步進電動機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

III四川輕化工大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書設(shè)計（論文）題目：步進電動機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院：機械工程學(xué)院專業(yè)：機電一體化班級：機電專192學(xué)號：19502010236學(xué)生：熊建朝指導(dǎo)教師：黃波系主任（簽名）一、原始資料1.主要內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需輸入輸出電器；根據(jù)輸入輸出電器情況，確定PLC的I/O點數(shù)；根據(jù)控制要求及接線規(guī)則，完成PLC電氣控制系統(tǒng)原理圖、接線圖、接線表及布局圖；確定電器元件型號及規(guī)格；編寫PLC控制程序及程序調(diào)試。基本要求：[1]總體方案設(shè)計；[2]PLC電氣控制系統(tǒng)原理圖；[3]PLC電氣控制系統(tǒng)接線圖及接線表；[4]PLC電氣控制系統(tǒng)布局圖；[5]PLC梯形圖及程序表（使用三菱公司FX系列的指令系統(tǒng)）；[6]電氣元件的型號及規(guī)格；[7]編寫課程設(shè)計說明書，設(shè)計說明書書寫格式參照《四川理工學(xué)院機械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）管理實施細則》附錄2：畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）書寫格式；（要求參考2-3篇學(xué)術(shù)論文，并在文中注明?。?。2.原始數(shù)據(jù)[1].采用36BF02電動機，采用三相六拍通電方式；[2].實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，要求能實現(xiàn)慢速1、慢速2及快速；[3].實現(xiàn)步數(shù)控制，要求能實現(xiàn)單步、10步、100步；[4].實現(xiàn)暫停及正反轉(zhuǎn)控制。二、總體方案設(shè)計2.1PLCPLC技術(shù)的迅猛發(fā)展，除了得益于工業(yè)的需求外，主要還是由于它具有許多獨特的特點。PLC是傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和現(xiàn)代的計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。而在工業(yè)控制方面，PLC還具有計算機控制或繼電器控制所無法比擬的特點。1.可靠性高，抗干擾能力強2.應(yīng)用靈活，編程方便3.功能完善，適用性強4.易于安裝、調(diào)試、維修5.體積小、質(zhì)量輕、能耗低PLC作為工業(yè)控制的多功能控制器，不僅能滿足一般工業(yè)控制需要，而且能夠適應(yīng)工業(yè)控制的特殊控制要求，并可實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和通信控制。雖然不同類型PLC的性能，價格有差異，但其主要功能是相近的。2.2數(shù)控滑臺的控制方法一、行程控制一般液壓滑臺和機械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開關(guān)/死擋鐵）來實現(xiàn)；而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角即可。而步進電機的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)，因此可以根據(jù)伺服機構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：n=DL/d（4-1）式中：DL為伺服機構(gòu)的位移量（mm）；d為伺服機構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）。二、進給速度控制伺服機構(gòu)的進給速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。因此，可以根據(jù)該工序要求的進給速度，確定其PLC輸出的脈沖頻率：f=Vf/60d(Hz)（4-2）式中：Vf為伺服機構(gòu)的進給速度（mm/min）。三、進給方向控制進給方向控制即步進電機的轉(zhuǎn)向控制.可通過改變步進電機各繞組的通電順序來其轉(zhuǎn)向，本課題選用的三相步進電機通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A…時電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時電機反轉(zhuǎn)。因此，可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。2.3總體設(shè)計方案的確定采用FX2N-16MT三菱系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖驅(qū)動步進電機，經(jīng)一級齒輪減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)數(shù)控平臺的縱向、橫向進給運動。