摘 要
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，清潔器從最初的高科技發(fā)展到了現(xiàn)在家家必備的小家電。同時(shí)，由于我們生活質(zhì)量的提高，對(duì)產(chǎn)品的精神和審美上的需求也逐漸提升，所以現(xiàn)代社會(huì)越來越看重人性化設(shè)計(jì)，于是出現(xiàn)了以人為本和為生活而設(shè)計(jì)的思想。多方面考慮產(chǎn)品的適用人群、使用環(huán)境以及產(chǎn)品給人們精神上和心理上的感受，這已然成為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心問題。
本篇設(shè)計(jì)對(duì)集塵筒蓋彈射開關(guān)、過濾網(wǎng)罩和螺旋進(jìn)風(fēng)口的部件做出了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，解釋了它的結(jié)構(gòu)難點(diǎn)與設(shè)計(jì)過程，其相關(guān)尺寸計(jì)算忽略。
關(guān)鍵詞：多功能清潔器；旋風(fēng)分離技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；流體
III
Abstract
With the development of science and technology, cleaner is from the initial high-tech development to the small home appliance every necessary now. Because of our quality of life improved, people’s spirit of the product and the aesthetic demand is gradually increasing. Modern society is more and more emphasis on the humanized design, so the people-oriented and design ideas for life are becoming. Thinking products applicable people, using the environment, and giving people spiritual and psychological feelings, has become the core problem of product design.
The article ejection switch on the dust cover, filter cover and spiral air intake parts to make a brief design, described the structure of difficulty with the design process, the size calculation is omitted.
Key words：Multi-function vacuum cleaner; cyclone separation technology; structural design; fluid analysis
IV
目 錄
Abstract IV
1 緒 論 1
1.1 課題背景 1
1.2吸塵器的現(xiàn)狀 2
1.3 智能吸塵器造型的風(fēng)格 3
1.4 新型智能吸塵器的發(fā)展前景 4
1.5課題研究目的及意義 4
2 家用清潔器的改進(jìn)優(yōu)化概述 7
3 清潔器整體方案設(shè)計(jì) 8
3.1 清潔器的組成和分類 8
3.1.1清潔器的組成 8
3.2 清潔器的整體分析 8
3.2.1清潔器的性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn) 8
3.2.2清潔器的工作原理 8
3.3 清潔器電機(jī)選擇 9
4 清潔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 10
4.1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
4.1.1旋風(fēng)分離原理 10
4.1.2旋風(fēng)分離器的性能參數(shù) 11
4.1.3旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸定型 12
4.2 風(fēng)葉輪設(shè)計(jì) 15
4.2.1風(fēng)葉輪的結(jié)構(gòu)選型 15
4.2.2風(fēng)葉輪的理論設(shè)計(jì) 16
4.2.3風(fēng)葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)確定 18
4.3 過濾網(wǎng)罩設(shè)計(jì) 20
4.4 螺旋進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì) 23
4.5 小結(jié) 23
5 基于PLC的電機(jī)調(diào)速 24
5.1 直流電機(jī)五大優(yōu)勢(shì) 25
5.2 PWM調(diào)速模塊設(shè)計(jì) 26
5.3 PWM控制的原理 28
5.4 S7-200PLC實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速 28
6 總 結(jié) 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 44
II
第一章 緒論
1 緒 論
1.1 課題背景
隨著人們的生活不斷改善，對(duì)家居衛(wèi)生的要求也越來越高，室內(nèi)室外的衛(wèi)生越來越引起人們的注意。由此，清潔器應(yīng)運(yùn)而出，它是怎樣被人們了解并運(yùn)用的呢？下面讓我們一起來研究它：
在20世紀(jì)初的英國(guó)帝國(guó)音樂廳，一位叫布斯的工程師參觀了一場(chǎng)車廂除塵器的示范表演。這種清潔器用壓縮空氣把灰塵吹入封閉容器內(nèi)，布斯認(rèn)為這種方法并不嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)樵S多灰塵沒能吹入容器。于是，他從反方向出發(fā)，做了個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)：用口對(duì)著蓋在椅子扶手上的手帕吸，結(jié)果手帕神奇的沾上了一層灰。受此啟發(fā)，他初步發(fā)明了清潔器，用強(qiáng)力電泵把空氣吸入軟管，再把布袋當(dāng)成過濾網(wǎng)過濾灰塵。當(dāng)年8月布斯申請(qǐng)得到專利，并組建了真空清潔公司，他在車上裝上用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的真空泵，招收工作人員挨家挨戶把幾條長(zhǎng)軟管從窗子伸進(jìn)房間清潔，為居民清潔服務(wù)。
最早設(shè)計(jì)的清潔器是直立式的。1913年瑞典斯德哥爾摩的溫勒·戈林發(fā)明了橫罐形真空清潔器
2002年，美國(guó)的iRobot 公司發(fā)明了智能清潔的機(jī)器人。在智能清潔器的基礎(chǔ)上各大公司開始設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品。
1.1.1清潔器的分類
目前民用清潔器主要分為以下幾大類：
1)臥式清潔器
其特點(diǎn)是外形小巧，存放方便。臥式清潔器也分為“塵盒式清潔器”和“塵袋式清潔器”
2)立式清潔器
西方市場(chǎng)比較常見，適用于面積比較廣的地毯清潔。
3)手持式清潔器
體積很小，攜帶非常便捷，一般用于清潔小空間，例如對(duì)鍵盤，電器等有很好的效果。缺點(diǎn)是功率不大，吸力很小，不能完全清除臟物。
4)桶式清潔器
一般用作商用清潔器，大多用在公共場(chǎng)所，優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)空間大，能吸液體。
5)桿式清潔器
近幾年比較常見，大多是需要充電的，特點(diǎn)是小巧，操作簡(jiǎn)單。
6)機(jī)器人清潔器
高端清潔器，可自動(dòng)清潔衛(wèi)生甚至充電，但清潔效果有限，不太適合非常邋遢的環(huán)境。
