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摘 要随着数字控制和数字通信技术的发展，光电控制器，传感器越来越广泛的应用于科技，教育，国防，环保等领域。特别是近年来随着纳米技术，计算机控制技术和光机电一体化技术的突飞猛进，带动了光电控制领域的进步。可以说，光电控制已经成为国民经济中不可或缺的前沿科技。本文从光电控制技术出发，详细阐述了系统的结构特点和物理原理，较为深入的探究了相关领域的实际应用，并对该行业在未来能源和环保领域的发展做出了展望。相信随着技术的进步，光电控制必将以其低碳节能，高效运转，易于控制的优点更好的服务人民，造福社会。关键词：光电控制 位置检测 电机驱动 可编程控制器 光电传感器 ABSTRACTWith the digital control and digital communication technology, optical controllers, sensors more and more widely used in science and technology, education, defense, environmental protection and other fields. Especially in recent years with the nano-technology, computer control technology and electromechanical integration and technology, promote progress in the field of photoelectric control. It can be said optical control has become a cutting-edge technology essential to the national economy. This optical control technology from the start, detailed structural features of the system, the physical principle, teamwork and practical application. Believe that as technology advances, photoelectric control is bound to its low-carbon energy, high efficiency operation, the advantages of easy control and better serve the people, for the benefit of the community. Keywords: photoelectric control position detection motor drive PLC photoelectric sensor目录 ii目 录第一章 光电控制系统的组成1 1.1 光电控制系统概况1 1.2 光电控制系统结构4 1.3 光电控制系统功能7第二章 光电控制传感器9 2.1 物体检测传感器9 2.2 位置检测传感器10 2.3 位移传感器11 2.4 光电编码器的工作原理12第三章 光电控制器与驱动机构15 3.1 可编程控制器（PLC）16 3.2 电机光电控制系统16 3.2.1 电机驱动器18 3.2.2 直流电机PWM调速19 3.2.3 硬件实现PWM的方法19 3.3 控制器与传感器系统组成21第四章 西门子光电控制系统概述23 4.1 西门子光电传感器23 4.1.1光电传感器SIMATIC PXO100 M18S23 4.1.2.光电传感器SIMATIC PXO200 C4024 4.2 西门子逻辑控制器24 4.2.1. SIMATIC S7-200 CN系列25 4.2.2. SIMATIC S7-300 CN系列26第五章 太阳光电跟踪控制系统应用27 5.1 太阳光电跟踪控制系统组成27 5.1.1 视日运动轨迹跟踪28 5.1.2光电跟踪28 5.1.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合29 5.2 太阳跟踪控制系统的传感器30 5.2.1.跟踪控制系统部件选择30 5.2.2.传感器原理与跟踪可行性分析31 5.2.3 太阳跟踪系统配置与设计33第六章 总结37致谢39参考文献41第一章 光电控制系统的组成13第一章 光电控制系统的组成7第一章 光电控制系统的组成进入21世纪以来，光电控制技术正在迅速取代常规电气控制技术，从而在动控制、工程监控系统等领域得到广泛的应用。光电传感器由于具有相应速度快，无接触，低耗能，体积小，安装简便等优点而被广泛用于自动化系统；可编程控制器由于编程方便，适应性强，抗干扰，可进行网络通信等，已经奠定了在控制系统应用中的主导地位，随着控制技术的发展和更新，了解和掌握光电控制技术与系统的原理，结构和应用是非常必要的。1.1 光电控制系统概况在光电生产和工程应用过程中，常对产品、部件或对象进行检测与控制。检测与控制的条件通常可以是产品的处理装置、部件运动的速度或对象的位移，有时也可能是对象的形状和特征等。例如，瓶装生产线的饮料加注控制。通常是根据饮料瓶的位置是否对准加注管口来进行控制的。在高速公路的监控工程中，常对车辆的速度、高度和重量进行监控。无论选择哪些变量进行监控。都可以采用光电控制系统来实现。由于光电传感器具有体积小，容易安装且测量精确度高，速度快和无接触的特点，可编程控制器具有数字控制与通信和抗干扰能力强的优点，使得光电控制技术被越来越广泛地应用。