可編程控制器（PLC）步進電動機電機控制分析研究 機械制造專業(yè)

1、摘 要本文介紹了有關(guān)PLC的基本概念，PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。其次了解PLC的主要特點和工作過程，讓我們認識到PLC的未來展望。步進電動機是一種控制精度極高的電動機 ，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用， 論文在簡要介紹步進電機的工作原理和控制原則之后 ，采用可編程控制（PLC）對步進電動機進行控制的設(shè)計方法進行了介紹 ，給出了控制系統(tǒng)的硬件， 軟件設(shè)計方法 ，實際應(yīng)用表明了設(shè)計的有效性。在PLC步進電機控制系統(tǒng)中，輸入到其線圈繞組中的脈沖數(shù)或脈

2、沖頻率可控制步進電動機的角位移和轉(zhuǎn)速，在給步進電機的各線圈繞組輸入脈沖時需要進行脈沖分配器分配脈沖，脈沖分配可以由軟件進行設(shè)計，也可以由硬件組成。以O(shè)MRON的C系列P型機為例，此論文討論步進電機的PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法。介紹了plc控制步進電動機的一種應(yīng)用方法 ，并論述了其編程過程。關(guān)鍵詞: 可編程控制器（PLC），步進電動機， 電機控制AbstractThis paper introduced the basic concepts of the PLC, PLC is a specialist in industrial environments and the applicatio

3、n of digital design of the operation of electronic computing devices. At present, the PLC has been widely used in the domestic and foreign steel, petroleum, chemicals, electric power, building materials, machinery manufacturing, automotive, textile, transportation, environmental protection, culture

4、, entertainment, and other industries. Secondly understanding of the main features of PLC and the work process, let us recognize that the future outlook for PLC.Stepper motor is a high precision motor control in a wide range of industrial applications, the paper briefly introduced the working princi

5、ple of stepper motor and control principles, with the introduction of programmable controller (PLC) on the stepper motor control methods for the design, the control system is the hardware, software, design methods. Practical application shows the effectiveness of the design. In the PLC stepper motor

6、 control system, enter its coil windings in the pulse, or the pulse frequency can be controlled stepper motor speed and the angular displacement, to the stepper motor coil winding of the input pulse, the need for distribution of pulse distributor Pulse, pulse distribution can be designed by the soft

7、ware, hardware components can be. OMRON to the C Series P-type-for example, the paper on the PLC stepper motor control system software design method. It introduced a stepper motor control of plc applications, discussed the programming process. Key words: Programmable Logic Controller (PLC) , Stepper

8、 motor, Motor control 目 錄第一章 前 言-5第二章 PLC的基本概況- 721 （PLC可編程控制器）的簡介-722 PLC的特點- 823 PLC的工作過程- 1024 PLC的發(fā)展歷史- 1025 PLC的國內(nèi)外狀況- 1126 PLC的未來展望- 1327 PLC的市場情況- 13第三章 步進電動機的簡介-1531 步進電動機的定義-1532 步進電動機的特色-1533 步進電動機的種類-1634 步進電動機的工作原理-16第四章 PLC控制步進電機方法的研究-1841 引言-1842 PLC的基本結(jié)構(gòu)- 1843 控制方法及研究-184.3.1 FP1的特殊功能

9、簡介-184.3.2 步進電機的速度控制-194.3.3 控制系統(tǒng)的程序運行-2044 結(jié)束語-21第五章 步進電機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計- 2251 引言-2252 步進電動機PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖設(shè)計-2253 步進電動機PLC控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計- 22第六章 步進電動機的PLC控制- 2561 引言-2562 微型步進電動機的運行原理-2563 PLC控制- 2764 結(jié)束語-31第七章 結(jié) 論- 3271 結(jié)論-3272 展望-32致 謝-34參 考 文 獻-35第一章 前言PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲

10、執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。1.開關(guān)量的邏輯控制 這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2.模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模

11、擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3.運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。4.過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制

12、各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。5.數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，