1.1.2清潔器造型發(fā)展的分類
1)立體式
大小上，有一個(gè)變小的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在塵倉(cāng)的體積容量上還有下端入塵口的體積容量上。整體外觀方面，線條柔和，并在逐步的完善。
2)桶式
造型從原始的桶裝變成更接近家用的外形，工業(yè)專用的特點(diǎn)漸漸變少，造型上親和力逐步增強(qiáng)。
3)臥式
從外觀來說，柔和的曲線，明顯的統(tǒng)一性，講究細(xì)節(jié)處理，顏色時(shí)尚，材質(zhì)多變。
4)手持式
手持式的便攜清潔器在外觀上做了極大的改變，體積明顯減小。增加了手持把手，使得與形體的聯(lián)系性增強(qiáng)了，配色與材料上也有了極大的不同。
清潔器造型上的發(fā)展主要有體感量減小，造型的曲線流暢感增強(qiáng)，顏色搭配的時(shí)尚感增強(qiáng)以及材質(zhì)感增強(qiáng)等特點(diǎn)。
1.2吸塵器的現(xiàn)狀
從國(guó)際市場(chǎng)來說，中國(guó)無疑是世界上最大的生產(chǎn)基地。中國(guó)年出口量最大達(dá)到了5000萬臺(tái)，出口的目標(biāo)主要是針對(duì)歐洲、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。然而在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)調(diào)研顯示，吸塵器銷售還沒達(dá)到300萬臺(tái)，顯然與出口形成了巨大的反差，跟其他小家電比還差得很遠(yuǎn)[1]。
在傳統(tǒng)吸塵器里，對(duì)于普通家庭而言，它們的體積還是稍微過大，而且還有很長(zhǎng)的接線，使用起來難免會(huì)被絆到。對(duì)于室內(nèi)很多細(xì)小的地方也是很難利用到它的價(jià)值，在消費(fèi)者而言，這也是困擾它們?nèi)ベ?gòu)買吸塵器的問題之一。
由此可見，中國(guó)消費(fèi)者沒有完全意識(shí)到吸塵器的功能及其使用價(jià)值，現(xiàn)代新型智能吸塵器的出現(xiàn)會(huì)解決很多消費(fèi)者所顧慮的問題，所以當(dāng)消費(fèi)者一旦意識(shí)到其使用的價(jià)值之后，吸塵器產(chǎn)品的市場(chǎng)將會(huì)打開，人們對(duì)清潔器的需求將是巨大的。如圖1.2
圖1.2
1.3 智能吸塵器造型的風(fēng)格
產(chǎn)品設(shè)計(jì)不是一項(xiàng)十分簡(jiǎn)單的項(xiàng)目，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)師須發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，把科技與藝術(shù)、技術(shù)與人相結(jié)合，來設(shè)計(jì)滿足人們各方面需要的產(chǎn)品?，F(xiàn)代的新型的造型風(fēng)格與傳統(tǒng)吸塵器的造型風(fēng)格大不相同，傳統(tǒng)吸塵器造型大多都一樣。現(xiàn)代新型吸塵器大多數(shù)都已經(jīng)摒棄了傳統(tǒng)吸塵器的造型，出現(xiàn)了眾多風(fēng)格各異和不同內(nèi)涵的造型風(fēng)格。多數(shù)以不同的幾何形態(tài)組合成造型，來沖擊我們的視覺，同時(shí)帶給我們情感上不同的反應(yīng)。
從情感上來講，曲線代表溫柔委婉的情感，讓人感到溫馨和親切。所以在設(shè)計(jì)產(chǎn)品中，融入人性化的特點(diǎn)，就像人的身體，好的曲線感更能帶來人們的欣賞。產(chǎn)品的形態(tài)也是一樣，好的造型就可以成為經(jīng)典，如可口可樂公司設(shè)計(jì)的可樂瓶，就是根據(jù)女人的身體的曲線來設(shè)計(jì)，滿足了人們的審美需求，這個(gè)造型也因此成為人類經(jīng)典的設(shè)計(jì)。親民的設(shè)計(jì)是現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展趨向，吸塵器也由此出現(xiàn)眾多人性化的設(shè)計(jì)風(fēng)格，大致表現(xiàn)在功能和外觀兩個(gè)方面。
吸塵器在功能上的人性化不再類似于傳統(tǒng)的吸塵，吸塵器加入了電腦芯片，所以控制變得智能化。里面的工作方式豐富，可以吸灰塵，粉塵，玻璃屑等固體，甚至還可以吸液體，這是現(xiàn)代設(shè)計(jì)在產(chǎn)品性能上的一個(gè)轉(zhuǎn)折，放棄了傳統(tǒng)的固有因素，加入很多新的元素，使得現(xiàn)代吸塵器產(chǎn)品滿足人們的需要、符合我們生活狀況，這也賦予了產(chǎn)品的人情味，也就說明了產(chǎn)品的親和力大大增強(qiáng)。
在外型上首先得給消費(fèi)者視覺上的震撼，產(chǎn)品的配色和外型一般會(huì)使人們更容易接受，受此啟發(fā)，設(shè)計(jì)師們合理應(yīng)用配色和造型，以及人們潛在精神上的影響，根據(jù)消費(fèi)者的選擇不同來設(shè)計(jì)不同的方式。新型吸塵器拋棄了復(fù)雜繁瑣的接線頭，添加了蓄電池，使得造型更具有親和力，外觀上采用曲線、直線或多種幾何形狀的組合，給人視覺上的沖擊，使得消費(fèi)者的審美需求和心理得到滿足。如圖1.3：
圖1.3智能吸塵器
1.4 新型智能吸塵器的發(fā)展前景
放眼看整個(gè)小家電的市場(chǎng)，吸塵器沒有非常強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，但這并不能說明吸塵器缺乏市場(chǎng)需求量，它的潛力是巨大的。
上文提到，中國(guó)的吸塵器出口量和消費(fèi)量的差別巨大，從數(shù)據(jù)分析，國(guó)內(nèi)消費(fèi)智能吸塵器的能力還是很大的。因?yàn)閷?duì)于新型智能吸塵器的功能，消費(fèi)者還沒有完全明白和理解，所以國(guó)內(nèi)的消費(fèi)量不高。但現(xiàn)代社會(huì)提倡的環(huán)保、以人為本，使人們更加注重環(huán)境的健康，因而智能吸塵器的發(fā)展前景無疑是十分廣闊的。
1.5課題研究目的及意義
本篇畢業(yè)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)出一個(gè)操作簡(jiǎn)單、功能多樣、外觀時(shí)尚、具有一定風(fēng)格的手持式家用多功能清潔器。
目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的家用清潔器大部分功能單一，使用不方便，經(jīng)常得清洗過濾網(wǎng)。因此，本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品面對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)如下：
1)能夠把清潔、除濕和一些附加功能等常用功能一體化，增加清潔器的使用功能。
2)通過多功能清潔器的設(shè)計(jì)，提高使用清潔器的工作效率，減輕使用時(shí)的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，提高生活質(zhì)量。
3)該清潔器體型比較小，不重，方便攜帶，有著巨大的實(shí)用價(jià)值和性價(jià)比，可以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，投入市場(chǎng)。
本次課題設(shè)計(jì)難點(diǎn)：
1)工業(yè)旋風(fēng)除塵技術(shù)如何引入到家電產(chǎn)品中；
2)對(duì)風(fēng)葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；
5
第二章 家用清潔器的改進(jìn)優(yōu)化概述
2 家用清潔器的改進(jìn)優(yōu)化概述
在目前市場(chǎng)上，大部分的清潔器只有清潔功能，功能比較簡(jiǎn)單，只有少數(shù)清潔器具有附屬功能（吸濕）。然而現(xiàn)有清潔器的吸濕功能只能吸收少量的水，若吸收大量的水，將會(huì)對(duì)電機(jī)造成極大的損害，破壞整個(gè)清潔器系統(tǒng)。那么在面對(duì)家庭中地面積水較多的地方，如何清理呢？清洗后，如何迅速使環(huán)境變得干燥呢？這些問題都是我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常碰到的問題，為了解決此類問題，多功能清潔器就派上用場(chǎng)了。
