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3 制动控制传感器的选型
3.1 传感器的介绍
3．1．1传感器的定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节[11]。
3．1．2传感器的作用
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，
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达到与其重要地位相称的新水平
[12]
。
传感器按照不同的要求分类极广，其中霍尔传感器就是一种。
3.2 传感器的型号选择与优点
3.2.1 霍尔传感器工作原理
霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。
3.2.2 霍尔传感器的优势
霍尔转速传感器的应用优势主要有三个，一是霍尔转速传感器的输出信号不会受到转速值的影响，二是霍尔转速传感器的频率相应高，三是霍尔转速传感器对电磁波的抗干扰能力强，因此霍尔转速传感器多应用在控制系统的转速检测中。
同时，霍尔转速传感器的稳定性好，抗外界干扰能力强，如抗错误的干扰信号等，因此不易因环境的因素而产生误差。霍尔转速传感器的测量频率范围宽，远远高于电磁感应式无源传感器。另外，霍尔转速传感器在防护措施有效的情况下，可以不受电子、电气环境影响。
霍尔转速传感器的，测量结果精确稳定，输出信号可靠，可以放油、防潮，并且能在温度较高的环境中工作，普通霍尔转速传感器的工作温度可以达到100℃。霍尔转速传感器的安装简单，使用方便，能实现远距离传输。
3.2.3 HAL-506霍尔传感器
HAL-506霍尔转速传感器是一种小型封闭式传感器，具有性能稳定、功耗小、抗干扰能力强、使用温度范围宽等优点。其原理是当磁力线穿过传感器上感应元件时产生霍尔电势经过霍尔芯片的放大整形后，成电信号供二次仪表使用。使用时，只要在旋转物体上粘一块小磁钢，传感器固定在离磁钢一定距离内，对准磁钢S极即可进行测量。
表3-1 技术特点
测量范围 输出方式 输出信号 幅值 供电电源 每转脉冲数 检测距离
0.5Hz~45KHz 低电平有效，驱动能力不小于15mA 波形：矩形波 高电平接近供电电源，低电平≤0.5V （4.5~24）VDC，（12~18）V最值 与贴的磁片数量一致 ≤4mm 基于PLC的变速恒频双馈风力发电机组制动控制系统的研究与实现
表3-2 正常工作条件
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温度 相对湿度 大气压力 周围无爆炸性、腐蚀性气体
-20℃~+80℃ 不大于85% 86KPa~106KPa 表3-3 外形及开孔尺寸
总长 外螺纹 螺纹有效长度 输出导线 L+21.9（不包括输出导线） M12×1 L，L=50，75，100mm 2m
图3-1 HAL-56霍尔传感器
3.2.4 电机转速转换为十进制数的计算方法
设K为电机转速与电流的比值，X为电流，Y为电机转速。
转速传感器测量范围为30-2.7?106rpm，输出为4-20MA的电流信号，则有
2.7?106?30K==1.69?105 （3-1）
20?4每改变一个电机转速都有对应的一个电流信号
Y?30X=?4 （3-2）
K因为20MA在PLC模拟输入对应的十进制数为27648，所以每一个电流信号都有一个十进制数与之对应。
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4 制动控制系统的PLC硬件设计
4.1 PLC的概述
4.1.1 PLC的基本概念
可编程控制器是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，融自动化技术，计算机技术，通信技术为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一个重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为是现代工业自动化的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一[13]。
国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿，该草案中对可编程控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备都应按易于与工业系统联成一个整体易于扩充其功能的原则来设计。
4.1.2 PLC的产生与发展
在制造业和过程工业中，除了以模拟量为被控对象的反馈控制外，还存在着大量的以开关量（数字量）为主的逻辑控制，这一点在以改变几何形状和机械性能为特性的制造业中显得尤为突出。它要求控制系统按照逻辑条件和一定的顺序、时序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数以及模拟量的越限报警等信号进行监视和处理。在早期这些电路由继电气电路来实现的，继电气电路的缺点是体积庞大，故障频率高、功耗大、不易维护、不易改造和升级等。
1986年，美国通用汽车公司（GM）鉴于传统的继电器控制系统的一系列缺点，提出了研发新型控制器的设想，总结出新型控制器应具备的10项指标，并公开在社会招标，10项指标是：
1) 编程方便，可在现场修改程序。 2) 维护方便，最好是插件式。 3) 可靠性高于继电器控制柜。 4) 体积小于继电器控制柜。 5) 可将数据直接送入管理计算机。 6) 在成本上可与继电气控制柜竞争。 7) 输入为交流115V。
8) 输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等。
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9) 在扩展时原有系统改变最少。 10）用户程序存储器至少可扩展到4KB。
美国数字设备公司(DEC)根据这10项指标，于1969年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了新的空间[14]。
到了20世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC发展的动力主要来自于两方面：首先是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需求和追求。其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，以及微处理器性能的不断提高，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓的空间。这两个因素的结合，使得当今的PLC控制器已经在性能上大大超过了前述的10个指标。
现在,PLC控制器的程序存储容量多以MB为单位，随着超大规模集成电路技术的发展，随着微处理器的性能大幅提高，指令执行速度达到微秒级，从而大大提高了PLC的数据处理能力。高档的PLC可以进行复杂的浮点数运算，并增加了许多特殊功能。此外，PLC的通信功能和远程I/O能力也非常强大，可以组建成分布式网络系统。
4.1.3 模块式PLC的基本结构
S7-300属于模块式PLC，主要有机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装在机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机，其他PLC或其他设备通信。
1）CPU模块
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出;存储器用来储存程序和数据。S7-300将CPU模块简称为CPU（5V）。
2）信号模块
输入和输出模块简称为I/O模块，开关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块，他们统称为信号模块，简称为SM。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。
3）功能模块
为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种功能模块（简称为FM）。它主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。
4）接口模块
CPU模块所在机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个机架。接口模块（简称IM）用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。