13、如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。PLC還有一種說法是:產(chǎn)品生命周期（product life cycle）觀念，簡稱PLC，是把一個產(chǎn)品的銷售歷史比作象人的生命周期一樣，要經(jīng)歷出生、成長、成熟、老化、死亡等階段。就產(chǎn)品而言，也就是要經(jīng)歷一個開發(fā)、引進、成長、成熟、衰退的階段。1） 產(chǎn)品開發(fā)期：從開發(fā)產(chǎn)品的設(shè)想到產(chǎn)品制造成功的時期。此期間該產(chǎn)品銷售額為零，公司投資不斷增加。2） 引進期：新產(chǎn)品新上市，銷售緩慢。由于引進產(chǎn)品的費用太高，初期通常利潤偏低或為負數(shù)，但此時沒有或只有極少的競爭者。3） 成長期：產(chǎn)品經(jīng)過一段時間已有相當(dāng)知名度，銷售快速增長，利潤也顯著增加。但由于市場及利潤成長

14、較快，容易吸引更多的競爭者。4） 成熟期：此時市場成長趨勢減緩或飽和，產(chǎn)品已被大多數(shù)潛在購買者所接受，利潤在達到頂點后逐漸走下坡路。此時市場競爭激烈，公司為保持產(chǎn)品地位需投入大量的營銷費用。5） 衰退期：這期間產(chǎn)品銷售量顯著衰退，利潤也大幅度滑落。優(yōu)勝劣汰，市場競爭者也越來越少。第二章 PLC的基本概況2.1 可編程控制器（PLC）的簡介20世紀60年代末第一臺可編程控制器研制成功并獲得應(yīng)用，當(dāng)時它主要用于順序控制，進行邏輯運算，故稱“可編程序控制器”，簡稱PLC（Programmable logic Controller）,進入80年代，由于計算機技術(shù)與微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，極大的推動了PL

15、C的發(fā)展，使其功能日益增強，已遠遠超出當(dāng)邏輯控制和順序控制的范圍，故稱為“可編程控制器” 簡稱PC（Programmable Controller）。但因PC容易與“個人計算機” （Personal Computer）渾淆，所以人們?nèi)粤?xí)慣用PLC作為可編程控制器的縮寫。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬

16、式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。可程序邏輯控制器（PLC，Programmable Logic Controller），乃是一種固態(tài)電子裝置，主要利用輸入/輸出裝置的回授信號及儲存程序，控制機械或程序的操作。在工廠自動化（FA）系統(tǒng)中，PLC因為具備價格便宜、系統(tǒng)穩(wěn)定及環(huán)境適應(yīng)性佳的特點，故一直為自動化業(yè)界所采用。近幾年來，各PLC制造廠家無不致力于新機種的研發(fā)，所以在CPU 處理速度、擴展模塊及通訊的功能上，相較于早期PLC控制器，已有長足的進展。PLC 能儲存如順序指令、定時器指令、計

17、數(shù)器指令、演算指令、數(shù)據(jù)控制指令以及通訊指令，并且以控制工業(yè)的機械裝置及流程。如圖2-1所示為PLC 在應(yīng)用方面的概念圖。圖 2-1 PLC 在應(yīng)用方面的概念圖PLC 是以微處理機為基礎(chǔ)，綜合了計算器與自動化技術(shù)而開發(fā)的工業(yè)控制裝置，這種控制器按照 IEC 國際標準的定義是可程序邏輯控制器又稱為PC 或PLC。這種裝置，內(nèi)部儲存預(yù)先編寫相應(yīng)的程序， 待輸入輸出連接完成之后，PLC 運行這個程序，便可自動完成預(yù)定的操作，屬于一種程序記憶型的電子控制裝置，亦可視為一般的繼電器或定時器、計數(shù)器等集合體。目前PLC控制技術(shù)已在世界范圍內(nèi)廣為流行，PLC控制技術(shù)已成為當(dāng)前和今后電機控制的主要手段和重要的

18、基礎(chǔ)設(shè)備之一。2.2 PLC的特點PLC經(jīng)過三十多年的發(fā)展。日益完善，與傳統(tǒng)繼電接觸器控制相比較，具有如下特點：1. 可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)

