(完整版)MGA电机检测装置设计毕业设计

华中科技大学文华学院
毕业设计[论文]题目：MGA电机检测装置设计
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目录
摘要 (1)
Abstract (2)
1、绪论 (1)
1.1M G A电机及其速度检测台的基本情况 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.3 选题背景 (2)
1.4 本文工作内容简介 (3)
2、总体方案设计 (3)
2.1 检测台系统概述 (3)
2.2 总体设计思路 (3)
2.3 检测系统硬件主要配置 (5)
3、系统硬件设计 (5)
3.1 电源系统设
计 (5)
3.1.1 电源选择 (5)
3.1.2 电源主要技术参数 (6)
3.1.3 电源存在的问题及使用方法 (6)
3.2 检测系统设计 (7)
3.2.1 传感器选择 (7)
3.2.2 传感器性能参数 (8)
3.2.3 传感器存在问题及使用 (8)
3.3 控制系统硬件设计 (9)
3.3.1 PLC的相关信息 (9)
3.3.2 PLC的特点 (13)
3.3.3 PLC的编程方法 (13)
3.3.4 PLC的选型原
则 (13)
3.4 辅助系统设计 (14)
3.4.1 显示部分设计 (14)
3.4.2 辅助检测部分设计 (16)
3.4.3 机械部分设计 (18)
4、系统总成…………………………………………………………………………………
20
4.1 主要设备连接 (20)
4.2 辅助设备 (20)
结束与展望………………………………………………………………………………
2 3 参考文献 (24)
致谢…………………………………………………………………………………
2 5
MGA电机检测装置设计
摘要
MGA电机主要应用于汽车内部温度控制系统，即为汽车内部空调专用的风扇驱动电机，其性能的高低会影响到汽车的舒适度，甚至一定程度上影响到了汽车驾驶的安全性。

同时，现代汽车的性能比较在很大程度上是对汽车附属装置的比较来进行的，因此对该电机性能的检测就存在了巨大的必要性。

本文研制的MGA电机速度测试台也出于上述目的。

该测试台功能包括MGA电机在2V、5.2V下的转速的检测，在14.5V电压下的超速检测，及其转速的实时显示和检测结果的显示。

该测试台检测系统以FS-M1H对射式光纤传感器为核心元件，控制系统以西门子S7-200PLC为核心，实现了电机转速的自动化检测。

本文的主要工作内容包括：设计电机驱动电源、检测系统硬件设计、装夹系统设计。

本文的工作重点在于：检测系统硬件设计。

本文已经成功实现了系统中各项功能的自动检测，并己应用于企业检测线上，大大提高的企业的检测效率，节省了企业的开支。

关键词：MGA电机；测试台；电源； PLC
MGA Motor detection device
Abstract
MGA motor is used primarily for internal temperature control system, which is air-conditioned vehicle for the internal fan drive motor, the performance will affect the level of vehicle comfort, or even to a certain extent, affected the car driving safety. At the same time, the performance of car in comparison to a large extent on the car subsidiary device to carry out the comparison, the electrical properties of the existence of an enormous need.
This paper developed by MGA motor speed test Taiwan the motor functions including MGA 2 V, 5.2V under the speed of detection, 14.5 V voltage speeding detection, and real-time display of speed and the test results show. The test-detection system to FS---M1H the core components for fiber optic sensors, the control system to Siemens S7-200PLC as the core, the realization of the motor speed automatic detection.
The main work includes: design motor drive power detection system software design, detection system, clamping system design.
This paper focus on the work: detection system.
This paper successfully achieved in the various functions of the system of automatic detection, and online testing used in enterprises, enterprises greatly enhance the detection efficiency, saving the company's expenses.
Key words: MGA motor; test bed; power; PLC
1 绪论
随着电子技术的发展，汽车内部电子产品的应用越来越多，辅助功能也越来越丰富，逐渐成为现代汽车质量、性能竞争的一个重要方面。

