培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台

摘要

本实用新型公开了一种培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台，包括控制器，控制器分别连接工业自动化交互装置、变频器、工业自动化操作面板、电机驱动器及工业上位机控制系统，变频器还分别连接数码管和转速运动控制装置，电机驱动器还连接伺服运动控制装置，工业自动化操作面板还分别与伺服运动控制装置和转速运动控制连接。本实用新型综合了工业自动化、功率变换、运动控制、软件编程多个学科领域知识，提升了学生解决复杂工程问题的综合能力。

说明书

技术领域

本实用新型属于高等学校实验教学装置开发技术领域，涉及一种培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台。

背景技术

传统的教学装置存在以下弊端：1)控制方式和软件编程固化，工业自动化与教学领域结合不够紧密，教学实践与工业生产脱节，功率变换、运动控制、软件编程在教育教学领域不能够很好的结合，转速运动控制装置与伺服运动控制装置没有融合，教学装置没有设置创新能力提升环节，学生的综合能力和创新创业能力得不到很好的培养；2)与当下高速发展的工业需求现状不匹配，实验效果没有运用于工业实践，学生很难将所学知识应用于复杂的实际工业生产生活当中，与工业实际要求还有一定的差距，对于大学生创新能力与综合实践能力地培养效果不佳。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台，该平台综合了工业自动化、功率变换、运动控制、软件编程多个学科领域知识，提升了学生解决复杂工程问题的综合能力。

本实用新型所采用的技术方案是，培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台，包括控制器，控制器分别连接工业自动化交互装置、变频器、工业自动化操作面板、电机驱动器及工业上位机控制系统，变频器还分别连接数码管和转速运动控制装置，电机驱动器还连接伺服运动控制装置，工业自动化操作面板还分别与伺服运动控制装置和转速运动控制连接。

本实用新型的特点还在于：

数码管包括输出电压显示屏、输出电流显示屏、工作频率显示屏及转速显示屏。

工业上位机控制系统通过RS-485通讯线和控制器的RS-485通讯口相连接。

工业自动化交互装置与控制器通过SCI串口通讯连接。

变频器的输出端口U、V、W连接转速运动控制装置。

控制器为DSP控制器或PLC可编程控制器。

本实用新型的有益效果是，本实用新型融合了传统工业自动化、功率变换、运动控制、软件编程等多个领域，解决了传统工业教学控制系统单一，培养学生解决复杂工业控制问题的能力，从而激发学生的创新学习兴趣，提升大学生创新能力与综合实践能力，解决了传统实训平台对大学生创新能力与综合实践能力地培养效果不佳的问题。

附图说明

图1是本实用新型培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台的结构示意图；

图2是本实用新型培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台的面板结构示意图。

图中，1.输出电压显示屏，2.输出电流显示屏，3.工作频率显示屏，4.转速显示屏，5.工业自动化交互装置，6.启动按钮，7.故障&报警灯，8.停止按钮，9.急停旋钮，10.模式选择旋钮，11.示波器，12数字万用表，13.变频器，14.电机驱动器，17.工业上位机控制系统，18.转速运动控制装置，19.伺服运动控制装置，20.工业自动化操作面板，21.数码管，22.工业自动化交互模块，23.功率变换器，24.运动控制装置，25.控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台，结构如图1所示，包括工业自动化交互装置5、数码管21、工业自动化操作面板20、变频器13、电机驱动器14、工业上位机控制系统17、转速运动控制装置18、伺服运动控制装置19、控制器25。其中，控制器25为PLC可编程控制器或者DSP控制器。