光电控制技术已经在航空航天工程、能源工程、机器人系统、生产流水线、制造过程、交通车辆控制、工程测量系统、安全监控系统中得到了广泛的应用。 光电控制系统的发展依赖于光电测试技术的发展和广泛应用。光电测试技术的反战与新型光源、新型光电器件、微电子技术、计算机技术的发展密不可分。自从1960年第一台红宝石激光器与氦-氖激光器问世以来，由于激光光源的单色性、方向性、相干性和稳定性极好，人们在很短时间内就研制出各种激光干涉仪、激光测距仪、激光准直仪、激光跟踪仪、激光雷达等，大大推动了光电测试技术的发展。自从1970年在贝尔实验室研制出第一个固体摄像器件（CCD）问世以来，由于CCD的小巧，坚固，低功耗，失真小，工作电压低，重量轻，抗震性好，动态范围大和光谱范围宽等特点，使视觉检测进入一个新的阶段，它不仅可以完成人的视觉触及区域的图像测量，而且使人眼无法涉及的红外波段和紫外波段的图像测量也变成了现实，从而把光学测量的主观性（靠人眼瞄准与测量）发展成为客观的光电图像测量。光导纤维从20世纪60年代问世以来，在传递图像和检测技术方面又发展出一个新的天地，光纤通信已经风靡全球，而光纤传感几乎可以测量各种物理量，尤其在一些强电磁干扰，危及人的生命安全的场合可以安全地工作，并且具有高精度、高速度、非接触测量等特点。可以说一个新的光源，一个新的光电器件的发明都大大推动了科学技术的发展。近几十年来，工程领域的加工精度已达到0.1um或0.01um的水平，它对测量技术提出了更高的要求，迫切需要开拓新的手段，因此先后出现了各种纳米测量显微镜，如1982年隧道显微镜问世，它用测量电荷密度的方法测量分子和原子级的微小尺寸，但它只能用于测量导体表面。1986年原子力显微镜研制成功，它用测量触针与被测物体之间的原子力和离子力的方法来测量微小尺寸，因此它可用于导体和非导体的测量，但它的缺点是针尖与样品接触容易使样品表面划伤。根据原子力显微镜的思路，利用被测表面的不同物理性质对受迫振动悬臂梁的影响，通过测量其共振频率的变化测量被测表面，相继开发出激光力显微镜、静电力显微镜等。这些仪器都可以达到纳米甚至亚纳米级的分辨力。它们的分辨力大都是用驱动探针的压电陶瓷的电压与位移关系得到的，但是压电陶瓷的滞后特性和蠕变使其测量结果并不可信。为了准确测出这些纳米尺度测量显微镜的精度，还必须溯源到光的波长上，因此迫切需要研制精度达到纳米甚至亚纳米级的干涉仪来实现纳米尺度的测量和标定，因而又相继出现了精度可达到0.1nm的激光外差干涉仪和精度可达到0.01nm的X光干涉仪。在纳米和亚纳米级的光电测量系统中，为保证系统的稳定可靠，对环境的要求是很高的，如环境温度不稳定、振动、光源波动的影响等，都会使纳米尺度的测量精度荡然无存。因此系统中机械传动或光学调节往往需要闭环控制，而机械支撑使用无间隙、无摩擦的柔性铰链是一个很好的办法。微电子技术的问世，不仅使计算机技术突飞猛进，也使光电测量技术有了更为广阔的应用空间。当前人们在生物、医学、航天、灵巧武器、数字通信等许多领域越来越多地要求微系统，因此微机电系统成为当前研究的一个热点。而微机电系统要求有微型测量装置，这样，微型光、机、电测试系统也就毫无疑问地成为了重要研究方向。科学技术的进步推动了光电测试技术的发展，而新型光电测试系统的出现无疑又给科学技术的发展注入了新鲜血液。因此，光电测试技术的发展趋势是：发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。发展小型的、快速的微型光、机、电测试系统。非接触、快速在线测量，以满足快速增长的商品经济的需要。向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。发展闭环控制的光电测试系统，实现光电测量与光电控制一体化。向人们无法触及的领域发展。发展光电跟踪和光电扫描技术，如远距离的遥控、测试技术，激光制导，飞行物自动跟踪，复杂形体自动扫描测量等。光电测试技术将光学技术与电子技术相结合，实现对各种量的测量，它具有如下特点：1、高精度光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。例如，用激光干涉法测量长度的精度可达0.05um/m；光栅莫尔法条纹法测角可达到0.04；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。2、高速度光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，因而用光学的方法获取和传递信息的速度是最快的。3、远距离与大量程光是最便于远距离传播的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。4、非接触测量到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。5、寿命长在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做的好，可以永久地使用。6、强信息处理能力光电测试技术具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化等。光电测试技术是现代科学，国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是机、光、电、计算机相结合的新技术，是最具有潜力的信息技术之一。光电控制技术依赖于数字控制和数字通信技术的发展而发展。可编程逻辑控制器的大量应用，嵌入式仪表数字控制器和计算机网络服务器的广泛应用，使控制器和控制系统能够处理复杂光电脉冲和数字信号，现场总线控制网络的数字通信技术，进一步实现了光电检测脉冲和大批量数字信号的传输。