其内部器件的质量可靠性也是越来越重要[1]。

本文出于该方面的需要，结合厂家的需求，提出了并设计了汽车内部制冷系统中风扇电机性能的检测台。

实现了自动检测、质量报警的功能，为其质量提供了可靠的检测。

1.1MGA电机及其速度检测台的基本情况
MGA电机为汽车内部温度控制系统所用的风扇驱动电机，该电机应用于东风贝洱热系统有限公司生产的所有车用空调中，其图片1.1
图1.1 MGA电机
该电机于风扇在测试过程中与风扇连为一体，其风扇共有39个叶片，外壳为黑色塑料，正常工作时额定电压为2V和5.2V，在两电压下的额定功率分别为5W和30W。

该电机所用风扇与普通吹风风扇不同，其叶片与电机转子平行，其从四周进风，而从中间部分向电机对侧吹风，正好能够实现汽车内部空间要求及空气流动线路。

MGA电机速度检测台能够实现该电机在额定电压下转速是否合格，并通过了超速检测，实现了电机风扇偏心的检测。

该测试台需测试的额定电压为2V和5.2V，在该额定电压下的合格转速分别为大于200rpm和大于1850rpm小于2350rpm。

在超速检测时，电压为14.5V，其转速要大于5400rpm，若电机风扇存在偏心等质量问题，该风扇会碰触到夹具上伸出的销钉而报废[2]。

1.2 国内外研究现状
电机速度测试台已经有一定的历史，但是针对不同电机的测试却存在很大的差别。

各种测试台的的设计目的和功能也就有着巨大的差别。

基于上述测试的特殊性，在国内市场上上没有针对该电机的检测设备。

在国际上，由于该MGA电机为法国进口产品，其性能质量可靠，在法国的这家公司有该种测试装置，但是要进口到国内，各种费用相加大约在30000美元左右，价格相当昂贵。

1.3 选题背景
我国是汽车消费大国，也是汽车生产的大国，但不是汽车生产的强国。

虽然在全国各地汽车零部件生产厂家及汽车组装厂多如牛毛，但是我们仍然不能生产高档车，我们生产的汽车产品在质量、品种、外观和档次方面与国际现金水平还是有很大差距的。

造成这种现状的主要原因出了生产设备达不到国际先进水平外，我们还有在汽车产品的检测领域比较落后。

汽车产品的生产检测向来是消耗大、投资大，如何在现有条件下，用最少的资源实现最大功能是我们面临的一个切实的问题。

在工业控制领域中，经常会对发电机、电动机、汽轮机等旋转设备的主轴转速进行测量，并对这些高速旋转设备进行监控。

由于高速旋转设备要求具有很高的可靠性和安全性，转速是该类设备运行的一个重要参数，相应地要求转速检测系统不仅能精确的测量转速，而且应保证测量的实时性以及具有在线显示和数据传输的功能。

转速测量方法一般分为机械式、模拟式和数字式三种。

机械式利用转速与离心力的关系来测量转速，模拟式采用测速发电机得到电压信号，而数字式采用旋转编码盘、接近开关等得到脉冲信号[3]。

随着计算机技术的发展，机械式和模拟式逐步被数字脉冲式所取代。

PLC以其可靠性高、适应性强、通用性好等特点被广泛应用于工业控制的各个领域，但其高速计数单元在很大程度上被用于检测距离以及驱动凸轮控制器[4]。

本课题就是基于东风贝洱热系统有限公司自动化检测系统的研发与
配套，以取代国外昂贵检测设备，并且实现最大程度的自动化，节省劳动力。

该产品在这方面达到了上述目的，并且在提高企业生产率和提高经济效益上面也有这举足轻重的作用。

1.4本文工作内容简介
根据东风贝洱热系统有限公司提供的技术功能要求，设计出系统总体框架，提出总体方安案，然后根据系统要求进行硬件设计。

2 总体方案设计
2.1检测台系统概述
MGA电机检测系统的硬件设备部分一般由主控制器、电源、信号采集器、开关网络、连接装置以及定位设备等组成。

从普通电机检测系统发展现状可知道，高性能的传感器、电源、控制器及PC机的自动化程度已经很高。

通用的测试系统可以借鉴，而且国际上已有不少成熟的成套设备的设计经验。

2.2 总体设计思路
（1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，利用电机所驱动的风扇的扇齿，其两侧分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈既光电管导通39次，利用此信号做为脉冲计数所需。

