基于PLC的軌檢小車控制器設計電氣自動化專業(yè)

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1、中文摘要 摘要： 本文提出了軌道檢測車的總體設計方案，首先設計出軌檢車總體結構，軌檢車主要結構有縱梁、橫梁、行走機構、導向機構、支撐架、控制計算機、電機等組成。接著對電機進行選型，選擇合適的步進電機及與其相匹配的驅動器來給軌檢小車提供動力，然后選出合適的軟件來進行對電機的控制，畫出其電氣原理圖。其次，對軌檢車的主控模塊進行設計，設計和分配PLC軟件的I/O接口?？傮w就是對運動控制作了一個選型與分析，選擇步進電機作為小車的主驅動，用PLC通過控制脈沖來控制軌檢小車的速度。本次的設計目標在軌檢車檢測設備領域，結合先進的智能技術，研制出具有自主知識產權的新型檢測設備，可實現(xiàn)高可靠性、高精度測

2、量、高效率、智能化。 本次設計對于促進我國鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，提高鐵軌檢測的精度，減輕鐵路工人勞動強度，保障鐵路運輸安全有著極其重要的意義。 關鍵詞：軌檢小車 PLC 運動控制 I 英文摘要 Title Trolley Controller Abstract In this paper, the track inspection vehicle overall design, the first designed to derail the overall structure o

3、f the subject vehicle, rail inspection car main structure of stringers, beams, travel agencies, guiding mechanism, cage, control computers, motors and other components. Then the motor selection, select the appropriate drive stepper motor and match it to provide power to the trolley, and then choose

4、the right software to control the motor, which draw electrical schematics. Secondly, the track inspection vehicle control module design, software design and distribution of PLC I / O interface. Overall motion control is made a selection and analysis, selection stepping motor as the main drive car, w

5、ith the PLC via the control pulses to control the speed of the trolley. The design goals in the field of inspection car testing equipment, combined with advanced intelligent technology, developed a new testing equipment with independent intellectual property rights, can achieve high reliability, hig

6、h-precision measurement, high efficiency, intelligent. The design for the development of rail transport, to improve the detection accuracy of the tracks, reduce labor intensity of railway workers, to protect the safety of railway transport has a very important significance. Keywords Intelligent t

7、rack inspection car;; Motion control II 目錄 前 言 1 第一章 緒 論 3 1.1 背景 3 1.2 國內外主要研究現(xiàn)狀 3 1.2.1 軌檢車發(fā)展歷史 4 1.2.2 軌檢車研究狀況 5 1.3 課題研究內容 6 1.4 本文的結構 6 第二章 智能軌檢小車的方案設計 7 2.1 軌檢小車車體設計 7 2.2 軌檢小車功能設計 10 第三章 軌檢小車硬件設計 11 3.1 電機的分類及工作原理 11 3.2 軌檢小車的電動機選型 11 3.3 電機驅動器選型 16 3.4 硬件電路設計

8、 16 3.4.1 主電路設計 16 3.4.2 控制模塊硬件電路設計 17 第四章 軌檢小車控制模塊軟件的設計 19 4.1 PLC介紹 19 4.2 PLC分類及其選型 19 4.3 PLC編程軟件 20 4.4 PLC軟件設計 21 4.4.1 程序流程圖 21 4.4.2 PLC的I/O分配 22 4.4.3 PLC程序的梯形編寫 22 第五章 軌檢小車控制系統(tǒng)調試 29 5.1 調試準備工作 29 5.2 調試系統(tǒng)程序 32 第六章 總結 34 致 謝 36 參 考 文 獻 37

9、 前 言 近幾年，我國高鐵、地鐵、輕軌等軌道交通運輸方面迅速發(fā)展。因此對列車安全行駛和乘客旅途舒適性的要求越來越高。因此軌道幾何狀態(tài)也應該保持與列車運行相互匹配的安全狀態(tài)。列車速度大幅度的提高，對軌道幾何形位的要求也是相對的提高，所以采取動態(tài)檢測的周期也會越來越短。但是靜態(tài)檢測還不能夠完全地由動態(tài)檢測來替代，因為靜態(tài)檢測的可以隨時對軌道的幾何形位進行測量，指導施工及其維修作業(yè)這一特點。 列車運行的速度越高，允許軌道幾何形位的偏差就要求越小，使用傳統(tǒng)的軌道檢測工具已經不能滿足其要求。所以使

10、用軌檢小車來測量軌道幾何形位這一形式是勢在必得的，這也是鐵路檢測使用現(xiàn)代化技術的重要標志之一。另外，由于高速重型列車的不斷增加，現(xiàn)在需要的是做好線路的測量、保護和保養(yǎng)從而來提高線路的質量。因此軌道的檢測必須是要向高精度、自動化和方向發(fā)展，才能夠跟得上發(fā)展。 因此很多的歐美發(fā)達國家都非常的重視應用現(xiàn)代高新技術來發(fā)展本國的現(xiàn)代化軌檢車。例如：英國、美國的新型軌檢車，檢測速度均達到每小時200公里以上，20世紀初奧地利普拉塞公司開發(fā)出了檢測速度達每小時250公里的軌檢小車，這些軌檢車精度高、測量項目多、檢速快、投入使用后，對線路質量和維修效率、保障列車運行安全發(fā)揮了重要作用。而傳統(tǒng)的檢查方法存在檢

