【電氣工程及其自動(dòng)化】基于三菱fx-2n plc的具有人機(jī)界面的步進(jìn)電機(jī)控制器

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于三菱FX2NPLC的具有人機(jī)界面的步進(jìn)電機(jī)控制器二級(jí)學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化完成日期2014年5月10日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報(bào)告D其他目錄1緒論111設(shè)計(jì)背景112步進(jìn)電機(jī)控制方法的研究2121步進(jìn)電機(jī)幾種常用的控制電路2122幾種控制方式的比較313人機(jī)界面的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)314設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容和實(shí)現(xiàn)功能4141控制要求4142人機(jī)界面設(shè)計(jì)內(nèi)容42系統(tǒng)硬件的選型521控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)522PLC的選型523觸摸屏的概述及選型624驅(qū)動(dòng)器的概述及選型625步進(jìn)電機(jī)的概述及選型93硬件的設(shè)計(jì)1031控制系統(tǒng)接線圖1032硬件配置104系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)1141控制系統(tǒng)程序框圖1142系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能及PLC程序1243觸摸屏程序的設(shè)計(jì)145程序調(diào)試166系統(tǒng)仿真17結(jié)論18參考文獻(xiàn)19附錄20附錄A指令表20附錄B梯形圖22基于三菱FX2NPLC的具有人機(jī)界面的步進(jìn)電機(jī)控制器摘要本設(shè)計(jì)是使用三菱FX2NPLC和觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，包括控制選擇步進(jìn)電機(jī)的工作方式、轉(zhuǎn)向、速度控制等功能，介紹了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞人機(jī)界面；三菱FX2N系列PLC；步進(jìn)電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)控制器STEPMOTORCONTROLLERBASEDONPLC,MANMACHINEINTERFACEABSTRACTTHISDESIGNISTOUSEMITSUBISHIFX2NPLCANDMANMACHINEINTERFACETOREALIZETHECONTROLOFTHESTEPPERMOTORITINCLUDESFUNCTIONSOFTHESELECTIONOFSTEPPERMOTORSWORKINGWAYANDTHECONTROLOFSTEERINGANDSPEED,ANDINTRODUCESTHEDESIGNIDEASOFTHECONTROLSYSTEMSCHEMEANDHARDWAREANDSOFTWARESTRUCTUREKEYWORDSINTERFACEMELSOFTFX2NPLCSTEPMOTORSTEPMOTORCONTROLLER1緒論11設(shè)計(jì)背景步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)的一類電動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣?huì)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿足工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中較有自己特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車(chē)、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)現(xiàn)在，傳統(tǒng)電機(jī)分類的界線是越來(lái)越不清楚，這主要是受到電子技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)還有電動(dòng)機(jī)本體發(fā)展的影響。就傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)而言，步進(jìn)電機(jī)可定義為從主控制器接收到一個(gè)脈沖就改變一次勵(lì)磁狀態(tài)同時(shí)改變一個(gè)位置狀態(tài)，假如勵(lì)磁狀態(tài)不改變則電機(jī)位置狀態(tài)不變，也就保持靜止。從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)也是一種無(wú)刷直流電機(jī)，只不過(guò)其受制于脈沖信號(hào)而已，另外說(shuō)步進(jìn)電機(jī)是同步電機(jī)，是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速和脈沖頻率是同步的。步進(jìn)電機(jī)的特色，歸納如下（1）整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、廉價(jià)，能夠用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。（2）使用方便，可以直接獲取數(shù)字信號(hào)，不需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。