V,等等。在选择时应根据输入装置和输入模块之间的距离来考虑。一般5 V、12 V、24V近距离传输的场合,例如5 v的输入模块最远不得超过10米。远高模块应选用输入电压水平[2]。

本系统传输距离较近可选择24Ｖ直流输入。

1.2.2 I/O模块的选型

PLC的型号选好后，根据I/O表和可以供选择的I/O模块的类型，确定I/O模块的型号和块数。选择I/O模块时，I/O点数一般应留有一定的余量，以备今后系统改进或者扩充时使用。

（1）开关量输入模块的选择

开关量输入模块的输入电压为AC220V DC24V可一般。直流输入电路延迟时间较短,可以直接和接近开关、光电开关和其他电子输入设备连接。交流输入模式适合于Zaiyou油雾、灰尘的条件下使用,在这些条件下交流输入触点的接触较为可靠。

1）输入接线方式

开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式。

汇点式的开关量输入模块和所有输入点共享一个公共端(COM);和数据包类型开关输入模块输入点分成几组,每组(几个输入点)有公共边,团体之间是分开的。分组的开关输入模块和一个结点更高的价格,如果你不需要单独的输入信号之间,一般选择转运站。所以本系统考虑价格便宜问题，且输入信号之间不需要分隔，选用汇点式较合适。

2）输入门槛电平

为了提高系统的可靠性,必须考虑输入的大小阈值水平。阈值水平越高,抗干扰能力强,传输距离越远,具体可以参考指令PLC。

（2）开关量输出模块的选择

开关输出模块是低电压转换为驱动在PLC外部开关信号输出装置,实现PLC信号内部和外部电气隔离。在选择时应该考虑以下几个方面:

继电器型输出模块的工作电压范围广，触点的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是速度动作较慢，触点寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。

输出方式

开关输出模块有继电器输出,晶闸管输出和晶体管输出三种方式。 继电器输出是便宜的,可以用来驱动交流负载,可用于直流负载,电压应用到广泛的大小、传导电压降小,同时有更好的能力去承受暂态过电压和过电流,它属于接触单元,缓慢的速度(驱动电感负载,接触行动频率必须小于1 hz),短寿命和可靠性较差,只适合于频繁的开启和关闭。

对于经常打开和关闭负载,应选择晶闸管输出或输出晶体管,他们属于非接触式组件。但晶闸管输出只能用于交流负载,和晶体管输出只能用于直流负载。本系统为中小型生产线自动控制系统，需要考虑价格相对要便宜，而本系统对动作速度要求不高，所以选择继电器输出作为输出方式。

2）输出接线方式

开关输出模块主要包括数据包类型,和单独的两个连接的方式。

输出分组类型是几个点作为一个群体,一个组织有一个公众方面,两组之间是分开的,外部输出设备可以用来驱动不同的力,是输出为每个输出点有公共边,孤立的输出点。选择时主要取决于类型的PLC输出设备的电源和电压等级和多少。一般分两个包类型的PLC输出和输出。系统输出选项包类型。

3）驱动能力

输出电流的开关输出模块(驱动)必须大于额定电流的PLC外部输出设备。用户应根据实际的输出设备的电流大小来选择输出模块输出电流。如果实际的输出设备较大,当前输出模块不能直接驱动,可以增加放大在中间。

综合对比三菱FX系列（包括FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等）、西门子系列、OMRON系列中I/O点数为32点各型号的PLC的价格、性能、实用场合等各方面，本系统可选择PLC型号为：FX2N—32MR，合计总数32点—16点输入，DC24V，16点继电器输出；尺寸（mm）：220×87×90，其性能、价格都优于其他PLC。

FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，它能最大范围地包容了标准特点，程式执行更快，全面补充通讯功能，适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化控制应用提供最大的灵活性和控制能力。

1.2.3传感器的简介

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“可以把具体的测量信息(如物理、化学的内容,生物质等)转换为信号设备可根据一定的规则或设备。传感器是一种完整的检测设备(或系统),可以感觉测量信息,并可以检测感觉信息,按一定规律改变成为电信号输出,或其他形式的信息需要满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求[3]。是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器生物体感官的工程模拟量；反之，感觉,可以被视为一种自然的生物传感器。

所谓的“可用信号”,是指促进运输,方便处理信号。目前,电子信号最符合要求的运输方便,易于加工。因此,也可以把传感器是狭隘的定义为:外面的世界非电量信息转化为电信号输出设备或装置。

传感器一般由变换元件、敏感元件和其他辅助元件组成。随着传感器集成技术的发展，把传感器的信号调理与转换电路安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成在同一芯片上将会是未来的发展趋势。因此，信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器组成的一部分，如图2所示