11、查精度低的缺點，不能夠滿足日益發(fā)展的提速線路、高速鐵路的需要；檢測項目少；耗費大量的人力資源及時間；工作效率不高，不能進行較長距離的檢測等問題。兩者相比，效果是截然不同的。 軌道測量中的動態(tài)檢測是指軌道上有載荷的情形下來對每個軌道參數(shù)進行分解檢測。而靜態(tài)檢測是指軌道上無沒有載荷的情形下對每個參數(shù)進行檢測分析。在我國，線路靜態(tài)檢測的結果是進行線路維修的主要依據(jù)，對鐵路運營安全有著十分重要的意義。 軌道交通的建設是離不開軌道的檢測的，因為軌道檢測系統(tǒng)直接關系著乘客的安全及乘客的舒適程度。本次畢業(yè)設計的課題是軌檢小車的車身結構及其運動控制系統(tǒng)設計，在對軌檢車上的硬件和軟件進行選型，選型完成后對控

12、制模塊再進行詳細的設計。 第1章 緒 論 1.1 背景 高速鐵路是鐵路運輸發(fā)展的趨勢，隨著國民經濟的飛速發(fā)展，城市軌道交通的便利，鐵路運輸?shù)娜蝿諏⒃絹碓街?。在此之前我國鐵路已經成功的完成了5次大提速，從時速每小時48公里提升到部分線路每小時200公里,而目前，我國鐵路正面臨著第6次提速的考驗，而且在不久的將來還將會進行進一步的提速。鐵路的提速在帶給國人的生活出行方便的同時，我國的鐵路技術也在接受著挑戰(zhàn)，而到時軌道檢測技術將會是鐵路技術中的重中之重，因為旅客乘車的安全程度和舒適程度都是受軌道檢測工作所影響的。因為現(xiàn)在的鐵路越來越多，軌道鋪設地區(qū)的地形復雜程度也越來越高，花費大量的人力和

13、資源來進行檢測也不是長久之事，這種情況就使鐵路的維護工人有著越來越大的工作強度。因此提高鐵路的運行精度，減輕工人的勞動強度，保證鐵路運行的安全，它需要研究開發(fā)出一款智能的、便于使用，能夠克服地形困難，高精度的軌檢小車來促進中國鐵路的發(fā)展。 過去的軌道檢測是不可能達到高速軌道鋪設的精度驗收標準的要求和軌道整體平順性的要求，所以高速鐵路建設的高質量標準要求，從節(jié)省時間、成本和線路整體的平滑性的方面，是需要建設設計者出發(fā)去探索一些更加有效可行的方式，來適應未來當中高速鐵路大規(guī)?；慕ㄔO和軌道檢測向自動化方向發(fā)展。而隨著便攜式的軌檢小車的成功研發(fā)出來，鐵路軌道檢測的工作效率得到提高，鐵路路線的測量精

14、度得到了提高，為鐵路運行的安全做出了及其重要的貢獻，同時軌道的檢測效率大大地提高，也為正在和以后要進行的提速提供了很好的條件。 1.2 國內外主要研究現(xiàn)狀 目前，許多歐美的發(fā)達國家都已經相繼地開發(fā)出了高精度效率的高速自動化軌道軌檢小車，測量的時速可達到大約每小時160到300公里。軌檢車是用來檢測軌道的幾何狀態(tài)和不平順狀況，是通過檢測能夠保證軌道行車安全、平穩(wěn)舒適和進行軌道保養(yǎng)維修的重要方面。國外的高速軌檢車對軌道的不平順測量基本都是采用的慣性基準法原理來進行。 1.2.1 軌檢車發(fā)展歷史 T2和T4型軌檢車是上世紀70年代美國聯(lián)邦鐵路局進行研發(fā)的，T6和T10軌檢車在上世紀80年代又

15、成功開發(fā)出。T2型軌檢車使用了無線接觸慣性測量系統(tǒng)，檢測速度可以達到每小時250公里，配備了實時電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，除了左右水平，高度，方向，三角坑，軌距等方面測量，也可以測量溫度，車輛加速度，噪聲，如彎曲率，傾斜度，正面的壓力數(shù)據(jù)。T6型軌檢車最高檢測速度為每小時192公里，慣性測量其軌道高度，確定真正的波形，前后19米弦正矢量就是采用慣性測量法計算的，計算19米弦正矢量的實際波形。軌距是通過用固定在了左右輪中的伺服型傳感器，對橫向加速度矢量的二次積分后進行橫向位移，并且通過光束和軌道四周信號的相對位置計算出的軌道方向的內側不光滑。 1968年英國成功研制出F2和F4型兩種軌檢小車，又在19

16、75年研制出新型高速軌檢車，檢測速度達到了每小時200公里，將其放置在高速列車上，在列車運行中檢測鐵路軌道幾何狀態(tài)。檢測項目有高低面及其變化率，平滑性、縱坡、豎橫向的舒適性、轉向架豎橫向的加速度、速度以及距離等項目。 德國鐵路廣泛使用BR725編組列車型號軌檢車。其配有兩個重9噸主要軸，三個測試用的小輪軸可以于單軸上進行移動。每個測試軸都有單獨的起落轉架，便于檢查測量高度、水平、平滑性、軌距、超高率和曲率等項目，高低和水平都采用了弦偏心矢量距的檢測方法。軌距的評估采用了先進的Mauzin系統(tǒng)，平滑性以間距2.6m作為測試的基準，曲率則采用10m弦處矢量距離的方法。軌檢車自身配備了AV522設

17、備，通過此設備來進行數(shù)據(jù)的處理，分析設備測試到的波形和評定其軌道質量。 中國在1953年生產出第一輛客車式機械軌檢車，這輛軌檢車是由我國自行設計和制造的。在1971年又成功研制了客車式電氣軌檢車。2004年我國鐵道部引進美國ENSCO公司的T10軌道檢測車加以改進后就有了第四代軌檢車CJ-4。第四代的軌檢車能夠檢測軌道高低性、水平率、曲率、左右軌向、曲率變化率、超高等鐵路的幾何參數(shù)，還可以檢測車體和軸箱之間的振動加速度、車體左右滾動的幅度、振動及其位移位置等相互作用的參數(shù)，還可以自動檢測出列車在運行路線中道路通口、橋梁、道路岔口等地面物體的位置并且能自動化地繪制出多少的公里數(shù)和進行標記。后來