（3）步距角的誤差不會(huì)長(zhǎng)期累加，既可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制，也能夠達(dá)到較高精度的控制要求。（4）電動(dòng)機(jī)本體部件少，使其使用時(shí)可靠性更高。（5）響應(yīng)性較好，便于啟停以及制動(dòng)控制。（6）有自鎖功能。（7）步距角能夠從很小的角度到180度的大范圍內(nèi)選擇。在步距角較小的情況下也可以不通過(guò)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。（8）多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)不僅可以被一臺(tái)控制進(jìn)行同步控制，其速度還可以在速度可以在較大范圍內(nèi)變動(dòng)。（9不能夠直接使用普通的交流電源對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。12步進(jìn)電機(jī)控制方法的研究121步進(jìn)電機(jī)幾種常用的控制電路（1）基于電子電路的控制此種控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但功能不全，操作不方便，價(jià)格比較昂貴，僅實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。其中脈沖信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)分配器、功率放大驅(qū)動(dòng)電路這三者是系統(tǒng)的主要部分,如圖1所示圖1電子電路控制系統(tǒng)圖（2）基于PLC的控制PLC（PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER）通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，它是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。由于它擁有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、具有豐富的輸入/輸出接口、并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一。2PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。（3）基于單片機(jī)的控制隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，電氣傳動(dòng)已經(jīng)到了以微處理器為核心的領(lǐng)域，當(dāng)然這歸功于微電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。為了達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的，微機(jī)控制需要在初始階段在外圍配置大量接口。這樣迫使一些公司在一塊芯片上直接集成了很多外圍接口，使之滿足這種需要，這樣就成為所謂的單片機(jī)了。3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)實(shí)現(xiàn)了硬件的控制方法還實(shí)現(xiàn)了軟件的控制方法。單片機(jī)的脈沖分配可分為軟件法和硬件法。軟件控制法就是用軟件來(lái)達(dá)到脈沖分配的目的，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的良好控制。如圖2步進(jìn)電機(jī)A、B、C三相的脈沖輸入信號(hào)直接由單片機(jī)8051的三個(gè)I/O口控制。這種系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路，但此種方法占用大量CPU時(shí)間，可能使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他工作。圖2軟件脈沖分配示意圖122幾種控制方式的比較基于電子電路的控制既可以采用閉環(huán)控制也可以采用開(kāi)環(huán)控制，但在運(yùn)用時(shí)需要一些大規(guī)模集成電路的配合，電路復(fù)雜，成本高，功能單一，靈活性不高?；赑LC的控制，PLC集成度高，內(nèi)置模塊，并且還以外接擴(kuò)展模塊來(lái)達(dá)到控制要求，可以通過(guò)編程很靈活的控制步進(jìn)電機(jī)，且基于PLC的控制相對(duì)其它的控制方式更可靠?；趩纹瑱C(jī)的控制，單片機(jī)的使用和PLC一樣靈活可靠，但其編程復(fù)雜，可靠性差，容易死機(jī)。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用PLC來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。13人機(jī)界面的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)人機(jī)界面（HUMANMACHINEINTERFACE，簡(jiǎn)稱HMI）一般指用于操作人員與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行對(duì)話和相互作用的專用設(shè)備。各主要的控制設(shè)備生產(chǎn)廠商，例如西門(mén)子、AB、施耐德、三菱和歐姆龍等公司，均有它們的人機(jī)界面系列產(chǎn)品，此外還有一些專門(mén)生產(chǎn)人機(jī)界面的廠家。人機(jī)界面其主要應(yīng)用之一就是觸摸屏，觸摸屏是一種直觀的操作設(shè)備，可以由用戶在觸摸屏的畫(huà)面上設(shè)置具有明確意義和提示信息的觸摸式按鍵和用于輸入數(shù)字的輸入域。