自动扶梯节能运行控制系统设计.

南京理工大学

毕业设计说明书(论文)

作者: 学号：

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题目: 自动扶梯节能运行控制系统设计

张雯高级实验师

指导者：

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2012 年 6 月

南京理工大学

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年月日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

自动扶梯是一种以运输带方式运送行人的工具，广泛应用于大型商场、超市、机场、地铁等场合，为人们的出行带来了极大的方便。随着科技的发展，人们对于自动扶梯要求的提高，自动扶梯也向着高科技、节能、智能化的方向发展，着力为人们提供安全、稳定、节能、舒适的乘坐体验。本设计中的运行控制系统采用三菱FX2N系列PLC与西门子MICROMASTER440变频器相结合的控制方式，本控制系统应用到自动扶梯上之后，通过自动扶梯两端安装的传感器，可以根据实际客流选择不同的运行速度，以达到节能、减少磨损的目的，同时充分发挥PLC的控制功能，加入了扶梯防倒溜功能，保证自动扶梯出现意外时可以最大限度的保障乘客的安全，提高扶梯的安全性。

关键词控制系统 PLC 变频器

毕业设计说明书（论文）外文摘要

Title Escalator energy-saving operation control system design

Abstract

The escalator is a conveyor belt transporting pedestrians tool, widely used in shopping malls, supermarkets, airports, subway and other occasions, has brought great convenience for people to travel. With the development of science and technology, the requirements of the escalator to improve the escalator toward the high-tech, energy-saving, intelligent direction, and efforts to provide safe, stable, energy-saving, comfortable ride. The design of the operation control system is a Mitsubishi FX2N Series PLC and Siemens MICROMASTER440 inverter combination of control methods, this control system is applied to the escalator, escalators installed the sensor at both ends, according to the actual passenger flux to select different running speed, in order to achieve energy efficiency, reduce wear purpose. Giving full play to the PLC control functions, join the down escalator anti-slip function, to ensure that the escalator can maximize safeguard the safety of passengers when accident happened, improve the safety of the escalator.

Keywords Escalator PLC Frequency converter

目录

1 绪论 (1)

1.1 国内外研究现状 (1)

1.2 自动扶梯结构简介 (2)

1.3 该课题研究目的及意义 (2)

1.4 本章小结 (2)

2 扶梯控制系统的方案论证 (4)

2.1 常见的节能方法和控制系统的比较 (4)

2.2 控制方式的比较与选择 (5)

2.3 本章小结 (7)

3 扶梯控制系统元器件的选择 (8)

3.1 电动机的选择 (8)

3.2 变频器的选择 (8)

3.2.1 变频器的简介 (8)

3.2.2 变频器的选型 (9)

3.2.3 变频器参数设定 (9)

3.3 PLC的选择.................................... 错误！未定义书签。

3.3.1 PLC的简介.................................. 错误！未定义书签。

3.3.2 PLC的选型 (10)

3.4 超声波传感器的选择 (10)

3.4.1 超声波传感器的简介 (10)

3.4.2 超声波传感器的选型 (11)

3.5 光电编码器的选择 (11)

3.5.1 光电编码器的简介 (11)

3.5.2 光电编码器的选型 (12)

3.6 电机抱闸器的选择 (12)

3.6.1 电磁抱闸器的简介 (12)

3.6.2 电磁抱闸器的选型 (12)

3.7 鉴相器的选择 (13)

3.7.1 鉴相器的简介 (13)

3.7.2 鉴相电路的设计 (13)

3.8 本章小结 (13)

4 自动扶梯控制系统硬件电路设计 (14)

4.1 自动扶梯硬件控制思路 (14)

4.2 控制电路设计及电路图 (14)

4.3 本章小结 (14)

5 自动扶梯控制系统PLC程序设计 (15)

5.1 控制系统流程图 (15)

5.2 PLC程序设计 (16)

5.3 本章小结 (16)

结束语 (18)

致谢 (19)

参考文献 (20)

附录1 控制系统程序设计 (21)