现场总线是应用在工业和工程现场，在嵌入式测量仪表与控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的网络系统。现场总线控制系统是具有开放链接和多点数字传输能力的底层控制网络。近几年来，它迅速在制造工业、流程工业、交通工程、建筑工程和民用与环境工程方面的自动化系统中实现了成功应用，并向更广阔的应用范围发展。现场总线技术把微控制器和通信控制器嵌入传统的测量控制仪表，这些仪表传感器可在本地进行传感器信号处理，而执行器有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线作为串行数据通信总线，把每个测量控制传感器、执行器、PLC和上级计算机连接成的网络系统，构成全分布式的网络控制系统。按现场总线通信协议，位于工业或工程现场的每个嵌入式传感器、测量仪表、控制设备、专用数据存储设备和远程监控计算机都通过一条现场总线在任意单元之间进行数据传输与信息交换，按实际应用需要实现不同地点、不同回路的自动控制系统。现场总线把单个分散的测量控制设备变成网络节点，由一条总线连接成可以相互交换信息，共同完成控制、优化和管理任务的控管一体化系统。现场总线使自动控制系统的结构大大简化，分散化的设备都具有通信能力和控制信息处理能力，提高了控制系统的可靠性和整体性能水平。因此，光电数字控制网络系统具有非接触精确测量，快速控制响应，高可靠性，高度集成，分散控制，信息处理能力强等优点，正在大量替代传统机械传感器和控制技术，随着社会经济发展和生产技术水平的提高而得到广泛的应用。1.2 光电控制系统结构光电控制系统是集测控对象、光电传感器检测、数字控制器、通信系统和控制执行（驱动）机构于一体的综合测控系统，基本结构如图1-1所示。 图1-1 光电控制系统基本结构图光电开关是一种位置检测装置，通常分为发射器和接收器两部分。工作状态下，发射器发出调制光，受到待检测物体的发射或阻断时，会造成接收器入射光强度的变化，从而引起输入电流的变化，经信号处理改变输出开关状态即可达到检测目的。光电开关属于无接触式位置传感器，其输入和输出之间没有电磁联系。相对于接触式测量，光电开关具有抗电磁干扰能力强和寿命长的优点。按照封装方式，光电开关可以分为自包含式、光纤式、远距离式；按扫描方式，光电开关可分为对射式、漫反射式、镜反射式、槽式、光纤式和远距式。光电开关早期主要在工业自动化中用于检测物体是否存在，近年来应用范围扩大到物位检测、液位控制、宽度判别、孔洞识别、安全警戒、远程供电、信息传递等。先进制造技术的广泛应用对光电开关的性能提出了新的要求，主要是检测距离远，精度高，抗干扰能力强且成本低。1、光源光电开关最早使用白炽灯作为光源，后采用LED。LED为非相干性光源，照射到1020m处时，光斑直径大到20cm以上，能量已经非常分散，故现在倾向于采用激光作为光源。激光的能量非常集中，投射到500m外，光斑直径只有100mm。使用激光作为光源的开关除了具有一般光电开关的功能外，还有以下特点。（1）检测距离可达数千米。可实现高精度定位控制和高速运动微小目标的检测。有多种波长的激光可以使用，适应不同的工作要求。当前使用的激光二极管体积、阈值电流和工作电流越来越小，已经进入实际应用阶段。国外的西门子，欧姆龙等公司已有成熟的系列产品。（2）集成度目前，光电开关倾向于采用专用集成电路（ASIC）以提高集成度。采用ASIC的光电开关反应速度快，可达到10kHz，抗冲击和振动能力强，符合EMC标准，并能满足小型化，低成本和规模化生产的要求。但光电开关的维护，参数设置仍然需要手动进行，一旦更换，还要重新手动设置、校准。因而光电开关通常安装在易于操作的位置，但却不是最佳位置，且安装空间不能太小，这就制约了机器结构、外形、体积的最优化设计。现场总线（Field bus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要用来解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备和高级控制系统之间的信息传递问题，代表了工业控制中信息传递和交换的趋势。现场总线的发展要求光电开关能够远程非手动控制，传统光电开关无法满足这一要求。传统光电开关不能直接应用于现场总线，必须通过AS-I等接口或者I/O模块等接入现场总线。控制系统只能单纯地了解光电开关的状态信息，不能对光电开关进行参数配置、故障诊断等。如果光电开关改进成全电子器件，就可通过一个HUB直接应用于现场总线，如图1-2所示，与控制系统双向通信，并通过远程控制室实现观察与联系，可以操作交换数据、设置参数等，从而使光电开关的安装、调试、运行和维护更利于进行。 图1-2 接入总线的传感器 1.3 光电控制系统功能如图1-3所示，是一台自动堆垛机光电系统，利用它向有许多格子的货架堆放物品。光电开关的作用是，当格子为空时，光路不会被物体阻碍，接收器接收不到物体反射的光信号，自动堆垛机向格子内堆放物品。如果接收器收到物体反射的光信号，则堆垛机停止向货架格子堆放物品。然而实际使用中存在两个问题： （1）格子为空时，光电开关却认为格子中有物品（2）当自动堆垛机需要处理形状，体积差异很大的物品时，每一次都要对光电开关进行参数的手工修改校准，浪费时间。 图1-3 自动堆垛机光电系统研究发现，建造货架时不同的供货商会提供不同的货架材料，如电镀刚或其他类型的金属。光可能以不同的角度漫反射，导致光电开关错误的工作。针对这个问题，可以用信息型光电开关的可调背景遮蔽功能替代原有产品，所有检测范围外的高反射率金属器件都被电子屏蔽，这样就消除了可能导致误操作的因素。同时，若检测物体体积和尺寸发生变化，可在线配置参数和调准，减少了机器的停工时间，从而有效解决了这个问题。信息型光电开关还可用于晶片清洗，无需将清洗液晾干后再进行调节，因而节省了大量的时间和资源。