只要用手指觸摸屏幕上的圖形對(duì)象，計(jì)算機(jī)便會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作，人的行為和機(jī)器的行為變得簡(jiǎn)單、直接、自然，達(dá)到了完美的統(tǒng)一。使用觸摸屏后，能明確告知操作員機(jī)器設(shè)備目前的狀況，給出操作的提示，使操作變得簡(jiǎn)單生動(dòng)，可以減少操作失誤，即使是新手也可以很輕松地學(xué)會(huì)操作整個(gè)機(jī)器設(shè)備。觸摸屏還可以使機(jī)器的配線標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化，同時(shí)也能減少PLC控制器所需的I/O點(diǎn)數(shù)，降低生產(chǎn)的成本。與大量使用薄膜按鍵的操作員面板相比，觸摸屏具有直觀和節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于面板控制的小型化及高性能，相對(duì)的提高了整套設(shè)備的附加價(jià)值和提高工作效率。觸摸屏是人機(jī)界面發(fā)展的主流方向，幾乎成了較高級(jí)的人機(jī)界面的代名詞。3近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，新一代的計(jì)算機(jī)用戶，在應(yīng)用軟件的可操作性以及軟件操作的舒適性等方面對(duì)應(yīng)用軟件提出了更高的要求，除期望所用的軟件擁有強(qiáng)大的功能外，更期望應(yīng)用軟件盡可能的為他們提供一個(gè)輕松、愉快、感覺(jué)良好的操作環(huán)境，因而人機(jī)界面已變得相當(dāng)重要，而人機(jī)界面設(shè)計(jì)也逐漸盛行和受人們歡迎。14設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容和實(shí)現(xiàn)功能141控制要求（1）能對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。（2）可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)的控制。（3）可對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)進(jìn)行控制。（4）能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/單步/定步控制。142人機(jī)界面設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）進(jìn)入主界面需要密碼，確保操作安全。（2）實(shí)現(xiàn)控制要求的內(nèi)容，并能有轉(zhuǎn)速顯示，方便直觀。（3）有報(bào)警顯示功能。2系統(tǒng)硬件的選型21控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，整體上分為4個(gè)部份（1）PLC主控負(fù)責(zé)輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)和方向電平，接收觸摸屏發(fā)出的控制信號(hào)及步進(jìn)電機(jī)反饋的報(bào)警信號(hào)。（2）觸摸屏負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)及工作方式，顯示當(dāng)前工作及報(bào)警內(nèi)容。（3）驅(qū)動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)控制脈沖信號(hào)，并將信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。（4）步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。圖3系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖22PLC的選型本設(shè)計(jì)就最常用的大眾品牌三菱PLC來(lái)展開(kāi)設(shè)計(jì)。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中PLC主要用于控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要有脈沖輸出，所以PLC的輸出通道必須是晶體管性的，且至少帶一路高速脈沖輸出通道。又因?yàn)樾枰玫剿俣确答?，故PLC的輸入接口要支持高速脈沖輸入，至少需要用到6路輸出通道和6路輸入通道。綜合以上因素，本設(shè)計(jì)所選用的PLC為FX2N24MT，帶兩路高速脈沖輸出，最高輸出頻率可達(dá)100K；六路高速計(jì)數(shù)器輸入，可同時(shí)檢測(cè)兩路AB相編碼器；一組RS232和一組R422通信接口，RS485通信接口支持MODBUSRTU協(xié)議和三菱RS無(wú)協(xié)議通信。它的基本指令執(zhí)行速度高達(dá)008S每條指令，用戶存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展到16K步，有2路模擬量輸入模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、脈沖輸出模塊、4種位置控制模塊、多種RS232C/RS422/RS485串行通信模塊或功能擴(kuò)展板，以及模擬定時(shí)器功能擴(kuò)展板，可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)通信等功能。