附录2 硬件设计电路............................... 错误！未定义书签。

1 绪论

1.1 国内外研究现状

随着人们生活水平的快速提高，自动扶梯作为一种高效、方便、舒适的代步工具，被广泛应用在各种公共场合。自动扶梯在带给人们便捷的同时，耗能问题也越来越引起广大用户的关心。

由于传统自动扶梯运行时约有20%～40%[1]的能量会以热量的形式被消耗掉,国内有研究人员对自动扶梯运行控制系统进行了研究，希望从控制系统的角度对自动扶梯的运行进行优化控制，以达到节能和减少磨损的目的。目前自动扶梯上应用的控制系统主要有以下三种: 继电器控制系统、PLC 控制系统和单片机控制系统。早期的继电器控制系统由于系统不稳定、维修量大等缺点已经逐渐被后两种控制系统所取代。单片机控制系统虽在智能控制领域有较强的功能，但也存在控制系统编程设计难度大、系统抗干扰性差、维修技术复杂等缺陷。PLC 控制系统在国内电梯控制领域中已形成主导地位。

在国外，自动扶梯发展迅速，发展历史比较长，扶梯控制技术日益成熟。世界上第一部以电动机为动力的升降机是美国奥的斯升降机公司于1889年推出的，距今已有一百多年的历史。随着科技的发展，自动扶梯作为一种便捷快速的载人运输工具而被广泛的应用。人们对于扶梯运行的平稳、高速、舒适、高效等方面也提出了越来越高的要求。

国外电梯行业发展迅猛，着力在扶梯节能化，运行智能化，控制远程化，元件集成化等方面进行改进和提高。作为世界电梯主要生产商的日本三菱电梯公司，新推出的Z 系列自动扶梯，设计上采用了简约雅致的设计风格，为用户提供了融入任何建筑装饰的最佳灵活性，基于对自动扶梯安全性的重视，三菱电梯多年来在产品安全性方面积累了丰富的经验，“节能环保、可靠舒适、运行高效”，既符合环保节能、又满足了人性化的技术要求，使得乘用者在使用自动扶梯时，可获得三菱电梯良好的性能保障，体验高品质电梯带来的舒适和便捷。

这样的改进，使得采用变频控制的自动扶梯相对于普通标准型自动扶梯节能90%以上，节能效果非常明显。由于节能运行时，扶梯处于低速状态，机械零件

的磨损大大降低，相对延长了扶梯的使用寿命。变频技术的使用大大降低了扶梯启动时对电网的影响，确保自动扶梯启动的平滑，舒适，可有效地提高电网的功率因数，减少无功损耗。

1.2 自动扶梯结构简介

自动扶梯系统是由一台特种结构形式的链式输送机和两台特殊结构形式的带式输送机所组合而成，带有循环的运动梯路，用以在建筑物的不同层高间运载人员上下的连续输送机械，如图1-1。

自动扶梯的主要部件有牵引链条、链轮、梯级、导轨系统、电动机、变速装置、制动器、驱动主轴、梯路张紧设备、扶手、梳板、扶梯骨架和电气系统等。自动行走的梯级在扶梯入口处进行水平运动，以后逐渐形成阶梯；在接近扶梯出口时再次恢复水平。这些部件的运动都是通过自动扶梯梯级的主轮、辅轮沿不同的导轨运行来实现的。

1.3 该课题研究目的及意义

随着经济社会的高度发展，自动扶梯作为一种方便的运输工具，应用场合非常广泛。随着扶梯需求量的急剧增加, 我国的电梯生产总量也在逐年上升，中国已成为世界上最大的新装电梯市场。然而在实际使用过程中，电梯的安全事故也是频频曝出，比如今年发生的“7.5北京地铁四号线电梯事故”、“9.9东莞奥的斯电梯事故”“12.2昆明电梯事故”等等，因此自动扶梯的安全、稳定运行就显得尤为重要。伴随着自动扶梯的广泛应用，其耗能大的问题也逐渐为业主所关心，虽然对于方便顾客和提升服务质量方面起了较大的作用，但由于其使用场合的客流不稳定性，使得自动扶梯在一些时段的实际利用率并不高，经常处于轻载或空载状态，不仅造成了巨大的电能浪费，而且扶梯部件在连续高速运行状态下也产生了较大的磨损及疲劳损伤，容易产生运行故障。