第二章 光电控制传感器13第二章 光电控制传感器光电控制传感器采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的光变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换为电信号。光点检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且外界对它的干扰非常小。控制系统可选用对射式光电传感器、镜面反射型光电传感器作为通道进入检测传感器。2.1 物体检测传感器光电传感器的选择除了要考虑检测对象的性质之外，还要考虑传感器的安装位置与被检测产品之间的关系。例如，安装在生产线一侧的光电传感器可以考虑对射型的或镜面反射型的；若光电传感器从生产线上方安装而生产线不能透光，考虑采用产品反射型的光电传感器；如果光电传感器不处于检测产品的位置，而是用于产品加工或处理参数，如产品尺寸，可考虑采用位移、测距、速度或者透光型尺寸测量传感器。如图2-1，对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器。发射器发射的光束来源于发光二极管。接收器由光学器件、光敏元件、处理电路等组成。 图2-1 对射式光电开关发射器发出的光束经光路进入接收器。当光路中没有障碍物时，接收器的光敏元件（如广电三极管）能够接收到光，光敏元件处于导通状态，经后面的处理电路处理，输出一种状态（如继电器节点闭合）。当光路中有障碍物时，在障碍物的尺寸大于接收器的直径时，接收器的光敏元件不能够接收到光，光敏元件处于截止状态，经过后面的处理电路处理，输出另一种状态（如继电器节点断开）。发射器发出的光是经过调制的，经过调制的LED发射器发射一定频率的红外光，接收器的放大器只对该频率的信号响应，这样就有效地排除了背景光等干扰因素。 2.2 位置检测传感器运动的限位可以通过光电接近开关和霍尔开关来控制，通过它们保证物体移动到位后自动停止。如图2-2，漫反射型光电接近开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器。当漫反射型光电开关传感器发射光速时，使目标产生漫反射。当在有效距离范围内有被检测物体时，发射器发射的足够量的光线被反射到接收器，传输器输出一种状态（如继电器节点断开）；当在有效距离范围内没有被检测物体时，没有光线漫反射到接收器，传感器则输出另一种状态（如继电器节点闭合）。 图2-2 漫反射型光电开关2.3 位移传感器光电位移传感器是一种测量传感器，它利用各种元件检测对象的物理变化量，通过将该变化量换算成为距离来测量从传感器到对象的距离位移。根据使用元件的不同，分为光学式位移传感器，线性接近传感器和超声波位移传感器等。如图2-3所示，光电位移传感器使用2比例光电二极管的检测方式。2比例光电二极管的接近外壳一端称为N侧，另一端成为F侧。在检测物体存在于已设定距离位置的情况下，反射光将N侧和F侧的中间点成像，两侧的二极管将受到同等的光量。此外，相对于设定距离，在检测物体存在于靠近传感器的位置的情况下，反射光将在N侧成像。相反地，相对于设定距离，在检测物体存在于较远位置的情况下，反射光将在F侧成像。传感器可以通过计算N侧与F侧之间的受光量差来判断检测物体的位置。 图2-3 光电位移传感器原理传感器的受光元件使用2比例光电二极管或位置检测元件，通过检测物体反射的投光光束将在受光元件上成像。这一成像位置以根据检测物体距离不同而差异的三角测距原理为检测原理。2.4 光电编码器的工作原理光电编码器也称光电轴角编码器，又称光电角位置传感器，是集光-机-电为一体的数字测角装置。它主要是以高精度计量光栅为检测元件，通过光电转换，将轴的机械角位移信息转换成相应的数字代码，用它可以实现角位移，角速度，角加速度及其他物理量的精确测量，输出信号与计算机相连接，不仅能够实现数字测量与数字控制，而且与其他同类用途的传感器相比，具有精度高，测量范围广，使用可靠，易于维护等优点。因此它已经普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥、机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域，是自动化设备理想的角度传感器。按照代码的输出形式可以分为两种，即绝对式光电轴角编码器和增量式光电轴角编码器。旋转式编码器是将旋转的机械位移量转换为电气信号，对该信号进行处理后检测位置速度等的传感器。检测直线机械位移量的传感器成为线性编码器。如图2-4所示。 图2-4 光电编码器构造码盘是光电编码器的核心部分，例如一个9位格雷码码盘，圆盘上分布着9道同心圆环，每一个圆环成为一个码道，码道越多分辨率也就越高。码道分别由不透光的和透光部分组成。光源发出的光经过透镜聚焦后，透过码盘中的透光部分和狭缝照射到光敏元件上，于是就产生了一个电信号。码盘所处的空间位置不同，各码道对应的光敏元件输出信号的组成形式也就不一样。光电编码器输出的信号经过放大整形后，送至计算机内进行处理。码盘的编码形式常使用格雷码，这是因为格雷码中每相邻两个数码中只有一位发生变化，因此由于制造安装不准引起的误差最大只是最低位的一个数。但是由于格雷码是一种无权码，在参加运算时，必须将其变换为二进制码。格雷码变换为二进制码的关系式为： C1=R1 Ci=RiCi-1在上式中，Ci表示二进制码的第i位，Ri表示格雷码的第i位。 旋转式编码器根据轴的旋转变位量进行输出，通过联合器与轴结合，能直接检测旋转位移量。旋转式编码器启动时无需原点复位。仅在绝对型的情况下，将旋转角度作为绝对数值进行并行输出。可对旋转方向进行检测，增量型可通过A相和B相的输出时间，绝对型可通过代码的增减来掌握旋转方向。