18、隨著軌道檢測技術的不斷發(fā)展和完善，我國在2004年又從美國引進了最新型號的GI-5型軌檢小車，CJ-5型軌檢小車采取激光攝景系統(tǒng)，同時結合慣性性能進行軌道檢測，現(xiàn)在主要應用于鐵路提速路段的線路檢測。 1.2.2 軌檢車研究狀況 國內有一批擁有先進人才的優(yōu)秀企業(yè)，通過引進國外的技術，不斷地克服各種困難，同時買入一批國外的產品，努力地學習后，國內也推出了不少的軌檢小車。只是相對于國外的智能軌檢小車來講，國內的技術還是差了一些。國內也研制出過不少的軌檢小車，例如，由江西日月明開發(fā)鐵路設備公司研發(fā)的GJY系列軌道檢查儀。此軌道檢查儀采檢測軌道的運行程度采用的是光纖陀螺精密測角原理，能夠檢測軌道之間

19、的距離、水平性能、、軌距變化率、左右軌方向、左右高低性能和里程數(shù)。系統(tǒng)采用精密機械傳動、高精度傳感器及開放式智能數(shù)據(jù)采集模塊、軟件集成處理數(shù)據(jù)三種高級配置，是國內首創(chuàng)的高精度、輕便式、全數(shù)字化軌道幾何狀態(tài)檢測系統(tǒng)。 功能特點： 檢測對象：能夠檢測軌道之間的距離、水平性能、軌距變化率、左右軌方向、左右高低性能和里程數(shù)。 測量精度：通過鐵道部門的技術認證和制造許可，各項檢測指標都是滿足鐵道部測量行業(yè)的標準。 處理數(shù)據(jù)：檢測軌道數(shù)據(jù)結果和檢測出的矢量波形圖可與工作過程同步顯示，可以在線發(fā)現(xiàn)超限額度并且自動預警。 樣本采集間隔：每0.125米采集1個樣本點。 工作持續(xù)時間：一次性充電可供工

20、作時間長達10小時以上。 由北京中西遠大科技有限公司開發(fā)的，其M285405軌道幾何參數(shù)自動檢測儀/軌道檢查儀，原理與上述的軌道檢查儀相同，同樣是采用的光纖陀螺精密測角原理測量檢查軌道的幾何性能。 本次畢業(yè)設計的課題通過對上述的軌道檢測小車的原理研究，再結合現(xiàn)有的資料，打下了一定的基礎。 1.3 課題研究內容 本文主要解決以下幾點： 1、對軌檢小車的車身結構進行分析，研究小車在軌道上工作時如何進行方向的轉變，設計軌檢小車的導向機構； 2、研究軌檢小車的動力來源，整理小車的重量數(shù)據(jù)，選擇合適的電動機來帶動小車，加上及其相匹配的驅動器選型分析； 3、控制軌檢小車的PLC控制器選型和分

21、析； 4、分析軌檢小車主電路，硬件控制電路的電氣原理并畫出其原理圖； 5、分析軌檢小車在工作軌道所需要使用到的功能，將其編寫成PLC程序，來實現(xiàn)其功能。 1.4 本文的結構 本次畢業(yè)設計的方案主要是采用了PLC程序控制器，步進電機，與步進電機相匹配的驅動器所組成的開環(huán)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了運動的控制設計。1、首先分析軌檢小車的車身結構，并畫出其基本的三維圖。2、設計出軌檢小車電源電路和步進電機的電氣控制原理圖3、進行PLC控制步進電機調速的程序設計。4、再進行整體的連接調試。 通過對軌檢小車控制器進行設計，分為六個章節(jié)： 第一章：對軌檢小車的背景、發(fā)展和研究現(xiàn)狀進行說明 第二章：研究

22、軌檢小車的功能需求，對小車車身進行設計 第三章：研究軌檢小車的硬件，并完成對電氣原理圖的設計 第四章：研究軌檢小車控制器的控制軟件設計 第五章：對PLC程序進行調試 第六章：對本次畢業(yè)設計的總結 第二章 智能軌檢小車的方案設計 根據(jù)課題的要求，確定如下方案：分析研究軌檢小車的行駛要求，設計出軌檢小車車身基本模型，要求滿足小車的行駛需求，要考慮到實際。 通過這種方案能夠對軌檢小車的運動方向進行控制，而且可以對小車進行靈活的和精度高的控制，這種方案是對于行進于軌道上的軌檢小車來講是相對穩(wěn)定，能滿足對系統(tǒng)的基本要求。 2.1 軌檢小車車體設計 在開始設

23、計軌檢小車車體的框架的過程中，查找相關資料，再從現(xiàn)有的軌道檢測車的車身結構來看，現(xiàn)有的小車結構大致可以分為兩類：H型車身結構和T型車身結構。 方案1：車身結構是H型的結構的話，小車就能夠對左右兩條軌道的高低和軌道的方向對其進行檢測，使用常用的遞推法來推算測量數(shù)據(jù)。H型車身結構有幾個優(yōu)點：工作時方便裝拆，可以不費事的重復裝拆，其有4只車輪，且相對的兩只輪子之間有軸連接著，所以導向性好。不過也正是因其有4只車輪，H型車身結構的軌檢小車結構剛度比較地差。 方案2：同樣剛度的條件下，車身結構是T型的軌檢小車對比H型，前者結構的軌檢車會顯得較為靈活，而且十分方便人員的操作。T型軌檢小車有裝拆方便，結