423觸摸屏的概述及選型根據(jù)控制要求，預(yù)計(jì)觸摸屏上要放的鍵統(tǒng)計(jì)如表1表1功能控制鍵統(tǒng)計(jì)運(yùn)行方式控制工作方式的選擇轉(zhuǎn)向選擇連續(xù)運(yùn)行定步運(yùn)行單步運(yùn)行單三拍雙三拍單雙六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)其他輸入啟動(dòng)停止步數(shù)輸入左點(diǎn)動(dòng)右點(diǎn)動(dòng)加速減速模擬報(bào)警其他輸出及顯示A相B相C相步數(shù)顯示步速顯示運(yùn)行方式工作方式報(bào)警基于控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制功能的考慮，設(shè)計(jì)用到的按鈕不多，所要求的屏幕不大，而且所用的功能都是基本功能，所以本設(shè)計(jì)所選用觸摸屏得的型號(hào)為GT1150QBBDC。觸摸屏的具體參數(shù)圖4所示圖4觸摸屏具體參數(shù)24驅(qū)動(dòng)器的概述與選擇現(xiàn)在通用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路有很多種，下面將介紹幾種常用的驅(qū)動(dòng)電路，并選擇一種最合適本設(shè)計(jì)的。（1）單電壓驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)就是指只有一個(gè)方向的電壓給步進(jìn)電機(jī)繞組供電，從前面推動(dòng)級(jí)接收信號(hào)IN，并且作用在三極管的基極，晶體管的集電極連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相繞組，而繞組的另一端連接電源電壓。那么當(dāng)晶體管接通時(shí)，電壓均作用在電機(jī)的繞組上。單電壓驅(qū)動(dòng)的一些特點(diǎn)線路簡(jiǎn)單，成本低；低頻時(shí)響應(yīng)較好；有共振區(qū)；在高頻下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)負(fù)載能力迅速降低。適合驅(qū)動(dòng)小功率的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行頻率不高的場(chǎng)合（2）斬波恒流驅(qū)動(dòng)恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不輪在鎖定、低頻、高頻工作時(shí)均保持固定數(shù)值。T1是一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)管。T2管的發(fā)射極接一個(gè)電流取樣小電阻R。比較器一端接給定電壓UI,另一端接R上的壓降。控制脈沖UI為低電平時(shí),T1和T2均截止。當(dāng)UI為高電平時(shí),T1和T2均導(dǎo)通,電源向電機(jī)供電。由于繞組電感的作用,R上電壓逐漸升高,當(dāng)超過(guò)給定電壓UC,比較器輸出低電平,與門(mén)因此輸出低電平,T1截止,電源被切斷,繞組電感放電。當(dāng)取樣電阻上的電壓小于給定電壓時(shí),比較器又輸出高電平,與門(mén)輸出高電平,T1又導(dǎo)通,電源又開(kāi)始向繞組供電,這樣反復(fù)循環(huán),直到UI又為低電平。因此T2每導(dǎo)通一次,T1導(dǎo)通多次,繞組的電流波形為鋸齒形,在T2導(dǎo)通的時(shí)間里電源是脈沖式供電，所以提高了電源效率,而且還能有效抑制共振。這種功率接口的特點(diǎn)是高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。5（3）細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)作為電磁機(jī)械裝置，其進(jìn)給的分辨率取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。采用軟件細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，由于編程的靈活性、通用性，使得步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的成本低、效率高，要修改方案也易辦到。同時(shí)，還可解決步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)的低頻振動(dòng)和運(yùn)行中的噪聲等。細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理步進(jìn)電機(jī)控制中已蘊(yùn)含了細(xì)分的機(jī)理。如三相步進(jìn)電機(jī)按ABC的順序輪流通電，步進(jìn)電機(jī)為整步工作。而按AACCCBBBAA的順序通電，則步進(jìn)電機(jī)為半步工作。以AB為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在IA與IB之間插入過(guò)渡向量IAB，因?yàn)殡娏飨蛄康暮铣煞较驔Q定了步進(jìn)電機(jī)合成磁勢(shì)的方向，而合成磁勢(shì)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度本身就是步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度。顯然，IAB的插入改變了合成磁勢(shì)的轉(zhuǎn)動(dòng)大小，使得步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度由B變?yōu)?5B，從而也就實(shí)現(xiàn)了2步細(xì)分。由此可見(jiàn)，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分原理就是通過(guò)等角度有規(guī)律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢(shì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制的目的。