可根据丰富的分辨率和输出型号、精度要求、成本要求和连接电路选择合适的传感器。第三章 光电控制传感器与驱动机构21第三章 光电控制器与驱动机构3.1 可编程控制器（PLC）可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称可编程控制器，英文缩写为PLC，是以嵌入式微处理器为核心，具有数字逻辑或模拟输入/输出模块，专为适应工业和工程复杂环境而设计的数字控制装置。经过长期的实际应用，它已经成为技术通用和标准化的控制器，是综合了微计算机技术、自动化技术和网络通信技术的新一代工业产品。它采用了专门设计的模块化硬件结构，其控制功能通过执行程序来完成，具有高可靠性和高耐用性，是各种工业控制中最普遍使用的工具，在工业自动化和民用环境工程领域得到了广泛的使用。随着可编程控制器的发展，它不仅能完成编辑、逻辑控制和数字通信，而且能实现模拟量与数字量的相互转换。它不但具有存储所编程序的存储器，并在其内部对数据进行存储并执行逻辑运算、程序控制、定时、计数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的输入/输出来控制各种类型的机械设备和生产过程，还具有液晶显示功能，可通过触摸屏实现人机对话，设定控制系统的参数和状态。可编程控制器之所以具有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的需求，即可编程控制器特有的编程语言-梯形图，人们在使用它进行编程时，可以直接应用继电器逻辑电路的设计，而不必进行计算机方面的专门培训。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力。在实际应用时，可编程控制器系统硬件可根据实际需要选择不同的模块配置，其软件根据控制要求进行编制，因此可编程控制器可以在恶劣环境下完成各种各样复杂程度不同的工业生产实时控制任务，以及工程现场的数据采集处理和通信任务。 可编程控制器的工作原理是采用程序扫描技术来实现逻辑控制功能。所谓扫描，就是依次对各种规定的操作项目全部进行访问和处理。PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要执行，但是一个CPU每一个时刻只能执行一个操作而不能同时执行多个操作，因此CPU将按照程序的顺序依次执行各个操作。这种方式称为扫描工作方式。由于扫描是周而复始无限循环的，每扫描一个循环所用的时间称为扫描周期。顺序扫描的工作方式是PLC的基本工作方式，它简单直观，方便用户程序设计，为PLC的可靠运行提供了有利保证。3.2 电机光电控制系统3.2.1 电机驱动器直流伺服电机是系统的关键部件之一，直流伺服电机有永磁式和电磁式两种结构形式。随着磁性材料的发展，利用稀土材料制作的永磁式直流伺服电机的性能超过了电磁式伺服电机，目前被广泛应用于机床电力进给驱动、工业机器人、计算机外围设备及高精度伺服系统中。他励直流电机的控制基础是建立在直流电机的机械特性之上的。所谓机械特性，就是在电枢电压，励磁电流，电枢回路电阻都为常数时，电机产生的电磁转矩和转速之间的函数关系。机械特性是电机运行机械性能的具体表现，反应系统的静态和动态运行效能的具体表现，反映系统的静态和动态运行性能。永磁直流电机驱动装置的等效结构图如图3-1所示。 图3-1 永磁直流伺服电机驱动装置的等效结构图在直流电机的电枢绕组上加上直流电压，绕组就会有电流通过，电机的转子就产生电磁转矩。电磁转矩的大小为： Tm=KtIa式中Tm为电机转矩（Nm）Kt为转矩系数（Nm/A）Ia为电枢电流（A）当电机旋转后，转子导体在磁场中切割磁力线，产生感应电动势，大小为：Eg=Ken式中Eg为电动势（V），Ke为电动势常数（Vmin/rWb），为励磁磁通（Wb），n为转子旋转速度（r/min）。由图8可知，直流电机的电压平衡方程式为： Ua-Eg=RaIa其中，Ua为电枢电压（V），Ra为电枢回路总电阻（）。由电压平衡方程式和感应电动势公式，可以求出直流电机的转速特性方程式： N=(Ua-RaIa)/Ke有些机械装置要求工作转速可以变化，例如，刨床进刀刨削时要求速度有快有慢，这就要求电机能够调速，自动或者人为地改变电机的转速，满足工作机械变速的要求。调速的基本要求为1、调速范围。通常以最大转速Nmax对最小转速Nmin的比值来表示，称为调速比。2、调速的平滑性。在调速范围内，能在任意转速下稳定的运行，则成为无极调速，反之则称为有极调速。3、经济性。包括设备投资和运行费用的高低，调速方法是否简单，运行是否可靠。通过图8及上面所推出的公式可知，直流电机调速的方法有以下三种：1、改变电枢电压调速。保持磁通量不变，改变电机的电枢电压Ua，该调速方法可以实现额定转速以下大范围的平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。2、弱磁调速。保持电枢电压不变，改变励磁磁通量。弱磁调速对普通电机的调速范围很小，不能超过两倍，一般只在额定转速以上调速时才采用此方案，并且往往与调压调速方法配合使用。3、改变电枢回路中的附加电阻。对于普通系统的电机，可在电枢回路串电阻调速，理想空载转速不变，特性曲线斜率增加，电枢电阻越大，特性越软，因此不能实现平滑调速，而且调速过程中能量损耗特别大。3.2.2 直流电机PWM调速改变电枢电压调速时直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法。为了获得可调的直流电压，利用电力电子元件的可控性及脉宽调制技术，将整流后的恒压直流电源，转换成幅值不变，频率不变，但是脉冲宽度（即持续时间）可调的高频矩形波，给伺服电机的电枢回路供电，实现直流电机电枢电压的平滑调速，构成直流脉宽调速系统。