畢業(yè)設計(論文)-基于plc的步進電機控制系統(tǒng)設計

畢業(yè)設計（論文）—基于plc的步進電機控制系統(tǒng)設計基于PLC步進電機控制系統(tǒng)摘要：隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機、電動玩具等消費類產(chǎn)品以及數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中，其在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。研究步進電機的控制系統(tǒng)，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。步進電機是將電脈沖信號變換成機械角位移的一種裝置，每個脈沖使轉軸步進一個步距角增量，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，轉速與輸入脈沖成正比，轉速與輸入脈沖頻率成正比。步進電機的控制方式簡單，屬于開環(huán)控制，且無累積定位誤差，有較高的定位精度，而PLC作為一種工業(yè)控制微機，是實現(xiàn)電機一體化的有力工具，因此基于PLC的步進電機控制技術已廣泛用于數(shù)字定位控制中。本控制系統(tǒng)的設計，由硬件設計和軟件設計兩部分組成。其中，硬件設計主要包括步進電機的工作原理、步進電機的驅動電路設計、PLC的輸入輸出特性、PLC的外圍電路設計以及PLC與步進電機的連接與匹配等問題的實現(xiàn)。軟件設計包括主程序以及各個模塊的控制程序，最終實現(xiàn)對步進電機轉動方向及轉動速度的控制。本系統(tǒng)具有智能性、實用性及可靠性的特點。關鍵詞：步進電機、PLC、轉速控制、方向控制SteppingmotorcontrolsystembasedonPLCAbstract:Withthedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,thesteppermotorisincreasingdemanded,whichiswidelyusedinprinters,electrictoysandotherconsumerproducts,andCNCmachinetools,industrialrobots,medicalequipmentandotherelectricalmachineryproducts,andisappliedinthenationaleconomyinvariousfields.Researchingofsteppermotorcontrolsystemtoimprovethecontrolaccuracyandresponsespeed,energyconservationissoimportant.SteppermotorisadevicewhichwilltransformelectricalpulsesintomechanicalangulardisplacementsothatShaftofeachpulsetoastepanglesteppingincrement,SOoutputangulardisplacementisproportionaltotheinputpulses,speedisproportionaltotheinputpulsespeedandspeedisproportionaltoinputpulsefrequency.Steppermotorcontrolissimple,isopen-loopcontrol,andnoaccumulationofpositioningerror,ahighpositioningaccuracy,andthePLCasanindustrialcontrolcomputer,isapowerfultoolfortheintegrationofthemotor,Therefore,thesteppermotorcontrolbasedonPLCtechnologyhasbeenwidelyusedfordigitalpositioningcontrol.Thecontrolsystemconsistsofhardwareandsoftwaredesignoftwoparts.Amongthem,thehardwaredesignincludestheworkingprincipleofsteppermotor,steppermotordrivecircuitdesign,PLCinputandoutputcharacteristics,PLCandPLCexternalcircuitconnectionwiththesteppermotorandmatchingProblem.Softwaredesign,includingthemainprogramandeachmoduleofthecontrolprogram,ultimatelyrealizesonthesteppermotorrotationdirectionandrotationspeedcontrolThissystemhastheintelligence,practicalityandreliabilityfeatures.Keywords:Steppermotor,PLC,speedcontrol,directioncontrol目錄1、緒論 11.2問題的提出 31.3設計目的及系統(tǒng)功能 42、PLC控制步進電機系統(tǒng)簡介 52.1PLC控制系統(tǒng) 52.1.1PLC概述 52.1.2PLC系統(tǒng)的其它設備 92.1.3PLC的通信聯(lián)網(wǎng) 92.1.4PLC控制系統(tǒng)的設計基本原則 92.1.5PLC軟件系統(tǒng)及常用編程語言 92.1.6PLC的特點 102.1.7PLC的應用領域 112.1.8PLC未來展望 122.2步進電機 132.2.1步進電機概述 132.2.2步進電機的特性 132.2.3與直流電機的比較 142.2.4步進電機的種類 162.2.5反應式步進電機的控制 172.3本設計所用步進電機 203、硬件電路設計 223.1硬件設計思路 223.2總體設計框圖 223.3外圍電路設計及分析 233.3.1鍵盤控制電路 233.3.2步進電動機驅動電路 252.6.3LED數(shù)碼顯示電路 293.4步進電機控制系統(tǒng)電路圖 324、軟件設計 334.1可編程控制器軟件設計原理 334.1.1可編程序控制器的工作原理 334.1.2掃描周期 344.2PLC的選型 354.2.1輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算 354.2.2存儲器容量的估算 354.2.3控制功能的選擇 354.2.4機型的選擇 374.3FX2N可編程序控制器簡介 384.4PLC控制程序設計 394.4.1PLC控制系統(tǒng)的設計基本原則 394.4.2PLC編程步驟 394.4.3PLC提供的編程語言 394.5.1啟動停止控制環(huán)節(jié) 414.5.2PLC實用驅動電源控制環(huán)節(jié) 42結論 46致謝 47參考文獻 48附錄 491、緒論1.1技術概述 在電氣時代的今天，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是在日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動機。