步進電機和交通燈的PLC控制設(shè)計

1、武漢理工大學華夏學院信息工程課程設(shè)計報告書課 程 名 稱 可編程控制器 課程設(shè)計總評成績 學生姓名、學 號 10212409105 學 生 專 業(yè) 班級 自動化1091 指 導 教 師 姓名 陳艷三 課程設(shè)計起止日期 課程設(shè)計基本要求課程設(shè)計是工科學生十分重要的實踐教學環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計，培養(yǎng)學生綜合運用先修課程的理論知識和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實際問題的能力。課程設(shè)計報告是科學論文寫作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓練學生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力，也是規(guī)范課程設(shè)計教學要求、反映課程設(shè)計教學水平的重要依據(jù)。為了加強課程設(shè)計教學管理，提高課程設(shè)計教學質(zhì)量，特擬定如下基本要求。1

2、. 課程設(shè)計教學一般可分為設(shè)計項目的選題、項目設(shè)計方案論證、項目設(shè)計結(jié)果分析、答辯等4個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績。2. 課程設(shè)計項目的選題要符合本課程設(shè)計教學大綱的要求，該項目應(yīng)能突出學生實踐能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項目有一定的實用性，且學生通過努力在規(guī)定的時間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計項目名稱、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計報告書一、二項中，課程設(shè)計項目的選題考核成績占10%左右。3. 項目設(shè)計方案論證主要包括可行性設(shè)計方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和pcb圖。項目設(shè)計方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計報告書第三項中，項目設(shè)計方

3、案論證主要考核設(shè)計方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績占30%左右。4. 項目設(shè)計結(jié)果分析主要包括項目設(shè)計與制作結(jié)果的工藝水平，項目測試性能指標的正確性和完整性，項目測試中出現(xiàn)故障或錯誤原因的分析和處理方法。項目設(shè)計結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計報告書第四項中，考核成績占25%左右。5. 學生在課程設(shè)計過程中應(yīng)認真閱讀與本課程設(shè)計項目相關(guān)的文獻，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻閱讀摘要記錄于課程設(shè)計報告書第五項中，考核成績占10%左右。6. 答辯是課程設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計指導教師向答辯學生提出23個問題，通過答辯可進一步了解學生對課程設(shè)計中理論知識

4、和實際技能掌握的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績占25%左右。7.學生應(yīng)在課程設(shè)計周內(nèi)認真參加項目設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，按時完成課程設(shè)計報告書交給課程設(shè)計指導教師評閱。課程設(shè)計指導教師應(yīng)認真指導學生課程設(shè)計全過程，認真評閱學生的每一份課程設(shè)計報告，給出課程設(shè)計綜合評閱意見和每一個環(huán)節(jié)的評分成績（百分制），最后將百分制評分成績轉(zhuǎn)換為五級分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評成績。8. 課程設(shè)計報告書是實踐教學水平評估的重要資料，應(yīng)按課程、班級集成存檔交實驗室統(tǒng)一管理。一、課程設(shè)計項目名稱步進電機控制二、項目設(shè)計目的及技術(shù)要求1、 學習在plc實驗系統(tǒng)中步進電機信號的驅(qū)動控制2、

5、 熟悉軟件算法編程的使用方法和調(diào)試程序的方法3、 進一步掌握寫入和編輯用戶程序的方法步驟：1、 在斷電的情況下用編程電纜連接plc的通信口和計算機的串行通信接口com1；2、 把扁平電纜線連接控制對象一和el-plc-iii-m6模塊，將步進電機控制模塊插在控制對象一上，上電，5v的指示燈應(yīng)該亮；3、 正常后，西門子按以下方法接線：plc輸入 中央主控上的in1 ： 接plc 電平轉(zhuǎn)換的021 ，而i21 接el-plc-iii-m6模塊上的tl5 中央主控上的in2 ： 接plc 電平轉(zhuǎn)換的022 ，而i22 接el-plc-iii-m6模塊上的tl6 plc輸出 中央主控上的out0 ：接

6、plc電平轉(zhuǎn)換模塊上的i1，而01 接 步進電機控制模塊上tl4 中央主控上的out1：接plc電平轉(zhuǎn)換模塊上的i2，而02 接步進電機控制模塊上tl3 中央主控上的out2：接plc電平轉(zhuǎn)換模塊上的i3，而03 接步進電機控制模塊上tl2 中央主控上的out3：接plc電平轉(zhuǎn)換模塊上的i4，而04 接步進電機控制模塊上tl1注意：要把plc電平轉(zhuǎn)換模塊的vcc1 接24v電源。4、 打開編程軟件，用菜單命令“文件”/“打開”，打開實驗程序tt13；5、 下載實驗程序tt13，成功完成后，使plc處于運行狀態(tài)，run指示燈亮；6、 按下模塊上的正轉(zhuǎn)按鈕s1 ，步進電機會正轉(zhuǎn)180度，當步進電機