辅助电源被测量敏感元件非电量变换元件电参量信号调理与转换电路电量

图2 传感器的组成示意图

敏感元件——是用来感受被测量，输出与被测量成确定关系的其他量的元件，例如波纹管和膜片，可以把被测压力变成位移量。若敏感元件能直接输出电量（如热电偶），就兼为传感元件。另外还有一些新型传感器，如压阻式和谐振式压力传感器等，其敏感元件和传感器是一体的。

变换元件——又称传感元件，是传感器的重要组成元件。直接感受被测量（一般为非电量）且输出与被测量成确定关系的电量，如热敏电阻和热电偶。传感元

件也可以间接感受被测量，只感受与被测量成确定关系的其他非电量。一般情况下使用的都是这种传感元件。

信号调理与转换电路——把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类，常用的电路有放大器、电桥、阻抗变换器和振动器等。

传感器根据使用要求的不同，可以做的很简单，也可以做的很复杂；可以使带反馈的闭环系统，也可以是不带反馈的开环系统。因此，传感器的组成将依不同的情况而有所差异[4]。

1.2.4传感器的选择

传感器是将被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。主要用于检测系统本身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制系统的动作提供信息。

根据本论文设计的要求，经分析可知：需要对位置检测装置、视觉传感器进行选用。位置检测装置用来检测气缸动作是否到位，视觉传感器是用来完成对不同物料的识别。

（1）位置检测装置

在本设计中，应有相应的位置检测装置检测当气缸执行动作时是否到位。常用的位置检测装置是行程开关。行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器、。动作时，由挡块与行程开关的滚轮碰撞，使触头接通或断开，用来控制运动部件的运动方向、行程大小及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。行程开关的品种规格很多，有机械式和电子式两种。按其操作结构可分为直动、滚轮直动、杠杆单、双轮等。选用行程开关时，应结合不同使用场合，满足各方面的要求等来进行选择。

在本设计中采用直线接触式磁感应开关检测气缸回位动作是否到位，当运动到指定位置时，碰到行程开关，终结上一个动作，准备执行下一个动作。

（2）视觉传感器

视觉传感器的作用就是最大程度模仿人的眼睛，能够对不同的物体进行识别，本系统采用材质传感器和颜色传感器，对物料进行分拣。

电容传感器也属于具有开关量输出的位置传感器，是一个具有可变参数的电容量。多数场合下，电容由两个金属平行极板组成的，并且以空气为介质。是一个接近开关。电容传感器的测量头构成电容器的一个板,另一个是板待测物的本身。当对象移动到接近开关、接近开关的对象和介电常数的变化,和测量头相连的电路状态也相应地改变。因此,可以控制开关是开启和关闭。在本设计里面电容传感器用于检测铝质材料。

电感式传感器属于有开关量输出的位置传感器，是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。用来检测金属物体。它由LC高频振荡器和放大电路,使用金属物体可以产生电磁振荡诱导在接近头部,使对象在涡。涡流产生的反应在接近开关,接近开关振荡容量衰减、内部参数变化的电路。总之,电感式传感器可以找出存在的金属物体接近,和控制开关打开或关闭。在这种设计使用设备来检测铁材料[5]。

根据不同物料有不同的颜色，可以对同一种颜色的物料进行拣出。颜色传感器也属于具有开关量输出的位置传感器。它是在Si等多数光电二极管之前，分别放置R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色的彩色滤光器，通过处理各自的输出信号并识别彩色的方法。材料分拣系统采用颜色传感器主要是用来识别红色与绿色的材料。

目前，用于颜色识别传感器有两种基本类型:(1)颜色代码传感器,它使用一个白炽光源或单色LED光源;(2)RGB(红、绿、蓝)颜色传感器,检测对象的反射比的三个主要的颜色,以便识别物体色。许多这样的设备被温暖的反射式、梁式、纤维类型、包装在各种金属和聚碳酸酯住房,典型的输出是:NPN型和PNP型、继电器。

为了便于PCL控制程序的编写，综合公司企业的经济效益及其各种情况，在本设计中，选择RGB颜色传感器作为识别物料颜色的装置，继电器输出方式，使得PLC控制系统简单化，控制系统更容易实现[4~6] 。

1.2.5驱动部分的分析与选择

系统的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，其驱动系统根据动力源的

不同，分为气压、液压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前主要采用的有气压、液压、电气这三种驱动方式。

气压驱动，价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为一种“廉价的自动化技术”,由于不断提高性能的组件,降低生产成本,广泛应用于现代工业生产领域。在现代设备和自动化生产线,几乎所有配备气动系统。气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。

液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。

电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于电气驱动方式价格昂贵，限制了电气驱动在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。