在三相步進(jìn)電機(jī)的A相與B相之間插入合成向量AB，則實(shí)現(xiàn)了2步細(xì)分。要再實(shí)現(xiàn)4步細(xì)分，只需在A與AB之間插入3個(gè)向量I1、I2、I3，使得合成磁勢(shì)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度1234，就實(shí)現(xiàn)了4步細(xì)分。但4步細(xì)分與2步細(xì)分是不同的，由于I1、I2、I33個(gè)向量的插入是對(duì)電流向量IB的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細(xì)分程度越高，階梯波越復(fù)雜。在三相步進(jìn)電機(jī)整步工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)2步細(xì)分合成磁勢(shì)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程為IAIABIB；實(shí)現(xiàn)4步細(xì)分轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程為IAI2IAB；而實(shí)現(xiàn)8步細(xì)分則轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程為IAI1I2I3IAB?？梢?jiàn)，選擇不同的細(xì)分步數(shù)，就要插入不同的電流合成向量。該系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器來(lái)給步進(jìn)電機(jī)分配控制脈沖。本設(shè)計(jì)所采用的細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為YK3605SA，是一款專業(yè)的三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，設(shè)有8檔等角度恒力矩細(xì)分，最高分辨率為步進(jìn)電機(jī)有效分辨率10000步；同時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)越高，輸入步進(jìn)電機(jī)的電流波形和步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角的波形就越接近正弦波，即轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)越加平滑，有效地降低了步進(jìn)電機(jī)的震蕩程度。故能很大限度地提高了步進(jìn)電機(jī)的控制精度。另外，該步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流從15A/相到59A/相16無(wú)極可調(diào)，所以不需要再加入功率放大電路。能達(dá)到低振動(dòng)、小噪聲、高精度的驅(qū)動(dòng)效果?？刂葡到y(tǒng)圖如下圖5所示。圖5使用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)系統(tǒng)電路圖步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器有三路輸入信號(hào)，分別是步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、CP；方向電平信號(hào)DIR、DIR；使能信號(hào)EN、EN。輸入信號(hào)有共陰極和共陽(yáng)極兩種接法，這里使用共陰極接法。PLC輸出接口分配為Y0發(fā)出脈沖，Y1控制方向，Y2控制使能信號(hào)。另外，為使本設(shè)計(jì)系統(tǒng)更具實(shí)用性，這里使用了步進(jìn)電機(jī)帶絲桿滑臺(tái)導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌架上安裝上4個(gè)光電感應(yīng)器（所用的光電傳感器為光敏二極管）用以控制行程，分別接到PLC的四個(gè)輸入端口。25步進(jìn)電機(jī)的概述與選擇步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)有三大種類，分別是1、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。2、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是750。它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。3、混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）。這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。綜合考慮運(yùn)轉(zhuǎn)性能和性價(jià)比，本設(shè)計(jì)采用混合式步進(jìn)電機(jī)。型號(hào)為863HB69583低壓型三相混合式步進(jìn)電機(jī)。