1.4 本章小结

本章介绍了国内外在自动扶梯控制系统领域研究的最新成果，比较了传统控制方式与节能控制方式的优缺点。通过对自动扶梯机械结构的简单介绍，分析了

自动扶梯的节能对象和可以采取的办法。对比两种主流节能控制系统，列出了各自的优缺点，单片机偏向于智能控制，但存在系统设计复杂、抗干扰性差、难以掌握其维修技术等缺陷；PLC采用相对简单的梯形图编程语言，具有控制灵活方便、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点。最后结合国内自动扶梯控制系统改造现状以及各大厂商的生产情况，得出PLC 控制在国内电梯控制，特别是节能控制领域应用中的应用将成为趋势。因此本课题的研究具有很好的实用性和通用性。

2 扶梯控制系统的方案论证

在自动化设备广泛应用的今天，自动扶梯的广泛应用，为人们的出行带来了方便。然而随着人们节能意识的增强，对于自动扶梯节能运行的要求也越来越高。大多数自动扶梯无论客流量大小，均按照额定速度运行，特别是空载时仍以额定速度运行，具有耗能大，机械磨损严重，使用寿命低，容易发生事故等缺点。2.1 常见的节能方法和控制系统的比较

目前自动扶梯中运用的节能方法主要有以下3种[3]：

（1）自动控制运行方式

自动控制运行方式实际上是一种“自动重新启动”的运行控制方式，由自动扶梯控制系统根据客流需求，自行启动、停止电动机，达到节能运行目的的运行方式。这种方式，在扶梯的两端安装传感器，一旦传感器检测到有乘客进入扶梯(传感器检测区域可设置，一般距离梳齿板1.5米左右，以保证自动扶梯有足够的时间启动加速到额定速度，可以应对突发客流，确保充分发挥自动扶梯的运输能力)扶梯开始启动运行，在额定速度运行阶段，如果不断检测到有乘坐需求，扶梯将保持额定运行速度运行。如果在程序设定的固定时间内没有再检测到乘坐需求，则扶梯控制系统将停止扶梯运行。停机期间再次检测到乘客进入扶梯时，扶梯会重新启动运行。

（3）变频运行方式

变频运行方式是在扶梯上增设变频装置，根据客流情况自动改变电动机电源频率，利用了电动机同步转速随频率变化的特性

n/)

60-

=[4] (2-1)

1(

p

s

f

n：异步电动机转速；f：电源频率；s：电机转差率；p：电机极对数。

通过变频器将交流工频电源（50Hz或60Hz）变换成电压频率均可以变化的电源形式输送给电动机，从而达到调速的目的。

本方法的优点是：一、调速的范围很大。变频调速装置的调速范围都比较宽，适合经常处于低载荷状态下运行的电气设备的调速需求；二、调速的效率高。变频调速是通过改变电源的频率，使电动机仍按照该频率的同步转速运行，不会增

加转速损失，因此变频调速是高效率的调速方式；三、启动电流小。电机最高速度可以不受制于电源，从而实现电机的高速化、小型化；四、调速平稳可靠。可以根据需要实现连续调速，选择最佳的运行速度，低速软启动，平稳调速。五、主电路仍可直接供电。当变频装置发生故障时，可以直接退出运行，改由工频系统直接供电，不会影响设备的连续运行。特别适合出现突发情况时可以最大限度的保障乘客安全，同时保证客流畅通。

自动扶梯中运用的控制系统主要有3种：

（1）继电器控制系统

（2）单片机控制系统

（3）PLC 控制系统

PLC 是通过周期循环扫描方式运行，运行程序的过程中不受外界影响，减少

了外界干扰；同时PLC 在硬件方面具有着良好的屏蔽措施、对电源及I/O 电路有多种形式的滤波、CPU 电源自动调整与保护、CPU 与I/O 电路之间采用光电隔离、输出联锁的方式、采用模块式结构并增加故障显示电路；在软件方面，设置故障自我诊断、数据保护和恢复程序。PLC 采用大规模集成电路技术，按照严格的生产工艺制造，具备先进的内部电路抗干扰技术，具有很高的运行可靠性。相对于单片机控制系统，PLC 采用相对简单的梯形图编程语言，更贴近工程技术人员的习惯，具有良好的控制灵活性、强大的抗干扰能力、稳定的运行状态等特点。因此对于自动扶梯来说，采用PLC 进行控制是一个最佳选择。