多功能清潔器在風(fēng)葉輪與電機(jī)之間設(shè)置擋板，以便保護(hù)機(jī)器，隔開了電機(jī)與水接觸。這樣就可以有效地保護(hù)清潔器的電機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)在清潔器正常工作時(shí)，由于擋板的阻礙，水繞開電機(jī)進(jìn)入后殼體的集塵筒中，完成吸水工作。烘干功能的實(shí)現(xiàn)，直接在清潔器的排風(fēng)口末端套接吹風(fēng)管便可以實(shí)現(xiàn)。多功能清潔器可以同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)，如清潔、清掃、清洗和烘干。從而避免了用戶購(gòu)買一個(gè)單一的洗滌或干燥的功能機(jī)器的麻煩，使家務(wù)勞動(dòng)更容易、更輕松的完成。提高了工作效率，也節(jié)省體力勞動(dòng)和時(shí)間。
7
第三章 清潔器整體方案設(shè)計(jì)
3 清潔器整體方案設(shè)計(jì)
3.1 清潔器的組成和分類
3.1.1清潔器的組成
清潔器主要由吸頭、集塵分離裝置、負(fù)壓裝置三部分組成，一般包括串激整流子電動(dòng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)、濾塵網(wǎng)和清潔附件。
1)吸頭 根據(jù)使用場(chǎng)合，吸頭有多種化：電動(dòng)吸頭、磨光吸頭、扁吸嘴。電動(dòng)吸頭一般用于清除毛毯污物而設(shè)計(jì)的，一般分為粗毛刷、細(xì)毛刷、轉(zhuǎn)動(dòng)毛刷；磨光吸頭則運(yùn)用于清除表面光滑的物體，避免在使用清潔器過程中，留下刮痕印跡。扁吸嘴常用于一些很難操作的除塵死角。
2)集塵分離裝置 通過市場(chǎng)調(diào)研分析，現(xiàn)有的家用集塵分離裝置大致分為以下四種：濾紙過濾、無紡布過濾、水平式旋風(fēng)過濾（帶濾芯）、立式旋風(fēng)分離。
3)負(fù)壓裝置 通過離心風(fēng)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓。
4)排氣消音裝置 通過消音棉，網(wǎng)孔，氣體順暢流出。
3.2 清潔器的整體分析
3.2.1清潔器的性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)
清潔器功率： 一般清潔器的功率在400~1000W左右，家用清潔器的功率一般小于250W。清潔器的性能體現(xiàn)主要是在于功率的大小。
噪音系數(shù)： 清潔器的噪音包括三部分：空氣噪音、機(jī)械噪音和電磁噪音。電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，噪音一般應(yīng)該控制在50分貝以下，但是市場(chǎng)上的大部分清潔器噪音超過了60分貝。
3.2.2清潔器的工作原理
使用清潔器的最終目的是清除家庭環(huán)境內(nèi)地面、墻面以及家具織物的表面的污垢或者灰塵。清潔器工作原理是使用直流或交流電機(jī)作為原動(dòng)力，當(dāng)電源接通的時(shí)候，電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)葉輪會(huì)得到一定的能量，產(chǎn)生吸氣的作用，最后氣流從高速旋轉(zhuǎn)的葉片后排出。在這個(gè)時(shí)候，位于風(fēng)葉輪前端清潔器的內(nèi)部的空氣由于風(fēng)葉輪的不停高速旋轉(zhuǎn)，氣流源源不斷的補(bǔ)充到風(fēng)葉輪中，形成了清潔器內(nèi)部瞬時(shí)真空。因而，使得外界和清潔器內(nèi)部產(chǎn)生極高的負(fù)壓差，即形成了一定的空氣吸力。通過一些輔助裝置吸口、導(dǎo)管等把充滿灰塵和臟物的空氣吸入清潔器內(nèi)部中。清潔器內(nèi)部設(shè)置有過濾器，過濾器把灰塵和污垢都留在集塵筒中，過濾后的潔凈空氣流經(jīng)風(fēng)葉輪，進(jìn)入后殼的電機(jī)出口排出，重新進(jìn)入空氣中。
3.3 清潔器電機(jī)選擇
直流電機(jī)分有兩類：直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)。通常情況下，電機(jī)，電磁中心，被稱為轉(zhuǎn)子圍繞定子的永久磁鐵，被轉(zhuǎn)移到一個(gè)電流正交放置的永磁定子通過碳電刷轉(zhuǎn)子線圈。這將創(chuàng)建一個(gè)電磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)包含永久磁鐵，有兩種類型的無刷電機(jī)，inrunners和outrunners。轉(zhuǎn)子的永久磁鐵安裝在電機(jī)的外殼。無刷電機(jī)的不同特點(diǎn)：無刷電機(jī)一般比普通電機(jī)具有更高的效率，他們有更小的尺寸從而導(dǎo)致更低的材料成本。然而，無刷電機(jī)的生產(chǎn)更昂貴，還需要更先進(jìn)的轉(zhuǎn)向裝置。
通過類比以上兩種電機(jī)性能得出表3-3：
表3-3 有限與無刷電機(jī)對(duì)比
電機(jī)類型
噪聲
使用壽命
價(jià)格
是否需接驅(qū)動(dòng)器
直流有刷電機(jī)
大
一般（電刷易磨損）
便宜
否
直流無刷電機(jī)
極小
長(zhǎng)
昂貴
是
目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上大部分的家用清潔器的電機(jī)都采用的是普通直流電機(jī)（即有刷電機(jī)），然而，根據(jù)本課題設(shè)計(jì)意圖以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要，若采用普通直流電機(jī)無法達(dá)到要求，綜合考慮，采用直流無刷電機(jī)。
其型號(hào)參數(shù)如下：
型號(hào)：57BL-0880N1-LSB
功率：80W
額定電壓：24V(DC)
額定轉(zhuǎn)速：8000 rpm
額定轉(zhuǎn)矩：0.095 N?m
額定電流：6.2A
最大電流：12.4A
極對(duì)數(shù)：5
重量：0.8Kg
適配驅(qū)動(dòng)器：BL-0804 V1.5
9
第四章 清潔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
4 清潔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
旋風(fēng)分離器是目前應(yīng)用最廣泛的氣固分離裝置之一。
4.1.1旋風(fēng)分離原理
1)灰塵及臟物從圓筒上方如圖4.1的入口處進(jìn)入,沿著圓筒內(nèi)壁作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2)固體的離心力較大，被甩向外層，氣流在內(nèi)層。氣體和固體得以分開。
3)在下半部分的圓錐，因?yàn)樾D(zhuǎn)半徑變小而切向速度變大，含塵氣體作下螺旋運(yùn)動(dòng)。
4)在圓錐的底部附近，氣流變上升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后由上部出口芯管排出；
5)固體沿內(nèi)壁落入灰斗。
旋風(fēng)分離器的構(gòu)造不是十分復(fù)雜，價(jià)格也不昂貴，沒有運(yùn)動(dòng)部件，操作范圍廣泛，不受外界因素限制，分離效率高。一般用于除去直徑5um以上的塵粒，如果煙塵的直徑小于5um，旋風(fēng)分離器的效率就會(huì)很低了，需要用濕法或袋濾器捕集。最大的不足就是阻力比較大、容易被磨損[2]。
圖4.1 具有切向入口的逆流式筒錐型旋風(fēng)分離器示意圖
切流式旋風(fēng)分離器的幾何尺寸主要有以下七個(gè)尺寸[3]：
1) 旋風(fēng)分離器本身直徑(指分離器簡(jiǎn)體截面的直徑)， D ；
2) 旋風(fēng)分離器總高（從分離器頂板到排塵口），H ；
3) 升氣管直徑，DX ；
4) 升氣管插入深度（從分離空間頂板算起），S ；
5) 入口截面的高度和寬度，分別為a 和 b ；
6)錐體段高度，Ha ；