控制器25作为该实训教学装置的控制核心，当控制器25为PLC可编程控制器时，PLC可编程控制器采用伟创公司的VC1-1614MAT可编程控制器；

当控制器25为DSP控制器时，DSP控制器采用研旭TMS320F28377D旗舰板DSP开发工业应用板。

工业上位机控制系统17通过RS-485通讯线和控制器25的RS-485通讯口相连接，实现工业上位机控制系统17和控制器25的通讯，工业上位机控制系统17通过在线编程的方式输出不同的控制指令给控制器25，从而达对整个实训教学装置的控制，工业上位机控制系统17采用东田工控机，型号为DT-4100-ZQ370MAV2，工控机包含4个RS-232接口，两个RS-485接口，满足本实用新型控制与通讯信号的输入输出；控制器25分别与工业自动化交互装置5、电机驱动器14、变频器13、数码管21、工业自动化操作面板20连接，用于实现工业自动化交互装置5输入输出信号处理、设置参数及工作状态的显示、控制电机驱动器的工作状态、控制变频器工作状态、控制面板继电逻辑、控制数码管实时数据显示等6项功能，其中，工业自动化交互装置5与控制器25通过SCI串口通讯连接(RS-232)，实现参数设置、显示输出温度、直流母线电压和电流以及工作状态等功能；变频器13与控制器25通过多个I/O口连接，控制器25控制变频器13的工作状态，从而达到控制转速运动控制装置18的运动状态；工业自动化操作面板20与控制器25通过I/O口连接，操作工业自动化操作面板20上的启动按钮6、停止按钮8、急停旋钮9以及模式选择旋钮10可以给控制器25输入控制信号，从而控制控制器25运行在不同的模式下；控制器25与电机驱动器14通过SCI串口通讯(RS-232)进行连接，从而达到控制器25控制伺服运动控制装置19的目的。

变频器13通过输出端口(U、V、W)控制转速运动控制装置18的工作状态，变频器13的输出端口(U、V、W)连接转速运动控制装置18，实现对转速运动控制装置18的驱动；数码管21通过与变频器13的I/O口相连接，实现变频器13运行状态参数的实时显示。电机驱动器14通过输出端口(U、V、W)驱动伺服运动控制装置19运行。

本实用新型培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台，控制面板示意图如图2所示，输出电压显示屏1、输出电流显示屏2、工作频率显示屏3、转速显示屏4、工业自动化交互装置5、启动按钮6、故障&报警灯7、停止按钮8、急停旋钮9、模式选择旋钮10、示波器11、数字万用表12、变频器13、电机驱动器14、控制器25、工业上位机控制系统17、转速运动控制装置18、伺服运动控制装置19、数码管21、工业自动化操作面板20。

输出电压显示屏1、输出电流显示屏2、工作频率显示屏3、转速显示屏4均包含在数码管21中；其中，输出电压显示屏1、输出电流显示屏2、工作频率显示屏3、转速显示屏4依次排列在面板结构的最上方，型号为SM4212，额定工作在5V/2A，为4位共阴极显示数码管，大小相等，大小均为112×40mm；在输出电压显示屏1、输出电流显示屏2、工作频率显示屏3、转速显示屏4下面是工业自动化交互装置5，工业自动化交互装置5采用液晶工业自动化交互装置，型号为VI-102AE，工业自动化交互装置5可以显示转速运动控制装置的转速、正反转以及环境温度等因素，大小为200×145mm；工业自动化操作面板20包括一个启动按钮6、一个故障&报警灯7、一个停止按钮8、一个急停旋钮9、一个模式选择旋钮10，启动按钮6型号为正泰CHNT绿色，停止按钮型号为正泰CHNT红色，故障&报警灯7型号为正泰CHNT ND16-22D，急停旋钮9型号为正泰CHNT NP2-BS542，模式选择旋钮10型号为CHNTBE101，在中间时模式没有选择，左旋为变频器13工作，右旋为电机驱动器14工作，按钮及旋钮大小均为直径为30mm的圆形；

工业自动化操作面板20下面是示波器11，型号为ZDS2024BPLUS，规格位303×131mm，示波器11通过外接香蕉线测试变频器13输入输出的电压电流波形；示波器11和数字万用表12在同一水平线上，数字万用表12采用正泰ZTW0111B，将示波器11与变频器13与电机驱动器14的输入输出端口相连接，可以测得输入输出的电压电流波形，将示波器11的两个接线端口和变频器13的模拟量输入输出端口和数字量的输入输出端口相连接，可以显示模拟量与数字量的输入输出波形；相类似的，将数字万用表12与变频器13与电机驱动器14的输入输出端口相连接，可以测得输入输出的电压电流波形；下面是变频器13、电机驱动器14、控制器25，在同一水平线上，从左向右依次为变频器13、电机驱动器14、控制器25，变频器13采用伟创公司的AC310-T3-004G-B-X变频器，额定电压：AC 380V，额定功率：4kW，额定电流：10.53A(有效值)，规格为：100×240×155mm；电机驱动器14采用伟创公司的SD700-3R3A-PA，额定电压：AC 220V，额定功率：0.4kW，额定电流：1.81A(有效值)；伺服运动控制装置19和转速运动控制装置18在实训教学装置的最下面，转速运动控制装置18采用台力380/220V卧式三相小金刚齿轮减速电机400W。伺服运动控制装置19型号为：VM7-L06A-R4030-D1。

