類PLC的理念及其在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用

1、類 PLC的理念及其在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用摘要通過對可編程序控制器 (PLC)的概念和特征 ( 可編程邏輯控制器 ) 和嵌入式系統(tǒng)的概念的分析 , 并在此基礎上 , 提出一種準 -PLC 相結合的優(yōu)勢 , 可編程控制器 (PLC) 與嵌入式系統(tǒng)。準， PLC和架構一頂向下的設計與協(xié)作，軟件和擬 - PLC的嵌入式控制系統(tǒng)的硬件設計方法進行了研究，然后。最后，設置大型工業(yè)閥門控制系統(tǒng)為例， 對類 PLC及相關技術的概念被用于工業(yè)閥門控制系統(tǒng)， 并得到滿意的應用效果，這就證明了準概念的合理性， PLC及相關技術。關鍵詞 - 類 PLC，控制系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)。1 簡介PLC是一種廣泛使用的通用控制器

2、的一種具有良好的適應性和易于寫控制邏輯程序，而且目前工業(yè)領域對它有很多的關注。嵌入式系統(tǒng)具有為對象， 定制的應用等嵌入式控制系統(tǒng)中嵌入的特點是在工業(yè)控制領域的嵌入式技術的應用， 它是一個迅速發(fā)展的控制系統(tǒng)。為了結合 PLC和嵌入式系統(tǒng)的突出優(yōu)勢，并確保它是更方便地使用在工業(yè)控制領域的嵌入式系統(tǒng)，一些機構和企業(yè)正在做的理論和實踐研究，其中嵌入式PLC的概念， PLC等，但沒有考慮到在同一時間，嵌入式系統(tǒng)和 PLC技術的優(yōu)勢。嵌入式 PLC技術主要指的嵌入式系統(tǒng)的本質。 雖然軟 PLC技術具有易編程的特點，它不考慮對控制應用共性，它仍然需要定制不同的應用系統(tǒng)。在本論文中，我們提出了類 PLC控制系

3、統(tǒng)的概念基于嵌入式首次系統(tǒng)技術，結合了 PLC和嵌入式的同時完美的系統(tǒng)。 類 PLC提供解決問題的控制一種具有的共同要求，也提供了一個為嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領域的實際應用方法。 本文就類 PLC及其在工業(yè)控制中的應用， 本文分為五個主要部分。 第一節(jié)簡要介紹， 第二節(jié)， PLC的特點和嵌入式系統(tǒng)的調查。第三節(jié)提出來的概念和類 PLC的結構，并介紹了關于準基于 PLC系統(tǒng)的開發(fā)流程。 在第四節(jié)，設置為例大型閥門控制系統(tǒng)，闡述了一個類 PLC在工業(yè)閥門控制系統(tǒng)的應用。最后一節(jié)是對本文的總結。2 關于 PLC及嵌入式系統(tǒng)2.1 概念與 PLC的特點可編程序控制器 (PLC)是設計用來代替繼電器邏輯控

4、制系統(tǒng)。 目前，PLC具有運行到可編程控制器， 不僅具有邏輯控制功能， 而且還過程控制， 數(shù)據(jù)處理和通訊等，這是一個特殊的專為工業(yè)控制應用工業(yè)控制計算機， 它已成為一個主要和標準控制設備逐漸。我們簡要總結 PLC的優(yōu)點如下：（1）完善的功能和強大的控制能力。（2）高可靠，抗干擾。（3）輕松寫入控制代碼。（4）標準化和模塊化。但也暴露了一些 PLC技術在同一時間問題，分列如下：（1）之間的冗余和資源不足的矛盾。（2）它不能使產(chǎn)品個性化的發(fā)展。12.2嵌入式系統(tǒng)的概念及特征嵌入式系統(tǒng)是計算機技術為基礎，軟件和硬件可削減，使其可行，以適應不同的應用系統(tǒng)在另一個角度， 它是一種特殊的計算機系統(tǒng)， 具有

5、可靠性，成本低，尺寸和功耗嚴格要求的消耗。這是對技術的發(fā)展，如計算機，半導體，通訊，電子，自動化控制，相結合的產(chǎn)物。嵌入式系統(tǒng)已廣泛地應用于計算機網(wǎng)絡， 通訊，消費電子產(chǎn)品，工業(yè)控制領域，醫(yī)療器械，航空航天，國防工業(yè)領域，等等。嵌入式系統(tǒng)的特點如下：（1）嵌入。（2）特別制度。（3）擴展接口。但是，仍然有在控制領域的嵌入式應用系統(tǒng)的困難。這些問題包括：（ 1）嵌入式控制系統(tǒng)的設計問題。（2）嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性問題。（3）嵌入式控制系統(tǒng)的兼容性問題。3 類 PLC控制系統(tǒng)的研究3.1 類 PLC的概念 .結合 PLC的優(yōu)勢和嵌入式系統(tǒng)的類 PLC的概念。類 PLC的嵌入式控制系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的