因此對電動機的控制變得越來越重要了。電動機的控制技術的發(fā)展得力于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術、微機應用技術的最新發(fā)展成就。正是這些技術的進步使電動機控制技術化。步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構，其原理是通過對它每相線圈中的電流和順序切換來使電機作步進式旋轉。驅動電路由脈沖信號來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率便可改變步進電機的轉速。通俗地說:當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(及步進角)。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的，現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR)、永磁式步進電機(PM),混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.50;反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.50，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8“而五相步進角一般為0.720。這種步進電機的應用最為廣泛。步進電機的一些基本參數(shù):電機固有步距角:它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.90/1.80(表示半步工作時為0.90、整步工作時為1.80)，這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。步進電機的相數(shù):是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.90/1.80、三相的為0.750/1.50、五相的為0.360/0.720。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。保持轉矩:是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2Nm的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2Nm的步進電機。步進電機的一些特點:a.一般步進電機的精度為步進角的3%--5%，且不累積。b.步進電機外表允許的最高溫度。c.步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點;一般來講，磁性材料的退磁點都在130C以上，有的甚至高達200C以上，所以步進電機外表溫度80C-90C完全正常。d.步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。e.當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。f.步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。介紹步進電機的一個技術參數(shù):空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。g.步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。PLC全稱可編程控制器，是在電器控制技術和計算機技術的基礎上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微機處理器為核心，把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業(yè)控制裝置。目前，PLC已被廣泛應用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業(yè)控制裝置，被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機器人、CAD\CAM）之一。從近年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，在世界范圍內(nèi)PLC產(chǎn)品的產(chǎn)量、銷量、用量高居工業(yè)控制裝置榜首，而且市場需求量一直以每年15%的比率上升。我國的PLC研蘭云芳(294404413)2制、生產(chǎn)、和應用也發(fā)展的很快，尤其在應用方面更為突出。PLC技術之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需要之外，主要是因為它具有很多獨特的優(yōu)點，較好地解決了工業(yè)領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、經(jīng)濟問題。PLC可靠性高，抗干擾能力強，其平均無故障時間可達幾十萬個小時，之所以有這么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施；其次PLC編程簡單、使用方便，目前大多數(shù)PLC采用的編程語言是梯形圖語言，梯形圖與電器控制線路相似，形象、直觀，不需要掌握計算機知識，很容易被廣大工程技術人員掌握；然后PLC功能完善、通用性強、設計安裝簡單、維護方便；最后，PLC采用了集成電路，其結構緊湊、體積小、能耗低，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。