表1给出了各种控制方式的比较：

表1 各种控制方式的比较

项目 系统结构 安装自由度 输出力 定位精度 动作速度 响应速度 清洁度 气压传动 简单 大 液压传动 复杂 大 电气传动 复杂 中 机械传送 较复杂 小 稍大 一般 大 慢 清洁 大 一般 稍大 快 可能会产生污染 小 很高 大 快 清洁 不太大 高 小 中 较清洁 维护 简单 相对于气动来说复杂 使用专门技术 高 最高 简单 价格 技术要求 一般 较低 稍高 较高 一般 较低 控制自由度 危险性 大 大 中 小 几乎没有问题 注意着火 一般没有问题 没有特殊问题 通过以上三种驱动方式的比较以及对本设计的参考选用气动驱动的方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本[7~9] 。

1.2.6 系统执行机构的分析与选择

机械手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。执行机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。在气压传动系统中，组成气动回路是为了驱动用于各种不同目的机械装置，其最重要的三个控制内容是：力的大小、运动的方向和运动的速度。与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，利用它们组成了各种气动控制回路。现在各种控制系统中用于分拣物料的执行机构主要有以下几种：

（1）机械手夹持式

夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。夹持式手部设计时应注意以下事项：①手指应有一定的开闭范围；②手指应具有适当的夹紧力；③要保证工件在手指内的定位精度；④结构紧凑，重量轻，效率高；⑤通用性和可换性。[10]

（2）气吸式

气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。

气吸式又可分为：负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘；磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真

空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。

3）气缸式

气缸输出直线往复式气缸是气动执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理：对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。

当气缸动作时动作限位开关断开，气缸快速弹出，此时先导式电磁阀复位，当气压太大时而气缸没有复位时气缸复位限位开关感应动作从而关闭先导式电磁阀从而起到保护气缸的作用。气缸式的执行机构动作比较稳定，易于维修，控制过程简单，所以该材料分拣系统执行机构选择气缸推动式[11]

1.2.7 硬件设计及实际模型的建立

物料分拣系统的PLC控制用于对相关材料的自动化分拣，其硬件结构框图如图3所示。

下料传感器 电感传感器 电容传感器 颜色传感器 A/D 转换 可电机及下料气缸 编气缸1 程气缸2 压控气缸3 制气缸4 缩机 气缸接近开关 器

图3 系统的硬件结构框图

根据材料分拣系统的结构框图，可得出其结构示意图如图4所示。按下启动按钮后，电动机M运行，绿灯L2亮，传送带运转，表示可以进物料。材料经传感器对其进行识别，检测其分别为铁质、铝质、红色，其相对应的气缸进行动作，将材料推入滑槽内，若不是上述的几种材料，则最后剩余的气缸动作，将其推入滑槽内，以完成对其的分拣。

指示灯L1指示灯L2传感器气缸物料电机M铁质铝质红色其他传送带滑槽

图4 材料分拣系统的示意图

1.2.8 其他元器件及其选择

料槽是材料手动入库而自动出库的装置，它底部有一个光电传感器。在使用时先人为地在料槽中放入材料，当光电传感器检测到料块时，系统开始运行。当系统运行时，传送带启动，出料气缸将料库内底层材料推入传送带。传送带是由单向感应电机驱动的皮带式输送装置。

控制按钮是一种短时接通或断开小电流电路的电器。它不直接控制主电路的通断，而在控制电路中发出“指令”去控制接触器、继电器等电器，再由它们去控制主电路。

常见的控制按钮有LA系列和LAY1系列。LA系列按钮的额定电压为交流500V、额定电流为5A；LAY1系列按钮的额定电压为交流380V、直流220V，额定电流为5A。按钮帽有红、绿、黄、白等颜色，一般红色用作停止按钮，绿色用作启动按钮。

待机控制按钮SB1和停机控制按钮SB2选择LAY1系列控制按钮，电压220V，电流5A。其中待机控制按钮为绿色，停机控制按钮为红色。

调压阀、空气过滤器与气压指示仪表集中于一个模块上，它们接收来自气源的气压并传送到下面的5个气阀中。调节调压阀降压，使其输出压力与每台气动设备和装置所需要的压力一致，并保持该压力的稳定。空气过滤器作用是滤除压缩空气中的水分、油滴以及杂质微粒等危害，以达到系统要求的净化程度。油雾器是一种特殊的注油装置，以压缩空气为动力，将润滑油喷成雾状并混合于压缩空气中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的，使压缩空气具有润滑气动元件的能力。

在自动分选部分中，先导式电磁换向阀由传感器、气缸及导料轨道组成。当传感器检测到相应料块时，对应的先导式电磁换向阀动作驱动气缸动作将其推人应去的滑道。

导料轨道主要作用是当气缸推出材料时导出材料。所使用的执行机构为单向感应电动机，用于带动传输带输送物料前行。内置电源将220交流电转换成24伏的直流电供给各个传感器与气阀以及转接板上的各个指示灯，同时也为单向感