6、嵌入式系統(tǒng)技術為基礎。 在準嵌入式控制系統(tǒng)的 PLC開發(fā)過程中，要定制的硬件， 并生成控制代碼很容易， 根據(jù)一個特殊的控制問題， 并最終形成一個嵌入式控制系統(tǒng)的快速。一般來說，嵌入式控制系統(tǒng)設計，以適應給定的控制對象， PLC是一種最常見的控制系統(tǒng)控制對象，而類 PLC是一種嵌入式系統(tǒng)和 PLC，它設計一個共同的控制系統(tǒng)集中妥協(xié)一種控制對象。解決控制目標的一類問題中，類 PLC的預期實現(xiàn)的目標如下：（1）應符合實際環(huán)境，如大小，形狀，工作條件，可靠性等（2）除了滿足基本需要的功能，硬件和軟件應該擁有一個簡單的架構，并沒有突出的冗余資源，是高度集成的。（3）它很容易編寫控制代碼，專業(yè)知識是沒有必

7、要的電氣工程師，操作控制系統(tǒng)。（4）它是靈活方便，就像使用的 PLC。（5）在一個特殊的范圍，它可以代替 PLC，并具有與 PLC類似的電氣性能。（6）應針鋒相對當前工業(yè)標準和技術標準，并提供標準的設備互連。（7）要消耗較低的成本設計和實施，可以去開發(fā)和未來的更新容易。3.2類 PLC控制系統(tǒng)的體系結構類 PLC要求控制代碼可以被改變 , 以適應一種應用 , 使它容易構造是不同的嵌入式系統(tǒng)。圖 1 顯示控制系統(tǒng)的體系結構類 PLC。正如您在體系結構圖所示，我們可以選擇或定制的嵌入式 CPU，它可以較低的 8 位 CPU，或者更高的 32 位 CPU，或者特殊的 DSP。輸入和輸出類 PLC接口

8、的設計還根據(jù)控制應用程序，這也被削減。的接口類型，端口，接口電路，電性能數(shù)字，和連接線必須加以考慮。2由于擬在 PLC的解決除了要滿足的基本要求之一的控制問題， 它有一種類似的功能要求，目標，所設計的類 PLC的冗余解決了資源問題，使系統(tǒng)結構優(yōu)化。3.3類 PLC控制系統(tǒng)開發(fā)步驟類 PLC技術的關鍵是前景的技術， 而最重要的問題是類 PLC控制系統(tǒng)的設計。嵌入式系統(tǒng)的設計基本上是一項復雜的工程。 開發(fā)一種有效的設計方法是關鍵問題。在談到自頂向下設計的嵌入式系統(tǒng)的方法， 我們提出一個自上而下的設計與協(xié)作軟件及嵌入式控制系統(tǒng)的硬件設計方法。 在實際類 PLC的嵌入式控制系統(tǒng)設計中，我們改變和調整了

9、一些步驟。 圖 2 給出了一個類 PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)流程。3.4控制類 PLC控制系統(tǒng)的代碼開發(fā)傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)有一個固定的目的，功能和程序也不變。類 PLC的內核是一個嵌入式系統(tǒng)，如果設計類 PLC控制系統(tǒng)具有在系統(tǒng)可編程（ ISP）的能力，那么它可以輕松地改變控制代碼程序。 有幾種方法和技術， 以實現(xiàn)不斷變化的控制代碼程序的功能。 一個經(jīng)常的做法是， 我們定義了一個先進的程序語言或使用圖形模式，如梯形圖和狀態(tài)圖。 基于先進的語言或圖表表達， 電氣工程師可以實現(xiàn)自己的控制算法。該技術還可用于 PLC和人機界面領域。嵌入式操作系統(tǒng)具有切割啟用， 這基本上是一個固定的基本綱領和多變的方案組成部

10、分的一般特征。 在某種程度上， 我們可以說， 類 PLC控制系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)具有相同的要求。談到源編碼流行的， RTC的微小，智能實時操作系統(tǒng)等的原則，我們提出了一個類 PLC程序生成計劃。控制程序代碼分為兩部分，一部分是程序的數(shù)據(jù)，另一部分是程序算法。包含程序數(shù)據(jù)等， 而固定的程序算法結構方案，特別控制算法， 包括方案的基本子集等邏輯數(shù)據(jù)，變量，物質資源，系統(tǒng)常數(shù)，通信緩沖區(qū)。程序數(shù)據(jù)和程序算法聚合在一起形成了完整的控制程序代碼。4應用準在工業(yè)控制中的PLC類 PLC的概念和相關技術已成功應用于大規(guī)模的工業(yè)閥門控制系統(tǒng)。閥門的用途和工作環(huán)境可能有所不同， 根據(jù)不同的工程要求， 控制方式，

11、 功能和性能可能也各不相同，導致設計為每個個案的特殊控制系統(tǒng)的必然。大比例閥可分為三大類， 它們是電動蝶閥， 液壓蝶閥和電動流量閥。 傳統(tǒng)的控制方法是，繼電器控制系統(tǒng)是簡單的情況和 PLC控制系統(tǒng)中的應用是在復雜的局面。隨著自動化技術，網(wǎng)絡技術，嵌入式系統(tǒng)，閥門控制系統(tǒng)具有巨大的挑戰(zhàn)面前，閥門控制系統(tǒng)和現(xiàn)代化的發(fā)展， 必須有這樣的特殊功能和特殊的表演個性特征。目前，一些傳統(tǒng)的 PLC和擴展模塊組裝在一起，實現(xiàn)了個性特征，但這種方式，控制系統(tǒng)包含獨立的知識少， 成本高得多， 而且對產(chǎn)品的市場競爭力直接影響。現(xiàn)在，我們可以用一個更好的解決辦法準的 PLC，而不是傳統(tǒng)的 PLC控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的要