19、出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2. 配套齊全，功能完善，適用性強 PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3. 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作

20、為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。4. 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。5. 體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為

21、例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。2.3 PLC的工作過程 PLC大多采用成批輸入/輸出的周期掃描方式工作，按用戶程序的先后次序逐條運行。一個完整的周期可分為三個階段：1. 輸入刷新階段程序開始時，監(jiān)控程序使機器以掃描方式逐個輸入所有輸入端口上的信號，并依次存入對應(yīng)的輸入映象寄存器。2. 程序處理階段所有的輸入端口采樣結(jié)束后，即開始進行邏輯運算處理，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始，逐條加以執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運行結(jié)果，存入對應(yīng)的中間元件和輸出元件映象寄存器，當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即

22、轉(zhuǎn)入輸出刷新處理。3. 輸出刷新階段將輸出元件映象寄存器的內(nèi)容，從第一個輸出端口開始，到最后一個結(jié)束，依次讀入對應(yīng)的輸出鎖存器，從而驅(qū)動輸出器件形成可編程的實際輸出。2.4 PLC的發(fā)展歷史1968年美國GM(通用汽車)公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代PLC產(chǎn)品了。 在以改變幾何形狀和機械性能為特征的制造工業(yè)和以物理變化和化學(xué)變化將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品為特征的過程工業(yè)中，除了以連續(xù)量為主的反饋控制外，特別在制造工業(yè)中存在了大量的開關(guān)量為主的開環(huán)的順序控制，它按照邏輯條件進行

23、順序動作號按照時序動作;另外還有與順序、時序無關(guān)的按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制;以及大量的開關(guān)量、脈沖量、計時、計數(shù)器、模擬量的越限報警等狀態(tài)量為主的離散量的數(shù)據(jù)采集監(jiān)視。由于這些控制和監(jiān)視的要求，所以PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產(chǎn)品。在多年的生產(chǎn)實踐中，逐漸形成了PLC、DCS與IPC三足鼎立之勢，還有其它的單回路智能式調(diào)節(jié)器等在市場上占一定的百分比。在80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。由于PLC機聯(lián)系處理模擬能力和網(wǎng)絡(luò)方面功能的進步，擠占了一部分DCS的市場(過程控制)并逐漸壟斷了污水處理等行業(yè)，但是由于工業(yè)PC(IPC

24、)的出現(xiàn)，特別是近年來現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，IPC和DCS也擠占了一部分PLC市場，所以近年來PLC增長速度，總的說是漸緩。目前全世界有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品，主要應(yīng)用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化學(xué)/制藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業(yè)。2.5 PLC的國內(nèi)外狀況在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設(shè)備公

25、司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認的第一臺PLC。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼

26、電器命名。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階

27、段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各

28、種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應(yīng)用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中

29、外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。2.6 PLC的未來展望21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)

30、的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。2.7 PLC的市場情況 國內(nèi)PLC生產(chǎn)廠約30家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還 有一部分是以仿制、來件組裝或“貼牌”方式生產(chǎn)，因此可以說PLC在我國未形成制造產(chǎn)業(yè)。作為原理、技術(shù)和工藝均無尖端技術(shù)難度的產(chǎn)品，只要努力，是能形成制造產(chǎn)業(yè)的

31、。在PLC應(yīng)用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入10萬臺套PLC產(chǎn)品，年銷售額30億元人民幣，應(yīng)用的行業(yè)也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產(chǎn)線方面的應(yīng)用，還需要加大投入。我國市場上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品:1. 施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進莫迪康公司的產(chǎn)品，目前有Quantum、Premium、Momentum等產(chǎn)品; 2. 羅克韋爾公司(包括AB公司)PLC產(chǎn)品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等產(chǎn)品; 3. 西門子公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品;4. GE公司的產(chǎn)品;日本歐姆龍、三菱、富士、松下等