24、構相對的緊湊，在對抗振動的時候剛度會很大，重量較輕便于人員的攜帶。而現(xiàn)有的軌道檢測車車身結構也是T型綜合以上的原因，本次設計考慮采用車身結構為T型。通過UG設計的小車模型，如圖2.1所示。 軌檢小車車輪中間需要開出一個孔來，這樣可以保留輪子的整體強度，也降低了整個車輪的重量，便于安裝。本次設計的車輪外圈要比內圈厚一些，這樣的好處是當軌檢小車進行加速的時候，小車的平穩(wěn)性很好，保持在高速運行的時候，小車有較大的慣性。設計軌檢小車的車輪如圖2.2所示。 圖2.2 小車車輪 圖2.3 車輪導向裝置 軌檢小車在軌道上運行，當遇到彎道時，需要轉向

25、，所以要給小車車輪加上一個導向裝置，其是決定著小車是否能沿著鐵路彎道平穩(wěn)得行走。圖2.3為小車車輪的導向裝置。 小車要求結構緊湊，要有足夠的剛度和較高的強度。導向裝置的結構要布置合理，使小車的運動平順可行。圖2.4為小車的支撐結構。 圖2.4 小車的支撐結構 圖2.1 軌檢小車車身結構 軌檢車主要結構有行走機構、衡梁、縱梁、導向機構、支撐架、控制計算機、步進電機等組成。通過三個行走輪將軌檢車支承與鐵軌踏面上方。左側的縱向大梁下有一只導向輪，其作用是使軌檢小車縱向大梁沿鐵路軌道進行行進。導向輪彈簧剛度系數(shù)要大，以保證導向作用。軌檢小

26、車的驅動系統(tǒng)采用步進電機，其對行走滾輪進行驅動，從而驅動小車運行，行走滾輪和導向輪均采用硬橡膠以增加滾輪與軌道之間的滾動摩擦，讓小車不存在打滑現(xiàn)象，這樣使小車的定位精度更高。筆記本電腦通過專用支架固定于支架上，可以使檢測人員能時刻觀察小車的動態(tài)和檢測的動態(tài)。直流電動機將代替以前人工的手推，使檢測人員節(jié)省體力和方便干其他的事情。為了便于拆卸，所有連接采用普通螺栓連接。 2.2 軌檢小車功能設計 軌檢小車在軌道上工作時，需要執(zhí)行檢查軌道的各項指標和參數(shù)，例如軌道的平整性，零件的規(guī)格等等。首先需要讓小車在軌道上進行行進，要考慮其導向的問題，對小車車輪進行研究，要讓小車有速度，就得選擇一種功率足夠

27、、結構緊湊、續(xù)航能力較強切重量輕的電機來帶動其運行，需要對電動機及其所匹配的硬件進行選型。電動機選型結束后，就要對主電路電源選型，接著畫出主電路原理圖，要滿足小車動力的要求。完成動力需求之后，就要選擇控制電動機的軟件，來通過其控制軌檢小車的工作過程，選型要求是自動化的控制小車，還要選取匹配的電源模塊，設計出選型軟件的程序，來適應軌檢小車在不同工作環(huán)境下的工作方式，例如小車的速度，小車的前進后退，這需要滿足其檢測方式的需求。 現(xiàn)代軌道檢測車還是以人力工作方式的情況較多，本次畢業(yè)課題的設計要將其原有的工作模式打破，通過軟件控制電動機來控制小車進行運行。 第三章 軌

28、檢小車硬件設計 電機稱其為電動機，也俗稱馬達，是一種與電能密切相關的能量轉換裝置，可以將電能與機械能互相轉換，也可以將電能和電能之間進行轉換。其主要作用是利用機械能轉化為電能，電機是作為用電器械和各種機械的動力源。和其他形式的能量相比而言，電能生產方便，來源多，便于輸送等等優(yōu)點。雅比克在1834年造出了世界上的第一臺電動機，后來電動機在結構上與生產機械進行密切的配合，從而進一步的簡化機構，容易實現(xiàn)生產的自動化。隨著生活水平的不斷提高，工業(yè)自動化程度的提高，需要采用各種各樣的電機作為自動化系統(tǒng)的基本組成元件，此外在國防，醫(yī)療以及日常生活中電動機也會越來越廣泛地被應用起來。 3.1 電機的分類

29、及工作原理 電動機根據(jù)用途來分：控制電機、功率電機、信號電機。功率電機分為直流電機和交流電機。信號電機分為位置信號電機和速度信號電機?？刂齐姍C主要是應用在精確的轉速、位置控制上，在控制系統(tǒng)中作為“執(zhí)行機構”?？煞殖伤欧姍C、步進電機、力矩電機、開關磁阻電機、直流無刷電機等幾類。 步進電機的特點：步進電機其精度為步距角的3-5%，而且不會累積多余的步進角。步進電機外部允許的最高溫度取決于磁性材料的不同，低頻振動，在沒有負載但是有頻空載啟動頻率的情況下，步進電機是可以正常啟動的等等。步進電機在通過細分步進角之后，其原有的性能會增強很多。這種電機是沒有固定的功率的，其功率隨著頻率和電機的運行速度