7、轉(zhuǎn)到180度后停止。7、 按下模塊上的反轉(zhuǎn)按鈕s2后，步進電機會反轉(zhuǎn)180度，當步進電機轉(zhuǎn)到180度后，停止。8、 可以在程序中修改延時的長短來達到電機轉(zhuǎn)動的角度的目的。三、項目設(shè)計方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和pcb圖)1.步進電機簡介步進電動機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于電動機的工作原理和其它電動機有很大的差別，具有其它電動機所沒有的特性。因此，沿著小型、高效、低價的方向發(fā)展。步進電動機由此而得名。步進電動機的運行是在專用的脈沖電源供電下進行的，其轉(zhuǎn)子走過的步數(shù)，或者說轉(zhuǎn)

8、子的角位移量，與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。另外，步進電動機動態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，只要改變輸入脈沖的順序，就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。這些特點使得步進電動機與其它電動機有很大的差別。因此， 步進電動機的上述特點，使得由它和驅(qū)動控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初，步進電動機經(jīng)歷過一個大的發(fā)展階段。2.plc的概述可編程控制器(簡稱 plc) 是種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是在20 世紀 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過

9、數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴充其功能的原則設(shè)計的。plc 自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。產(chǎn)生和發(fā)展過程現(xiàn)代社會要求生產(chǎn)廠家對市場的需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取而代之。plc實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同:1）中央處理單元(cpu)是plc的控制中樞。它按照plc系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從

10、編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當plc投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入i/o映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入i/o映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將i/o映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高plc的可靠性，近年來對大型plc還采用雙cpu構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三cpu的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個cpu出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正

11、常運行。2）存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。3 plc技術(shù)在步進電機控制中的應(yīng)用隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展，其功能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小。對電動機進行綜合設(shè)計。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設(shè)計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動機方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具

12、有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅(qū)動電路比三相電動機復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些?？刂撇竭M電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子plc本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10khz，能夠滿足步進電動機的要求。對plc提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的plc最好是具有實時刷新技術(shù)的plc，使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。二是plc本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。

13、如下圖所示：plc步進電機輸入信號4.步進電機工作原理步進電動機是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的機電元件，每一個脈沖信號可以使步進電機前進一步，轉(zhuǎn)過的角度與控制脈沖的個數(shù)呈嚴格的正比關(guān)系。其運行速度與控制脈沖頻率呈嚴格的正比關(guān)系，正是這個特點，使其可以和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合，成為比較理想的執(zhí)行元件。步進電機主要應(yīng)用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)中。目前步進電機在數(shù)控機床、計算機外圍設(shè)備、鐘表、包裝機械、食品機械中得到廣泛的應(yīng)用。步進電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。以二相步進電機為例，定子上有兩組相對的磁極，每對磁極纏有同一繞組，形成一相。定子和轉(zhuǎn)子上分布著大小、間距相同的多個小齒。當步進電機某一相

14、通電形成磁場后，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強行推動到最大磁導率（或最小磁阻）的位置。步進電機接收到一個脈沖信號，就驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)過一個步距角，對于一個m相n拍的步進電機來說，每走完n拍，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距角，所以齒距角與步距角的關(guān)系為：從控制原理上，步進電機可以分為反應(yīng)式、永磁式和混合式步進電機三大類；按照控制繞組的相數(shù)可以分為兩相、三相、四相。本次課程設(shè)計所使用的步進電機為兩相四線步進電機。5.plc控制步進電機程序設(shè)計 符號表四、項目設(shè)計結(jié)果分析（分析試驗過程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)果的原因和處理方法）現(xiàn)象：啟動步進電機，按下模塊上的正轉(zhuǎn)按鈕s1 ，步

15、進電機會正轉(zhuǎn)180度，當步進電機轉(zhuǎn)到180度后停止。按下模塊上的反轉(zhuǎn)按鈕s2后，步進電機會反轉(zhuǎn)180度，當步進電機轉(zhuǎn)到180度后，停止。此外，當步進電機正傳90度后按下s2，步進電機會立刻反轉(zhuǎn)90度。也可以工作到plc設(shè)定的步數(shù)后停止。一、課程設(shè)計項目名稱 交通燈控制二、項目設(shè)計目的及技術(shù)要求1進一步熟悉編程軟件及方法2熟悉順序控制編程原理及方法3掌握定時器使用方法步驟：接線：西門子plc輸入 中央主控上的in1 接plc電平轉(zhuǎn)換模塊的o21 ，而i21接控制對象一上的插孔tl7，s0 plc輸出 中央主控上的out1 接plc電平轉(zhuǎn)換模塊的i1，而o1接控制對象一上的交通燈控制插孔tl6；