圖6863HB69583低壓型三相混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)圖3硬件的設(shè)計(jì)31控制系統(tǒng)接線圖圖7外部接線圖32硬件配置表2硬件配置表設(shè)備制造商數(shù)量PLC（FX2N24MT）MITSUBISHI1臺(tái)GROUP觸摸屏（GT1150QBBDC）MITSUBISHIGROUP1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)（863HB69583）1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（YK3605SA）1臺(tái)RS232電纜1條傳輸控制信號(hào)的電纜若干4系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)41控制系統(tǒng)程序框圖圖8控制系統(tǒng)程序框圖（總圖）圖9控制系統(tǒng)程序框圖（詳圖）42系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能及PLC程序（1）能對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制通過(guò)更改寄存器D10的值，改變定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間，從而改變每步的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；（2）有選擇步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式的功能通過(guò)中間繼電器M104，M105，M106分別控制連續(xù)定步單步的運(yùn)行方式。（3）有選擇工作方式的選擇通過(guò)中間繼電器M8，M9，M10分別控制單三拍雙三拍單雙六拍的工作方式。6（4）有正反轉(zhuǎn)控制、有速度顯示正反轉(zhuǎn)控制通過(guò)改變對(duì)寄存器D0的值的加減，再用解碼指令把D0的值換到M0到M7中，從而驅(qū)動(dòng)Y0到Y(jié)2線圈。43觸摸屏程序的設(shè)計(jì)（1）首頁(yè)設(shè)計(jì)首頁(yè)的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)潔，具有基本功能即可。另要有維修電話，方便如果儀器出現(xiàn)故障能聯(lián)系維修。（2）操作頁(yè)設(shè)計(jì)操作頁(yè)是用來(lái)選擇運(yùn)行方式的，包括連續(xù)工作、定步工作和單步工作，還有顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，另外要有停止和返回首頁(yè)按鈕。（3）運(yùn)行頁(yè)面連續(xù)工作頁(yè)連續(xù)工作頁(yè)包括工作方式選擇按鈕，啟停按鈕和轉(zhuǎn)向按鈕，還有轉(zhuǎn)速顯示和工作狀態(tài)顯示。為了方便仿真和觀察仿真現(xiàn)象，還加放了輸出信號(hào)燈Y0Y2，同時(shí)還有限位輸入和報(bào)警信號(hào)輸入。7定步工作頁(yè)面和單步工作頁(yè)面內(nèi)容和連續(xù)工作頁(yè)面類似，下面將不再一一闡述。定步工作頁(yè)面單步工作頁(yè)（4）報(bào)警頁(yè)面報(bào)警功能有操作錯(cuò)誤報(bào)警及硬件故障報(bào)警。操作錯(cuò)誤報(bào)警未選擇工作方式；未選擇轉(zhuǎn)向；未選擇運(yùn)行方式。硬件故障報(bào)警電機(jī)過(guò)熱、過(guò)載報(bào)警5程序調(diào)試PLC程序和觸摸屏程序?qū)懲旰?，進(jìn)入程序調(diào)試階段，在這過(guò)程中遇到下列的一些問(wèn)題（1）啟動(dòng)按鈕不能啟動(dòng)，停止按鈕不能停止。原因編寫(xiě)程序是出現(xiàn)觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)，啟動(dòng)的線圈觸點(diǎn)和中間繼電觸點(diǎn)配合不合理。解決辦法通過(guò)和老師討論和結(jié)合課本內(nèi)容，把啟動(dòng)和停止支路分開(kāi)，采用多觸點(diǎn)開(kāi)頭分離。（2）左右限位開(kāi)關(guān)不能自動(dòng)往返原因左右限位都用了同一個(gè)定時(shí)器T0，出現(xiàn)雙線圈問(wèn)題。解決辦法把其中一個(gè)定時(shí)器改為T(mén)1。（3）仿真的時(shí)候有時(shí)按下觸摸屏上的鍵時(shí)，沒(méi)有反應(yīng)，檢查PLC程序和觸摸的程序都沒(méi)錯(cuò)。原因經(jīng)上網(wǎng)查詢及閱讀一些有關(guān)資料，確定是電腦硬件的問(wèn)題，有時(shí)因?yàn)殡娔X的反應(yīng)速度與仿真軟件的讀取速度不同步，導(dǎo)致有時(shí)按下按鈕的時(shí)候PLC讀取不了該動(dòng)作。解決辦法暫時(shí)還沒(méi)找到有效的解決辦法，只有在仿真的時(shí)候，對(duì)著PLC時(shí)序圖來(lái)按鍵，如果發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，就多按一次。6系統(tǒng)仿真在GXDEVELOPER打開(kāi)PLC程序，點(diǎn)擊“梯形圖邏輯測(cè)試起動(dòng)”按鈕，進(jìn)入PLC程序仿真，再打開(kāi)GTSIMULATOR，打開(kāi)觸摸屏程序，入系統(tǒng)調(diào)試仿真，觀察并記錄現(xiàn)象，如圖10。圖10是連續(xù)運(yùn)行單三拍工作方式左轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)圖10仿真圖結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)的了解，通過(guò)查閱相關(guān)資料，設(shè)計(jì)了通過(guò)解觸摸屏和PLC控制步進(jìn)電機(jī)的控制方法。設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器能對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式，工作方式和正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，而且在觸摸屏上能有轉(zhuǎn)速，工作狀態(tài)和報(bào)警信息的提示，功能比較齊全。