12、求除了在第三節(jié)的規(guī)定，基于類PLC的閥門控制系統(tǒng)必須滿足以下要求：（1）支持常見的工業(yè)總線協(xié)議在閥門控制領域中使用，如 Modbus協(xié)議，控制系統(tǒng)等，都必須是透明和開放的外部世界， 而且必須提供連接到標準的人機界面，數(shù)碼相機和 PLC。3（2）提供技術支持，應用層，如地點 / 遠程調試，遠程監(jiān)控和故障診斷，設計報告，手工管理，等等。控制系統(tǒng)開發(fā)技術框架圖 3 表明了控制系統(tǒng)的開發(fā)技術框架。 正如你在圖中看到，我們可以清楚地知道，開發(fā)步驟和技術，我們的應用。在圖 3 的上半部分是支持技術的應用平臺，下部分是應用程序。所需的硬件，我們分析有三個閥門類型調查，我們發(fā)現(xiàn)，無論電動蝶閥，液壓或電動蝶閥，

13、 流量閥，它們具有類似的硬件資源需求，只有在波動范圍內不同的資源輸入和輸出端口， 差異數(shù)量非常少。 我們考慮了約三閥門類型， 主要研究了開關輸入端口數(shù)，開關量輸出端口，模擬輸入端口，模擬輸出端口，相序檢測端口和通訊端口，那么我們得到的端口數(shù)，準機時，必須所擁有?，F(xiàn)在，讓我們以身作則交換機輸入端口， 電動蝶閥需要 12-18 交換機輸入端口， 以及電動流量閥需要 15-18 交換機輸入端口，以及液壓蝶閥人數(shù) 16-19 所以，在設計準的 PLC，我們設置 20-24 開關輸入端口。 這樣，類 PLC可適應三種類型的閥門的需求， 我們只需要一個類 PLC的嵌入式控制系統(tǒng)的一種適合他們。四控制系統(tǒng)硬

14、件我們的架構在第三節(jié)中描述的基礎上，我們開發(fā)了一種特殊的準嵌入式閥的PLC控制系統(tǒng)。其硬件包括一個核心和一些外部接口電路。有沒有特殊要求， 在計算能力方面，我們只考慮架構，資源和微控制器的價格。類PLC控制系統(tǒng)的硬件，我們設計采用 Silicon Laboratories的 C8051F02X。5 結論類 PLC是一種嵌入式系統(tǒng)和 PLC，結合 PLC的特點和嵌入式系統(tǒng)的妥協(xié)。本文研究的概念， 體系結構和類 PLC控制系統(tǒng)，然后設計并實現(xiàn)準閥的 PLC控制系統(tǒng)，包括硬件和軟件的開發(fā)步驟。 所設計的控制系統(tǒng)現(xiàn)在測試湖北洪城通用機械股份有限公司 （HBHC），并在該公司的電氣工程師們可以輕松地設計

15、一個閥門控制系統(tǒng)，寫自己的控制算法，控制系統(tǒng)具有個人特色，可以代替在公司，這也證明了準當前 PLC可編程控制器技術的合理性。鳴謝這項工作主要是支持國家自然科學基金中國（批準號： 50675166，50335020）和重大國際合作與交流國家自然科學基金中國項目（批準號： 50620130441）計劃。作者在此感謝他們的貢獻， 也感謝湖北洪城通用機械有限公司支持與合作， 。在這幾個文件工作已申請中國專利和軟件著作權。參考文獻1 XuCheng, “Research on Related Theories and Applicationof EmbeddedSysteminElectro-mecha

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21、機是氣動步進電機的新類型。 離散位移定向旋轉運動是通過連續(xù)加壓電機的三個端口。 脈沖產(chǎn)生的壓力波通過遠程氣動分配的。 電機組件包括一個電機，減速機，在一個緊湊的，中心孔建設和增量位置編碼器。一個特殊的電子驅動器是用來控制電動步，進索引和標準的新電機運動控制卡。電機接受開環(huán)步操作和用傳感器反饋的閉環(huán)控制。 一個特殊的控制功能的實施適應了經(jīng)典控制算法的新電機， 并進行了實驗驗證。 在與之間的分配和氣動軟管長度電機的電機降低的速度性能。 實驗結果被提出來揭示這個問題， 并設置期望的水平。盡管如此，容易控制的步進達不到像其他氣動馬達精確的運動。 電機的設計要與磁共振成像的醫(yī)療設備兼容， 能驅動醫(yī)用圖像

22、引導介入的機器人。 出于這個原因，馬達是完全由非磁性和電介質材料構成，如塑料，陶瓷和橡膠。編碼是用光纖，從而使電機用電自由， 專門使用的壓力和光。 氣動步進電機很容易適用于其他氣動或液壓精密運動應用。關鍵詞：圖像引導介入，磁共振成像（ MRI）的兼容性，醫(yī)療機器人，氣動液壓馬達，步進電機，步進。1 導言氣動執(zhí)行機構是常用的工業(yè)和商業(yè)應用的裝置，其成本低，體積小，高功率重量比，可靠性和低維護。在許多情況下，這些特點使它的電驅動好，特別是當氣源是現(xiàn)成的。 氣動執(zhí)行器的作用主要限制，旋轉或直線， 一直是他們在運動控制精度降低 1 。這主要是由于空氣的可壓縮性和摩擦，在閥和驅動器之間，它使泵行致動器動