因此，目前PLC已廣泛的應用于冶金、石油、化工、建材、機械制造、電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。隨著PLC性價比的不斷提高，其應用領域還將不斷擴大。為此本文主要研究基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)PLC與步進電機的一體化問題。1.2問題的提出二十一世紀的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。步進電機是最常見的一種控制電機，在各領域中得到廣泛應用。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一,廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，其優(yōu)點是結構簡單、運行可靠、控制方便。尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會長期積累的特點，給實際的應用帶來了很大的方便。它廣泛用于消費類產(chǎn)品（打印機、照相機）、工業(yè)控制（數(shù)控機床、工業(yè)機器人）、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中。研究步進電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。為此，本文設計了一個基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對步進電機轉動速度和轉動方向的高效控制。1.3設計目的及系統(tǒng)功能本設計的目的是以單片機為核心設計出一個步進電機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用FX2N系列PLC作為控制單元，通過鍵盤實現(xiàn)對步進電機轉動方向及轉動速度的控制，并且將步進電機的轉動速度動態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。通過本課題，一方面我們在查閱資料的基礎上，了解FX2N系列PLC控制的一些基本技術，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實現(xiàn)方法,能對PLC外圍電路設計進行系統(tǒng)學習與掌握；另一方面，通過設計步進電機控制系統(tǒng)的硬件電路，控制程序和相應的電路圖，以此培養(yǎng)自己的自學和動手能力，從而為今后參加工作或進一步深造打下良好的基礎。設計的步進電機控制系統(tǒng)有以下功能：1.步進電機的啟?？刂?．步進電機的正反轉控制3.步進電機的加速控制4.步進電機的減速控制5.步進電機通電方式改變的控制2、PLC控制步進電機系統(tǒng)簡介2.1PLC控制系統(tǒng)2.1.1PLC概述 （1）PLC的基本概念可編程控制器(ProgrammableController)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(PersonalComputer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。PLC即可編程控制器（ProgrammablelogicController，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（InternationalElectricalCommittee）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)境下應用而設計的數(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。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！保?）PLC的基本結構PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖所示：a.中央處理單元(CPU)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)仍能正常運行。b、存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。C、電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去（3）PLC的工作原理一.掃描技術當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。(一)輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。(二)用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。(三)輸出刷新階段當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。（4）PLC的構成從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。=1\*GB3①CPU的構成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。=2\*GB3②I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。=3\*GB3③電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。=4\*GB3④底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。2.1.2PLC系統(tǒng)的其它設備1)編程設備：編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機。2）人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。2.1.3PLC的通信聯(lián)網(wǎng)依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡就是控制器"的觀點說法。