通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的平均电压，达到电机调速的目的。PWM调速系统的特点如下：开关频率高其频率可达2kHz，比机械部件固有频率高很多，可以避开机械部分的共振点，不至于引起共振造成系统损坏。1、纹波系数低电流的有效值与平均值之比很低，一般为1.0051.01，几乎接近于1.电枢回路的电抗就足以将脉冲滤平，接近于纯直流。这样，以电流有效值计算的电机的发热量就很小。2、频带较宽系统能够相应的频率范围比较宽，因此系统的动态特性很好，有良好的线性，尤其是接近于零点时线性度好。3、可在高峰值电流下工作晶体管可以承受比较大的峰值电流，但必须限制在额定电流的两倍以内，这样可以保护永磁电机不至于退磁，减少电机的发热量，提高电刷寿命。3.2.3 硬件实现PWM的方法 直流电机工作所需的电流，电压较大，且转动方向的改变需要通过调整所加电压的极性实现，因此必须通过专门的电机驱动电路进行控制。本文采用意法半导体公司的L293D作为说明，L293D符合TTL逻辑电平接口标准，可用来驱动大功率感性负载，比如继电器、直流电机、步进电机和开关电源晶体管，可以通过逻辑设定实现电机驱动电压的极性转换，从而实现转向调整。并且L293D具有发热量低，体积小以及节省印制电路板面积等有点，故非常适合设计需要。L293D内部原理如图3-2所示。 图3-2 L293D内部原理图IN1IN4为电机工作控制端，通过不同的电压逻辑组合，分别决定两个电机的转向；ENABLE1ENABLE2为电机工作使能端，分别连接至微控制器的两路PWM输出信号；Vs为电机的工作电源输入端，最高电压达+36V，设计按照电机的标准值采用+12V供电。Vss为L293D的芯片工作电源输入端，设计中采用默认值，+5V供电。以第一路的控制信号为例，L293D的电机工作控制端真值表如表3-1所示。表3-1 L293D的电机工作端真值表 控制端电平电机工作情况ENAIN1IN2HHL正转HLH反转HHH刹车HLLLXX停止 综合此表可以得知，当且仅当IN1与IN2反相的情况下，电机才会转动。不论电机正转还是反转，IN1与IN2电平始终相反，而两者同相时所达到的控制目的-电机停转，完全可以通过将使能端ENA的逻辑电平置零实现。故在设计中，在微控制器的通用I/O口和L293D控制端之间添加了两个反相器，从而实现了单电机但线控制转向的功能，简化了微控制器的程序设计和硬件端口资源分配。如图3-3所示，微控制器的硬件PWM输出端口OC1A和OC1B分别接至L293D的EN1和EN2作为使能信号，通用I/O口PA2和PA3通过反相器逻辑处理后，接至L293D的IN1IN4端控制电机转向。 图3-3 微控制器的硬件PWM输出电路3.3 控制器与传感器系统组成 从基本结构来看，伺服系统主要由控制器、功率驱动装置、反馈装置和电机等组成。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差值来调节被控量，功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按照控制量的大小将电能作用于电机之上，点解电机转矩的大小；另一方面按照电机的要求把恒压恒频的电网供电转化为电机所需的交流电或者直流电，电机则按照供电大小拖动机械运转。机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等5个部分，如图3-4所示。 图3-4 伺服系统构成原理框图系统中各主要部件的功能为：1、比较环节将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号，通常由专门的电路或计算机来实现。2、被控对象直接完成系统目标的主体，包括传动系统、执行装置和负载。3、执行元件主要功能为按照控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化为机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动 伺服机构等。4、检测环节能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置。一般包括传感器和转换电路。5、控制器对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件使其按要求动作，一般由计算机或PID控制电路来实现。第五章 太阳光电跟踪控制系统应用35第四章 西门子光电控制系统概述4.1 西门子光电传感器4.1.1光电传感器SIMATIC PXO100 M18SPXO100 M18S光电传感器为圆柱形金属外壳，IP67防护等级，使用电缆或M12连接器进行连接，有直通光束传感器。 漫射传感器：感应范围50cm，可通过电位计进行调节。 后向反射型传感器：感应范围3m，供货时不带反射器。 直通光束传感器：感应范围6m，额定工作电压24V DC，电路输出pnp。PXO100 M18S技术数据表如表4-1所示。表4-1 PXO100 M18S技术数据技术数据单位漫射传感器后向反射型传感器、输出滤波器直通光束传感器感应范围cm50（可调）300600标准目标/反射器mm200*200(白色)反射器型号D84工作电压范围（DC）V1030（最大20%残余纹波电压）额定工作电流IemA150开关频率Hz700开关时间ms0.5波长（光源类型）nm660（红色）660（红色，偏振）660（红色）显示屏开关状态多余光线黄色LED绿色LED外壳材料镀镍黄铜防护等级IP67环境温度-25+55温度系数%/K0.3型号3RG7640-xxx00，3RG7650-xxx003RG7641-xxx00，3RG7651-xxx003RG7642-xxx00，3RG7652-xxx004.1.2.