23、力系統(tǒng)的高度非線性。新型硬件和氣動伺服控制解決方案已經(jīng)被提出來，并且解決這些問題， 令人印象深刻的成果已達到有效控制和調速。然而，這些復雜的解決方案需要特殊看待，所以大部分的實際應用仍然有限。另外，本文提出了一種新的方案，這在某些應用，可能沒有運用氣動步進電機，伺服的問題。例如，蒸汽機操作的蒸汽壓力，運動可以把每個活塞的行程量化。事實上，一些氣動馬達的設計。例如，英國公司生產(chǎn)的三缸氣動電機系列就配有控制曲軸。曲柄是回轉式空氣分配器， 它將上下的空氣供應給三個汽缸。 最近，該公司增加了編碼接近傳感器的氣缸蓋， 活塞。盡管他們聲稱， 步進電機不會因為它們內部的空氣換向需要連續(xù)電源供電， 從而比直流

24、電動機好。 電機不能接受和保持一個步驟命令。氣動步進電機是四個實驗研究的結果。 我們還報告了液壓步進馬達數(shù)6其他版本。這些版本之一，“諧波電機”有點類似早期氣動馬達，更適用于20世紀 80 年代工業(yè)造紙廠。諧波電機采用流體動力，在共同變形的地方機械波發(fā)生器的諧波傳動彎曲的樣條。另一個版本，我們以前的報道，“行星運動”，是這里的氣動步進電機設計最新的前兆。這一發(fā)展為醫(yī)療應用創(chuàng)建的一個機器人，可以精確地在封閉空間運作，承擔高強度的核磁共振成像（ MRI）設備。這條件下的范圍內進行磁共振成像掃描儀的遠程控制。該系統(tǒng)的診斷和治療潛力非常重要， 因為核磁共振成像是軟組織的首選方法。該圖像提供了操作機器人

25、的路線圖。 例如，要在腫瘤中心插入一根針。今天，活檢程序通常與隨機抽樣方法進行。機器人的使用能減少假陰性采樣率。電機驅動與氣動步進電機機器人已經(jīng)完成，現(xiàn)在正在評估。創(chuàng)建磁共振機器人是一個非常具有挑戰(zhàn)性的工程任務。 磁共振成像掃描儀使用的是非常高密度的磁場， 脈沖磁場和無線電頻率場。 創(chuàng)建被動的核磁共振儀器干涉及與非磁性， 并精心挑選最好的材料。 在使用儀器的情況下， 確保磁共振兼容性是一個更艱巨的任務， 因為，在所涉及的驅動和傳感不應干預成像功能的能量。通常采用電磁馬達的機器人是與原則相抵觸。 在機器人研究領域一致利用超聲波（壓電）電機。這些都是自由的磁性，但仍然存在導電元件和用電創(chuàng)造的圖像失

26、真，如果操作距離小于 0.5 米的圖像中心。 氣動執(zhí)行機構是一個完美的選擇從根本上磁共振兼容性。 已經(jīng)在手持式氣動鉆機類儀器和機器人末端執(zhí)行器設計測試，但還不能精確控制在運動。我們所有的氣動步進電機原型是完全兼容的 MRI（磁共振成像半透明，醫(yī)學上安全，準確），使用的磁性和電介質材料中，采用光纖編碼空氣壓力的議案。在其他應用中， 電機可以增加機械金屬部件的性能和耐用性， 且有可能是實行了較高的轉矩 / 體積比液壓操作。2 電機運動學該氣動步進電機發(fā)明是基于簡單的理論，氣缸內的活塞運動總是準確。這可以通過簡單的加壓氣缸， 比定位更容易在與控制行程中的活塞。步進電機的設計陸續(xù)收集在一個旋轉運動的小

27、端至端的議案。一個步驟是由一結束行程的議案。一個新的運動原則是用于誘導步進電機（齒輪下來）與相同的機制?；倦姍C轉動，但集成減速機可用于各種步長，任旋轉或線性輸出。電機的運動圖如圖 1。電機平面圖（ xy ），原理圖顯示了等軸測視圖的外部零件。電機是由三個膜片氣缸的 D1，D2和 D3 和接地基地。這是徑向同樣會一軸，這是該機制的中心軸間距。 高壓氣瓶是通過其端口， 膜片上的壓力作用。 這是連7接到一個內部齒輪， 通過連接外部鏈接， 。齒輪是支持與連桿三個相等的平行四邊形曲柄機制的 C1，C2 和 C3。曲柄也徑向放置大約在同一中軸線上，同樣間隔之間的隔膜。該基本的曲柄軸承和曲軸軸承接地支持連

28、桿。內部齒輪嚙合中央。運動示意圖 PneuStep 電機。其接地裝置持續(xù)在中軸軸承。對上面介紹的幾個部件，形成一個嚴格的零件 / 裝配，命名為“箍齒輪”。這是內部齒輪， 三連桿。箍齒輪連接到曲柄的 C1，C2 和補體 C3 形成了平行四邊形的機制： C1至 C2的， C2 - C3 的，和 C3 - C1 的。這種支持機制，限制了平移圓（ TC）的軌跡箍齒輪。箍齒輪不旋轉，但它在一個圓形的路徑轉換，在任意一個圓。箍齒輪設在電機的 D1，D2和 D3，這下壓力迫使箍齒輪遠離各自的汽缸。該 3p 的機制確保三曲柄具有相同的旋轉和共同的三個隔膜的議案。曲柄轉動的方向，先后收集加壓橫膈膜 c。因為在一