应电动机提供稳定的220伏电压。

控制器采用三菱FX2N---32MR型PLC。它接受料槽光电传感器、各材料传感器、先导式电磁换向阀、感应电动机、气缸位置传感器的信号，根据要求分别控制输送带电机和各电磁阀动作。

电机作为执行机构用于带动传输带输送材料进行分拣，本系统中电机需减速运行，选用一般的带式电机即可。

本设计中共设置了三个检测材料的传感器，同时预留了一个空余的气阀与气缸用来添加其它的传感器。用户可以根据自己的需求选择相应的传感器安装即可。

1.2.9 I/O接口的选择及PLC的接线

结合系统进行PLC的输入/输出点分配及系统控制接线和变频参数的设定。根据材料分拣系统的工作过程由可知，系统的控制有输入信号15个，均为开关量。输出信号有8个，其中一个控制电动机，两个控制指示灯，剩下的控制气阀，也都是开关量。

如表2给出系统中主要的元器件清单：

表2 主要元器件清单

序号 1 2 3 4 名称 PLC 静音空气压缩机 气阀 气缸 磁感应开关 型号 FX2N-32MR FB-0.048/7 SVK0120 SCDJB10-45S 数量 1 1 5 5 备注 品牌或 公司 5 D-C73 5 6 接近开关 7 光电开关 CAT2-12GM E3R-5DE4 5 1 16输入，16输出， 继电三菱 器输出形式 噪音低、性能稳定、工作韩国安全可靠,功率0.55KW SANWO 先导式电磁换向阀, 交韩国流：110v,220v（50hz） 直SANWO 流：24V 产品与气阀的型号相配韩国套，推动物料进行分拣 SANWO 额定电压：DC24V AC110V额定电流：DC：5～易电国际40mA AC: 5～20mA 集团 气缸回位限位开关 静电容量式接近开关 易电国际判断物料是否到位 集团 判断有无物料 欧姆龙 8 9 10 电感式接传感器 电容式传感器 颜色传感器 电动机 BLJ18A4-8-Z/B1Z E2K-X81ME1 E3S-VS1E4 1 1 1 11 YN60-6 1 12 内置电源 MD35-34 1 13 14

滑槽 传送带 4 1 额定电压：DC：6～36V 百斯特 额定电流：300mA 静电容量型近接开关 额定电压：DC12～欧姆龙 24V(DC10～30V) 额定电压：DC：12～24V欧姆龙 额定电流：400mA 感应电动机减速电机性能LINIX 参数 功率：6W 电压：110V 温岭市永频率：50HZ 电流：0.20A 久电子器额定转速：1440r/min 械厂 输入电压：AC220伏 ±15% DADONG 输出电压：DC24伏 青岛锐诚德仓储物铝合金 流设备有限公司 根据分拣系统的需要配置I/O对应功能，如表3所示。

表3 分拣系统I/O口配置

三菱PLC(I/O) X00 X01 X02 输 入 部 分 X03 X04 X05 X06 X07 X10 X11 X12 X13 分拣系统接口(I/O) SB1 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SA SB SC SN SW1 SW2 SW3 备注 启动按钮 下料物料接近开关 铁质物料接近开关 铝质物料接近开关 红色物料接近开关 电感传感器 电容传感器 颜色传感器 判断下料有无（光电传感器） 上料气缸回位限位开关 铁质物料气缸回位限位开关 铝质物料气缸回位限位开关 X14 X15 X17 Y00 Y01 输 出 部 分 Y02 Y03 Y04 Y05 Y06 Y07 SW4 SW5 SB2 YV1 YV2 YV3 YV4 YV5 M LD1 LD2 红色物料气缸回位限位开关 其他物料气缸回位限位开关 停止按钮 上料先导式电磁换向阀 铁质物料先导式电磁换向阀 铝质物料先导式电磁换向阀 红色物料先导式电磁换向阀 其他物料先导式电磁换向阀 传送带 红色指示灯 绿色指示灯 物料分拣系统接线图如图5所示

SB1SQ1SQ2SQ3SQ4SASBSCSNSW1SW2SW3SW4SW5SB2YV1X00X01X02X03X04X05X06X07X10X11X12X13X14X15Y00Y01YV2PY02YV3Y03YV4LY04YV5Y05KMY06L1CY07L2COM1X17COMCOM2 图5 PLC系统外部接线图

1.3物料分拣系统软件设计

1.3.1 可编程控制器（PLC）的简介

PLC(可编程逻辑控制器),是可编程逻辑控制器的缩写。这是一个微处理器为核心,综合计算机技术、电气控制技术、自动控制技术和通信技术和发展起来的一种新型的、通用的自动控制装置,具有以下特点:

(1)高可靠性:产品如三菱、西门子、欧姆龙PLC、平均故障间隔时间大大超过指定的IEC 100000小时,可以用更多的冗余系统,进一步提高了可靠性。

(2)编程方便,易于使用:梯形图语言,证监会、功能块编程语言和各种各样的方式,简单,容易上手。

(3)强大的控制功能,除了基本的逻辑控制、定时、计数和算术运算等功能,还可以实现位置控制、PID控制、过程控制、数字控制等功能,但也为远程控制。

(4)扩展机和外部连接非常方便:控制设备可能由PLC网络模块连接在一起,实现有效的信息资源共享交换。

在自动控制系统,可编程逻辑控制器中扮演着中心角色。可编程逻辑控制器在美国于1969年,经过30多年的发展,现在已经成为最重要、最可靠、最广泛应用的工业控制微机。可编程逻辑控制器的CPU(中央处理器)、内存、输入/输出模块、可编程器件和功率的5个主要组件,结构如图6。 按钮 选择开关 限位开关 输入模块 编程器 图6 PLC 的构成 CPU扫描方式工作,每一次扫描完成以下工作:

(1)将现场的开关输入信号和数据读入输入图像和数据寄存器,分别。 (2)阅读详细解释用户程序,相应的控制信号来控制相关的电路、数据访问、传输和处理,并更新所有相关寄存器根据操作的结果。

(3)发送内容的输出图像注册输出模块,以控制外部负载。

CPU模块 存储器 输出模块 PLC的CPU是分时操作的方式处理各种任务。因为高运算速度,从原文的外部输入和输出的关系,这个过程的PLC几乎是瞬时的。PLC用户程序由一个数量的指示,指示一步一步在内存号码顺序。用户程序运行扫描方式。在没有跳转指令,CPU从第一个指令、订单详细执行用户程序,直到最后的用户程序,该程序将返回第一个指令开始新一轮的扫描。

PLC是多次重复上诉扫描周期,实现实时控制的目的。 2的应用领域可编程序逻辑控制器

经过20多年的工业应用程序、PLC特点已经越来越多的为大多数行业的认识和接受,使股价迅速渗透到各个领域的工业控制,从单一到工厂自动化,机器人,柔性制造系统从本地网络等等[13~15]。仔细来分,PLC大致有如下几个应用领域:

(1)开关量的逻辑控制。

PLC取代了传统的继电器控制系统,实现逻辑控制。 (2)运动控制。

PLC可用于对直线运动或圆周运动的控制。PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械。

(3) 闭环过程控制。

过程控制是指连续的变化,如温度、压力、流量模拟闭环控制。模拟控制功能的PLC已广泛应用于塑料挤出成型机、加热炉、热处理炉、锅炉设备,广泛应用于轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。

(4)数据处理。现代PLC与数学运算、数据传输、转换、排序和查找表、位操作等功能,可以完成数据采集、分析和处理。数据处理一般用于大型和中型控制系统,如柔性制造系统、过程控制系统等。

(5)机器人控制。机器人作为一种重要的设备在自动生产线,工业过程已经成为未来的三大支柱工业生产自动化。现在,许多机器人制造公司股价被选择作为机器人控制器来控制各种机械动作。用PLC进一步萎缩,进一步增强功能、PLC应用于机器人控制可能更常见。国外据统计,80%是用于工业控制PLC来完成。对于顺序控制是控制不可或缺的一部分,几乎任何过程控制和生产管理进行分阶段的方式,因此可以PLC。有外国PLC用于自动控制领域占60%,占20%,应用于数据

管理用于生产管理(18%),用于人机界面(22%)。可见主导工业控制、PLC、数据处理、生产管理等。现在,计算机仍是主体。

3发展的现状和发展趋势的可编程序逻辑控制器

目前,全世界大约有200,生产PLC制造商的300多个品种。全球PLC交货数量1998年到1456万年,1999年到1620万年,2001年到1778万年。2001年出货量的PLC,根据最终用户分:汽车占23%,粮食加工的16。4%,化学品14。6%,金属和矿业的11。5%,纸浆和纸张占11。3%,其他(23)2%。并随着集成PLC和IPC、DCS、PLC、逐渐成为自动化设备和过程控制系统是最大的市场份额的产品。2000年,PLC控制的销售的市场份额超过50%[9]。在全球PLC制造商,据美国

AutomationResearchCorp(弧),公司是世界上领先的制造商的五霸为西门子(西门子)公司,艾伦-布拉德利(A - B)、施耐德(施耐德)、三菱(Mitsubishi)、欧姆龙(Omron),他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。从西方