2.2 控制方式的比较与选择

在进行异步电动机调速时，一般希望尽可能保持电动机的电磁转矩不变（这

是为了防止低速运行时出现转矩不足的情况），而要保持电磁转矩不变，只要保证主磁通量不变化即可。异步电动机的主磁通是定、转子合成磁动势产生的，由于三相异步电动机定子绕组每相电动势的有效值为

m N f E φ11144.4=[5] （2-2）

本设计中主要面对的是基频以下的调速情况。根据上文所述，要保持不变，

当调低频率时，必须降低电动机定子每相绕组上由主磁通感应的电动势1E ，使得 ）常数（C f E =1

1 （2-3） 即采用恒定电动势频率比的控制方式。这种方式又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速的范畴。

由于电机绕组的感应电动势是很难直接检测和测量的，当电动势较高时，可

忽略定子绕组漏磁造成的漏磁阻抗压降，近似的认为U 11E ≈，则有U 1)(/1C f 常数=,这种控制方式称为恒压频比的控制方式，属于近似的恒磁通调速。这种控制方式低频时，U 1和1E 都比较小，定子阻抗压降显著，不可忽略，这种情况下会人为的把电压U 1提高一些，即增加定子压降补偿，以确保压频比为常数，如图2-1。

对于基频以上的调速，频率可以从f 1N 增加，但是电压U 1受电源电压U 1N 限制，最多保持U 1=U 1N 不变。这样的后果就是主磁通m φ随着1f 上升而减小，属于近 似的恒功率调速控制方式，如图2-2。 变频控制方式常见的有U/f 控制方式、转差频率控制、矢量控制。下面详述

三种变频控制方式之间的区别。

（1）U/f 控制方式

由于转矩不足而无法克服较大的静摩擦力时，存在性能下降，稳定性变差的

问题。综上，采用U/f 控制方式的通用变频器的频率控制只适用于一般要求不高的场合。所以它的运用将逐渐被矢量控制所取代。

图2-1 恒压频比控制特性 图2-2 异步电动机变压变频调速控制特性

转速所对应的频率，求出转差频率，再与速度设定值相加，以两个值的和作为逆变器的频率设定值，以达到转差补偿的目的。经转差补偿后定子频率的实际设定值为*1f 。在这种控制方式中，需要加装速度传感器，相比于U/f 控制方式，转差频率控制方式的调速精度大大提高，但是使用速度传感器求取转差频率，必须根据具体的电机机械特性来调节控制参数，因而通用性方面还存在欠缺。

2.3 本章小结

本章介绍了自动扶梯常见的节能方法和控制系统，并对这些节能方法以及相应的控制系统进行了比较。自动控制运行方法省电效果明显，但频繁启停对电网冲击较大，并且对扶梯自身的机械设备磨损很大； U/f 控制方式属于开环控制，低频状态下输出电压压降明显，容易出现转矩不足的状况；转差频率控制属于闭环控制，有效的解决了定子在低压情况下出现较大压降的问题，但转差频率控制方式对硬件要求较高，系统计算复杂，并且通用性不高，所以对于自动扶梯这种调速精度要求不是很高的系统，不适用此种调速方法；矢量控制对定子电流矢量分解成励磁电流和转矩电流，分别加以控制，最大限度的改善了变频控制系统的输出特性，在低频状态下可以获得较好的转矩性能，因此在本系统中使用高性能的矢量变频调速的控制方式。