30、變換而變換，它的力矩在低速是很大的。 3.2 軌檢小車的電動機選型 因為對軌檢小車來說，驅動輪的驅動電機的選擇顯得十分重要，因為本設計要實現(xiàn)對路徑控制定位和速度測量要求不是很高，而且精度也要求不是很高，所以我將采用步進電機來作為本次畢業(yè)設計的驅動電機。 首先驅動軌檢小車的電機使用步進電機。由于良好的步進電機的準確度為3%-5%，而且不會將誤差從一個步驟累積到下一步，所以步進電機能夠精確定位和重復性地運動，而這一特點可以進行軌檢小車前進路線和其位置的精準定位。步進電機的旋轉角度是與PLC輸入的脈沖成正比，當繞組通電時，電機轉矩處于完全靜止狀態(tài)，并且步進電機對啟動/停止/換向有著極好的反應，

31、能夠隨時控制軌檢小車的前進和后退。 根據(jù)軌檢小車在工作時的需求，在檢測列車軌道的過程中，小車有慢快速兩個擋位的速度工作，即快速檔V=0.8m/s，慢速檔V=0.5m/s，在同樣的條件下，可以看出電機在快速檔的工作條件下消耗更大的功率，所以要以快速檔電機消耗的功率來進行選型。下面是對估算負載。 (1)計算負載數(shù)據(jù): 小車在運行過程中會受到摩擦力的作用，摩擦力為 其中：為小車運行時軌道所受到的壓力，為滾動摩擦系數(shù)。 作用在鐵路軌道上面的力為 其中，供電的電池重量約為。步進電機質量約為，小車車架的重量約為，加上一些個余量，。 由資料可知滾輪在軌道上的滾動系數(shù)，因此小車滾輪所受到

32、的摩擦力 又因為滾輪的半徑為，所以小車所受的摩擦力為 當小車工作在快速檢測時,又因為 所以求得小車滾輪轉速 所以此時小車克服摩擦力所作的功為： ， 故所選電機的標稱功率必須大于此值。 （2）電機的選型 應該步進電機的功率是達不到軌檢小車運動工作條件的，還是要選用功率高的直流電機來驅動小車的運作。所以本次使用的只是在學校中所有的步進電機來進行試驗步進電機的功率可由轉速、轉矩決定； T--轉速 N--轉矩； 額定輸出功率由額定轉速和額定轉矩決定； 同步轉速由電機的頻率和極數(shù)所決定（如圖3中1所示）；

33、 f--電源頻率 P--極數(shù) ； 空載時的轉速：電機在沒有負載時的轉速： ( 如圖3中 2 所示 )； 額定轉速：電機額定的輸出功率時的轉速： ( 如圖3中 3 所示 )。 圖3.1 轉速與轉矩的關系 啟動轉矩：電機在額定電壓、頻率作用下，在啟動瞬間所輸出的轉矩 ( 如上圖中 6 所示 ) 啟動時如果靜態(tài)負載大于啟動負載，電機不能運轉。 額定負載轉矩：電機在額定的電壓、頻率以及額定的轉速時所輸出的轉矩（如圖中5所示）。 運行狀態(tài)：為了保證電機溫升的控制，確定了連續(xù)運行狀態(tài)和短時間運行狀態(tài)。 連續(xù)運行狀態(tài)：電機在額定電壓、頻率下，允許連續(xù)運行，并保證電機安全可

34、靠。 短時間運行狀態(tài)：電機在額定電壓、頻率下，允許30分鐘連續(xù)運行，并保證電機安全可靠。 步進電機是將電脈沖信號轉換成角、線位移的一種開關控制元件件。在不超載的情況中，電機的轉速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)的多少，不會受到負載的影響，所以只要給步進電機加一個脈沖的信號，步進電機就會轉過一個步距角，這樣使得速度、位置等控制領域控制變得十分的簡單?，F(xiàn)在常用的的步進電機有永磁式步進電機、反應式步進電機以及感應式步進電機和混合式步進電機等不同的種類。而本次采用的是兩相混合式步進電機的選用，它結合了永磁式與反應式步進電機兩種電機的優(yōu)點，而且這種步進電機的應用最為廣泛。符號為M。 在選

35、用步進電機的時候我選用的是兩相混合式步進電機來進行對軌檢小車進行控制位移，兩相混合式步進電機的結構有電機的釘子有八個繞有線圈的鐵心磁極；每個釘子磁極邊緣有多個小齒，一般多為5個或者為6個：八個線圈被傳成A、B兩相繞等結構特點，主要的工作原理定子有四個繞有線圈的磁極，相對應的磁極的線圈組成一對兩相線圈，轉子有兩段永磁體組成，一個呈N級性，一個是呈S極性；每段永磁體有3個齒，齒距為120度，N極齒和S級齒分批錯開1/2齒距等等。所以我選用兩相混合式步進電機86系列。步距角為1.8度的步進電機。圖3.2為本次使用的步進電機 圖

36、3.2 86系列步進電機 圖3.4 步進電機的技術指標 3.3 電機驅動器選型 步進電機通過電機驅動器來細分。驅動器細分后的優(yōu)點主要是完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩是步進電機的一大特性，而細分是消除低頻振蕩的唯一方法。裝上電機驅動器，細分之后，就提高了電機的輸出轉矩和電機的分辨率，因為它減少了步距角，提高了歩距的均勻程度。圖3.3為此次使用的20806步進電機驅動器 圖3.3 20806步進電機驅動器 3.4 硬件電路設計 3.4.1 主電路設計 本次設計的軌檢小車使用220V蓄電池給主電路進行供電、24V蓄電池進行控制電路供電，因為蓄電池有體積較小，