7)排塵口直徑，Dd ；
4.1.2旋風(fēng)分離器的性能參數(shù)
在達(dá)到氣體處理量這個(gè)條件的基礎(chǔ)上，判定旋風(fēng)分離器性能主要有兩方面，一是粉塵顆粒的分離性能，二是氣體經(jīng)過旋風(fēng)分離器的壓強(qiáng)降。
1)分離性能
分離性能的好壞可以用完全分離下來的最小顆粒尺寸來判定：一是臨界粒徑dc，二是分離效率η。
(1)：臨界粒徑dc：指旋風(fēng)分離器能完全除掉的最小顆粒直徑。
假設(shè)：在容器內(nèi)固體與氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)為層流；顆粒在分離器內(nèi)的切線速度恒等于進(jìn)氣處的氣流速度ui；顆粒沉降所穿過的最大距離為進(jìn)氣口寬度B，由此可得臨界粒徑dc的估算式：
dc=(9μB /πNeρsui)1/2 (4.1)
其中：B是旋風(fēng)分離器進(jìn)口管的寬度，標(biāo)準(zhǔn)型B=D/4；
Ne：氣流的有效旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，一般0.5～3，標(biāo)準(zhǔn)型3～5，通常取5；
ui：進(jìn)口氣體的速度(m/s)；
μ: 氣體粘度；
ρs: 固體的密度。
dc與分離效率成反比，由估算式可見dc與D成正比，即效率與D成反比。當(dāng)氣體處理量很大，又需要較高的分離效果時(shí)，常將幾個(gè)進(jìn)口管寬度比較小的旋風(fēng)分離器并聯(lián)使用，稱為旋風(fēng)分離器組。而且氣體粘度也與分離效率成反比。
(2)：分離效率：有兩種表示方法
*總效率：指被除去的顆粒占?xì)怏w進(jìn)入旋風(fēng)分離器時(shí)帶入的全部顆粒的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)
η0=（C1-C2）/C1 (4.2)
其中：C1：旋風(fēng)分離器入口氣體含塵濃度；
C2：旋風(fēng)分離器出口氣體含塵濃度。
總效率是最普遍也是最容易測(cè)量的分離效率，其不足是無法表明它對(duì)不同粒子的不同分離效果。
*粒級(jí)效率：指按顆粒大小分別表示出其被分離的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]。
含塵氣體中的顆粒通常是有大有小的，這些顆粒通過旋風(fēng)分離器后，顆粒被分離下來的百分率隨著它的尺寸也不同。通常把氣流中所含顆粒的尺寸大小分為幾個(gè)等級(jí)，則其中平均粒徑為di的第i小段范圍顆粒的粒級(jí)效率定義為：
ηpi=（C1i-C2i）/C1i (4.3)
不同粒徑的顆粒，其粒級(jí)效率是不同的。根據(jù)臨界粒徑的定義，粒徑不小于臨界粒徑dc的顆粒，ηp=100%。分割直徑是粒級(jí)效率為50%的顆粒：
d50=0.27［μD/ui（ρＳ－ρ）］1/2 (4.4)
對(duì)于完全相同的旋風(fēng)分離器，都可以運(yùn)用同一條粒級(jí)曲線。標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的ηp與d/d50的關(guān)系：
總效率η0=Σxiηpi，xi為進(jìn)口處第i段顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分率。
2)旋風(fēng)分離器的壓強(qiáng)降
壓強(qiáng)降可表示為進(jìn)口氣體動(dòng)能的倍數(shù)：
Δp=ξρui2/2 (4.5)
其中：ξ為阻力系數(shù)，對(duì)于同樣的旋風(fēng)分離器，ξ為常數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器ξ=8，一般500～2000Pa。
考慮到家用清潔器的大小，我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器加以優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種新的結(jié)構(gòu)樣式[5]。如圖4.2所示：
圖4.2 旋風(fēng)分離器剖視圖
4.1.3旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)尺寸定型
選擇旋風(fēng)分離器時(shí)，首先應(yīng)分析分離含塵氣體的具體內(nèi)容，再依據(jù)各類設(shè)備的特點(diǎn)，選擇旋風(fēng)分離器的類型，而后通過計(jì)算決定尺寸與個(gè)數(shù)。計(jì)算的主要依據(jù)上面分析過了，分別是含塵氣的體積流量，要求達(dá)到的分離效率和允許的壓力降。
本旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)現(xiàn)有旋風(fēng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，再對(duì)其做相關(guān)數(shù)據(jù)分析，以此達(dá)到清潔器整體尺寸和除塵要求。
1)旋風(fēng)分離器的D參數(shù)確定：
假設(shè)在900 m3/s總風(fēng)量下，通過計(jì)算旋風(fēng)分離器分離效果得出D尺寸：
一臺(tái)旋風(fēng)分離器：
取Δp=1460Pa，ξ=5.3，允許的最大氣速：ui=(2Δp/ξρ)1/2=22.4m/s；
取dc=6μm，Ne=5，進(jìn)氣口寬度hB=Vs/ ui = D2 /8；
D=0.299m；
D=4B, B=0.075m；
入口高度 h=D/2=0.150m；
處理量= ui Bh=0.252 m3/s；
臨界粒徑dc的顆粒d50=0.27［μD/ui（ρＳ－ρ）］1/2=3.6μm；
d/ d50 =1.67；
查詢手冊(cè)可知，η為0.84。
兩臺(tái)旋風(fēng)分離器并聯(lián)：
取Δp=1460Pa，ξ=5.3，允許的最大氣速：ui=(2Δp/ξρ)1/2=22.4m/s；
取dc=6μm，Ne=5，進(jìn)氣口寬度hB=Vs/ ui = D2 /8 ；
D=0.211m；
D=4B B=0.053m；
入口高度 h=D/2=0.106m；
處理量= ui Bh=0.126 m3/s；
臨界粒徑dc的顆粒d50=0.27［μD/ui（ρＳ－ρ）］1/2=3.0μm；
d/ d50 =2；
查詢手冊(cè)可知，η為0.9。
六臺(tái)旋風(fēng)分離器并聯(lián)：
取Δp=1460Pa，ξ=5.3，允許的最大氣速：ui=(2Δp/ξρ)1/2=22.4m/s；
取dc=6μm，Ne=5，進(jìn)氣口寬度hB=Vs/ ui = D2 /8；
D=0.036m；
D=4B B=0.037m；
入口高度 h=D/2=0.018m；
處理量= ui Bh=0.062 m3/s；
臨界粒徑dc的顆粒d50=0.27［μD/ui（ρＳ－ρ）］1/2=2.5μm；
d/ d50 =2.4；查詢手冊(cè)可知，η為0.93。
通過以上分離性能校核，最終確定采用了六個(gè)小旋風(fēng)分離器并聯(lián)除塵。
圖4.3 粒級(jí)效率η與顆粒直徑比d/dc的關(guān)系曲線圖
2)旋風(fēng)分離器其它參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算：
圖4.4
通過查閱相關(guān)手冊(cè)，標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器各個(gè)尺寸間關(guān)系如圖4.4所示。由(1)中已確定了D=36 mm，則：
h=D/2=18mm， H1=2*D=72mm, H2=2*D=72mm,
S=D/8=45mm， D1=D/2=18mm，D2=D/4=9mm，
為了適應(yīng)加工工藝要求，本設(shè)計(jì)的旋風(fēng)分離器，把螺旋進(jìn)風(fēng)口單獨(dú)分開，因此，必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)器所計(jì)算出的尺寸進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的尺寸如表4-2。
表4-2 旋風(fēng)器尺寸參數(shù)
H1
13
H2
80
錐角
10°