32、公司產(chǎn)品。PLC的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業(yè)發(fā)達的日本也有調(diào)查表明，PLC配套的機電一體化產(chǎn)品的比例占42%，采用繼電器、接觸器控制尚有24%。所以說，需要應(yīng)用PLC的場合還很多，在我國就更是如此了。 從技術(shù)創(chuàng)新的角度看，我國大中型企業(yè)還要大力發(fā)展CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))，在機械制造廠要形成FMS柔性制造系統(tǒng)，PLC是基礎(chǔ)，所以PLC市場是廣闊的。PLC具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應(yīng)用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，這是它能持久的占有市場的根本原因。第三章 步進電動機的簡介3.1 步進電動機的定義電動機是將一種電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件，每當(dāng)

33、輸入一個點脈沖時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的角度稱為步距角，簡稱為步距。脈沖一個一個輸入，電動機便一步一步地轉(zhuǎn)動，步進電動機便因之而命名。3.2 步進電動機的特色步進電動機具有自身的特色歸納起來有： 1）可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。 2) 位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高招度時組成閑環(huán)控制系統(tǒng)。3) 無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 4) 易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速響應(yīng)性也好5) 停止時，可有自鎖能力。6) 步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下通常可以在超低速下高轉(zhuǎn)

34、矩穩(wěn)定運行、通常可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負載。7) 速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。同時用一臺控制器控制幾臺步進電動機可使它們完全同步運行。8) 步進電動機帶慣性負載的能力較差。9) 由于存在失步和共振，因此步進電動機的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不向而復(fù)雜化。10) 不能直接使用普通的交直流電源驅(qū)動。3.3 步進電動機的種類目前常用的有三種步進電動機：1. 反應(yīng)式步進電動機(VR)。反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動態(tài)性能差。2. 永磁式步進電動機(PM)。永磁式步進電動機出力大，動態(tài)性能好；但步距角大。3. 混合式步進電動機(HB)?；旌鲜讲竭M電動機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進電動機

35、兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進電動3.4 步進電動機的工作原理圖 3-1 三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖1定子 2轉(zhuǎn)子 3定子繞組圖3-1是最常見的三相反應(yīng)式步進電動機的剖面示意圖。電機的定子上有六個均布的磁極，其夾角是60。各磁極上套有線圈，按圖3-1連成A、B、C三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布40個小齒。所以每個齒的齒距為E=360/40=9，而定子每個磁極的極弧上也有5個小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是30和40，其比值是一分數(shù)，這就產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。若以A相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對

36、齊，如圖3-1，那么B相和C相磁極的齒就會分別和轉(zhuǎn)子齒相錯三分之一的齒距，即3。因此，B、C極下的磁阻比A磁極下的磁阻大。若給B相通電，B相繞組產(chǎn)生定子磁場，其磁力線穿越B相磁極，并力圖按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到反應(yīng)轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）的作用而轉(zhuǎn)動，直到B磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過3；此時A、C磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯開三分之一齒距。接著停止對B相繞組通電，而改為C相繞組通電，同理受反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時針方向再轉(zhuǎn)過3。依次類推，當(dāng)三相繞組按ABCA順序循環(huán)通電時，轉(zhuǎn)子會按順時針方向，以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動3的規(guī)律步進式轉(zhuǎn)動起來。若改變通電順序，按ACBA順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子

37、就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動3的規(guī)律轉(zhuǎn)動。因為每一瞬間只有一相繞組通電，并且按三種通電狀態(tài)循環(huán)通電，故稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步矩角b為30。三相步進電動機還有兩種通電方式，它們分別是雙三拍運行，即按ABBCCAAB順序循環(huán)通電的方式，以及單、雙六拍運行，即按AABBBCCCAA順序循環(huán)通電的方式。六拍運行時的步矩角將減小一半。反應(yīng)式步進電動機的步距角可按下式計算：b=360/NEr (3-1)式中 Er轉(zhuǎn)子齒數(shù)； N運行拍數(shù)，N=km，m為步進電動機的繞組相數(shù)，k=1或2。第四章 PLC控制步進電機方法的研究4.1 引言隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛

38、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，它與計算機有效結(jié)合，可進行模擬量控制，具有遠程通信功能等。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（即PLC，機器人，CAD/CAM）之一。目前可編程序控制器（Programmable Controller）簡稱PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動化提供了有力的工具。4.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要包括CPU、RAM、ROM和輸入/輸出接口電路等。如果把PLC看作一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量-PLC-輸出變量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的信號均作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC外部端

39、子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運算或其它各種運算、處理后送到輸出端子，它們是PLC的輸出變量，由這些輸出變量對外圍設(shè)備進行各種控制。4.3 控制方法及研究4.3.1 FP1的特殊功能簡介(1) 脈沖輸出FP1的輸出端Y7可輸出脈沖，脈沖頻率可通過軟件編程進行調(diào)節(jié)，其輸出頻率范圍為360Hz5kHz。(2) 高速計數(shù)器（HSC） FP1內(nèi)部有高速計數(shù)器，可同時輸入兩路脈沖，最高計數(shù)頻率為10kHz，計數(shù)范圍-8388608+8388607。(3) 輸入延時濾波FP1的輸入端采用輸入延時濾波，可防止因開關(guān)機械抖動帶來的不可靠性，其延時時間可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為1ms128ms。(4

40、) 中斷功能FP1的中斷有兩種類型，一種是外部硬中斷，一種是內(nèi)部定時中斷。4.3.2 步進電機的速度控制FP1有一條SPD0指令，該指令配合HSC和Y7的脈沖輸出功能可實現(xiàn)速度及位置控制。速度控制梯形圖見圖4-1，控制方式參數(shù)見圖4-2，脈沖輸出頻率設(shè)定曲線見圖4-3。 圖 4-1 速度控制梯形圖圖 4-2 控制方式參數(shù)圖 4-3 脈沖輸出頻率設(shè)定曲線4.3.3 控制系統(tǒng)的程序運行 圖 4-4 控制系統(tǒng)原理圖圖4-4是控制系統(tǒng)的原理接線圖，圖4-4中Y7輸出的脈沖作為步進電機的時鐘脈沖，經(jīng)驅(qū)動器產(chǎn)生節(jié)拍脈沖，控制步進電機運轉(zhuǎn)。同時Y7接至PLC的輸入接點X0，并經(jīng)X0送至PLC內(nèi)部的HSC。H

41、SC計數(shù)Y7的脈沖數(shù)，當(dāng)達到預(yù)定值時發(fā)生中斷，使Y7的脈沖頻率切換至下一參數(shù)，從而實現(xiàn)較準確的位置控制。實現(xiàn)這一控制的梯形圖見圖4-5。 圖 4-5 控制梯形圖控制系統(tǒng)的運行程序：第一句是將DT9044和DT9045清零，即為HSC進行計數(shù)做準備;第二句第五句是建立參數(shù)表，參數(shù)存放在以DT20為首地址的數(shù)據(jù)寄存器區(qū);最后一句是啟動SPD0指令，執(zhí)行到這句則從DT20開始取出設(shè)定的參數(shù)并完成相應(yīng)的控制要求。由第一句可知第一個參數(shù)是K0，是PULSE方式的特征值，由此規(guī)定了輸出方式。第二個參數(shù)是K70，對應(yīng)脈沖頻率為500Hz，于是Y7發(fā)出頻率為500Hz的脈沖。第三個參數(shù)是K1000，即按此頻率

42、發(fā)1000個脈沖后則切換到下一個頻率。而下一個頻率即最后一個參數(shù)是K0，所以當(dāng)執(zhí)行到這一步時脈沖停止，于是電機停轉(zhuǎn)。故當(dāng)運行此程序時即可使步進電機按照規(guī)定的速度、預(yù)定的轉(zhuǎn)數(shù)驅(qū)動控制對象，使之達到預(yù)定位置后自動停止。 4.4 結(jié)束語利用可編程序控制器可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便可靠地進行各種步進電機的操作，完成各種復(fù)雜的工作。它代表了先進的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實現(xiàn)。第五章 步進電機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計5.1 引言PLC作為控制器對機床電氣控制系統(tǒng)的改造越來越突出。其主要部分是對數(shù)控機床的典型執(zhí)行元件步進電機的控制。我們知道步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)