在編寫(xiě)程序過(guò)程中遇到不少問(wèn)題，通過(guò)自己的努力和在老師的幫助下，都已得到解決，自己從中學(xué)到不少知識(shí)，對(duì)PLC編程細(xì)節(jié)也有一定的認(rèn)知。由于個(gè)人知識(shí)欠缺和時(shí)間的限制，觸摸屏中的報(bào)警功能比較單一，這對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器在使用中出現(xiàn)故障時(shí)給操作者帶來(lái)不便。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題為基于FX2NPLC人機(jī)界面的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器，對(duì)于一名電氣工程專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目還是比較適合我的。此課題可以對(duì)我之前所學(xué)各門(mén)課程的知識(shí)進(jìn)行一個(gè)總結(jié)，以提高我的綜合素質(zhì)，對(duì)于我日后的工作將會(huì)有很大的幫助。參考文獻(xiàn)1坂本正文,王自強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)M北京科學(xué)出版社,2010，792三菱PLC與變頻器觸摸屏綜合培訓(xùn)教程蓋超會(huì),陽(yáng)勝峰編著北京中國(guó)電力出版社，2011，1923趙丹,等人機(jī)界面、位控模塊在對(duì)中性測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用J機(jī)械與電子,2005,972754劉軍PLC在工業(yè)中的應(yīng)用N電子報(bào),200609285阮友德，電氣控制與PLC實(shí)訓(xùn)教程M北京人民郵電出版社，2006,67896高欽和，PLC應(yīng)用開(kāi)發(fā)案例精選第二版M北京人民郵電出版社,2008,56667GT15使用說(shuō)明書(shū)附錄附錄A指令表LDM80021MOVK50D106RSTD09LDM2310ORM2411ANIM2012ANIM3813ANIM3914ANIC015ANIM4016OUTM2417LDPM2019ORM3620ORM3721ORC022ZRSTM0M1027ZRSTM100M10632MOVK50D1037ZRSTD0D242RSTC044LDPM1146ANIM1247ANIM1348ANIM949ANIM1050SETM851LDPM1253ANIM1154ANIM1355ANIM856ANIM1057SETM958LDPM1360ANIM1161ANIM1262ANIM863ANIM964SETM1065LDPM4167ORM10468ANIM10569ANIM10670ANIM2071OUTM10472MOVK2D277LDPM4279ORM10580ANIM10481ANIM10682ANIM2083OUTM10584MOVK4D289LDPM4391ORM10692ANIM10493ANIM10594ANIM2095OUTM10696MOVK8D2101LDPM14103ALTPM100106LDPM15108ALTPM101111LDPM30113ORM34114ANIM100115ANIM101116ANIT0117OUTM34118OUTT0K30121LDPM30123ORM36124ANIM100125ANDM101126ANIT2127OUTM36128OUTT2K50131LDPM16133ORM102134ORT0135ANIM35136ANIM36137ANIM38138ANIM103139ANIM20140ANIM100141OUTM102142LDPM31144ORM35145ANIM100146ANIM101147ANIT1148OUTM35149OUTT1K30152LDPM31154ORM37155ANIM100156ANDM101157ANIT3158OUTM37159OUTT3K50162LDPM17164ORM103165ORT1166ANIM34167ANIM37168ANIM38169ANIM102170ANIM20171ANIM100172OUTM103173LDM24174ANIM8175ANIM9176ANIM10177ORM38178ANIT4179OUTM38180OUTT4K20183LDPM38185SETM60186LDFM38188RSTM60189LDIM102190ANIM103191ANIM106192ANIM60193ANDPM24195ORM39196ANIT5197OUTM39198OUTT5K20201LDPM39203SETM61204LDFM39206RSTM61207LDPM24209ANIM61210ANIM60211ANIM104212ANIM105213ANIM106214ORM40215ANIT6216OUTM40217OUTT6K20220LDPM40222SETM62223LDFM40225RSTM62226LDM24227ANIM38228ANIM39229ANIM40230MCN0M50233LDM8000234DECOD0M0K3241LDIT200242OUTT200D10245LDPM18247SUBPD10K10D10254LDPM19256ADDPD10K10D10263LDD10K200278MOVK200D10283LDM104284MCN1M51287LDM102288MPS289ANDPT200291INCPD0294MPP295ANDD0K6300RSTD0303LDM103304MPS305ANDPT200307DECPD0310MPP311ANDD0K1316MOVK5D0321MCRN1323LDM105324MCN2M52327LDPT200329OU