光电传感器SIMATIC PXO200 C40PXO200 C40型光电传感器为方形塑料外壳，IP67防护等级，同样适用电缆或者M12连接器进行连接。它具有漫射传感器，为能量型传感器，感应范围70cm；带背景抑制的漫射传感器，传感范围525cm；用于透明物体的后向反射型传感器，感应范围1m，额定工作电压24V DC，电路输出pnp或npn。C40型光电传感器技术数据如表4-2所示。表4-2 C40型光电传感器技术数据技术数据单位漫射传感器带背景抑制的漫射传感器带偏振滤光片的后向反射传感器用于透明物体的后向反射传感器感应范围cm70（可调）525（可调）600（可调）标准目标mm200*200（白色）100*100（灰色）反射器型号D84工作电压范围（DC）V1030251030额定工作电流IemA200250200开关频率Hz10002001000开关时间ms0.50.5波长（光源类型）nm600（红色）600（红色，偏振）600（红色，偏振）600（红色，偏振）显示屏开关状态多余光线黄色LED绿色LED黄色LED绿色LED外壳材料注塑件（PBTP）注塑件（ABS）防护等级IP67IP67环境温度-25+55-25+55温度系数%/K0.10.1型号3RG7240-xxx003RG7244-xxx003RG7241-xxx003RG7241-xxx52 4.2 西门子逻辑控制器4.2.1. SIMATIC S7-200 CN系列S7-200 CN系列为小型PLC。S7-200 CN系列适用于各行各业、各种场合中的检测，检测及控制的自动化。S7-200 CN系列的强大功能使其无论在独立运行中，还是相连成网络，皆能实现复杂的控制功能。因此S7-200 CN系列具有极高性价比，它的出色性主要体现在下面几个方面：1、极高的可靠性2、极丰富的指令集3、易于掌握和操作4、丰富的内置集成功能5、实时特性6、强劲的通信能力7、丰富的扩展模块S7-200 CN系列在集散自动化系统中充分发挥其强大的功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力和民用设施、环保设备等。S7-200 CN系列PLC可提供4个不同基本型号的8种CPU供用户使用。4.2.2. SIMATIC S7-300 CN系列S7-300 CN系列为中型PLC，它具有如下性能：1、模块化的PLC系统，满足中、小规模的性能要求。2、各种性能的模块可以非常好的满足和适应自动化控制任务。3、简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。4、方便用户和简易的无风扇式设计。5、当控制任务增加时，可自由扩展。6、大量的集成功能使它的性能非常强劲。其应用范围如下：1、用于恶劣环境条件下的PLC。2、扩展温度范围为-2570。3、适用于特殊的环境（如污染空气）。4、允许短时冷凝和短时机械负载的增加。5、采用经过认证的PLC技术。6、易于操作，编程，维护和服务。7、特别适用于汽车工业、环境技术、采矿、化工厂、生产技术及食品加工等域。低成本的解决方案。第五章 太阳光电跟踪控制系统应用能源是人类社会赖以发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油，天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。而石油，天然气和煤炭的储量都是有限的，且不可再生。据有关资料显示：石油储量的综合估算，可支配的石油极限大概为11801510亿吨，以1995年世界石油的年开采量32亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭；天然气将在5765年内枯竭；煤还可以供应17年。严峻的形势使得当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展，人们对核能及太阳能，风能，地热能，水利能，生物能等可持续利用的能源资源的利用日益重视，它们在整个能源消耗中所占的比例正在显著的提高。据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1%，而太阳能发电量每年增长达20%，风力发电量的年增长率更是高达26%，预计在未来510年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。目前太阳发电方式主要有塔式发电、碟式发电、光伏发电等，但利用率不高。如何最大限度地提高太阳能的利用率，仍是国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转换率，二十提高太阳能的接收效率。前者属于能量转换领域，还有待研究，后者利用现有的技术则可解决。太阳能跟踪系统就为解决这一问题提供了可能。不管是哪种太阳能发电系统，如果需要提高太阳能的利用率，那就必须跟踪太阳。根据科学研究表明：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差77.7%，精确地跟踪太阳可以使能量接收率大大提高，进而提高了太阳能发电系统的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。5.1 太阳光电跟踪控制系统组成为了保持太阳能发电的效率，太阳能光电跟踪控制是必不可少的。目前国内外主要采用3种方法：视日运动轨迹跟踪、光电跟踪、视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合。