图2-3 U/f 控制方式简化原理图

3 扶梯控制系统元器件的选择

3.1 电动机的选择

自动扶梯是一种长时间载人运行的设备，系统的可靠性和稳定性显得尤为重要。作为扶梯主要动力源的电动机，必须提供足够的转矩并且具有良好的机械性能，保证扶梯运行的稳定。本设计在确定电动机种类时，优先考虑选用三相笼型异步电动机，和绕线转子异步电动机相比，笼型异步电动机结构简单，运行可靠，维护方便，完全符合上述要求。绕线转子异步电动机多用在某些工程机械如桥式起重机、轿厢式电梯、锻压机等工作状态中起动、制动比较频繁的场合，为了提高生产率又会要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动、制动时间，并且对制动的进度要求较高。对这类机械设备，可考虑选用绕线转子异步电动机。而在自动扶梯系统中对于起动性能无过高要求、并且不会出现频繁启停的情况，因此，优先考虑使用笼型异步电动机。

3.2 变频器的选择

3.2.1 变频器的简介

变频器是一种将交流工频电源（50Hz或60Hz）变换成电压、频率均可变的适合交流电动机调速的变换装置，英文简称VVVF。变频器电路是由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。其中变频器主电路由整流、中间直流环节、逆变电路构成。运算电路、检测电路、控制信号输入输出电路和驱动电路构成变频器的控制电路。整流电路为三相桥式不可控整流电路，功能是将交流电变换成直流电，输送给中间直流环节。中间直流环节对整流电路的输出进行滤波处理，并进行直流储能和缓冲无功功率。逆变电路的主要元件为绝缘栅晶体管IGBT，构成三相桥式逆变电路，将直流电再逆变成交流电，输出的是脉宽调制PWM波形的电源，提供给电动机。控制电路是对整个变换过程进行控制。如图3-2所示。

3.2.2 变频器的选型 本设计中所采用的西门子MICROMASTER 440变频器，是在简单的电动机控制系统中被广泛应用的理想变频器驱动装置。MICROMASTER 440具有全面而完善的控制功能，客户端设置相关参数以后，它还可用于更复杂的电动机控制系统。具体型号（订货号）为6SE6440-2AD27-5CA1，经销商报价约为2700元。

（1）变频器常用的参数有输入电压、输出电压、输入频率、输出频率、输出功率、工作温度、控制方式、串行接口、保护等级等。西门子MICROMASTER 440变频器主要技术指标如表3-1所示[7]

。

3.2.3 变频器参数设定

西门子MICROMASTER 440变频器外形图如图3-7所示。变频器在标准供货方式时厂商都会提供状态显示板（SDP ），对于大多数用户来说，使用SDP 和厂商出厂时的缺省设定值，就可以使变频器成功的投入运行。但如果工厂的缺省设定值不适合具体设备的情况，或者有扩展功能需求的，就必须使用基本操作板BOP 或者高级操作板AOP 来进行参数的设定。本设计中，为了使自动扶梯节能运行控制系统稳定的运行，就必须对MICROMASTER 440变频器的参数进行设定。参数设定变频器型号

西门子MICROMASTER 440 输入电压

三相（380～480）×（1±10%）V 工作温度 -10～50°C 输入频率

47～63Hz 保护等级 IP20 输出电压

0～380V 控制方式 V/F ，FCC ，SVC ，VC ，TVC 输出频率范围

0～650Hz 串行接口 RS232，RS485 输出功率

7.5kW 电磁兼容性 EN55011 A 级 EN55011 B 级 过载倍数 2倍3s ，1.5倍60s 表3-1 西门子MM440变频器主要参数

图3-2 变频器简要原理图

可以通过上文介绍的基本操作板（BOP）进行设置。

3.3.2 PLC的选型

随着PLC技术的发展，PLC产品类型越来越多，功能日趋完善，在实际生产生活中的应用也越来越广泛。不同系列、不同型号的PLC性能各有不同，功能上各有侧重，价格也有较大差异。选型时，应该注意以下几点：

（1）I/O点数

I/O点数是PLC的一项重要参数。I/O点数的合理选择，不仅可以满足控制系统的要求，还可以实现最低的总投资，提高控制系统的成本效益。PLC的输入输出点数和类型应当根据被控对象所需控制的模拟量、开关量和输入输出设备情况来合理选择，一般一个输入/输出元件要占用一个输入/输出点数。并且考虑到系统升级的因素，应在预估总点数的基础上增加约20～30%的备用点数。本设计中的自动扶梯节能运行控制系统约需要有20个输入，17个输出。