本实用新型培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台的使用方法，当控制器25为PLC可编程控制器时，工作过程如下：

用户通过工业上位机控制系统17对控制器25进行在线编程处理，通过工业自动化操作面板20控制控制器25运行相应的驱动程序，当模式选择开关10左旋时，接收到指令后控制器25使得中间继电器工作，接触器闭合，控制变频器13工作，转速运动控制装置18随即被启动，在变频器13的带动下，转速运动控制装置18运转起来，工业自动化交互装置5显示PLC输入输出状态数据，通过电压霍尔采集转速运动控制装置18的电压值，传输到输出电压显示屏1显示转速运动控制装置的输入电压；通过电流霍尔采集转速运动控制装置18的电流值，传输到输出电流显示屏2显示转速运动控制装置18的输入电流；再通过编码器采集转速运动控制装置18的转速，传输到电机转速显示屏4显示转速运动控制装置18的转速。同理，当模式选择开关10右旋时，接收到指令后控制器25使得中间继电器工作，接触器闭合，控制电机驱动器14工作，伺服运动控制装置19随即被启动，在电机驱动器14的带动下，伺服运动控制装置19运转起来，工业自动化交互装置5显示电机驱动器14输入输出状态数据，通过电压霍尔采集伺服运动控制装置19的电压值，传输到输出电压显示屏1显示伺服运动控制装置19的输入电压；通过电流霍尔采集伺服运动控制装置19的电流值，传输到输出电流显示屏2显示伺服运动控制装置19的输入电流；再通过编码器采集伺服运动控制装置19的转速，传输到转速显示屏4显示伺服运动控制装置19的转速；示波器11和数字万用表12可测试变频器13或者电机驱动器14输入输出端口的电压、电流波形和幅值。最终实现控制器25对转速运动控制装置18和伺服运动控制装置19的控制。

当控制器25为DSP控制器时，本实用新型的工作过程如下：

用户通过工业上位机控制系统17控制器25进行在线编程处理，通过工业自动化操作面板20控制控制器25运行相应的驱动程序，当模式选择开关10左旋时，接收到指令后控制器25使得中间继电器工作，接触器闭合，控制变频器13工作，转速运动控制装置18随即被启动，在变频器13的带动下，转速运动控制装置18运转起来，工业自动化交互装置5显示DSP输入输出状态数据，通过电压霍尔采集转速运动控制装置18的电压值，传输到输出电压显示屏1显示转速运动控制装置的输入电压；通过电流霍尔采集转速运动控制装置18的电流值，传输到输出电流显示屏2显示转速运动控制装置18的输入电流；再通过编码器采集转速运动控制装置18的转速，传输到转速显示屏4显示转速运动控制装置18的转速。同理，当模式选择开关10右旋时，接收到指令后控制器25使得中间继电器工作，接触器闭合，控制电机驱动器14工作，伺服运动控制装置19随即被启动，在电机驱动器14的带动下，伺服运动控制装置19运转起来，工业自动化交互装置5显示电机驱动器14输入输出状态数据，通过电压霍尔采集伺服运动控制装置19的电压值，传输到输出电压显示屏1显示伺服运动控制装置19的输入电压；通过电流霍尔采集伺服运动控制装置19的电流值，传输到输出电流显示屏2显示伺服运动控制装置19的输入电流；再通过编码器采集伺服运动控制装置19的转速，传输到电机转速显示屏4显示伺服运动控制装置19的转速；示波器11和数字万用表12可测试变频器13或者电机驱动器14输入输出端口的电压、电流波形和幅值。最终实现控制器25对转速运动控制装置18和伺服运动控制装置19的控制。

本实用新型培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台，提高了学生操作的能力；本实用新型综合工业自动化、功率变换、运动控制、软件编程多个学科领域知识，提升学生解决复杂工程问题的综合能力和高级思维。

本实用新型提出的培养运动控制与功率变换工业化技能的实验教学平台，可以在不同的教学环境下，将转速运动控制装置和伺服运动控制装置两种装置有机融合可以给学生展示不同的运动特性；同时，本实用新型与工业上位机控制系统连接，教学装置和工业产品级装置相融合，实现了数据的实时传输，可进行在线编程，实现了控制系统的在线编程，融合了传统工业自动化、功率变换、运动控制、软件编程等多个学科领域，提升实验的综合性及高阶性，培养学生工程素养和工业化技能，解决了传统实训平台对大学生创新能力与综合实践能力的培养效果不佳的问题。