门介绍SIMATIC s7 - 400 PLC的性能可以导致世界一眼:介绍SIMATIC s7 - 400是一个盒式包装模块,可卡,安装在导轨,设立的机构I / O总线,总线电连接,该模块可以更换或当工作或充电插头,拉,可以快速安装和维护、修改方便,主要表现有:

(1)CPU内存容量64 k字节,可以延长到1。个字节。 (2),和字处理速度80 ns - 200 ns。

(3)最大的系统容量可以4 CPU计算在同一时间。

(4)最强大的扩展能力中央控制器s7 - 400可以扩展单元连接到21。 (5)分在每个CPU接口(MPI),可以同时连接编程设备,操作界面系统,等等。 (6)由于CPU - L2 - DP与分散性能半集成。 (7)连接到计算机和其他西门子产品或系统接口。 (8)与高可靠性、完美的自我诊断和清除故障特征。

公司生产现在也有一定的发展在我们的国家。小型PLC已批量生产;中型PLC现有产品;大型PLC已经开始发展。但国内产品的市场份额还不到10%。和许多仍在充分引进或国内PLC为主与通用的阶段。

一般来说,国内的发展有一定的基础,公司但看,从产品结构、独立开发和生产的进口技术PLC主要属于中间产品,还没有形成主流产品和完整的系列产品。因此,PLC完全在我国产业化仍有很长的路要走。

计算机科学的飞速发展和工业自动化越来越高的需求,可编程控制技术得到了快速发展,其技术和产品改进。才明白PLC随着时代的开关量控制是过去,PLC,不仅因其良好的性能可以满足工业生产的需求广泛,通信技术和信息处理技术,其功能是完美的。在未来,公司将主要在以下两个方向:一个是发展方向的专业和低价格超小型;另一个是方向发展高速多功能和分布式自动化网络。

计算机软、硬件技术的迅速发展,推动了自动控制技术又取得了一系列新的进展。目前有许多工业用自动控制产品、机电一体化产品开始转向计算机作为平台的控制模式,这是软PLC。软PLC是实际使用软件实现功能的传统PLC,它是最大的优点是灵活的扩展能力,用户可以选择不同的厂家生产的各种硬件产品,充分利用各自的最好特性的软件,最好的控制系统。同时,与硬件连接也非常方便。有很多I / O卡可以直接连接到软、PLC计算机总线。在硬件和软件两个方面可以达到完美结合,工业计算机和PLC的性能、方便扩展和人机通信的性能,是一种发展趋势在未来的PLC。

1.3.2分拣系统的控制要求及其流程图

本课题是基于区分材料材质的不同而设计的材料分拣系统，主要是实现对铁质、铝质和不同颜色的材料的自动分拣，具体控制过程为：

（1）接通电源，按下启动开关SB1，系统进入启动状态，指示灯绿灯L2亮。 （2）系统启动后，下料传感器SQ1(光电传感装置)检测到料槽无材料或各气缸未复位时，传送带须继续运行一个行程10S后自动停机,指示灯红灯亮。

（3）系统启动后，下料传感器SQ1(光电传感装置)检测到料槽有材料，每隔2S出料气缸动作一次，动作时间维持为1S，将待测材料推到传送带上，待测物体开始在传送带上运行，并对其进行计数。

（4）当电感传感器SA检测到铁质材料时，且其对应的接近开关SQ2感应到材料接近，铁出料气缸将待测物体推下，并对其进行计数。

（5）当电容检测传感器SB检测到材料为铝质时，且其对应的接近开关SQ3感应到材料接近，铝出料气缸动作将被检测到的材料推下，并对其进行计数。

（6）当颜色检测传感器SC检测到材料为红色时，且其对应的接近开关SQ4感应到材料接近，红色出料气缸动作将待测物体推下，并对其进行计数。

（7）剩余材料在传送带上继续传送，当最后滑槽对应的接近开关感应到材料接近，其出料气缸动作将被检测到的材料推下，并对其进行计数。

由分拣控制系统的分拣要求画出控制系统的程序流程图，图7所示。

开始料槽有无物料无自动循环周期开始有否气缸是否复位否周期是否接受是是传送带运行传送带停止运行自动传送，每2S传送一个停止YV1气缸动作传送带停止运行气缸是否复位是传送带运行否检测是否为铁质是气缸YV2动作否检测是否为铝质是气缸YV3动作否检测是否为红色是气缸YV4动作否否检测到物料是气缸YV5动作否气缸YV2复位是否气缸YV3复位是否气缸YV4复位是否气缸YV5复位是