43、換成相應(yīng)角位移的電機，步進電機每輸入一個電脈沖就前進一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，因此只要控制輸入到其線圈繞組中的脈沖數(shù)或者脈沖頻率即可控制步進電動機的角位移和轉(zhuǎn)速，但給步進電動機的各線圈繞組輸入的脈沖還需要進行脈沖分配器的分配。利用PLC控制步進電動機，其脈沖分配可以由軟件進行設(shè)計，還可以由硬件來組成。本文以O(shè)MRON的C系列P型機為例，討論步進電動機用軟件分配脈沖的設(shè)計方法。5.2 步進電動機PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖設(shè)計步進電動機以最常用的三相六拍通電方式工作，并要求步進電動機設(shè)有快速、慢速控制、正反轉(zhuǎn)及單步控制4種控制方式。根據(jù)要求，可選用C28PCDTD的PLC進行控制并

44、設(shè)計出步進電動機的PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖（圖5-1）。 圖 5-1 步進電動機的PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖5.3 步進電動機PLC控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計根據(jù)控制要求設(shè)計了PLC控制系統(tǒng)梯形圖見圖5-2。圖 5-2 步進電動機的PLC控制系統(tǒng)梯形圖1. 用移位寄存器SFT1010的10001005產(chǎn)生六拍的時序脈沖，在CP端的移位脈沖信號1106的作用下，將IN端的信號依次移入10001005，每移1位為1拍，6拍為1循環(huán)，移位時所產(chǎn)生的時鐘脈沖頻率由移位脈沖信號頻率決定。2. 輔助繼電器1200、1201、1202組成三相六拍環(huán)形分配器。在10001005產(chǎn)生的六拍時序脈沖作用下，1200、1

45、201、1202的通電順序見圖5-3。圖 5-3 通電順序3. 由0500、0501、0502實現(xiàn)步進電動機的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動控制。當(dāng)正反轉(zhuǎn)按鈕SB5常開時，輸入點0005斷開，步進電動機的通電順序為：0500（A相）0500、0501（A、B相）0501（B相）0501、0502（B、C相）0502（C相）0502、0500（C、A相）0500（A）.，此時步進電動機正轉(zhuǎn);按SB5時，輸入點0005接通，則通電次序是BB、AAA、CCC、BB.，此時電機反轉(zhuǎn)。按SB1起動銨鈕時，輸入點0001接通，步進電動機可以實現(xiàn)三相六拍通電。4. 脈沖控制器由1105、1106、1107組成。步進電動機的脈沖

46、頻率控制按4種控制方式的要求可分為： 快速方式由輔助繼電器1105的常閉接點和其線圈構(gòu)成的振蕩器，該振蕩器產(chǎn)生的快速振蕩脈沖，其周期為程序的1個掃描周期； 慢速方式由特殊繼電器1900產(chǎn)生011s的時鐘脈沖； 單步方式利用前沿微分指令（DIFU），由輔助繼電器產(chǎn)生單步脈沖，其脈沖頻率由SB6控制;脈沖控制器1107產(chǎn)生不同頻率的脈沖，作為移位寄存器的移位信號。第六章 步進電動機的PLC控制6.1 引言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(或線位移)的執(zhí)行元件。普通電動機是連續(xù)運轉(zhuǎn)的，而步進電動機是一步一步轉(zhuǎn)動的。它在數(shù)控機床、繪圖機、軋鋼機自動控制以及檢測儀表等方面獲得了廣泛的應(yīng)

47、用。PLC的應(yīng)用和普及，對于步進電動機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展有著十分重要的意義。因此，步進電動機與微處理器的結(jié)合將使其應(yīng)用更為合理而高效。6.2 微型步進電動機的運行原理圖6-1所示為微型永磁式步進電動機結(jié)構(gòu)簡圖，此步進電動機的定子上有八個主磁極，其上裝有A和B兩套控制繞組，彼此錯開90的電角度，極靴處帶有均布小齒，轉(zhuǎn)子則是由環(huán)形永久磁鐵且兩端罩上四段帽式鐵心構(gòu)成。這些鐵心也帶有均布小齒，但兩者裝配位置的特點是從軸向看去彼此錯開半個齒距。根據(jù)圖6-2給出的A、B兩繞組通電的矢量圖，可以得到該微型步進電動機的運行多種方式。下面就以兩相八拍步進電動機為例說明這一運行原理。若以A(+)、A(-)分別表示A相