29、個圓箍齒輪轉換，它的齒輪進來，走出與齒輪的接觸，導致它在相反方向旋轉（ g）賦予電機總成的旋轉輸出。它與呼拉圈玩具的運動相似。在功能上，氣動步進電機機制提供了兩個部分組成：電機和減速機。電機是由氣缸膜片代表 D1至 D3 的，曲柄的 C1 - C3 和箍齒輪。該曲柄旋轉運動產(chǎn)生是由隔膜在中央圓柱齒輪運動， 所以對電機本身輸出的是曲柄。 在同一時間， 曲柄的 C1 - C3 ，箍齒輪，正齒輪和可分別作為傳輸。如果應用到旋轉運動，旋轉時齒輪一一對應。這些組件充當減速機。這種部件的分類表明，曲柄和箍齒輪組件設計中發(fā)揮作用，無論是在雙馬達以及減速機。為此，作為設計的機制功能，其減速機是不可拆分的，這是

30、經(jīng)典齒輪設計的案例。真正起作用的是 3p 的機制的一部分。 一個單平行四邊形機構 （1P）P 機制也就沒有了牽引力控制系統(tǒng) ( 運動 ) 。然而 , 典型的 3P 機制消除 1P 奇異位置的機制。這些發(fā)生在曲柄和連桿是對齊的。 對于一個 3P 機制 , 同時對齊可能永遠不會發(fā)生 ,使它奇異性自由的。步進順序是通過加壓的隔膜控制。方向由下給出的序列，即順序是， - Z 表示的 D1- D2-D3輪作和 + Z 表示的 D1- D3 的- D2 的輪作。電機步長為 120 曲軸旋轉 ?。常見的半步操作步驟給出了一個雙重的尺寸縮小， 同時提高運動性能。 至于電動踏步機，這項措施大大降低了故障的共振問

31、題步進電機負載的動態(tài)系統(tǒng)是眾所周知有經(jīng)驗的速度。半步是通過交替一個D1- D1D2- D2 型 D2D3-D3- D3D1序列。單，雙相位操作。電機曲軸產(chǎn)量六步 / 轉。齒輪傳動比和電機步長：對比賽議案的半徑給出了（圖 2）等于曲柄偏心距e。齒輪軋制條件8PDh - PDg =2e (1)其中的 PDH和 PDG是在外直徑和圓柱齒輪，分別。數(shù)的箍和齒輪（ZG的）齒輪涉及同一齒輪模數(shù)M為該減速機的傳動比可以表示為這表明，傳動比可高達ZG。該減速機降低了電機的步t 倍大小。3 電機設計實現(xiàn)電機的設計與中央兩等距截面如圖 3。這個數(shù)字標識的運動圖，并精確定位的其他構成的組件中的元素。 這個電機使用了

32、一個圓柱狀組織，由一個蓋關閉。隔膜氣缸 D1至 D3的內部建成。 隔膜固定環(huán)和汽缸蓋的線程。 隔膜的正面是連接到箍齒輪墊圈之間的兩個螺絲。 注意，墊圈用于減少摩擦， 允許其在車身裝配齒輪大小。箍齒輪是支持的三個三個相同偏心曲柄形式建造的 C1 - C3 。每個部分包括一個曲柄 （偏心孔與圓柱狀） ，一軸，一套管，四軸承。支持由齒輪，軸承兩側。壓實度，這些軸承環(huán)是建立在外形和蓋部分，聚四氟乙烯球。提出了一個內螺紋齒輪從事螺絲部分， 如果電機需要譯碼輸出。 軸套，軋輥，支持螺旋軸包括： （呈現(xiàn)相反的方向扁臉，三個或四個面可取的，如果空間允許的話）。帶旋轉輸出，中心孔是為驅動傳遞方便，通過負載的軸。

33、在電機的運動學重要的發(fā)現(xiàn)是， 該運動電動機就是運動學的橫膈膜的運動不是直線。因此，中央部分的隔膜描述圓周運動。 這種不尋常的軌跡需要考慮特殊設計和制造的因素， 以防止過早磨損和撕裂隔膜， 保持固定的占空比。 該隔膜橫向位移，直接關系到曲柄，應仔細與其他設計參數(shù)協(xié)調重心。其次，設計也應允許其有足夠的空間，側膜片間隙，以便它可以自由行動而不拉伸和楔入。 我們建議使用了固定的隔膜薄， 其汽缸用尼龍面硫化硅橡膠涂層織物制成。保持外側涂層與側壁減少摩擦。我們也觀察到了隔膜面料織造方向。 橫向的條紋更好， 顯著影響其壽命。 面料是方向是織造伸展在角線方向。 出于這個原因， 面料應選擇具有較高的對角線的延展

34、性，以及隔膜組裝， 以便其延展的方向是橫向位移方向一致。 隔膜剛度創(chuàng)建制動力矩（非加壓所需的旋轉力矩馬達），這是不可取的。對于磁共振兼容性，電動機，構建了表一所列的材料9建造了兩個電機大?。▓D4）70 毫米× 20 毫米× 25 mm外形尺寸，并與八五毫米× 30 毫米× 30mm外直徑較大的一個， 內孔，和寬度分別。 較大的模型前總監(jiān) =三七毫米，深航 = ZG的 2 和 6 毫米 / 轉與四場螺距。電機的步長為3.33 造成?（角）和 0.055 毫米（線性）。電機設計具有的問題是要盡量減少，同時消除齒輪之間的步長齒輪的干擾。小步驟需要與（ 3）幾乎