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信現(xiàn)在主要采用通過多點接口（MPI）的數(shù)據(jù)通訊、PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)。2.1.4PLC控制系統(tǒng)的設計基本原則=1\*GB2⑴最大限度的滿足被控對象的控制要求。=2\*GB2⑵在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用和維護方便。=3\*GB2⑶保證控制系統(tǒng)安全可靠。=4\*GB2⑷考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進在選擇PLC容量時應適當留有余量。2.1.5PLC軟件系統(tǒng)及常用編程語言PLC軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序、診斷程序等，主要用于管理全機、將程序語言翻譯成機器語言，診斷機器故障。系統(tǒng)軟件由PLC廠家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干預。用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制要求，用PLC的程序語言編制的應用程序（也就是邏輯控制）用來實現(xiàn)各種控制。STEP7是用于SIMATIC可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標準軟件包，也就是用戶程序，我們就是使用STEP7來進行硬件組態(tài)和邏輯程序編制，以及邏輯程序執(zhí)行結果的在線監(jiān)視。1、PLC提供的編程語言—標準語言梯形圖語言也是我們最常用的一種語言，它有以下特點：1）它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點、線圈、串聯(lián)等術語和一些圖形符號構成，左右的豎線稱為左右母線。2）梯形圖中接點（觸點）只有常開和常閉，接點可以是PLC輸入點接的開關也可以是PLC內(nèi)部繼電器的接點或內(nèi)部寄存器、計數(shù)器等的狀態(tài)。3）梯形圖中的接點可以任意串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。4）內(nèi)部繼電器、計數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能做中間結果供CPU內(nèi)部使用。5）PLC是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點的值在用戶程序中可以當做條件使用。2、語句表語言，類似于匯編語言。3、邏輯功能圖語言，沿用半導體邏輯框圖來表達，一般一個運算框表示一個功能左邊畫輸入、右邊畫輸出。2.1.6PLC的特點=1\*GB2⑴可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，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，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)出警報信息。在應用軟件中，應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\*GB2⑵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的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。=3\*GB2⑶易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關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\*GB2⑷系統(tǒng)的設計、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，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設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\*GB2⑸體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，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備。2.1.7PLC的應用領域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、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\*GB2⑴開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，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\*GB2⑵模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，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轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。=3\*GB2⑶運動控制 PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅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\*GB2⑷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用。=5\*GB2⑸數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（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，或將它們打印制表。數(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)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。