方案如下： 圖5-1步進電機帶動機床工作臺示意圖工作臺總體結(jié)構(gòu)的確定初步采用1.步進電機2個（X、Y向分別控制）2.滾珠絲桿2套，由于所受的力以及行程長短不一樣，所以要分別選擇計算3.滾動導(dǎo)軌：雙導(dǎo)軌、四滑塊（分別為X、Y向，長短選擇不同）4.帶有三條“”槽的工作臺面二、傳動方案的確定步進電機→（是否需要齒輪減速裝置？減速比取多少？）→滾珠絲桿→工作臺X、Y方向滿足：(5-1)三、硬件設(shè)計3.1電路總體設(shè)計鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向PLC輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等重要功能，是人工干預(yù)單片機的重要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作用。機械開關(guān)應(yīng)接到PLC的開關(guān)量輸入接口進行開關(guān)控制，PLC的開關(guān)量輸入接口的作用是把現(xiàn)場的開關(guān)量信號變成可編程控制器內(nèi)部處理的標準信號。開關(guān)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6-1、圖6-2所示。圖6-1直流輸入單元圖6-2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(shè)計中采用的是直流輸入單元，即如圖6—1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，便可確認按鍵是否按下。在本設(shè)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(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時，相應(yīng)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方法或軟件方法。由于硬件電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)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，從而圖6-3鍵盤硬件接線圖消除了抖動的影響。因此本設(shè)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(shè)計中體現(xiàn)出來，其硬件原理圖如圖6-3所示。其中SB0是啟動/停止按鈕，SB1為0.5s低速持續(xù)運轉(zhuǎn)控制按鈕，SB2為0.1s中速持續(xù)運轉(zhuǎn)控制按鈕，SB3為0.3s高速持續(xù)運轉(zhuǎn)控制按鈕，SB4為正反轉(zhuǎn)切換按鈕，SB5為通電方式切換按鈕。3.2步進電機的驅(qū)動電路步進電動機驅(qū)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(qū)動電路和單極性驅(qū)動電路兩類。單極性驅(qū)動電路適用于反應(yīng)式步進電機，而雙極性驅(qū)動電路適用于永磁式步進電動機和混合式步進電動機。本設(shè)計中采用的驅(qū)動電路是斬波恒流驅(qū)動電路，斬波恒流驅(qū)動電路是性能較好、目前使用較多的一種驅(qū)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(dǎo)通相的繞組的電流保持額定值。圖6-7是斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖。相繞組的通斷由開關(guān)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，所以這個電阻稱為電流采樣電阻。當(dāng)Ui為高電平時，VT1和VT2兩個開關(guān)管均導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)通，電源又開始向繞組供電。如此反復(fù)，繞組的電流穩(wěn)定在由給定電壓所決定的數(shù)值上。當(dāng)控制脈沖Ui變?yōu)榈碗娖綍r，VT1和VT2兩個開關(guān)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的波形如圖6-8所示。圖6-7斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖圖6-8斬波恒流控制的電流波形在VT2導(dǎo)通期間內(nèi)，電源以脈沖式供電，所以這種驅(qū)動電路具有較高的效率。由于在斬波驅(qū)動下繞組電流恒定，電機的輸出轉(zhuǎn)矩均勻。這種驅(qū)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(qū)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(qū)動方式會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。