（2）计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每0.2秒种都必须对计数器清零一次，因为电路实行0.2秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪烁问题。

（3）对于脉冲记数，有测周和测频的方式。

测周电路的测量精度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。

测频电路其对于正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍然采用测频方式，原因是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有升级为频率计使用，而测频方式对高频的精度还是很高的[5]。

整个检测系统的由PC机、显示器、PLC控制器、光纤传感器、电源和控制面板组成。

整个系统的结构如图2.1所示:
PLC S7-200通过控制电源选择开关，来控制MGA电机所得到的电压，从而控制了电机的转动状态。

在每一个不同的转动状态下，光纤传感器都会获得电机的转速情况，该转速值将分别传输到液晶显示器以进行实时的显示和传输到S7-200进行处理，以判断转速是否合格。

S7-200将转速处理过程中将数据实时的传输给PC机，以便进行监控。

在PLC处理数据完成后，将处理结果通过报警器进行报警。

此外，电机在14.5V电压下的超速转动，会存在破坏性试验，为保护检测人员及其他人员设备的安全，此时的电机夹具的通风口要关闭三分之二，也是通过PLC对电磁阀的控制实现的。

（1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一圆盘，在圆盘上挖一小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈既光电管导通一次，利用此信号做为脉冲计数所需。

（2）计数脉冲通过计数电路进行有效的计数，按照设计要求每一秒种都必须对计数器清零一次，因为电路实行秒更新，所以计数器到译码电路之间有锁存电路，在计数器进行计数的过程中对上一次的数据进行锁存显示，这样做不仅解决了数码显示的逻辑混乱，而且避免了数码显示的闪
烁问题。

（3）对于脉冲记数，有测周和测频的方式。

测周电路的测量精度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响，对于低频率信号，其精度较高。

测频电路其对于正负一的信号差比较敏感，对于低频率信号的测量误差较大，但是本电路仍然采用测频方式，原因是本电路对于马达电机转速精度要求较低，本电路还有升级为频率计使用，而测频方式对高频的精度还是很高的。

2.3 检测系统硬件主要配置
PC机、PLC S7-200、光纤传感器FS-M1H对射式光纤传感器、显示器FK8-R51、机械支架等。

3系统硬件设计
3.1电源系统设计
电源系统的设计主要任务是完成MGA电机各个检测阶段的电源设计，本小节主要介绍MGA电源的设计问题。

3.1.1 电源选择
根据MGA电机使用中实际情况需要，该电源能够提供最大14.5V直流电源，提供电流为15A，同时为了实现以后扩展使用和保护电源，所选电源输出稳压值为0～30V，输出恒流值为0～50A。

现在市场上电源生产厂家众多，如台湾艾德克斯专业生产各类直流电
源产品，苏州沃森专业生产大功率直流电源，陕西恒瑞电气有限公司研发生产直流电源，深圳新能力专业生产开关电源,广州邮科电源设备有限公司等等。

在众多电源厂家和电源类型中，我们选择了广州邮科电源设备有限公司的AD-3050型可调稳压恒流直流开关电源。

该电源交流输入电压经“输入陷波”电路后到“整流滤波”电路，得到高压（300V）直流电压。

“功率转换”将高压直流逆变成约32kHz高频交流，经高频变压器变换到输出所需的电压，再经高频整流滤波得到输入电压。

控制电路对输出电压和输出电流取样，闭环反馈后产生脉宽调制（PWM）信号控制“功力转换”电路，使输出电流保持稳定。

其工作原理框图如图3.1
输入稳压和恒流都是从输出侧取样，因而能够做到高度稳定可靠[6]。

3.1.2电源主要技术参数
1、输入电压：AC（180～240）V，50Hz±10％
当输出电压降低时允许输入电压下限相应下降。

2、输出稳压值可调范围：（0～30）V。

3、输出恒流值可调范围：（0～50）A。

4、电源电压调整率：稳压≦0.5％。

5、负载调整率：稳压≦1%，恒流≦1％。

6、整机效率：≧86％。

7、输出电压：显示准确度±1.5％；输出电流：显示准确度±2.0％。

8、开机输出电压过冲：≦0.5％。

9、平均无故障时间：≧50000h。

10、外形尺寸：300*68*210mm。

3.1.3电源存在的问题及使用方法
根据所选的输出可调电源，使用三套，分别将输出电压值调整在2V、5.2V、14.5V，输出电压经过电压器进行核实调整，以保证输出电压的实际值，输出电流调整为40A，以保证在各电压下电机能够稳定转动。