37、較為穩(wěn)定的電壓控制輸出能和較強的驅動電流，而且能夠存儲起有限的電能，對于軌檢小車較長時間的在軌道上工作有一定的后備能源支持。滿足放置控制系統(tǒng)在小車上工作的條件，而且價格相比其他的電池較為合適，所以采用24V蓄電池來作為軌檢小車主電路的電源。而直流電動機將代替以前人工的手推，使工作人員節(jié)省大量的體力可以去進行其他的工作。圖3.5為主電路電氣原理圖。圖3.4為主電路電氣原理圖。 圖3.4 主電路電氣原理圖 3.4.2 控制模塊硬件電路設計 控制模塊原理電路如圖3.5，圖中使用PLC控制步進電機 圖3.5 控制模塊原理 在輸入接口電路中，在驅動器內部放置一只限流電阻，當電壓為24V

38、的情況下，電阻R為2千歐，電壓為5V時，電阻R為330千歐。當電壓不是這兩種情況的時候，需要根據(jù)電壓的大小在每個輸入端口前接上。注意，是每個接口前都要有限流電阻，其電路絕對不能夠共用其限流電阻，如圖3.6所示。 3.6 輸入接口電路 第四章 軌檢小車控制模塊軟件的設計 4.1 PLC介紹 PLC，中文定義是可編程控制器，簡稱是PLC，其是一種新型的以計算機技術為基本的工業(yè)自動化控制裝置，采用的是可以編寫程序的存儲器械。其中存儲的內部空間用來進行執(zhí)行了順序和邏輯運算，還可以對計時和算術運算等發(fā)出指令，然后通過輸入輸出，來控制各式各樣的機械設備或者生產過程。 4.2 PLC分類及其選

39、型 PLC按照結構形式來分，可分為整體，模塊和疊裝三種形式的PLC，其中疊裝形式的PLC是前面兩者優(yōu)點的結合體。按照功能來進行分類的haunted，可以將PLC分成低中高三個不同類別。本次設計使用的PLC是西門子的S7-200，如下圖所示,。S7-200系列PLC有著極其強大的功能，它既可以在獨立的運行中實現(xiàn)功能，也可以在與其他相連成網絡的同時進行復雜控制。所以這次PLC我將使用S7-200系列來進行對步進電機進行控制。 圖4.1 S7-200 PLC端子和硬件介紹 4.3 PLC編程軟件 本次設計使用的PLC編程軟件是STEP7Micro/Win編程軟件。此軟件給予了用戶很好

40、的編程條件來進行開拓和編寫新的應用程序。為了用戶可以方便快捷的開發(fā)新的應用程序，STEP7Micro/Win編程軟件上有三個不同的編輯器以供用戶使用。此軟件上有以下幾個組成部分：SIMATIC管理器，符號編輯器，通信和硬件組態(tài)，編程語言和硬件的診斷工具。STEP7Micro/Win編程軟件界面由菜單欄，工具欄，瀏覽欄，用戶操作窗口和狀態(tài)欄等幾部分組成。此軟件簡單易懂，可以解決相對復雜的用戶在自動化方面。此編程軟件的界面可由下圖所示。 圖4.2 STEP7Micro/Win編程軟件界面 4.4 PLC軟件設計 4.4.1 程序流程圖 圖4.3 軌檢小車工作模式 本次的系統(tǒng)使用的是梯形圖

41、的編程，編程軟件為STEP7Micro/Win編程軟件，先在計算機上進行程序的編寫和調試，當程序調試成功后，使用接線口把編寫好的控制程序下載到PLC當中。本次設計的PLC程序包括了主程序，慢速檔，快速檔和停止檔的子程序主要要使步進電機分成兩個速度檔，來滿足軌檢小車在軌道上不同速度的工作需求，進而來高質量地完成軌道檢測工程。工作開始后，電動機啟動，軌檢小車開始在軌道上前行，進行作業(yè)。小車有兩個檔的速度可以選擇，當檢測一條全新的軌道時，小車可以以一檔慢速前進，增加其測量的精度。在通過無需檢測的軌道時，以二擋的速度快速通過，大大地節(jié)省了工作的時間，提高了軌檢小車的作業(yè)效率。軌檢小車以一檔的速度起步，

42、使用兩檔的速度在軌道上進行工作，這三種工作方式（如圖4.3所示）根據(jù)現(xiàn)場的工作需求來進行自由轉換，以適應不同的工作環(huán)境。等小車作業(yè)結束后，電動機既可以停止轉動，讓小車停下來，等待操作人員，也可以通過電動機反轉來帶動小車返回初始位置。 4.4.2 PLC的I/O分配 如表1所示為本次設計的控制字符表。表2所示為本次設計的PLC的I/O口分配表。 表1 控制字符表 Q0.0寄存器 名稱及功能描述 SMB67 控制字節(jié)，控制PTO/PWM脈沖輸出的基本功能 SMW68 周期值，屬字型，PTO/PWM的周期值，工作在2~65 535的范圍內 SMD72 脈沖數(shù)，

43、屬雙字型，PTO的脈沖數(shù)，工作在1~4 294 967 295 表2 PLCI/O分配表 序號 PLC中I/O地址 其控制功能說明 輸入類型 1 I0.0 一檔運行操作 PLC 2 I0.1 二擋運行操作 3 I0.2 后退運行操作 4 I0.3 停止運行操作 5 Q0.0 輸入脈沖 6 Q0.1 方向 7 Q0.2 矢能 4.4.3 PLC程序的梯形編寫 網絡1：I0.0和I0.2并聯(lián)為運行的開關，當觸點I0.0和I0.2都打開的時候，啟動電動機的時候，不論是直接啟動還是變頻啟動，只需要有一種方式的按鈕