图7 分拣系统流程图

1.3.3软件设计及编程

根据分拣系统的要求设计出梯形图，梯形图的程序见附录。

当程序设计好之后必须下载到PLC中才可以运行系统，下载时使用的是三菱PLC专用的编程电缆SC—09。电缆的一端是接电脑的RS232串口，一端接在PLC的RS422通讯串口上。当电缆接好之后，打开软件，进入要下载的文件。先转换文件，然后选择菜单栏里的“PLC”选择“传送”-“写入”，便可以下载程序到PLC中。传送程序时，应注意以下问题：

1） 计算机的RS-232端口及PLC之间必须用指定的缆线及转换器连接； 2） 执行完“读入”后，计算机中的程序将被丢失，原有的程序将被读入的程序所替代，PLC模式改变成被设定的模式；

3） 在“写出”时，PLC应停止运行，程序必须在RAM或EE-PROM内存保护关断的情况下写出，然后进行校验[16] 。

1.4 控制系统的安装接线及运行调试

在PLC软硬件设计完成后，应进行调试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将PLC连接到现场设备之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。另外，一些硬件如传感器等，在使用前，也需事先调试好。

（1）首先将主电路和控制回路按图进行连线，并与实际操作中情况相结合。 （2）经检查无误后方可通电。

（3）在通电后不要急于运行，应先检查各电器设备的连接是否正常，然后进行单一设备的逐个调试。

（4）按照想系统要求进行变频器参数的设置。

（5）按照系统要求进行PLC程序的编写并传入PLC中，进行模拟运行调试，观察输入和输出点是否和要求一致。

（6）对整个系统统一调试，包括安全和运行的稳定性。

1.4.1 硬件调试

1．电感传感器的调试

在电感传感器将铁的底部输送带,材料块,调整传感器在两个螺母,使传感器上下移动,使上层传感器指示灯发光,高度是传感器对铁质材料的检出点。

2．电容传感器的调试

把铝材料放置在电容传感器的底部输送带上,调整传感器的两个螺母,使传感器上下移动,只是让传感器的指示灯发光,高度是传感器对铝质材料的检出点。

3．颜色传感器的调试

当前通电条件下,在彩色传感器底部的传送带上,放在一个颜色块,调整电位计的传感器,观察窗的红绿色或蓝色指示灯,当两个灯就发光同时,敏感的点是物料块颜色检测。(注意:色温低端移动顺时针转检测,反之亦然)

1.4.2 软件调试

将所编写的梯形图程序进行编译，通过上下位机的连接电缆把程序下载到PLC中。及时发现和消除程序中的错误，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能作出正确的响应，需要进行离线测试，既不将PLC的输出接到设备上。按照控制要求在指定输入端输入信号，观察输出指示灯的状态，若输出不符合要求，则查找原因，并进行修改。

1.4.3 整体调试

在软件与硬件都已经准备好之后，开始对系统进行整体调试。这个过程便于我们发现问题与不足。通上电源，观察指示灯，一切正常之后开始加材料。

将设备接入PLC，进行联机调试，看是否满足要求，如果不满足要求，可通过综合调整软件和硬件系统，直到满足要求为止。

第二章 基于ARM 控制的交流伺服电机

2.1 交流伺服电机的控制原理简介

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其

定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2~0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：

1、起动转矩大；

由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

2、运行范围较广; 3、无自转现象。

正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）。

交流伺服电动机的输出功率一般是0.1~100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。

交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。

与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动gS控制的U／V／W三相电形成电磁场 转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较 调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度。交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。

当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180°，+旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。

为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率Sk大于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视

为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由A点移到B点，此时电动机产生了一个与转子 原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。

普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。

就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢(比如PLC，或低端运动控制器)，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率(比如大部分中高端运动控制器);如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。因此伺服电机的控制方式下面三类：

1.转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm，如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

2.位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。

3.速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。

2.1.1 ARM Cortex-M3简介

Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器，具有门数少, 中断延迟小, 调试容易等特点。它是为功耗和价格敏感的应用领域而专门设计的、具有较高性能的处理器，应用范围可从低端微控制器到复杂SoC。

Cortex-M3处理器使用了ARM v7-M体系结构，是一个可综合的、高度可配置的处理器。它包含了一个高效的哈佛结构三级流水线，可提供1.25DMIPS/MHz的性能。在一个具有32个物理中断的标准处理器实现上（0.13um Metro @50MHz），达到了突出的0.06mW/MHz能效比。

为降低器件成本，Cortex-M3处理器采用了与系统部件紧耦合的实现方法，来缩小芯片面积，其内核面积比现有的三级流水线内核缩小了30%。Cortex-M3处理器实现了Thumb-2指令集架构，具有很高的代码密度，可降低存储器需求，并能达到非常接近32位ARM指令集的性能。