四、軟件設(shè)計4.1PLC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；A.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(shù)語和一些圖形符號構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。B.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(guān)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)。C.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)。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(jié)果供CPU內(nèi)部使用。D.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(jié)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(dāng)條件使用。圖7-3PLC編程步驟步進電機控制系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進電機轉(zhuǎn)動、控制數(shù)碼管動態(tài)顯示等任務(wù)。PLC是通過CPU循環(huán)掃描的工作方式來完成其控制任務(wù)的。PLC運行時，CPU執(zhí)行用戶程序從應(yīng)用程序的第一條指令開始取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令執(zhí)行結(jié)束，因此在一定的硬件與軟件基礎(chǔ)上的用戶程序決定了控制系統(tǒng)的運行功能。4.2PLC編程中難點介紹步進電動機的運行特性由輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的接通次序決定,故需提供不同形式的脈沖電源。針對兩相單、雙四拍步進電動機驅(qū)動電源,由PLC輸出脈沖控制信號,控制A、B兩相繞組按A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…(正轉(zhuǎn))或者按A→AD→D→DC→C→CB→BA→A(反轉(zhuǎn))通電方式(每切換一次電流稱一拍)循環(huán)通電。若任意改變兩相繞組的通電順序，則步進電機轉(zhuǎn)向改變。因此，設(shè)計驅(qū)動電源控制裝置時，要根據(jù)步進電機通電方式，繞組接通次序、脈沖頻率和運行要求來進行設(shè)計。FX2系列PLC較豐富的編程指令。除基本語句指令外，還有近100條的功能指令。功能指令的出現(xiàn)大大拓寬了PLC的應(yīng)用范圍，結(jié)合基本指令編寫程序可解決各種復(fù)雜的控制。但是，由于每條功能指令屬一段子程序又具有特定的功能，應(yīng)用時有一定的局限性、復(fù)雜性和技巧性。因此，用功能指令編程前要認真思考和篩選，選取合適的功能指令編輯。筆者經(jīng)過FX2系列PLC功能指令的分析研究：圍繞“循環(huán)右移ROR”指令（下稱“ROR”指令）、“循環(huán)左移ROL”指令（下稱“ROL”指令）、“傳送MOV”指令（下稱“MOV”指令）構(gòu)建控制程序。1.循環(huán)右移指令ROR和循環(huán)左移指令ROL循環(huán)右移指令ROR將目標操作數(shù)【D】中的二進制數(shù)按照【n】規(guī)定的移動的位數(shù)由高位向低位移動，最后移出的那一位將同時進入進位標志位M8022.循環(huán)左移指令ROL將目標操作數(shù)【D】中的二進制數(shù)按照指令中【n】規(guī)定的移動的位數(shù)由低位向高位移動，最后移出的那一位將同時進入進位標志位M8022.ROL指令的執(zhí)行類似于ROR指令，只是移位方向相反。對于連續(xù)型執(zhí)行的指令，在每個掃描周期都會進行移位動作。所以一定要注意。對于位元件組合的情況，位元件前的K值為4（16位）或8（32位）才有效，如K4M0、K8M0。2.傳送指令MOV傳送指令MOV將源操作數(shù)【S】傳送到目標操作數(shù)【D】中。傳送時，數(shù)據(jù)是利用二進制格式傳送的。三菱PLC存儲指令使用DMOV指令可使數(shù)據(jù)寄存器D存放32位數(shù)據(jù)，可以存儲更多數(shù)據(jù)。MOV指令存儲數(shù)據(jù)是單字節(jié)的16位數(shù)據(jù)，范圍是-32765到32767，如果超過這個范圍，這個數(shù)超過16位（2進制意義上的）即十進制里面的32767，我們就需要用到DMOV指令了，DMOV指令可以傳送32位以內(nèi)的數(shù)。DMOVK10D0，就是把十進制的10傳送到D0和D1中，其中D1存高位，D0存低位，其中D1D0組成就是32位存儲器。4.5PLC梯形圖I/O分配表PLC梯形圖見附圖紙。該梯形圖用功能指令“MOV、ROR、ROL、ZRST”及基本指令編寫而成。I/O分配表如表7-1所示。