由1)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，可知最終采用六個(gè)并聯(lián)式的旋風(fēng)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)圖如圖4.5所示。
圖4.5 六旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)圖
4.2 風(fēng)葉輪設(shè)計(jì)
4.2.1風(fēng)葉輪的結(jié)構(gòu)選型
按葉片結(jié)構(gòu)分類
1)前向式 風(fēng)機(jī)葉片朝向葉輪旋轉(zhuǎn)方向彎曲，葉片的出口安裝角>90°。在相同風(fēng)量下，它的風(fēng)壓最高。
2)徑向式 風(fēng)機(jī)葉片朝徑向伸出，=90°，其性能介于前式和后式之間。
3)后向式 葉片彎曲方向和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，<90°與前兩種風(fēng)機(jī)相比，在同樣的流量下，它的風(fēng)壓最低，效率最高，噪聲小。
葉片形式不同的風(fēng)機(jī)其性能比較如表4-3。
表4-3 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)
形式
前向
徑向
后向
出口安裝角
>90°
90°
<90°
理論壓力
大
中
小
動(dòng)壓
>靜壓
=靜壓
<靜壓
多葉
窄輪
直板
前彎
單板
機(jī)翼
流量系數(shù)
0.3~0.6
0.05~0.3
0.1~0.3
0.05~0.2
0.05~0.35
0.1~0.35
壓力系數(shù)
0.9~1.2
0.7~0.9
0.55~0.75
0.55~0.75
0.3~0.6
0.3~0.6
效率
0.6~0.78
0.7~0.88
0.7~0.88
0.7~0.88
0.75~0.9
0.75~0.92
0.6~0.6
0.05~0.3
0.1~0.3
0.05~0.2
0.05~0.35
0.1~0.35
比較速度
50~100
10~50
30~60
25~50
40~80
50~80
特性及適用范圍
體積小，轉(zhuǎn)速低，噪聲低，適用于空調(diào)儀表
轉(zhuǎn)速高，壓力高，噪聲高，適用于阻力大的系統(tǒng)
葉片簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速低，適用于農(nóng)機(jī)和排塵系統(tǒng)
轉(zhuǎn)速高，適用于冶金、排塵和燒結(jié)
效率較高，噪聲較小，適用于鍋爐、空調(diào)、礦井、建筑、排塵系統(tǒng)等
綜上對(duì)比分析，本課題所采用的葉輪結(jié)構(gòu)為后向式圓弧葉片、弧線前盤的葉輪[6]。
4.2.2風(fēng)葉輪的理論設(shè)計(jì)
葉輪是風(fēng)機(jī)的最主要部件, 風(fēng)機(jī)能否獲得所需要的真空度和風(fēng)量, 與葉輪的設(shè)計(jì)有極大關(guān)系。葉輪的設(shè)計(jì)要考慮到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸入功率(影響規(guī)格要求)及壽命等因素[7]。
根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的歐拉方程式, 無限多葉片葉輪的理論真空度為：
(Pa) (4.6)
式中: ：空氣密度, 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí) = 1.2( kg /m3 ) ;
u2 ：葉輪出口圓周速度, ( m/s )；
u1 ：葉輪入口圓周速度, ( m/s )；
C 2u ：葉輪出口的絕對(duì)圓周分速度,( m/s)；
C1u ：葉輪出的絕對(duì)圓周分速度,( m/s)。
對(duì)于清潔器風(fēng)機(jī)，氣體呈90°進(jìn)入葉片，此時(shí)，C1u，且,則（4.6）式變成：
(4.7)
式中：C2r ：葉輪出口的絕對(duì)徑向分速度，（m/s）；
β2A ：葉片的出口安裝角度。
流經(jīng)葉輪的理論風(fēng)量為：，
即 (4.8)
式中：QT ：風(fēng)機(jī)的理論風(fēng)量, ( m3/s)；
D2 ：葉輪的出口直徑,( m )；
B2 ：葉輪的出口寬度,( m )。
將（4.8）式代入（4.7）式得：
(4.9)
清潔器在一定轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，由（4.9）式知，和的關(guān)系曲線是一條直線，見圖4.6的曲線Ⅰ。其它參數(shù)確定后，此直線的斜率決定于葉片出口的安裝角的大小[8]。
圖4.6 風(fēng)葉輪的真空度衰減特性曲線圖
Ⅰ--無限多葉片的理論真空度曲線；
Ⅱ--有限多葉片的理論真空度曲線；
Ⅲ--考慮流動(dòng)損失后的真空度曲線；
Ⅳ--實(shí)際真空度曲線。
實(shí)際上，葉片輪的葉片數(shù)是有限的，受軸向渦流的影響，風(fēng)機(jī)的真空度減小，減小的比率叫真空度減小系數(shù)。真空度減小導(dǎo)數(shù)可用ECK的實(shí)驗(yàn)公式求得：
(4.10)
式中：Z:葉輪的葉片數(shù)；
、：葉輪的入口和出口直徑。
有限多葉片輪的理論真空度為：
(4.11)
根據(jù)（4.10）式可得到圖4.6的曲線Ⅱ。風(fēng)機(jī)的流動(dòng)損失（包括入口氣流沖擊損失），也會(huì)引起風(fēng)機(jī)的真空度降低。設(shè)流動(dòng)效率為，
則風(fēng)機(jī)的實(shí)際真空度為： (4.12)
見圖4.6的曲線Ⅳ。
另外，為了比較風(fēng)機(jī)的性能，常引入?yún)?shù)--真空度系數(shù)和風(fēng)量系數(shù)：
，
在相同的轉(zhuǎn)速n和直徑D2下，真空系數(shù)越大，真空度越高；風(fēng)量系數(shù)越大，風(fēng)量越大。
4.2.3風(fēng)葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)確定
清潔器工作時(shí)，從吸嘴進(jìn)入旋風(fēng)分離器、濾網(wǎng)再進(jìn)入風(fēng)機(jī)，然后再通過電機(jī)內(nèi)部通道冷卻電機(jī)后釋放到空氣中。在氣體流動(dòng)過的每一部分都會(huì)受到一定的阻力，必然使真空度下降，因此在確定風(fēng)葉的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，必須考慮到損失部分。
從電風(fēng)機(jī)的性能關(guān)系曲線（圖4.7）可知，真空度H于風(fēng)量Q呈拋物線函數(shù)關(guān)系，真空度升高，風(fēng)量減少。在實(shí)際使用中，電風(fēng)機(jī)的H、Q隨著吸口面積的變化而相應(yīng)的變化，電風(fēng)機(jī)沒有固定的情況。
圖4.7 電風(fēng)機(jī)的性能關(guān)系曲線
H--真空度曲線；P1--輸入功率曲線；
P2--吸入功率曲線；η--吸入效率
圖4.8 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與電風(fēng)機(jī)性能參數(shù)關(guān)系
風(fēng)葉輪的基本設(shè)計(jì)參數(shù)一般是由最大效率點(diǎn)決定的，試驗(yàn)表明，電風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)在和附近，因此可得：
，
由前面對(duì)電機(jī)方案選擇，可知，電機(jī)輸入功率P=80W，最大流量時(shí)轉(zhuǎn)速為7000r/min，最大真空度時(shí)轉(zhuǎn)速為8000r/min。吸風(fēng)口為0.5時(shí)，轉(zhuǎn)速為7500r/min，流量為101/sec。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)葉輪尺寸設(shè)計(jì)如下：葉輪外徑d2=58mm，葉輪內(nèi)徑d1=18mm，葉輪外圓軸向?qū)挾萣=5mm。
1)葉輪最大真空度
2)葉輪最大流量
3)額定真空度
4)額定風(fēng)量
5)葉輪吸入功率
6)電機(jī)輸入功率為80W時(shí)，電機(jī)效率
7)清潔器吸入效率