对于系统和软件开发，Cortex-M3处理器具有以下优势。小的处理器内核、系统和存储器，可降低器件成本。完整的电源管理，很低的功耗；

突出的处理器性能，可满足挑战性的应用需求。快速的中断处理，满足高速、临界的控制应用。可选的存储器保护单元（MPU），提供平台级的安全性；增强的系统调试功能，可加快开发进程。没有汇编代码要求，简化系统开发；宽广的适用范围：从超低成本微控制器到高性能SoC。

Cortex-M3处理器在高性能内核基础上，集成了多种系统外设，可以满足不同应用对成本和性能的要求。处理器是全部可综合、高度可定制的（包括物理中断、系统调试等），Cortex-M3还有一个可选的细粒度的（fine-granularity）存储器保护单元（MPU）和一个嵌入式跟踪宏单元（ETM）。

2.1.2 空气开关

空气开关（英文名：Air switch），又名空气断路器，是断路器的一种。是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。除能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。脱扣方式有热动、电磁和复式脱扣3种。当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作，但能使热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源。当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，将衔铁吸合并撞击杠

杆，使搭钩绕转轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三副主触头分断，切断电源。

开关的脱扣机构是一套连杆装置。当主触点通过操作机构闭合后，就被锁钩锁在合闸的位置。如果电路中发生故障，则有关的脱扣器将产生作用使脱扣机构

中的锁钩脱开，于是主触点在释放弹簧的作用下迅速分断。按照保护作用的不同，脱扣器可以分为过电流脱扣器及失压脱扣器等类型

2.1.3光耦

光耦合器亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输

电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。

耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大提高计算机工作的可靠性。

又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到稳压目的。

2.2 系统硬件设计

2.2.1总体设计

本文介绍了基于ARM控制的交流伺服系统设计。该控制系统采用Cortex-M3芯片作为控制核心，经keil编程控制伺服电机驱动器，从而对电机的转速位移进行智能化，精确化控制。

本系统可以分为弱电电路，强电电路两大部分，弱电电路指ARM控制部分，强电模块主要是控制伺服控制器通电部分。

弱电/强电 显示 Cortex-M3 键盘 伺服控制器 伺服电机

2.2.2硬件布局设计

由于交流伺服系统中的模块较多，为了更好的调试，我们按如下布局进行排布。

交流电 空开 交流接触器 直流继电器 伺服控制器 正反转开行程行程 ARM控制板 电源灯启动按钮（绿） 运行灯（绿） 停止按钮（红） 伺服电机 显示 Cortex-M3 2.2.3强电电路连线设计

2.2.4强电部分的连线如图所示

ON 空开

红

绿

红

交流接触器 绿

A1 A2

2.2.5电机与伺服电机电源接线

2.2.6编码器与伺服电机的接线

2.2.7 ARM核心板电路图

A5伺服电机的电源是220V交流点，而ARM核心板的供电电源是12V，为了防止A5伺服电机220V烧毁ARM核心板，我们采用光电隔离，我们用PC817光耦来实现强电与弱电的隔离。测速模块，我们采用LM324运放，利用伺服控制器X4口的OA+，OA-，OB+，OB-，OZ+，OZ-来检测A，B，Z脉冲。

原理图如下:

2.3 系统软件设计

2.3.1 交流伺服系统程序框图

伺服电机靠PWM脉冲控制，测速靠伺服电机后的光电编码器的A，B，Z脉冲。

开始 设置速度并启动 测速并显示 N 判断是否定位 Y 设置定位点 启动定位 返回 结束

2.3.2 测速方式及原理

光电编码器的输出脉冲信号有三种测速方法。一种方法是在固定的时间间隔内对脉冲进行计数，实际上测量的是脉冲的频率，这种方法称为M法；另一种方法是计算两个脉冲之间的时间间隔，亦即脉冲信号的周期，这种方法称为T法；

综合以上两种方法则产生第三种方法M/T法。

2.3.3 M法数字测速

M法是测量单位时间内的脉数换算成频率，因存在测量时间内首尾的半个脉冲问题，可能会有2个脉的误差。速度较低时，因测量时间内的脉冲数变少，误差所占的比例会变大，所以M法宜测量高速。如要降低测量的速度下限，可以提高编码器线数或加大测量的单位时间，使用一次采集的脉冲数尽可能多。计算公

式为：时钟Z = 倍频系数 x 编码器光栅数。M法测速的分辨率：

M法测速误差率：

在上式中，Z 和 Tc 均为常值，因此转速 n 正比于脉冲个数。高速时M1大，量化误差较小，随着转速的降低误差增大。所以，M法测速只适用于高速段。

2.3.4 T法数字测速

T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T法宜测量低速。如要增加速度测量的上限，可以减小编码器的脉冲数，或使用更小更精确的计时单位，使一次测量的时间值尽可能

大。计算公式为：

T法测速的分辨率

Ｔ法测速误差率

低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。

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