3.4 超声波传感器的选择

3.4.1 超声波传感器的简介

超声波传感器是利用超声波回声测距原理研制而成的传感器，使用精确的时差测量技术，可以检测传感器与目标物之间的距离，非接触测量，具有测量精度较高、防水、防腐蚀、低成本等优点，广泛应用于工业生产和民用设备中。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由压电晶片在电压的激励下振动产生，具有频率高、波长短、绕射现象小的优点，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播的特点。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，也可以将接收到的超声波转换为电能，所以它可以分成发送器或接收器，也有超声波传感器兼作发送器和接收器。本设计中以超声波作为检测手段，需要同时产生和接收超声波。超声波传感器就可以实现这种功能，实际应用中也被称为超声换能器或超声探头。

3.4.2 超声波传感器的选型 本设计中使用的超声波传感器是由深圳市金瓷科技有限公司生产的型号为NU40D22TR-2的超声波传感器，外形图如图3-12所示。该超声波传感器频率稳定，采用压电陶瓷材料，灵敏度较高，12m 以内的检测精度很高。符合自动扶梯的检测需求，并且性价比较高。

3.5 光电编码器的选择

3.5.1 光电编码器的简介

光电编码器是一种集光学、机械、电气技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物体的转角或直线位移量，并通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量输出，是目前应用最广泛的一种传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是一种在固定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔的带孔圆盘。由于光栅盘与电动机轴相连，电动机旋转时，光栅盘在电动机轴的带动下同步旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测并输出两路存在固定相位差的脉冲信号，其原理如图3-13所示，只要计算光电编码器每秒输出的脉冲个数就能得到当前电动机的转速，根据码盘上相位相差90度的两路脉冲信号先后顺序，就可以得到电动机的旋转方向。

图3-12 超声波传感器外形图

光电编码器的分类方法很多。按照编码器的刻度方法和信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。这里主要介绍根据信号输出形式进行分类。

3.5.2 光电编码器的选型

本设计中使用的光电编码器的目的是检测扶梯的运行方向，一旦检测到电梯方向运行异常时（如倒溜的情况），PLC 立即报警，对变频器、电机断电，同时安装在与电动机同轴的抱闸装置对转轴进行紧急制动，确保扶梯出现危险时能立即停稳，避免发生更大的事故。

3.6 电机抱闸器的选择

3.6.1 电磁抱闸器的简介

三相异步电动机的机械制动是利用机械装置使电动机从电源切断后能迅速制动停转。常见的机械制动有电磁抱闸制动和电磁离合器制动[12]。

（1）电磁抱闸制动电路

3.6.2 电磁抱闸器的选型

本设计中使用电磁抱闸器的目的是为了出现紧急情况时，能让扶梯尽可能快的停下来，防止出现电梯事故。考虑到自动扶梯停止时扶梯上仍然可能有人，因此，使用的是断电电磁抱闸制动。

图3-13 光电编码器输出

本设计中使用的是石家庄五龙制动器股份有限公司生产的五龙牌MWZ系列电磁抱闸制动器。MWZ系列交转直流电磁块式制动器是一种外抱瓦块式短行程常闭制动器，工作方式为断电制动、通电松闸。主要用于运输、起重、冶金、矿山、化工、港口、建筑、建材机械的制动中。其驱动装置是ZDZ系列单相交流直推式制动电磁铁，该制动器技术指标居国际领先水平，具有高效、快速、节能、低噪声和易维护等特点。

3.7 鉴相器的选择

3.7.1 鉴相器的简介

3.7.2 鉴相电路的设计

本设计中选用的D触发器是74LS74。74LS74是带置位复位正触发的双D触发器。应用74LS74的上升沿触发,得到第5 管脚和第6 管脚信号，根据各自电平高低判断正反转。光电编码器鉴相电路图如图3-19所示。

3.8 本章小结

本章主要介绍了自动扶梯控制系统的元器件选择。自动扶梯控制系统元器件包括电动机、变频器、PLC、超声波传感器、光电编码器、鉴相器、电磁抱闸器等。