小結(jié)：通過以上的理論設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，得出葉片輪尺寸和電風(fēng)機(jī)性能參數(shù)如表4-4。
表4-4葉片輪尺寸和電風(fēng)機(jī)性能參數(shù)
葉片輪外徑(mm)
58
葉片輪內(nèi)徑(mm)
18
額定輸入功率(W)
80
電機(jī)效率
0.753
清潔效率
0.679
清潔器額定吸力(Pa)
301.59
清潔器額定流量(1/sec)
0.02
最大吸力(Pa)
603.18
最大流量(1/sec)
0.4
4.3 過濾網(wǎng)罩設(shè)計(jì)
在前面已經(jīng)提到，本次清潔器采用兩級(jí)過濾的方式，第一級(jí)的粗過濾設(shè)計(jì)是尤為重要的，它的過濾效果好壞對(duì)第二級(jí)有著極大的影響。然而，由于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要，第一級(jí)的過濾結(jié)構(gòu)不再像傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)，而是旋風(fēng)分離器的一種演變。其結(jié)構(gòu)圖如圖4.9所示。整個(gè)一級(jí)旋風(fēng)分離器，采用了倒置結(jié)構(gòu)[9]，集塵筒與過濾網(wǎng)之間的間距在小端的入口上方。
圖4.9 過濾網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)剖面圖
由于上方的間距要求，過濾網(wǎng)罩上方傾斜角度設(shè)計(jì)為110°，在傾斜部分不對(duì)其打網(wǎng)孔，這樣可以避免產(chǎn)生氣流紊亂或湍流現(xiàn)象。過濾網(wǎng)罩中部的網(wǎng)孔的直徑為5mm。過濾網(wǎng)罩的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分在其下方的凸緣。下方的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有多種方式。
圖4.10 凸緣向內(nèi)設(shè)計(jì)
方式一：如圖4.10所示凸緣向網(wǎng)罩內(nèi)部突出，往上傾斜。在傾斜部分打有網(wǎng)孔，產(chǎn)生的氣流旋風(fēng)的內(nèi)旋氣流可以通過凸緣網(wǎng)孔進(jìn)入。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。缺點(diǎn)：沒有引導(dǎo)槽，氣流會(huì)出現(xiàn)兩路分叉情況（內(nèi)側(cè)和外側(cè)），壓降損失大。
圖4.11 凸緣向外伸出
方式二：如圖4.11凸緣向網(wǎng)罩外部突出，內(nèi)側(cè)封閉，氣流從外側(cè)凸緣的網(wǎng)孔通過，再經(jīng)過網(wǎng)罩中部網(wǎng)孔。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)一級(jí)集塵效果很好，氣流穩(wěn)定。缺點(diǎn)：外側(cè)網(wǎng)孔易堵塞。
通過以上兩種方式的對(duì)比，方式二的結(jié)構(gòu)偏好，但要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，避免網(wǎng)孔堵塞情況，因?yàn)闊o論是在整個(gè)清潔器的哪個(gè)部分，只要?dú)饬魍ㄟ^的路徑產(chǎn)生堵塞情況，對(duì)清潔器的整機(jī)性能會(huì)大大下降，甚至?xí)p壞清潔器。改進(jìn)方式如圖4.12所示。此方式，在網(wǎng)罩外側(cè)設(shè)置凸緣，內(nèi)側(cè)安裝小網(wǎng)罩，因?yàn)閮?nèi)旋氣流所卷起的粉塵顆粒受到向心力的作用，往外側(cè)凸緣旋轉(zhuǎn)，而氣流則可順利的通過內(nèi)側(cè)小網(wǎng)罩進(jìn)入第二級(jí)的旋風(fēng)分離器。于此，解決了網(wǎng)孔堵塞、壓降損失過大、氣流紊亂等問題。
圖4.12方式二改進(jìn)
4.4 螺旋進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)
螺旋進(jìn)風(fēng)口的難點(diǎn)是螺旋上升的斜板設(shè)計(jì)，因?yàn)槠渎菥嘣谏仙倪^程中是不斷變化的，通了對(duì)風(fēng)量的計(jì)算和模擬，不斷的修正螺距變化的參數(shù)，最后得出了螺距變化參數(shù)：螺旋上升比0~30%：螺距0~5mm；螺旋上升比30~35%：螺距5~18mm；螺旋上升35~ 100%：螺距18mm。但考慮到加工成本及其加工工藝，再對(duì)其螺距變化做了調(diào)整，發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)計(jì)螺距18mm不變的時(shí)候，與前面的螺旋曲線所建立出的模型仿真效果的風(fēng)量值相差不大，因此最終采用了螺距不變?yōu)?8mm參數(shù)[10]。
4.5 小結(jié)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本次課題研究與設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)，在本章中對(duì)清潔器的各個(gè)重要部件包括旋風(fēng)分離器、風(fēng)葉輪、過濾網(wǎng)罩及一些輔助部件進(jìn)行了具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，對(duì)一些重要部件進(jìn)行了功能分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。
23
第五章 基于PLC的電機(jī)調(diào)速
5 基于PLC的電機(jī)調(diào)速
直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性包括工作特性和機(jī)械特性[11]。工作特性是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定勵(lì)磁電流不變的情況下，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距和輸出功率之間的關(guān)系。機(jī)械特性是指在額定電壓和電磁繞組不變的情況下，轉(zhuǎn)距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖
轉(zhuǎn)矩
電 機(jī)－串勵(lì)
電樞電流＝勵(lì)磁電流
轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩變化曲線，固定
A
勵(lì)磁繞組
轉(zhuǎn)速
電流
電流轉(zhuǎn)速
電樞
圖 5.1 直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)特性曲線
電 機(jī)－他勵(lì)
勵(lì)磁和電樞獨(dú)立受控
轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩變化曲線，可變
轉(zhuǎn)矩
勵(lì)磁繞組
轉(zhuǎn)速
電流
流電
轉(zhuǎn)速
A
電樞
圖5.2 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)特性曲線
5.1直流電機(jī)五大優(yōu)勢(shì)
1）科技含量高。
2）體積小，耐用性好。
3）能耗低，性能優(yōu)越。
4）振動(dòng)不大，噪音不大，比較節(jié)能。
5）精密加工，定位精度高，使用質(zhì)量高。
此控制系統(tǒng)基于S7-200?PLC設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)的控制器，實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制以及脈寬調(diào)制（PWM）無級(jí)調(diào)速功能。本設(shè)計(jì)的電機(jī)選用直流電動(dòng)機(jī)，PLC選用西門子S7-200?PLC，并要求使用PWM實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。?