=6\*GB2⑹通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.1.8PLC未來展望21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，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、完備的通信設備會更好地適應各種工業(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)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。2.2步進電機2.2.1步進電機概述步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅動，用途很廣。使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。2.2.2步進電機的特性步進電機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅動電路，今天，在打印機、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進電機有如下優(yōu)點：=1\*GB2⑴不需要反饋，控制簡單。2．與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。3．沒有角累積誤差。4．停止時也可保持轉距。5．沒有轉向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。6．即使沒有傳感器，也能精確定位。7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉動。但是，這種電機也有自身的缺點。8．難以獲得較大的轉矩9、不宜用作高速轉動10．在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。11．超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。2.2.3與直流電機的比較輸出或輸入為直流電能的旋轉電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉換的。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉換為電能。在此我們只討論直流電動機。（1）直流電動機的分類直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型：a．他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，永磁直流電機也可看作他勵直流電機。b．并勵直流電機并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)。作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。c．串勵直流電機串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。d．復勵直流電機復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。=2\*GB2⑵直流電動機的特點a．調(diào)速性能好所謂“調(diào)速性能”，是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉速。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。b．起動力矩大可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流電動機拖動。c．可逆運行當直流電動機驅動電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉時，電樞繞組上感生出電動勢，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負載（或電網(wǎng)），對外供電，此時直流電動機可作為直流發(fā)電機運行。=3\*GB2⑶直流電動機的工作原理大致應用了“通電導體在磁場中受力的作用”的原理，勵磁線圈兩個端線同有相反方向的電流，使整個線圈產(chǎn)生繞軸的扭力，使線圈轉動。要使電樞受到一個方向不變的電轉矩，關鍵在于：當線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換，即進行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個極下線圈邊中電流始終是一個方向，就可以使電動機能連續(xù)的旋轉,這就是直流電動機的工作原理。=4\*GB2⑷直流電動機的控制a．轉動方向控制轉動方向控制有兩種方法：1、改變磁場方向；2、改變電流方向（即改變電源的正負極）。b．轉速控制直流電動機轉速n=(U-IR)/Kφ。其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機結構參數(shù)。直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中PWM(脈寬調(diào)制)便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。而且采用PWM技術構成的無級調(diào)速系統(tǒng)．啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，且設占空比為D=t/T，則電機的平均速度Vd為：Vd=VmaxD。由公式可知，當改變占空比D=t／T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調(diào)速的目的。嚴格地講，平均速度與占空比D并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可將其近似地看成線性關系。在直流電機驅動控制電路中，PWM信號由外部控制電路提供，并經(jīng)高速光電隔離電路、電機驅動邏輯與放大電路后，驅動H橋下臂MOSFET的開關來改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制電機的轉速，實現(xiàn)直流電機PWM調(diào)速。