在进行设计的过程中发现，该电源接通时，对交流电源要求很高，其接通瞬间，经过测量，其冲击电流达到上百安，而根据这个电流选择电源供电电路的空气开关时，需要的额定电流很大，费用很高，而且会反馈影响到其他机器的运行。

为了防止这种现象造成的危害并能够顺利使用，本设计采用了温度电阻。

该电阻在低温状况下，电阻值很大，而在电流通过一段时间后，其温度上升，电阻值很小，从而即防止了开机电流的冲击，又在正常工作过程中不会产生电能的浪费。

在设计的电路中，电源通过一个有三个三孔插孔的插座进行控制其通电状态，三孔插座之前通过一个空气开关对其进行控制，通过三个电磁继电器来控制其输出的选择，其电路如图3.2：
图3.2 电源控制电路
图中KB、KC、KD分别有三个继电器控制，该三个继电器由PLC根据检测时提供的电压而控制。

3.2 检测系统设计
3.2.1 传感器选择
检测系统核心为传感器，该系统传感器可选择接近开关、光纤传感器等，由于该测试存在高速破坏性测试，故采用接近开关不易实现，所以最终选择光纤传感器[7]。

目前市场上存在多种多样的光纤传感器，本传感器要求光路发射极与接受极之间的距离为25cm，为满足实际中的应用，本设计选择了嘉准电子
科技有限公司的FS-M1H对射式光纤传感器，为保证能够在25cm距离下获得稳定的信号，在光纤的发射极和接受极都安装了放大器，以保证信号的强度和准确性[8]。

3.2.2 传感器性能参数
1、光源：红色LED。

2、响应时间： 20us（Fine模式）50us（Turbo模式）。

3、操作模式：光通光断（通过开关选择）。

4、电源： 12～24VDC±10％。

5、电流内耗：≦35mA
6、工作温度： -10～50℃。

7、工作湿度： 35～85％。

8、重量：约75g。

3.2.3传感器存在问题及使用。

在使用过程中，两检测光头之间的距离为25cm左右，对该传感器来说属于测量距离较大，为满足该使用环境要求，需要在各个光头上面安装放大器。

此外光纤传感器工作模式应该设定为TURBO模式，在该模式下，FS-M1H的检测距离可以扩大一倍。

该工作模式选择在传感器控制板上可以设定。

在使用中，我们采用的是光路通时传感器输出正电压信号，光路阻断时输出0电压信号，即通过在DARK ON和LIGHT ON选项中选择LIGHT ON 选项，设计方式同上。

在延时选项中，我们为保证测量实时性，不采取延时项，即选择Output timer OFF选项，设定方法如上[9]。

在测试过程中，为了达到最佳的测量效果，需要根据实际的工作状况来调整灵敏度，通过提供的Risin screw-driver来调整Sensitivity adjustment trimmer，来使输出信号达到最大有不出现误采集情况[10]。

传感器连接方式：
3.3 控制系统硬件设计
为满足工作过程中检测、控制的稳定性，保证检测结果的准确性，以及经济性，本设计控制系统的核心选择了PLC，本节对PLC进行相关的介绍。

3.3.1 PLC的相关信息
(l)PLC的定义
可编程序控制器(Programable Logic controller)是以微处理器为基础，
综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型通用工业自动控制装置。

它具有体积小、功能强、编程方便、可靠性高、耐恶劣环境能力强等优点，已广泛应用于工业自动化生产的各个领域，成为工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，与机器人技术、CADCAM并列称为工业生产自动化的三大支柱[11]。