首先必須掌握直流電機(jī)的工作原理和調(diào)速方法，以及S7-200PLC的構(gòu)造、工作原理過程及其使用方式，還要學(xué)會(huì)使用STEP7-Micro/Win?SP3?V4.0軟件進(jìn)行編程。然后完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括DC+24V與DC+5V電源系統(tǒng)、主控制回路、保護(hù)回路。首先完成元器件的參數(shù)確定，做出系統(tǒng)原理圖，然后具體實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、調(diào)試電路，最后優(yōu)化電路，達(dá)到最佳效果。如下圖5.3系統(tǒng)接線圖：
Q0.0或Q0.1
PLC
224TW
晶體管
電腦編程測(cè)控軟件
電源
直流電機(jī)
驅(qū)動(dòng)器
AVI
RS-485
RS-232
R232/R485PPI編程電纜
三相接線
24VDC
24VDC
220VAC
圖5.3 系統(tǒng)接線圖
1）PC機(jī)和PLC通過串口通訊，EM235模塊通過9針串口，接到PLC。
2）選用Q0.0作為脈沖發(fā)生器，將Q0.0端子接驅(qū)動(dòng)器AVI端子，L+端子接+24V，M端子和驅(qū)動(dòng)器GND端子并聯(lián)接電源地（0V）。
3）驅(qū)動(dòng)器ENBL端子與GND端子短接，其它端子接線見圖5-4。
4）建立PLC和PC機(jī)的通信步驟：
（1）參照?qǐng)D5.3完成PLC的電源接線和PPI通信電纜接線，我們使用了RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)PLC和PC機(jī)之間的串口通訊。接線方式如下：PLC的RS-485端子A接轉(zhuǎn)換器的T/R+端子，端子B接T/R-，然后將轉(zhuǎn)換器的9針口接到PC機(jī)的串口上。
（2）打開STEP 7-Micro/WIN軟件，在左邊工具欄中找到“通信“塊并單擊，進(jìn)入通信窗口>>單擊“設(shè)置PG/PC接口”>>選中PC/PPI cable（PPI）單擊屬性>>PPI選項(xiàng)中各項(xiàng)默認(rèn)值；本地連接項(xiàng)中，選擇PLC的接入端口（一定要和實(shí)際地址一致，若不知道，可以右擊我的電腦>>屬性>>硬件—設(shè)備管理器>>找到PLC的通信口）單擊確定按鈕，完成設(shè)置>>雙擊刷新，查詢到PLC后，確認(rèn)，即建立了PC機(jī)與PLC的通信。
5.2PWM調(diào)速模塊設(shè)計(jì)
5.2.1PWM模塊電機(jī)調(diào)速原理
調(diào)節(jié)電樞電壓是直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的方法。利用電力電子器件的完全可控性來獲得可調(diào)的直流電壓，采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)的極端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這就是直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)[12]。脈寬調(diào)制式直流調(diào)速系統(tǒng)，是一種在VC-M直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以脈寬調(diào)制式可調(diào)直流電源取代晶閘管相控整流電源后構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
對(duì)于直流電機(jī)來說，如果加在電樞兩端的電壓為圖5.4所示脈動(dòng)電壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變t1和t2的寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對(duì)這一變化進(jìn)行推導(dǎo)。
t 1
t 2
T
圖5.4 加在電樞兩端的電壓
設(shè)電機(jī)接電壓U時(shí)，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動(dòng)電壓占空比為D=t1/T,則電樞平均電壓為
U平=U·D且可以推得電機(jī)轉(zhuǎn)速n為：n =Ea/CeΦ≈U·D/ CeΦ=KD。
在假設(shè)電樞內(nèi)阻很小的情況下，式中K= U/ CeΦ，是常數(shù)。上述式中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Φ是磁通量。
圖5.5為施加不同占空比用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。
圖5.5 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系
由圖5.5看出轉(zhuǎn)速與占空比D不是線性關(guān)系，原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近似為線性關(guān)系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。
5.3 PWM控制的原理
PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)[13]。即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來等效地獲得所需要的波形。
如下圖5.6所示，用設(shè)定值計(jì)數(shù)器設(shè)置PWM信號(hào)的占空比。當(dāng)U\D=1，輸入CLK2，使設(shè)定值計(jì)數(shù)值的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快；當(dāng)U\D=0，輸入CLK2使設(shè)定值計(jì)算器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。在CLK0的作用下，鋸齒波計(jì)數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當(dāng)計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字比較器輸出低電平；當(dāng)計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字比較器輸出高電平，由此產(chǎn)生周期性的PWM波形。
圖5.6 PWM控制電路原理圖
5.4? S7-200PLC實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速
本次設(shè)計(jì)所使用的PLC的CPU型號(hào)為224xp，通過調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的電位器就可以改變PWM波的脈寬，來實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速。S7-200實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速的硬件接線圖如下圖3-6所示。?本系統(tǒng)采用S7-200PLC的CPU224xp模塊，CPU224xp產(chǎn)生兩路（正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)）PWM波經(jīng)接口模塊送至功率驅(qū)動(dòng)電路，PWM信號(hào)經(jīng)放大輸出到電動(dòng)機(jī)兩端，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的控制[14]。