35、相等的多齒齒輪。這將構成一個在該部位的齒輪。與它不接觸的就不會受到干擾。通常，這是調節(jié)較大的角度，齒廓接觸或修改。后者是其首選的徑向力較低。一個有趣的現(xiàn)象是，在這些條件下，齒輪的“粘性“，這意味著他們可能無法撤出參與了在徑向方向。圖 3 顯示，齒輪的大小如圖 4。兩個馬達原型大小。這其實有兩層含義。首先，大的會進行軸向。更有趣的是，這表明汽車的設計可能沒有 3p 的曲柄機制，但輸出將成為通過橫膈膜的靈活性要求。這是用在我們前面的行星運動，沒有 3P 和扭轉，構成氣動步進電機。4 氣動分配器電機的三個端口連接到一個氣動換向分配器產(chǎn)生的壓力波。實施了兩種類型：機械和電子氣動旋轉式分配器：機器的設計

36、如圖5。提出三個等距 P1 - P3 的 36 徑向端口。壓力P 和 R分別返回耦合通過定子。轉子是安裝在軸承和連接到電動機軸上的位置。轉子構造以產(chǎn)生6 個壓力循環(huán) / 轉。之間的設計提出了轉子和定子漏氣問題。 這可能是解決通過精確制造的部件， 使空氣的差距是最小的。我們構建了后者，因為它是無摩擦，但生產(chǎn)是困難的。出于這個原因，提出了下一步的電子方法的可取性。然而，旋轉分配器是非常直接的使用， 并可能在特殊情況下的簡單實現(xiàn)遠程驅動。遠程驅動是通過簡單地連接電機和分配器的端口。這甚至可能會使用人工輸入。與 1:1 的運行轉換率和扭矩放大電力，自由機制的實施使得泵轉子與電動機曲柄。由旋轉式分配器齒

37、輪驅動機制的 3p 的運動。為了清晰 , 馬達帽 , 正齒輪 , 和幾個軸承已經(jīng)被移除。2）電子分配器：分配器構建了一個氣動電動閥門用三流形上安裝。該閥為常閉，三通，二位直動式電磁閥。激活時，就可以加壓，排氣。一設計了一種特殊的電子驅動馬達控制步進電機新標準和運動控制索引卡片。 新的發(fā)動機。電機定向周期運動中所需順序的六步閥啟動， 由索引器的步驟和方向信號控制。 在圖7 實現(xiàn)了一個 6- B 的它旋轉 registerU2- U3 的（通用移位寄存器）由在時鐘信號的輸入方向邁出的一步。 U1 的邏輯門，然后用它的狀態(tài)轉變?yōu)樗璧牡鞍?D1-D1D2- D2 型 D2D3和 D3- D3D1 序

38、列，它的命令的閥門固態(tài)繼電器 U9- U11 的。10預設的邏輯和方向是實現(xiàn)由單穩(wěn)態(tài)U6 啟動，城門 U4的， U5A，和 U7。觸發(fā)器施密特電路（ U8的， U6 的含稅）降低噪聲對輸入信號的靈敏度。在三種類型的閥門測試， 我們發(fā)現(xiàn)快動閥 NVKF334V，由 SMC公司（麥克馬斯特 61975K7）5D 條是我們的應用程序最好在一個均衡的響應時間 / 空氣流通能力方面。這是一個 24 伏。最大限度的循環(huán) , 但不是額定頻率比閥門額定 50 赫茲實驗裝置 , 這個閥門 , 是非?？煽康?。該閥（ fmax 為 赫茲 ）的最大循環(huán)頻率使電機的速度第一個限制。換用的測序（全步或半步）獨立，是一個閥

39、門，每一次循環(huán)曲柄轉向。因此，最大步進頻率（ Vmax值）和輸出齒輪（ g）的最高速度在我們的原型，這些最大值為 300 步 / 秒， 166.6 轉速旋轉輸出，以及 16.6 毫米 / s 的線性關系。然而，電子分配器是在大多數(shù)應用中更可取，因為它使用現(xiàn)成的組件，更簡單。使用較少的運動部件，不漏步，并優(yōu)于旋轉分配器。電子實現(xiàn)還允許動態(tài)改變相位波重疊的減刑。 這是一個新的研究課題， 優(yōu)化了半步壓力周期的時間， 以達到最大扭矩轉速在連續(xù)高速運動性能。 相較于電動踏步機， 具有時滯和空氣壓縮氣壓處理。 因此，一個動態(tài)氣動機械系統(tǒng)的詳細研究， 可能會導致電機的表現(xiàn)有所改善。5 光學編碼光學編碼，監(jiān)視

40、或控制其電機的運動。為了與磁共振環(huán)境相容性，我們采用光纖編碼，以便所有的電氣元件位置偏遠，保持電機自由運行。為簡單起見，現(xiàn)有齒輪電機的部分也可用于傳統(tǒng)編碼器輪的地方。兩個光纖電路設置，以便齒輪，在其運動，光束產(chǎn)生周期性的中斷他們的正交編碼信號。圖6 顯示了一個節(jié)的B- B 圖特寫鏡頭的看法。根據(jù)這種觀點，已曲柄旋轉（ c= 45?），使纖維完 41，42 成為可見。這些目標的光纖與同軸對準匹配完箍上的齒輪（在第 15 個固定部分）的對面。對蓋兩側的纖維卷曲返回（通孔 26），使光纖連接 27（圖 3）是在電機位于同一側。要獲得正交信號，現(xiàn)已存放在半徑 90 ?除了從曲柄軸其中 RR是在曲軸軸承