2.2.4步進電機的種類目前常用的步進電機有三類：1、反應式步進電動機（VR）。采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當小，但動態(tài)性能相對較差。2、永磁式步進電動機（PM）。轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉動，轉動步的角度一般是7.50。它的出力大，動態(tài)性能好；但步距角一般比較大。3、混合步進電動機（HB）。這是PM和VR的復合產(chǎn)品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。2.2.5反應式步進電機的控制反應式步進電機，是一種傳統(tǒng)的步進電機，由磁性轉子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(chǎn)生轉動。反應式步進電機工作原理比較簡單，轉子上均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。市場上一般以二、三、四、五相的反應式步進機居多。應用領域：反應式步進電機主要應用于計算機外部設備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置、閥門控制、核反應堆、銀行終端、數(shù)控機床、自動繞線機、電子鐘表及醫(yī)療設備等領域中。圖2-2四相反應式步進電動機的結構圖2-2是一臺四相反應式步進電機的結構示意圖。定子鐵心由硅鋼片疊成，定子上有8個均勻分布的磁極，每個磁極上又有若干小齒（本例為5個）。各個磁極上套有線圈，徑向相對的兩個磁極上的線圈是一相。轉子也是由硅鋼片疊成的，若干小齒（本例為50個）在圓周上均勻分布，但轉子上沒有繞組。根據(jù)工作要求，定子小齒的齒距必須等于轉子小齒的齒距，且轉子的齒數(shù)有一定限制。定義每個小齒所占有的角度為齒距角：………………（2-1）式中為齒距角。為轉子小齒數(shù)。定子一個極距所對的轉子小齒數(shù)為：……………………（2-2）式中m為相數(shù)。設電機為四相四拍通電方式。當A相控制繞組通電時，產(chǎn)生了沿A-A’極軸方向的磁通，由于磁通力圖通過磁阻最小路徑，使轉子的作用而轉動，直到轉子磁軸線和定子磁極A-A’上的磁軸線對齊為止。因為轉子共有50個齒極，每個齒距角，定子一個極距所對的轉子齒數(shù)為，不是整數(shù)，因此當A-A’極下的定、轉子齒軸線對齊時，相鄰的兩對磁極B-B’和D-D’極下的齒和轉子齒必然錯開1/4齒距角，即。這時，各相磁極的定子齒與轉子齒的相對位置如圖2-3所示。如果斷開A相而接通B相，產(chǎn)生沿B-B’極軸線方向的磁通，同樣在反應轉矩的作用下，轉子按順時針方向轉過，是轉子齒軸線和定子磁極B-B’下的齒軸線對齊。這時，A-A’和C-C’極下的齒與轉子齒又錯開。以此類推，控制繞組按A→B→C→D→A…的順序循環(huán)通電時，轉子就按順時針方向一步一步連續(xù)地轉動起來。沒換接一次繞組，轉子轉過1/4齒距角。0圖2-3A顯然，如果要使步進電機反轉，只要改變通電順序，即按A→D→C→B→A…的順序循環(huán)通電時，則轉子便按逆時針方向一步一步地轉動起來，步距角同樣為1/4齒距角，即。如果運行方式改為四相八拍，通電方式為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…，即單相通電和兩相通電相間時，步距角為四相四拍運行時的一半，即。當步進電機運行方式為四相雙四拍時，當AB→BC→CD→DA→AB…方式通電時，步距角與四相單四拍運行時一樣，為1/4齒距角，即。由此可見，步進電機的步距角由轉子齒數(shù)、定子相數(shù)m和通電方式所決定，即：……………（2-3）式中C——狀態(tài)系數(shù)，采用單雙通電方式時C=2,采用單或雙通電方式時C=1。N——拍數(shù)。既然每個控制脈沖使步進電機轉過一個，電機實際角位移應為：式中N’——控制脈沖的個數(shù)。若步進電機所加的通電脈沖頻率為f，則其轉速為：……………………（2-4）由于在一個通電循環(huán)內(nèi)控制脈沖的個數(shù)為N（拍數(shù)），而每相繞組的供電脈沖個數(shù)卻只有一個，因此定子相繞組的供電頻率為：可見，步進電動機在不失步、不丟步的前提下，其轉速和轉角與電壓、負載、濕度等因素無關，因而步進電機可直接采用開環(huán)，簡化控制系統(tǒng)。2.3本設計所用步進電機本設計中所用的是三相反應式步進電動機，其工作原理與上述四相步進電動機相同。其轉子小齒為80個，因此齒距角。其采用三種運行方式，分別為“三相單三拍”、“三相單雙六拍”和“三相雙三拍”。三相單三拍的通電順序為A→B→C→A…,不斷接通與斷開控制繞組，轉子就按順時針方向一步一步地轉動起來，每換接一次繞組，轉子轉過1/3齒距角，即。如果要使電動機反轉，只要改變通電順序，即按A→C→B→A…順序循環(huán)通電。當運行方式改為三相單雙六拍時，通電方式為A→AB→B→BC→C→CA→A…,即單相通電與兩相通電相間，步距角為三相單三相運行時的一半，即。其三相繞組的波形圖如2-4所示。當步進電機反轉時，其通電方式應該為A→AC→C→CB→B→BA→A…,其步進角與正轉相同。當步進電機再改為三相雙三拍運行時，其通電方式為AB→BC→CA→AB…，步距角與三相單三拍時一樣，為1/3齒距角，即。當其反轉時，通電方式改變?yōu)锳B→AC→CB→BA…。圖2-4步進電機兩相繞組的電流脈沖波形3、硬件電路設計3.1硬件設計思路步進電機控制系統(tǒng)共分為三個模塊：按鍵控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、步進電機驅動模塊。鍵盤控制模塊包括啟動鍵、停止鍵、點動控制鍵、速度控制鍵、方向控制鍵和步進電機通電方式改變的控制。其中啟動鍵接于PLC的X0端口；鍵接于PLC的X1端口；點動控制鍵接于PLC的X2端口，實現(xiàn)對步進電機的點動控制；而速度控制鍵分為4個不同的速度等級，有小到大分別接于PLC的X3、X4、X5和X6端口，實現(xiàn)對步進電機在不同轉速下運行的控制要求；方向控制鍵接于PLC的X7端口，實現(xiàn)對步進電機正反轉的控制；通電方式改變按鈕接于PLC的X8端口，實現(xiàn)對步進電機通電方式改變的控制。數(shù)碼顯示模塊采用共陽極數(shù)碼管來動態(tài)顯示步進電機的實際轉動速度。利用三極管為數(shù)碼管的com端提供高電平。PLC的Y3-Y6端口提供數(shù)碼管的段選信號，PLC的Y7-Y10端口控制數(shù)碼管的位選信號。