48、加+5V電源和加-5V電源，以B(+)、B(-)分別表示B相加+5V電源和加-5V電源。當(dāng)A相與B相按圖3所示順序通以正負5V電源時，步進電機的定子磁極部分將會在磁極、以及相鄰磁極之間按順序感應(yīng)出一對旋轉(zhuǎn)的磁極與轉(zhuǎn)子的永磁鐵相對應(yīng)，從而通過轉(zhuǎn)矩拉動轉(zhuǎn)子產(chǎn)生步進運行。這樣，通過通電次序的改變達到改變步進電機的運行拍數(shù)、運轉(zhuǎn)方向和運轉(zhuǎn)速度。假定步進電動機正轉(zhuǎn)運行的通電次序為順時鐘，則典型的兩相八拍步進電動機正轉(zhuǎn)的通電狀態(tài)的變化規(guī)律是：A(+)A(+)B()B()B()A()A()A()B(+)B(+)A(+)B(+)A(+)圖 6-1 微型步進電動機結(jié)構(gòu)簡圖圖 6-2 繞組通電矢量圖圖 6-3 兩

49、相八拍通電規(guī)律步進電動機兩相四拍正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的通電狀態(tài)的變化規(guī)律：正轉(zhuǎn)：A(+)B()A()B(+)A(+)；反轉(zhuǎn)：A(+)B(+)A()B()A(+)。6.3 PLC控制為了得到上述兩相八拍的步進電動機正轉(zhuǎn)的通電規(guī)律，我們選用了日本三菱公司Fxos20MR微型可編程控制器進行控制。1. 為了編制、閱讀程序方便，這里給出輸入/輸出接線端子的分配表6-1和各內(nèi)部軟元件的分配表6-2。表 6-1 輸入/輸出接線端子分配表分類元器件輸入/輸出標號作用輸入按鈕SB1X000開始按鈕SB2X001停止輸出A相繞組Y001A相接正5V電源Y000A相接負5V電源B相繞組Y002B相接負5V電源Y003B相接

50、正5V電源表 6-2 各種軟元件分配表各種軟器件標號作用特殊狀態(tài)寄存器M8002上電運行軟時間繼電器T0確定步進電動機轉(zhuǎn)速T1狀態(tài)寄存器D0轉(zhuǎn)速參數(shù)存儲步進狀態(tài)寄存器S20第1拍步進運行S21第2拍步進運行S22第3拍步進運行S23第4拍步進運行S24第5拍步進運行S25第6拍步進運行S26第7拍步進運行S27第8拍步進運行S0初始化2. 由輸入/輸出接線端子分配表，完成PLC的外部接線圖，如圖6-4所示。圖 6-4 硬件接線原理圖3. 程序的編制及說明現(xiàn)在根據(jù)以上資料來編制該步進電動機的PLC控制程序，程序清單如下：該程序第07條指令為程序運行初始化，可設(shè)置步進電動機的轉(zhuǎn)速參數(shù)，PLC上電以

51、后就能運行；第811指令為該程序運行的開始、停止控制段，X000接通，步進電動機開始運行，X001接通則步進電動機運行停止；第1284條指令為對應(yīng)步進電動機運行一個通電循環(huán)的8條步進指令，由于第84條返回指令“RET”的作用，該步進電動機能不停地運行下去，直到X001接通。第85條指令為程序結(jié)束指令，如要改變步進電動機的轉(zhuǎn)速，只要改變狀態(tài)寄存器D0的參數(shù)。0 LD M80021 SET S03 MOV K5 D08 LD X0009 OR M010 ANI X00111 OUT M012 STL S0 13 LD M014 SET S2016 STL S2017 OUT Y00118 OUT T0 D021