基于工控机的油压回路控制与电机调速控制

一、 前言 进入近几十年，机电类产品的设计有一个明显的现象，大量的计算机控制被引入到机电控制之中来。有的是基于16位、32位的单片机控制，有的是基于ARM或者DSP控制，有的是基于工业控制计算机加载板卡的控制等等。本文介绍的控制系统是一个基于研华工业主板加载性价比较高的ISA板卡组成的控制系统。本控制系统的目的为控制一个油路的压力以实现给外在系统一个准确的驱动力，要求此驱动力是一个连续变化的参数，并不是离散固定的几个数值。同时，在相应的驱动力的作用下，电机的转速要可以调节。在控制界面上，要求通过压力、转速、负载等参数，实时计算出相应参数的变化。基于以上要求，拟采用如下的控制方案（图1）： 图1 控制方案 对于电机的调速控制，拟采用变频器来实现。这样使用一个简单的开环控制就可以达到一个相对准确的控制。在本系统中，目标物的最大运动速度为2m/s，因此需要加入减速器，而油路的压力变化为了力求控制的精确，需要引入一个负反馈的信号。 二、 系统的构建 根据这个系统的要求，输入信号为：压力信号、限位信号、开关信号量、温度信号。输出信号为：压力变化信号、油路换向信号、开关信号等。系统构成图如图2所示： 其中，油路压力的变化采集使用汇邦公司的HB型压力变送器，其为一个电流变化信号，量程为 0~6.3MPa，产生的电流变化范围为4.02mA~20mA，使用研华pcl-711b采集。开关类的信号的采集和发出采用研华pcl-725。对于油路压力的控制使用ATOS公司的KZGO先导式比例减压阀，对先导式比例减压阀的控制使用配套的EMIAC插头式电子放大器，通过0-10v的直流电压控制，具体的控制曲线将在下文介绍。0-10v的直流电压的产生，使用研华PCL-728数据采集卡产生。对油路的温度的控制通过温控表实现加热和降温的控制。工控机的软件使用三维力控组态软件控制。 图2 系统构成图 三、 硬件部分设计使用 设定好了基本的系统相互控制关系，下面来详细的说明系统的使用和各个元器件的使用方法注意事项。 1、 油路控制部分 油路控制部分的控制路线为：汇邦公司的HB型采用压力变送器送到ISA板卡pcl-711b，工控机采集进行软件控制，之后输出到ISA板卡PCL-728，到插头式电子放大器，到先导式比例减压阀，油压变化反应在油路中的汇邦公司的HB型采用压力变送器，这样构成一个闭环的油路压力控制系统。这部分控制系统是整个系统控制的最关键的部分，直接影响了系统使用的精度。 ATOS公司的KZGO先导式比例减压阀，是一个根据油路的最大压力来进行压力比例控制的减压阀，其控制曲线如图3。其特点是使用简单方便，控制精度高，根据油路的压力成比例的调节，控制方便，使用配套的EMIAC插头式电子放大器直接输入0-10v的电压就可以进行控制。配套的EMIAC插头式电子放大器的接线方法如图4所示。EMIAC插头式电子放大器需要外接直流24v电压单独供电。例如，系统油路的最大压力为3MPa，那么对应的0-10v的压力就是当输入控制电压为10v时，产生的系统压力为3MPa。当输入控制电压为5v时，产生的系统压力为1.5MPa。 图3 先导式比例减压阀曲线 图4 插头式电子放大器接线 通过ISA板卡PCL-728数据采集卡连接插头式电子放大器就可以在工控机上直接控制先导式比例减压阀了。PCL-728数据采集卡是一款具有2路双缓冲12位模拟量输出通道的半长卡。该卡的光隔离器能够提供500V的隔离（通道与通道及输入与输出），以避免板卡及PC被输出线上的危险电压损坏。您可以将每个通道的输出范围配置为以下值：0到+5V、0到+10V、±5V、±10、0到20mA（sink）或4到20mA电流环（汇）。其提供了：2路独立双缓冲12位模拟量输出、多种电压范围：±10，±5V，0~+5V、0~+10V和4~20mA电流环（汇），0~20mA（sink）、输入与输出之间超过500V（DC）隔离保护、2个便于接线的DB-9接口。 在使用板卡前要对板卡在工控机上的地址进行设定，避免出现各个板卡间出现地址重叠的现象，使板卡使用出现问题。PCL-728数据采集卡是通过计算机的I/O口来控制的，地址的选择可通过面板上的8位DIP开关SW1的设置来设定。PCL-728数据采集卡的有效地址范围是200到3F8（十六进制），初始默认地址为2CF。