步進電機驅動模塊采用恒頻斬波細分驅動電路，通過接收PLC發(fā)出的脈沖信號來控制步進電機完成各種操作。由于本設計中采用三相反應式步進電機，因此需要采用三支完全相同的驅動電路分別控制電機兩相繞組的電流，而由PLC的Y0、Y1和Y3端口分別提供控制兩相繞組的脈沖信號。3.2總體設計框圖總設計圖如圖2-1所示。圖3-1總體設計框圖說明如下：1.PLC接受鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。2.PLC輸出脈沖信號，控制步進電機轉動。3.PLC根據(jù)步進電機實際轉動值，控制數(shù)碼管顯示。3.3外圍電路設計及分析3.3.1鍵盤控制電路鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向PLC輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關的集合。鍵盤所用開關為機械彈性開關，利用了機械觸點的合、斷作用。機械開關應接到PLC的開關量輸入接口進行開關控制，PLC的開關量輸入接口的作用是把現(xiàn)場的開關量信號變成可編程控制器內(nèi)部處理的標準信號。開關量輸入接口按可接納的外信號電源的類型不同可分為直流輸入單元和交流輸入單元，如圖2-5、圖2-6所示。圖3-2直流輸入單元圖3-3交流輸入單元從圖中可以看出，輸入接口中都有濾波電路及耦合電路。濾波有抗干擾的作用，耦合有抗干擾及產(chǎn)生標準信號的作用。圖中輸入口的電源部分都畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般單元式可編程控制器中，輸入口都使用可編程本機的直流電源供電，不再需要外接電源。本設計中采用的是直流輸入單元，即如圖2-8所示。一個電壓信號在機械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5—10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵按下與否。在本設計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當有鍵閉合時，相應的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設計復雜，本設計中沒有采用，在此不再詳細敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認該鍵電平是否仍圖3-4按鍵接線圖保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。因此本設計中采用了這種方式來消除抖動，其原理將在下一章軟件設計中體現(xiàn)出來，其硬件原理圖如圖2-7所示：其中SB0是啟動按鈕，SB1為關閉按鈕，SB2為低速點動控制按鈕，SB3為低速持續(xù)運轉控制按鈕，SB4為中速持續(xù)運轉控制按鈕，SB5為高速運轉控制按鈕，SB6為超高速運轉控制按鈕.SB7為正反轉切換按鈕，SB8為控制步進電機通電方式在三相單拍、三相單雙拍和三相三拍之間切換。3.3.2步進電動機驅動電路步進電機的功率放大電路的種類很多。按照電流流過的方向是單向還是雙向的，可以把功率放大電路分為雙極性驅動電路和單極性驅動電路兩類。單極性驅動電路適用于反應式步進電機，而雙極性驅動電路適用于永磁式步進電動機和混合式步進電動機。驅動電路的功率器件可以選用功率晶體管、功率場效應管（MOSFET）或IGBT，還可以選用集成功率驅動模塊。=1\*GB2⑴單電壓驅動但電壓驅動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電。單電壓驅動如圖2-8所示圖3-5單電壓驅動電路功率晶體管T用作開頭，L是電機一相繞組的電感，電源電壓一般選擇在10V-100V左右。限流電阻R1決定了時間常數(shù)，R1在工作中要消耗一定的能量，所以這個電路損耗大、放率低，一般只用于小功率步進電動機的驅動。=2\*GB2⑵雙電壓驅動

用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅動。雙電壓驅動有兩種方式：雙電壓法和高低壓法=1\*GB3①雙電壓法雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅動，在高頻段使用較高的電壓驅動。其電路原理如圖2-9所示。圖3-6雙電壓驅動電路當電動機工作在低頻時，給T1低電平，使T1關斷。這時，電動機的繞組由低電壓VL供電，控制脈沖通過T2使繞組得到低壓脈沖電源。當電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打開。這時二極管D2反響截止，切斷低電壓電源VL，電動機繞組由高電壓VH供電，使控制脈沖通過T2使繞組得到高壓脈沖電源。這種驅動方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅動的特點，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單壓驅動的弱點，在限流電阻R上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。=2\*GB3②高低壓法高低壓法的基本思路是：不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，是繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。高低壓驅動電路的原理如圖2-10所示，盡管看起來與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大差別。圖3-7高低壓驅動電路高壓開關管T1的輸入脈沖uH與低壓開關管T2的輸入脈沖uL同時起步，但脈寬要窄得多。兩個脈沖同時使開關管T1、T2導通，使高電壓VH為電動機繞組供電。這使得繞組中電流i快速上升，電流波形的前沿很陡，如圖9-7所示電流波形。當脈沖UH降為低電平時，高壓開關管T1截止，高電壓被切斷，使電壓VL通過二極管D2為繞組繼續(xù)供電，由于繞組電阻小，回路中又沒有串聯(lián)電阻，所以低電壓只需數(shù)伏就可以為繞組提供提供較大電流。高低壓驅動法是目前普遍應用的一種方法。由于這種驅動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時要注意。本設計中采用的驅動電路是斬波恒流驅動電路，斬波恒流驅動電路時性能較好的、目前使用較多的一種驅動方式。