圖5.7 PLC接線圖
脈沖輸出（PLS）指令被用于控制在高速輸出（Q0.0和Q0.1）中提供的"脈沖串輸出"（PTO）和"脈寬調(diào)制"（PWM）功能。PTO提供方波（50%占空比）輸出，配備周期和脈沖數(shù)用戶控制功能。PWM提供連續(xù)性變量占空比輸出，配備周期和脈寬用戶控制功能。PLS指令會(huì)從特殊存儲(chǔ)器SM中讀取數(shù)據(jù)，使程序按照其存儲(chǔ)值控制PTO/PWM發(fā)生器。SMB67控制PTO0或者PWM0，SMB77控制PTO1或者PWM。下表對(duì)用于控制PTO/PWM操作的存儲(chǔ)器給出了描述。我們可以使用PTO/PWM控制字節(jié)參考表作為一個(gè)快速參考，用其中的數(shù)值作為PTO/PWM控制寄存器的值來實(shí)現(xiàn)需要的操作。可以通過修改SM存儲(chǔ)區(qū)（包括控制字節(jié)），然后執(zhí)行PLS指令來改變PTO或PWM波形的特性。可以在任意時(shí)刻禁止PTO或者PWM波形，方法為：首先將控制字節(jié)中的使能位（SM67.7或者SM77.7）清0，然后執(zhí)行PLS指令。
圖5.8子程序設(shè)計(jì)流程圖
圖5.9 控制字節(jié)中各個(gè)控制位功能圖
圖5.10 高速脈沖發(fā)生器使用的特殊寄存器
圖5.11主程序梯形圖
圖5.12子程序梯形圖
圖5.13 中斷程序TIN-1梯形圖
圖5.14 中斷程序TIN-0梯形圖
控制原理：
要求3秒將吸塵器的電機(jī)調(diào)速范圍從90%下降到20%，則調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)范圍為90%~20%，設(shè)置控制字節(jié)為SMB77為16#DA,表示對(duì)Q0.1為PWM方式，允許脈沖輸出，不允許周期更新，允許脈寬更新，時(shí)間基準(zhǔn)單位為ms級(jí)，同步更新且允許PWM輸出。設(shè)置SMB78為周期為300ms，設(shè)置SMB80為起始脈寬值為270ms。
初始化PWM，調(diào)出子程序SBR_0，通過Q0.4與Q0.6SBR_0，SBR_0控制初始化輸入控制字，周期，初始脈寬和比較值，啟動(dòng)PWM。
當(dāng)常開觸點(diǎn)M0.1導(dǎo)通，執(zhí)行中斷程序INT_0，當(dāng)m0.1為1時(shí)，脈寬遞減，每周期減少21ms，當(dāng)檢測(cè)到脈寬為60時(shí)，復(fù)位m0.1，當(dāng)常閉觸點(diǎn)m0.1導(dǎo)通，執(zhí)行中斷子程序INT_1。當(dāng)m0.1為0時(shí)，脈寬保持不變。
輸入/輸出元件及控制：
PLC元件
元件符號(hào)
功能
I0.0
SB1
停止電動(dòng)機(jī)
I0.1
SB2
電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)
I0.2
SB3
電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)
I0.3
FI1 FI2
過電流欠電流保護(hù)
Q0.0
PWM正轉(zhuǎn)輸出信號(hào)
Q0.1
PWM反轉(zhuǎn)輸出信號(hào)
Q0.2
KM1
電動(dòng)機(jī)電樞啟動(dòng)
Q0.3
KM2
電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組正接串電阻啟動(dòng)
Q0.4
KM3
正轉(zhuǎn)短接電阻
Q0.5
KM4
電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組反接串電阻啟動(dòng)
Q0.6
KM5
反轉(zhuǎn)短接電阻
PLC程序：
（一）主程序
Network 1 // 初始化
// 調(diào)用PWM初始化程序，調(diào)用加、減速控制中初始速度轉(zhuǎn)換成脈寬的初始化程序
LD SM0.1
R Q0.0, 1
CALL SBR0
CALL SBR1
MOVW 0, VW58
MOVW 100, VW82
Network 2
// 控制PLS指令每隔0.3s重啟一次
LDN T32
A M0.3
TON T32, 300
Network 3
// 線性調(diào)速時(shí)，控制脈寬增加的時(shí)間：vw82s增加一次
LDN T33
TON T33, VW82
Network 4
// 調(diào)用加速、減速控制中初始速度、指定速度值、無極調(diào)速速度值轉(zhuǎn)換成脈寬值的子程序,調(diào)用速度顯示子程序
LD SM0.0
LPS
AN M0.6
AN T34
CALL SBR2
LRD
AN M0.6
CALL SBR5
LRD
AN M0.2
AN M0.4
CALL SBR4
LPP
A M0.3
CALL SBR6
Network 5
// 脈寬值增加
LDW<= SMW70, VW44
A T33
AN M0.6
A M0.2
+I 1, SMW70
Network 6
// 脈寬值減少
LDW>= SMW70, VW44
A T33
AN M0.6
A M0.4
-I 1, SMW70
Network 7
// 吸塵器旋風(fēng)加速方式啟動(dòng)
LD M0.7
O M0.2
AN M1.1
AN M0.5
AN M0.1
= M0.2
Network 8
// 無極調(diào)速方式啟動(dòng)
LD M0.5
O M0.6
AN M1.1
AN M0.7
AN M0.1
= M0.6
Network 9
// 電機(jī)總開關(guān)
LD M0.0
O M1.0
AN M0.1
= M1.0
Network 10
// 減速方式啟動(dòng)
LD M1.1
O M0.4
AN M0.5
AN M0.7
AN M0.1
= M0.4
Network 11
// 運(yùn)行pwm子程序
LD SM0.0
= L60.0
LD M0.2
O M0.4
O M0.6
AN M0.1
AN T32
A M1.0
= L63.7
LD L60.0
CALL SBR3, L63.7, 1000, SMW70, VB24
Network 12
// 控制初始速度值的輸入
LD M0.2
O M0.4
TON T34, 1
Network 13
// 電機(jī)停，速度輸入、輸出點(diǎn)置零
LD M0.1
MOVW 0, VW0
MOVW 0, VW26
MOVW 0, VW58
MOVR 0.0, VD54
Network 14
// 計(jì)數(shù)器記錄霍爾傳感器長(zhǎng)生的脈沖數(shù)：每10s記錄一次，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生2個(gè)脈沖
LD I0.0
LD T35
CTU C5, 10000
Network 15
// 設(shè)定計(jì)數(shù)時(shí)間：10s，m0.3控制速度顯示的變化啟停
LD M0.3
AN T35
TON T35, 1000
Network 16
// 將計(jì)數(shù)器C5中記錄的脈沖數(shù)每隔10s傳給vw78地址一次
LD T35
MOVW C5, VW78
Network 17
// 將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成速度值：
LD SM0.0
MOVW VW78, VW80
*I +3, VW80
（二）子程序一：PWM初始化程序
Network 1 // 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題
// 網(wǎng)絡(luò)注釋
LD SM0.0
MOVB 16#D2, SMB67
MOVW 1000, SMW68
MOVW 0, SMW70
PLS 0
（三）子程序二：加、減速控制中初始速度值轉(zhuǎn)換成脈寬值的初始化程序
Networ