41、（圖6）在籃筐齒輪零件半徑。11這方面的一個建設性的簡化的缺點是每圈四編碼器計數(shù)值大于曲柄半步驟6號，這增加了在閉環(huán)控制電機的有效措施降低大小。對完全匹配的六個步驟 , 實現(xiàn)了一種基于三個標志點電機車輪裝在代碼的曲柄和使用同樣位于光纖。 這又增加了一個簡單的部分 , 但提高了性能。兩端的纖維被連接到兩個 D10專家光纖傳感器的旗幟的工程技術公司 , 每個光纖電路。這些傳感器的數(shù)字量輸出連接到 A 和 B 編碼器的運動控制卡的渠道。6 開環(huán)運動試驗電機的輸出軸是連接到一個動態(tài)扭矩測量立場。電機是連接1 / 8的總代理=3.175 mm內徑軟管。實驗是在各種壓力和長度都和軟管分配器。在圖8 描述與

42、各種壓力等級， 用 3 米長的軟管與速度的旋轉式分配器輸出扭矩曲線圖。這些圖表顯示出扭矩能力與速度的嚴重惡化。 該低通濾波器的作用是給予的動態(tài)和被壓縮的空氣脈沖通過快線， 阻尼壓力波。這是顯著影響的軟管， 應盡可能減少長度。另外，空氣閥可以試行使用，或其他方式圖 9。電機與（ a）與回轉泵軟管長度失速速度（ b）提供電子泵和 7 米軟管的壓力。用盡單獨的電路上的空氣無法實施。目前的解決方案被選定為它的簡單和的MRI環(huán)境的限制。每個組合的壓力：軟管長度：泵提出了一個特征速度高于該電機檔位，當膜片上的壓力作用下有效的馬達內部摩擦水平下降。圖9 （a）顯示了對與旋轉失速速度分配器軟管長度的依賴。電機

43、的功率也是這些參數(shù)的功能，性能指標達到了37瓦特開環(huán)運動試驗，以確定加強準確性。這些表明無漂移和定位錯誤，因為任何步進電機。步長的誤差 99區(qū)間為± 0.84 的角步（ 3.333 ?）。與分配器進行電子控制閥實驗顯示增加的速度扭矩性能。圖 9（ b）顯示了 7 米的軟管電機失速速度。這種提高可能被解釋為更快的閥門打開時間， 這是加強讓更多的空氣波傳播時間與頻率無關。7 閉回路控制與試驗在上述所提到的氣動步進電機電機轉速扭矩行為要求在貫徹落實電機，當閉環(huán)控制操作所需的特別重視。 就像任何一個步進電機， 當氣動步進電機過載， 并跳過步驟。盡管運動的轉矩下降時恢復， 失去的步驟不可能恢復

44、， 除非編碼器使用。內置的光學編碼器可被用來作為開環(huán)控制編碼器， 或提供閉環(huán)反饋。 在這兩種情況下，與氣動步進電機電機， 增加扭矩是通過降低速度。 這種過程需要在控制器執(zhí)行。12通用步進運動控制使用與各種前饋條件和飽和度的 PID 算法，來計算步進頻率和方向上的編碼器反饋的基礎。 當磨蹭，這些命令更高步進電機頻率趕上所需的運動。對于氣動步進電機這是不合適的， 因為頻率增加導致扭矩下降。 為了克服這個問題，我們推出了特殊的頻率飽和函數(shù)其中飽和度 S是有限的 smin ，smax區(qū)間設置低于電機失速速度 圖 9（ b） ，系數(shù) kmin 和 kmax的實驗設置， · vmin ，的Vma

45、x是一個錯誤的過渡區(qū)間其中 vd,va, 和 v是理想數(shù)據(jù)，實際上，在編碼器的速度和錯誤的空間，分別為。在齒輪編碼器情況下 6 / 4 轉換因子是用于編碼器和電機之間的步驟。隨著三關口代碼輪，這是 6 /12 。在正常操作中，保持了飽和函數(shù)下面smax命令的頻率。當顯著的速度檢測到錯誤（°V 型>的Vmax），飽和度正逐步降低獲得扭矩。當情況已經(jīng)克服（°V 型<vmin ），飽和度是逐步恢復。算法應該被調整到只激活轉矩超載時的情況。 類似的飽和功能適用于任何類型的選擇主要控制其行為以適應新的發(fā)動機的特殊性。 測試是一個偏心重錘連接到電機軸和衡量一個額外的編碼器與

46、軸（）旋轉。電機是勻速完成從最低位置的偏移重心（ =0?）（ 125?/ s ）的啟動和停下來休息的常加速度（125?/ S2 ）的完全旋轉。在圖圖。10個地塊中的軸與五個實驗時的情況。對于低扭矩值， 開環(huán)，定期和修改 PID 控制具有相同的性能（圖一）。在較高的扭矩， PID 控制器不能完成整個旋轉周期 （圖B），但修改后的 PID 控制（圖 C）恢復并完成降低的速度和增加扭矩的怪圈。步驟錯誤也進行測試與修改后的 PID 控制。正如預期的那樣，這些都與開環(huán)實驗類似的結果。步長的 99置信區(qū)間為 5?±0.028 和（四數(shù)編碼器使用）。8 磁共振兼容的機器人應用氣動步進電機被用來驅動