其基本思想是：無論電機是在鎖定狀態(tài)還是在低頻段或高頻段運行，均使導通相的繞組的電流保持額定值。圖2-11是斬波恒流驅動電路的原理圖。相繞組的通斷由開關管VT1和VT2共同控制，VT2的發(fā)射極接一個小電阻R，電動機繞組的電流經(jīng)這個電阻到地，小電阻的壓降與電動機繞組的電流成正比，所以這個電阻式電流采樣電阻。當Ui為高電平時，VT1和VT2兩個開關管均導通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓Ua的值時，比較器的輸出低電平，使與門輸出低電平，VT1截止，電源被切斷，繞組電流經(jīng)VT2、R、VD2續(xù)流，采樣電阻R的端電壓隨之下降。當采樣電阻R上的電壓小于給定電壓Ua時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，VT1重新導通，電源又開始向繞組供電。如此反復，繞組的電流叫穩(wěn)定在由給定電壓所決定的數(shù)值上。當控制脈沖Ui變?yōu)榈碗娖綍r，VT1和VT2兩個開關管均截止，繞組中的電流經(jīng)二極管VD1、電源和二極管VD2放電，電流迅速下降?？刂泼}沖Ui、VT1的基極電位Ub1及繞組電流Id餓波形如圖2-11所示。圖3-8斬波恒流驅動電路的原理圖圖3-9斬波恒流控制的電流波形在VT2導通期間內(nèi)，電源以脈沖式供電，所以這種驅動電路具有較高的效率。由于在斬波驅動下繞組電流恒定，電機的輸出轉矩均勻。這種驅動電路的另一個優(yōu)點是能夠有效地抑制共振，因為電機共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅動的輸入能量是隨著繞組電流的變化自動調(diào)節(jié)的，可以有效的防止能量積聚。但是，由于電流波形為鋸齒形，這種驅動方式會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。2.6.3LED數(shù)碼顯示電路 發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導體器件，其導電性質(zhì)與普通二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機系統(tǒng)中應用非常普遍。LED數(shù)碼顯示器是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：（1）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當陰極端輸入低電平時，段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入高電平時則不點亮。（2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當陽極端輸入高電平時，段發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入低電平時則不點亮。在本設計中所采用的是共陽極LED數(shù)碼顯示器，其內(nèi)部結構如圖2-12所示：圖3-10LED數(shù)碼管結構圖可編程控制器的晶體管輸出電路有漏極輸出和源極輸出兩種，圖2-13(a)為負邏輯，圖2-13（b）為正邏輯，7段顯示器的數(shù)據(jù)輸入和選通信號也有正負邏輯之分。若數(shù)據(jù)的輸入以高電平為“1”，則為正邏輯；反之為負邏輯。選通信號在高電平時鎖存數(shù)據(jù)，則為正邏輯；反之為負邏輯。（a）（b）圖3-11集電極輸出與反射極輸出在本設計中，數(shù)碼顯示電路通過采用共陽極數(shù)碼管來動態(tài)顯示步進電機的實際轉動速度，利用三極管為數(shù)碼管的com端提供高電平。PLC的Y2-Y5端口提供數(shù)碼管的段選信號，PLC的Y6-Y9端口控制數(shù)碼管的位選信號。PLC的晶體管輸出電路采用源極輸出，其原理圖如圖2-14：圖3-12數(shù)碼顯示電路3.4步進電機控制系統(tǒng)電路圖通過上述對步進電機控制系統(tǒng)設計與分析，步進電機控制系統(tǒng)總體設計電路如圖2-14所示：圖3-13步進電機控制系統(tǒng)總體設計電路圖4、軟件設計4.1可編程控制器軟件設計原理4.1.1可編程序控制器的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復不斷地重復執(zhí)行，直至可編程序控制器停機或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段（見左上圖）?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令速度極高，從外部輸入-輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制器處于（RUN）狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作（見右圖），圖中僅畫出了與用戶程序執(zhí)行過程有關的3個階段。4.1.2掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次上圖所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。如圖4-1所示。第第(N-1)個掃描周期輸出刷新第(N+1)個掃描周期輸入采樣第N個掃描周期輸入采樣輸出刷新用戶程序執(zhí)行圖4.1PLC的掃描運行方式(1)輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入I/O映象區(qū)的相應單元內(nèi)。輸入采樣結束后，轉入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。(2)用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。(3)輸出刷新階段在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動響應的外設。這時才是PLC真正的輸出。4.2PLC的選型為了能夠更好的選型，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。4.2.1輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計的