表7-1PLC控制步進電機I/O分配表輸入輸出輸入繼電器輸入元件作用輸出繼電器輸出元件作用X000SB0電機啟/停按鈕Y000A相功放電路控制電機啟/停、調(diào)速、正、反轉(zhuǎn)X001SB10.5s低速按鈕Y001B相功放電路X002SB20.1s低速按鈕Y002C相功放電路X003SB30.03s高速按鈕Y003D相功放電路X004SB4電機正反轉(zhuǎn)開關(guān)Y004運行指示燈HL運行顯示X005SB5改變通電方式按鈕五、程序調(diào)試運行在電腦上首先安裝編程軟件GXDeveloper然后安裝仿真軟件GXSimulator6。安裝好編程軟件和仿真軟件后，在桌面或者開始菜單中并沒有仿真軟件的圖標。因為仿真軟件被集成到編程軟件GXDeveloper中了，其實這個仿真軟件相當(dāng)于編程軟件的一個插件。1首打開編程軟件，圖標如圖所示2啟動GXDeveloper軟件后，創(chuàng)建一個新工程，如圖8-1圖8-1創(chuàng)建一個新工程3將編好的梯形圖寫入，如圖8-2圖8-2梯形圖寫入通過“快捷圖標”啟動仿真，如圖8-3圖8-3啟動仿真按鈕這個小窗口就是“仿真窗口”，顯示運行狀態(tài)，如果出錯會有中文說明，如圖8-4圖8-4仿真窗口啟動仿真后，程序開始在電腦上模擬PLC寫入過程。如圖8-5圖8-5程序模擬寫入這時程序已經(jīng)開始運行，如圖8-6圖8-6程序運行狀態(tài)在“仿真窗口”菜單欄中選“菜單啟動”下拉菜單中“繼電器內(nèi)存監(jiān)視”出現(xiàn)如下窗口，如圖8-7圖8-7軟元件檢測窗口在上述窗口菜單欄中選“軟元件（D）”下拉菜單中“位軟元件窗口（B）”→“X”和“Y”，如圖8-8圖8-8“X”、“Y”檢測窗口圖中Y000~Y003為步進電機三相繞組對應(yīng)分別為A相繞組、B相繞組、C相繞組、D相繞組，Y004為運行指示燈。X000接SB0控制電機啟停，X001接SB1控制電機低速運行，X002接SB2控制電機中速運行，X003接SB3控制電機高速運行，X004接SB4控制電機正反轉(zhuǎn)，X005接SB5控制電機通電方式。開始運行程序，如圖8-9~8-16圖8-9A相線圈通電運行狀態(tài)按下SB0按鈕程序啟動X000閉合，Y004亮即運行指示燈亮，程序按1s脈沖運行三相六拍正轉(zhuǎn)。圖8-10AB相線圈通電運行狀態(tài)圖8-11B相線圈通電運行狀態(tài)圖8-12BC相線圈通電運行狀態(tài)圖8-13C相線圈通電運行狀態(tài)圖8-14CD相線圈通電運行狀態(tài)圖8-15D相線圈通電運行狀態(tài)圖8-16DA相線圈通電運行狀態(tài)11、變速調(diào)節(jié)（正轉(zhuǎn)）按下SB0啟動按鈕、SB1低速按鈕即X000、X001閉合（圖8-17為其中一張運行圖其余運行過程同步驟10一樣）圖8-17低速運行時D相線圈通電運行狀態(tài)按下SB0啟動按鈕、SB2中速按鈕即X000、X002閉合（圖8-18為其中一張運行圖其余運行過程同步驟10一樣）圖8-18中速運行時C相線圈通電運行狀態(tài)按下SB0啟動按鈕、SB3高速按鈕即X000、X003閉合（圖8-19為其中一張運行圖其余運行過程同步驟10一樣）圖8-19高速運行時AB相線圈通電運行狀態(tài)12、三相六拍反轉(zhuǎn)由于好捕捉圖像我在這選擇1s脈沖時反轉(zhuǎn)按下SB0啟動按鈕、SB4正反轉(zhuǎn)按鈕即X000、X004閉合通電順序為A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→A，（圖8-20為其中一張運行圖其余運行過程同步驟10一樣）圖8-20反轉(zhuǎn)時A相線圈通電運行狀態(tài)附錄：控制系統(tǒng)流程梯形圖接線圖元件表序號名稱型號與規(guī)格單位數(shù)量備注1可編程控制器FX2-48MR或自定臺12計算機自定臺13繪圖工具自定套14繪圖紙B4張35輸入繼電器施耐德繼電器個56輸出繼電器施耐德繼電器個57步進電機HYPERLINK"/search/eclk?p=2b9fIT6daUYtOXwxacIORrjwhqTw2mDHtA1COzH4buQ3UwcHzlxlk0Zq0kFP1hAZQnz4ysDj_bLsTctAz9ntFCJG-yB_hQDdBpochjBJxyqHEg37TohwLK31DyE-tBrT4Dl64qgRtJfVZ0sI2RwmZz3KdhJ1zc6pNIU5hzRPL-rSPeroTdzkhz7lBifIm4uMnxZX45xw0DYjcJo5o3UvwEg5uFrrw8jjAjTu7Sul4z3bjii71cIOINW08hl0Mh3xA2FM7xpeJOGYVT024dxYIeRY9skQqASzvp0wut9mS2lOx-pLRGqjzg-sPg-fJiHS3Zl--Y5HqTVvkAOpHZjSFfOpRy-4tc3ofBGdJAyFYrqYcHKGPBug9h26KuEzZ0aPKxRfhyVVmtxd9wva2c_nyytpO8106nNYxbOFmrcxMqPuNiOxak03BWu83zZir90Q5WHaMTmIVnZR-Emq1n_PkgQLF-SWA7xrTMQ4CV2YTEq3pikx4jr5VwPhGFap1nYHdEuRPJbRj12f9FY3k5t0IbRCFqX-NsEOaIFOgvqIziKUW_0jctkTDQkJ9KrXe63ZgRpan91za0jqC5j1pNJnmvxxqEtR0UP-h3ZiZc6Q84n5RvLjzsJrwCR8OrDvNzisrr