44、按下之后，，都會調用到子程序SBR_0中，讓使能置0，讓其有效，然后電動機1檔啟動。同樣，當按下I0.1的按鈕后，條件滿足，會調用子程序SBR_1，電動機換入2檔。 網絡2：對于步進電機PLC所發(fā)出的脈沖輸出的程序。 高速脈沖輸出有著兩種輸出方式，一種是高速脈沖串輸出PTO，另一種是寬度可調脈沖輸出PWM。使用者可以控制PTO輸出的那一串脈沖（占空比50%），控制其脈沖的周期和數(shù)量。而PWM可以輸出可調占空比的脈沖，能控制輸出脈沖脈寬。每一個高速脈沖發(fā)射器都是對應著一定的特殊儲存器，這些個寄存器是被用來控制脈沖的輸出模式，反應出脈沖的輸出狀態(tài)和各種參數(shù)值。而這些寄存器的控制位功能是不同的。

45、 首先，我們來處理程序中的SMB67。通過把#8D輸出到SMB67當中，通過下面的表格可以看出SMB67是控制著PTO/PWM的更新周期值得，然后將#8D轉換成二進制10000101來看，其對應著輸出的周期，脈沖數(shù)和PTO/PWM的執(zhí)行命令。而下面的SMW68對應著脈沖周期，它需要在執(zhí)行指令前，SMD72對應著脈沖的個數(shù)如果在輸出脈沖完成的時候，要馬上執(zhí)行一個與其有關的功能，就要在中斷程序的時間內執(zhí)行PLS指令，讓S7-200進行編程。電動機在此程序下啟動，可以開始在軌道上進行工作，此時的速度為1檔。 這段程序在電動機1檔的原有基礎上，再增加了一個矢能，再通過PTO/PWM高速脈沖輸出

46、口進行輸出，使電動機的速度變快，即電動機工作的第二次提速，來滿足軌檢小車有較高速度的需求，為電動機的2檔。 下面的網絡2：與上面的相同，將#0送入到SMB67中，對照上面的表格，找出PTO/PWM更新周期，而SMW68其對應著輸出的周期，脈沖數(shù)和PTO/PWM的執(zhí)行命令，所以不會再更新脈沖的個數(shù)與周期值，所以步進電機停止旋轉。 此程序為中斷程序。其中中斷連接指令（ATCH）是把中斷事件（EVNT）和中斷例行程序號碼（INT）兩者相聯(lián)系，同時中斷事件開始起作用。如果需要中斷事件和事件在發(fā)生時程序之間有關聯(lián)的話，那么必須要在中斷例行程

47、序激活的前面進行。一個中斷的例行程序可以加上幾個中斷事件，不過事件是不可以加在幾個中斷的例行程序上面的。在中斷程序上面的程序中的設定的脈沖發(fā)完結束之后，中斷程序起作用，作用在42949672295上，使前面的程序繼續(xù)發(fā)出脈沖。 這段程序是作用在電機上，使電機正反轉，帶動軌檢小車進行前進或后退。Q0.1所賦予的是方向面，而I口賦予的是電動機的正反轉。只有當程序前面的RLO指令為“1”，電流能源才才會通過線圈，這樣才會讓線圈執(zhí)行置位指令，并且RLO為0是不起作用的，其單元的地址不會改變。而其方向為正方向，所以I0.0是正轉。下面的程序也是一樣，而“R”是復位指

48、令，所以I0.2位電動機反轉。 第五章 軌檢小車控制系統(tǒng)調試 5.1 調試準備工作 元器件準備： 1、220V轉化為24V的電源模塊（如圖5.1所示）； 2、 西門子S7-200PLC（如圖5.2所示）； 3、 步進電機驅動器（如圖5.3所示）； 4、 兩相混合式步進電機（如圖5.4所示）。 圖5.1 控制電路中220V化為24V的電源模塊 圖5.2西門子S7-200PLC 圖5.3 步進電機驅動器接口 圖5.4 兩相混合式步進電機 所有的元器件準備好之后，進行元器件之間的接線，接線完成后仔

49、細地復查一遍，確認接線沒有錯誤，再開始下一步的調試。 5.2 調試系統(tǒng)程序 第6章 總結 2016年3月份，剛剛畢業(yè)論文開始動手。從一開始的不知所措，到慢后來慢慢地開始有狀態(tài)了，到對論文思路逐漸的清晰，整個論文的撰寫過程還是蠻心酸的。最開始在班上進行選課題的時候，我抽到了屬于我大學最后一次課題，是：基于PLC的軌檢小車控制器的設計。當選題報告，開題報告定下來的時候，說實話我腦子里是空白的，沒有接觸過這個方面，不知道從何處下手，當時看到開題報告里的任務書，自己真是的覺得有些無從下手。我將這一問題回饋給

50、了我的導指導老師，在老師耐心的指導領悟下，讓我自己現(xiàn)在對論文課題的分析研究方向和方法有了初步的計劃。在接下來的時間里，我開始查找有關資料，把這些在后面會用到的資料都記錄下來。將這些資料進行分類，歸攏，這會有利于畢業(yè)論文的寫作。然后將資料交給導師，和導師進行溝通交流，聽取指導老師的建議。4月初，資料已經查找結束了，開始著手論文的寫作。在寫作的過程中遇到困難我就會及時和導師聯(lián)系，聽取導師的意見，并和同學互相交流。在大家伙的幫助下，困難一個個解決掉，論文也慢慢地成型。4月底，論文的前期編寫接近尾聲。5月份開始進行對軌檢小車結構的繪制工作和控制電路的設計工作。為了結構圖和電路圖的直觀形象，努力學習了U