5.1.1 视日运动轨迹跟踪不论采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系，较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中，赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式，可以得到太阳和观测者位置之间的关系。换算公式如下：赤纬角可由Cooper的近似计算公式求得。 =23.45sin360*(284+n)/365一天当中随时间变化引起的太阳位置的变化可由时角表示，太阳在正午时为0度，每小时变化15度，上午为正，下午为负，则有： =150(12-T)式中，T表示当地时间。太阳高度角H sinH=sinsin+coscoscos太阳方位角A sinA=cossin/cosH式中，为观测点的地理纬度，赤纬角和时角由上式推出。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来决定。在应用中，全球定位系统可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位及跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角，然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发射驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。5.1.2光电跟踪传统的光电跟踪采用一级传感器跟踪方式，这种跟踪系统，原则上由三大部件组成：位置检测器、控制组件和跟踪头。其跟踪方式方框图如图5-1所示。位置检测器主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如4象限光电池、光敏电阻等。控制组件主要接收从位置检测器来的微弱信号，经放大后传送到跟踪头，跟踪头为跟踪装置的执行元件。 图5-1 光电跟踪系统方框图5.1.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合由上述讨论可知，开环的程序跟踪存在很多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期地人为调整跟踪装置的方向。而传感器跟踪也存在反应慢，精度差，稳定性差，某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是在多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成部件的加速磨损和能源的浪费。如果两者结合，则会各取所长，可以获得较为满意的跟踪结果。在视日运动轨迹跟踪的基础上加工两个高精度角度传感器。当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置中。但计算过程十分复杂，高精度角度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，并不十分适用。5.2 太阳跟踪控制系统的传感器5.2.1.跟踪控制系统部件选择控制系统的种类很多，根据不同的应用场所和采用芯片的不同，可以分为工程机控制、可编程控制器控制、单片机控制等。各种方法的好处对比如下。工程机一方面继承了个人计算机丰富的软件资源，使其软件开发更加方便，可以采用高级语言编程，设计友好的工作界面，利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软件，且其接口都是标准接口，易于各系统之间进行通信连接；另一方面又具有可靠程度高，抗干扰能力强等优点，但其价格偏高。对于中等规模的控制系统，为了加快系统的开发速度，可以尽量选用现成的工控机。可编程逻辑控制器是早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的产物。具有可靠性高，编程容易，组合灵活，输入/输出功能模块齐全等优点，一般用于对可靠性要求较高的场合。对于有模拟量输入/输出的场合，其价格明显比单片机要高。单片机把微型计算部件都集成在一块芯片上，故可以把单片机看成一个不带外部设备的微计算机。由于单片机具有功能强、体积小，可靠性高，面向控制和价格低廉等有点，因而在工业，国防，交通，农业等领域得到了广泛的应用，有力的推动了各行业的技术改造和产品的更新换代。随着微点子技术的不断发展，新型的单片机不断出现，功能也越来越丰富。尤其是新型的8位、16位单片机具有模数和数模转换、PCA等功能，就更有利于在控制系统中得到应用。单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制能力、低廉的成本。人们在选择控制器时，往往是先满足功能需要的同时，优先选择成本低的控制器，因此单片机往往成为优先选择的目标。在大范围跟踪传感器的控制系统中采用单片机方案，既可满足控制系统的工作需求，又可节约成本。5.2.2.传感器原理与跟踪可行性分析1、两级传感器跟踪原理实际系统的控制方式采用了光电跟踪的控制方式。在传统一级跟踪的基础上加了4个性能相同的光电池进行粗定位跟踪，4个光电池布置在镜筒外围，如图13所示。由传感器跟踪装置的3个领域分析可知，跟踪机构的工作原理就是要使传感器结构的中轴线与太阳光线始终保持平行，便能使太阳吸收效率达到最大。传感器跟踪通过光敏元件的输出，来判断太阳跟踪传感器的轴线是否正对太阳。通过太阳跟踪传感器轴线与理想位置的偏差调整驱
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