16、中央主控上的out2接plc電平轉(zhuǎn)換模塊的i2，而o2接控制對象一上的交通燈控制插孔tl5；中央主控上的out3接plc電平轉(zhuǎn)換模塊的i3，而o3接控制對象一上的交通燈控制插孔tl4；中央主控上的out4接plc電平轉(zhuǎn)換模塊的i4，而o4接控制對象一上的交通燈控制插孔tl3；中央主控上的out5接plc電平轉(zhuǎn)換模塊的i5，而o5接控制對象一上的交通燈控制插孔tl2；中央主控上的out6接plc電平轉(zhuǎn)換模塊的i6，而o6接控制對象一上的交通燈控制插孔tl1；注意：要把plc電平轉(zhuǎn)換模塊的vcc1 接24v電源。內(nèi)容：使用plc數(shù)字量輸入、輸出控制紅綠燈。 控制流程表如下圖啟動開關(guān)合上01s南北紅

17、燈亮，東西紅燈亮，即南北方向和東西方向均等待。14s南北紅燈亮，東西綠燈亮，即南北方向等待，東西方向行駛。45s南北紅燈亮，東西黃燈亮，即南北方向和東西方向均等待。56s南北紅燈亮，東西紅燈亮，即南北方向和東西方向均等待。69s南北綠燈亮，東西紅燈亮，即南北方向行使，東西方向等待。910s南北黃燈亮，東西紅燈亮，即南北方向和東西方向均等待。步驟1、下載程序tt10，成功完成后，使plc處于運行狀態(tài)，run指示燈亮；2、按下啟動按鈕s0，l15燈亮，開始時，東西和南北的所有燈都是紅燈。然后就是按著控制要求來循環(huán)顯示路口交通信號的信息。3、控制模塊一上實時的顯示南北方向和東西方向車輛的運行情況。三

18、、項目設(shè)計方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和pcb圖)1.交通燈概述自從交通燈誕生以來，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進，設(shè)計方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來，隨著電子與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設(shè)計方法有了很大的改進，電子設(shè)計自動化也已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的工具和手段，而現(xiàn)今plc技術(shù)飛快發(fā)展，應(yīng)用越來越廣，在工業(yè)自動化中的地位極為重要，廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)。隨著科技的發(fā)展，可編程控制器的功能日益完善，加上小型化、價格低、可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。同時交通控制更是趨向智能化方向發(fā)展，led交通信號燈在持續(xù)發(fā)

19、光、雨淋、灰塵等惡劣的氣候條件下，仍然能保持較好的工作性能，而且價格更低廉。北紅 紅西 黃 東 綠南南北方向: 左為紅燈，中間為黃燈，右為綠燈；2.plc概述plc是programmable logic controller的縮寫，即可編程邏輯控制器。它經(jīng)歷了可編程序矩陣控制器pmc、可編程序順序控制器psc、可編程序邏輯控制器plc和可編程序控制器pc幾個不同時期。為與個人計算機（pc）相區(qū)別，所以現(xiàn)在仍然將可編程邏輯控制器簡稱plc。它是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，

20、并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 3.交通燈流程 4.plc交通燈控制設(shè)計四、項目設(shè)計結(jié)果分析（分析試驗過程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)果的原因和處理方法）現(xiàn)象：按下啟動按鈕s0，l15燈亮，開始時，東西和南北的所有燈都是紅燈。然后就是按著控制要求來循環(huán)顯示路口交通信號的信息。實質(zhì)上接線中可以不結(jié)s0，然后直接接輸入，從輸入的兩個開關(guān)上可以實現(xiàn)交通燈的啟動和停止。實際中交通燈無法實現(xiàn)南北、東西方向同時紅燈，只會出現(xiàn)南北紅燈時候東西綠燈，南北綠燈時候東西紅燈，并且一直按照要求循環(huán)顯示交通路口的信號燈的信息。五、參考文摘（相關(guān)文摘不

21、少于5篇，記錄每篇文獻的作者姓名.文獻名稱.文獻發(fā)行城市：文獻出版社，出版年；文獻內(nèi)容摘要, 每篇不少于100字）【1】 阮友德 電氣控制與plc實訓教程 北京 人民郵電出版社 2006摘要：固態(tài)繼電器用于控制直流電動機時候，應(yīng)在負載兩端接入二極管，用來阻斷反電勢?？刂平涣髫撦d時候，必須估計電壓沖擊的程度，并且采取相應(yīng)的保護措施（如果加裝rc吸收電路或者壓敏電阻等）。當控制電感性負載時候，固態(tài)繼電器的兩端還需加壓敏電阻?！?】 劉寶廷 程樹康 步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng) 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學出版社 1997摘要：轉(zhuǎn)子部件由轉(zhuǎn)子鐵芯，水磁材料和軸構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵芯通常使用硅鋼片，也有使用塊狀電工鋼或者粉末冶金材料。使用硅鋼片時候加工制造方法和釘子鐵芯相同，需采用沖壓后疊壓成型。轉(zhuǎn)子鐵芯必須選用磁損耗小的材料。塊狀電壓鋼的導磁性較好，但是齒輪加工量大；冶金材料可使用模具材料燒制成型，造價相對較低?！?】 廖常初 plc基礎(chǔ)及應(yīng)用 北京 機械工業(yè)出版社 2007摘要：中央處理單元是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、i/o