51、G的三維繪圖技術和CAD繪圖，然后通過繪圖軟件將自己設計好的軌檢小車車身結構圖畫出來。在編寫控制電路的開始過程中，由于沒有實際設計電路的經驗，雖然高中時期有學習過電路，可還是覺得無從下手，經過與指導老師討論后，電路的設計在腦海里有了雛形，通過開始找到的控制電路的資料，最終確定了系統(tǒng)的電路設計方法。方案中控制硬件的設計，是通過模擬負載計算功率選出可以帶動軌檢小車工作的電動機，所需反復推敲，對比的過程中，最終定下了采用步進電機和與之相配套的兩相混合式步進電機驅動器。而軟件的選用是要求軟件可以滿足對軌檢小車在工作中的控制。在完成軟件選型后，結合之前查找的資料，來編寫出可以讓軌檢小車在軌道上進行其工作

52、需求的程序，還要把程序一步步的調試成功。 當然在完成的同時，也帶著少許的遺憾，沒有能夠做出來一個實際的軌檢小車。在實際的小車上是否應該使用直流電機來替換掉步進電機，從而可以解決力矩不夠大的問題。還有軌檢小車的車身架子上需要有檢測器的放置，所以小車要滿足輕便的特點等等。這些問題在以后有空的日子里，我會去一個個仔細研究，希望可以為這次的畢業(yè)課題再多努一份力。 通過這一次的畢業(yè)設計讓我明白了我自己對專業(yè)知識還是很欠缺，覺得需要去努力的事情還是很多，以前覺得自己好像努力過，就好像自己只能做到這種程度，，經過此次畢業(yè)設計，我才明白努力它是一個不斷前進，不斷創(chuàng)新的過程，在以后的工作任務中還是都

53、還是要不斷地努力上進，突破自己的極限，不斷提高自己的技能水平和綜合素質。同時也明白了不管做什么事情不會存在一帆風順，要通過自身去努力、不斷地從每件事情中找到自己的弱點，才能找到自己的成功大道。在本次的畢業(yè)設計中遇到了不少的困難，但最終還是克服了各種的困難，完整了大學的畢業(yè)設計。 緊張難忘而又愉快的畢業(yè)設計終將要結束了，這是對我大學四年里所學知識的完整總結和其怎樣應用它，也是為工作起了一個好的頭，不僅是對我在校所學理論知識的檢驗，更提高了我分析和解決問題的本領。在這里，十分感謝付肖燕老師對我的諄諄教導以及工業(yè)中心各位領導的熱情幫助。對于作為一個應屆畢業(yè)生的我而言，這將會是一生當中最為寶貴的財富

54、。 致 謝 本次論文的寫作是由工業(yè)中心付肖老師的精心指導和悉心關懷下完成的。 在我的學業(yè)和論文的撰寫工作過程中無不傾注著老師辛勤的汗水和心血。付肖燕導師用其專業(yè)的知識基礎和大量的設計經驗來指導我完成此次畢業(yè)課題設計，過程很艱難，但是悉心地給予了我很多的幫助，讓我得到了鍛煉，結果很完美，在寫作的過程中遇到困難我就及時和付老師聯(lián)系，聽取她的意見。在這個過程中我不僅學到了豐富的軌道檢測的專業(yè)知識，也增強了自己的耐心，這完全要歸功于指導老師對我的幫助和無微不至的關懷。付肖燕老師的學習態(tài)度、期豐厚的知識和對我的嚴格要求讓我深受啟迪，讓我不單單學到了

55、如何寫好一篇文章，更多是學到了努力做好一件事情的態(tài)度和意義。在這里要向我的指導老師致以謝意和深深的敬佩。 在本次論文撰寫過程中，技術中心的各位領導、工業(yè)中心盛國良老師給予我很大的幫助，提出了非常寶貴的意見和建議，給我能夠順利地完成論文的撰寫工作提供了強有力的支持，在此向他們表示深深的感謝。 經過四年的學習生活，也受到了系部領導、專業(yè)老師和班主任的熱情關心和幫助，在完成畢業(yè)設計的這段時間，更是得到了實驗室老師們給予的的幫助和支持。 最后，向所有關心我和幫助過我的領導、老師、同學和朋友們表示由衷的謝意！ 衷心地感謝在百忙之中點評我的論文和參加答辯的各位老師 ！  參

56、 考 文 獻 [1]張光遠.鐵路超限檢測系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學，2004 [2]任盛偉，劉鐵，許貴陽，等.GJ-3型軌檢車檢測系統(tǒng)的升級改造[J]. 鐵道建筑，2005,11：71-73 [3]劉鐵，任盛偉，許貴陽，等.GJ-4型軌檢車軌距-軌向測量系統(tǒng)改造[J]. 中國鐵道科學院，2006，27(6)：137-140 [4] 趙鋼，劉維楨.GJ-5型軌檢車軟件的自主研發(fā)[J].鐵道建筑，2004,12 [5] 胡慶豐.安博格GRP1000軌檢小車進行無碴軌道檢測的作業(yè)方法[J].鐵道勘測,2008(4):2 [6] 張勇.軌檢小車用于高速鐵路軌道幾何狀態(tài)檢測的關鍵

57、問題研究[J].鐵道標準設計,2013(05):2 [7]劉伶萍.高速軌道檢測系統(tǒng)[J].鐵路創(chuàng)新,2012(1):3 [8] 楊成寬.GEDOCE軌道檢測系統(tǒng)在無砟軌道施工測量中的應用[J].鐵道工程學報,2009(3):58-59 [9] 楊偉平.智能小車運動控制系統(tǒng)的設計與研究[J].2013(1):71-72 [10] 李志隆.GJ-4型軌檢數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[J].中國鐵道科學,1997(3):56-57 [11]CHU Jiangwei,SHI Shuming,WANG Rongben,et al.Design of test platform for intelligent

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