本系统中共使用了3个板卡的初始地址分别是初始地址为PCL-728数据采集卡为2CF、PCL-725数据采集卡为2A8、PCL-711b数据采集卡为220，可以看出其是不重叠的可以不用对地址修改。对于PCL-728数据采集卡本次使用的是0-10v的电压，通过板卡上的拨线开关机型跳线设计。具体参照说明书。 在将板卡插入计算机之前要先安装研华的驱动软件，之后在插入板卡，打开软件界面后会有相应的型号的选择，按照提示进行安装。如图5： 图5 a 相应驱动选择 图 5 b 型号选择 PCL-728数据采集卡提供2路模拟量输出通道，每个通道只有一跟连线，输出电压值是相对公共地而言。外接悬浮负载连接方法如图6 ： 图 6 外接悬浮负载连接方法 汇邦公司的HB型采用压力变送器的使用是与PCL-711B搭配使用的，图7为汇邦公司的HB型采用压力变送器电流与压力的对应变化。产生的电流变化输入到pcl-711b，通过软件进行进一步的控制。 图7 压力变送器 PCL-711B提供8路单端模拟量输入通道，当测量一个电压信号时，将信号源一端接入到一个输入端子上，信号源另一端接到地端子上。例如：测量一个电池的电压，只需将电池的正极接到一个单端输入接线端子上，将电池的负极接到模拟地端子(CN1上的任何一个AGND)上即可。单端模拟输入信号的连接示意图，如图8所示。图示为一个电压的连接方法，在外在的连接板上通过设置就可以对电流量进行采集。 图8 pcl-711b连接示意图 如上所述的设计方案，就形成了一个闭环的油路压力控制系统，其控制简单，精度高，通过工控机上的软件系统进行进一步的设置，就可以达到更好的控制效果。可以通过各类的组态软件实现调控，也可以通过VC编程，板卡自带了对VC等编程系统的支持。 2、开关量的控制 开关量的控制通过PCL-725控制，PCL-725是一款带隔离数字量输入/输出半长卡，该卡提供了8个机电式SPDT继电器输出和8个带光电隔离的数字量输入。该卡板载的SPDT继电器特别适用于设备开/关控制和低电压电源开关工作。PCL-725的8路数字量输入通道带有光电隔离，能在噪声环境或有漂移电压的情况下正常工作，也是防止对地回路问题的最好解决方法。每个继电器都带有一个红色的LED指示灯，用来显示继电器的开/关状态以便于监测。通过跳线可以为每个通道单独设置输入通道是否带隔离。本系统中的开关量如限位开关、中断信号、接近信号、换向开关量等均通过次板卡控制。在对大功率的开关控制的时候，使用此板卡的继电器控制低压直流24v量，再通过次直流24v电压驱动大功率继电器。这样可以有效的保护板卡，而且可以是系统更加稳定，不会出现因为外的过载电流造成计算机内的元器件的烧毁，从而达到系统的安全与稳定。 根据前文的说明，安装好板卡后可以对板卡进行测试，通过声音和板卡上的红色led灯的亮灭观察板卡的工作。数字量输入功能测试，在测试界面中点击数字量输入标签，弹出如图9： 图9数字量输入功能测试 测试界面如图9 所示。用户可以方便地通过数字量输入通道指示灯的颜色，得到相应数字量输入通道输入的是低电平还是高电平（红色为高，绿色为低）。例如，将隔离数字量输入通道0对应管脚DI0与隔离输入的地GND短接，则通道0对应的状态指示灯(Bit0)变绿，在DI0与GND之间接入+5V~+24V电压，则指示灯变红。 数字量输出功能测试，点击数字量输出标签,弹出如下图10： 图10数字量输出功能测试 8路继电器的输出测试，可以通过万用表直接测试继电器输出端与COM端的电阻来确定继电器是否工作正常。例如测试继电器0的输出，当继电器0对应位（BIT0）设置为低（没有按下方框），则NC0与COM0之间的电阻为0；NO0与COM0之间的电阻为无穷大。当对应位（BIT0）设置为高时，NC0与COM0之间的电阻为无穷大；NO0与COM0之间的电阻为0。 在测试板卡工作正常后就可以通过实际的连接电路来使用了。数字量输入信号连接，PCL-725的8个带隔离数字量输入通道RA0~RA7默认的输入电压范围是0~24V，如果要输入更高的电压，就需要更换限流电阻。 因为光偶合器允许通过的最大电流是60mA，输入电流不能大于60mA。

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