47、馬達的第一個完全兼容的 MRI機器人。此前有報道MRI檢查機器人有限的兼容性，主要是由于其壓電驅動。這個機器人是專為磁共振直接指導下進行了會陰前列腺穿刺訪問。 它的第一個應用是腔內。該機器人的位置旁邊的桌子上病人的 MRI，如圖所示。 11 。 氣動步進電機性能匹配的低速臨床應用“（ <20 毫米 / 秒），高準確度”（ <0.5 毫米）的要求，最重要的是安全。步進比伺服氣動驅動更安全，因為在故障情況下13它可能只移位。打破氣動步進電機軟管，例如，可能不放松的機制，可能危害病人。使用與非金屬材料建成一個高比例減速機高速氣動電機方案可能工作的 MRI 機器人應用。然而，精密伺服氣動控

48、制長軟管和非金屬部件的自定義仍然是具有挑戰(zhàn)性的建設。因此，我們選擇新創(chuàng)建的電機，更適合用于其方便性，可靠性和安全性的應用。該機器人控制從一個到7 米的空中和光纖進行遠程軟管位于內閣。該機器人是完全無磁性和電介質。 熱像儀進行兼容性測試表明， 該機器人在 MRI和不干預的成像功能，在運動或靜止。事實上，機器人是多成像儀兼容，因為它與所有的醫(yī)學影像設備（ MRI檢查給出了最嚴格的約束）其他類型兼容。運動測試表明，機器人的重復定位平均值與一個0.035 毫米標準偏差， 這是一個 “塑料” 機器人令人印象深刻的0.076 毫米。該氣動步進電機電機也是在7 - T 的測試，核磁共振成像掃描儀（典型掃描儀

49、上升到3 噸），也沒有問題，在運作上遇到的問題。目前正在進行動物實驗。9 討論新發(fā)動機的主要優(yōu)點是它在精確運動控制簡便。 這是通過使用步進電機的原理。像電動馬達，步進是指揮的脈沖（在氣動步進電機情況下氣壓）。壓力等級比例的模擬控制并不是必需的。電機采用相同的步驟，如果用 10 或 100 psi 的壓力。速度和扭矩會有所不同（如圖所示的。例如圖 8），但步驟都是相同的，壓力（在一定限度內）無關。電機的機械性能允許其在驅動圖像引導介入機器人和其他非醫(yī)療低速高精度應用。提高性能，預計會出現(xiàn)與動態(tài)優(yōu)化設計，但主要限速因子，這是空氣波脈沖，在概念上綁定到這個運動。 對于較長距離的信號放大器也可以考慮，

50、 但氣動步進電機通常適用于短線。液壓馬達驅動，是更高的扭矩適用，但不得雇用破譯了低通濾波器的長軟管的問題。即使不可壓縮，對脈沖液體量較高的質量收率較高的動態(tài)效果，空化，和氣泡。雖然電動步進電機運動控制不能很好的適應伺服系統(tǒng)，步進電機仍然有幾個簡單的優(yōu)點。對于氣動，而且，伺服驅動仍存在重大的挑戰(zhàn)與響應時間，誤差和不穩(wěn)定。不像伺服系統(tǒng)，氣動控制步進可以輕松實現(xiàn)精確的運動。此外，在某些應用中很重要的是步進的故障安全行為，防止電機無意中失調。 共振是從來沒有在實驗中發(fā)現(xiàn)，但合理的懷疑，它可能發(fā)生在特定的速度慣性負載，即使在開環(huán)。由于電動馬達，使用了一半一步的技術幾乎完全避免了共振的。14如同步進電機，

51、氣動步進電機的缺點是離散的定位，但集成減速機的交易速度允許步長的大小代替。切換到微控制（比例加壓橫膈膜）可為更好定點監(jiān)管。再次，氣動步進電機可能只會一定階級的應用。10 結論本文提出了一種新的電機， 填補了步進電機的設計引入了簡單和精確的低速氣動驅動的差距。其新穎性，是在運動的原則，這涉及到多功能 3p 的機制。特別分配器，電子驅動器， 光學編碼， 并介紹了簡單的控制的修改是在運動中設置新的發(fā)動機。電機的旋轉是直接關系到輸入脈沖數(shù)，其速度是關系到脈沖的頻率。電機持有其未經(jīng)離合器或制動器援助負荷下的位置。這是合理的假設如下電機開環(huán)數(shù)字命令，如果電機負載的大小，以相應。閉環(huán)控制，使步進更強大的裝載

52、不確定性， 以及使用無損失的可靠性低的大小電機允許。電機沒有普遍適用的。然而，在它的局限性，電機可以輕松地執(zhí)行準確，安全，不像其他類型的氣動驅動。 氣動步進電機是第一個氣動步進和第一個完全磁共振兼容電機。聲明內容純屬作者的責任，并不一定代表美國國立衛(wèi)生研究院，國家癌癥研究所的官方觀點。參考文獻1 H. S. Choi, C. S. Han, K. Y. Lee, and S. H. Lee,“Development ofhybrid robot for construction works with pneumatic actuator,” Autom.Construc., vol. 14, pp. 452459, 2005.2T. Hagglund,“A frictioncompensator forpneumatic controlvalves, ”J. Process Control, vol. 12, pp. 897904, 2002.3D.BendovandS.E.Sal cudean, “Aforce -controlledpneumaticactuator,”