国际电工委员会(IEC)对PLC定义如下:PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。

它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。

PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、易于扩展其功能的原则设计[12]。

(2)可编程序控制器的基本结构
从广义上讲，PLC是一种计算机系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，具有更适用于控制的编程语言，具有更适应工业环境的抗干扰性能。

其结构和计算机控制系统十分相似，一般由中央处理器(CPU)、存储器、输入输出(FO)接口、电源等部分组成。

由于PLC的中央处理器都是由微处理器、单片机或位片计算机组成，存储器和10部件也形式多样，因此也可将PLC的组成以微机控制系统常用的总线的结构形式表示，如图3.4所示。

由图可见PLC采用了典型的计算机结构，主要由CPU、存储器和FO 单元等三大部分组成，其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。

按照结构形式的不同，PLC还可以分为整体式结构和单元式结构。

区别在于整体式的结构将CPU、RAM、ROM、FO单元等组装成一个主体，构成主机。

单元式的结构组成PLC的各个部分都是高度集中的单元，分别做成
相应的电路板或模块，模块之间通过底板上的总线相互连接。

无论是那种结构类型的PLC，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量。

PLC的系统程序和用户程序都存放在存储器中，现场输入信号经过FO单元传送至CPU，CPU按照用户程序存储器里的指令，执行逻辑或算术运算，并发出相应的控制指令，该指令通过FO单元传送至现场，驱动相应的执行机构动作，从而完成相应的控制任务[13]。

(3)PLC的基本工作原理和主要技术指标PLC的工作方式与微型计算机的中断处理方式相比，有很大的不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，PLC则采用循环扫描的工作方式。

在PLC中，用户程序按先后顺序
存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。

PLC的扫描过程如图3.5所示。

这个过程分为数据输入及处理阶段、程序执行阶段、数据输出及处理阶段三个阶段。

整个过程进行一次所需的时间成为扫描周期。

在数据输入及处理阶段，PLC以扫描方式读入所有输入端的通断状态并存入输入到输入映像存储区中，接着转入用户程序执行阶段。

在非输入采样阶段，无论输入状态如何变化，输入映像存储区的内容都保持不变，直到进入下一个扫描周期的输入采样阶段，PLC才会将输入端的状态读入输入映像存储区中。

在程序执行阶段，根据梯形图程序先左后右、先上后下的扫描原则，顺序执行用户程序指令。

程序执行结果并不直接输出，而是将其写入输出映像存储区。

输出映像存储区中的每一位会随着程序执行的进程而变化。

输出数据及处理阶段，在户程序执行完，集中把输出映像存储区中的继电器通断状态传送至输出状态锁存器，再经输出驱动电路，进行隔离和功率放大，去驱动外部负载。

根据上述PLC的扫描工作过程，扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。

从PLC输入端有一个输入信号发生变化到输出端对该变化做出反应，需要一段时间，这段时间就称为PLC的响应时间或滞后时间。

影响FO滞后的主要原因有:输入滤波的时间常数，输出继电器的机械滞后，程序执行的时间，程序设计不当的附加影响等。

毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的，但是对某些FO快速响应的设备，则应采取相应的处理措施。

如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。

对用户来说，选择了一个PLC，合理的编制程序是缩短响应时间的关键[14]。

在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

1993年IEC也为PLC颁布可编程序控制器的国际标准
IEC1131。

国内PLC生产厂约三十家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。

国外主要以西门子、三菱和欧姆龙等厂家生产的PLC为主导。

以上我们称之为硬PLC。

本课题所用到的西门子
S7-200就是最具代表性的硬PLC之一。

过去个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人机接口终端，如果用于工业控制现场，必须使用加固型的工业个人计算机，一般称为工业控制计算机。

但随着个人计算机(PC)的价格越来越便宜，又有很强的数据运算、数据处理、通信和人机交互的功能，一种能在PC机上运行具有PLC 功能的软PLC也随之产生。

软PLC技术是近几年国际工业自动化领域逐渐兴起的一项基于PC的新型控制技术。

与传统硬PLC相比，软PLC具有更强的数据处理能力和强大的网络通讯能力并具有开放的体系结构[15]。