基于PLC的運動控制系統(tǒng)設計

1緒論在工業(yè)生產過程中，大量的開關量順序控制是按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現的，1968年美國通運公司提出取代電氣控制裝置要求，第二年，美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程邏輯控制器。隨著個人計算機開展起來后，為了方便，也為了反映可編程邏輯控制器的功能特點，可編程控制器定名為PLC。PLC控制運動系統(tǒng)是數控化工業(yè)生產的關鍵組成局部，研究PLC控制運動系統(tǒng)可進一步提高其在工業(yè)生產中的應用。PLC作為簡單化了的計算機，功能完備、靈活、通用、控制系統(tǒng)簡單易懂、價格廉價、可現場修改程序、體積小、硬件維護方便、價格廉價等優(yōu)點，在全世界廣泛應用，為生產生活帶來巨大效益方便。因此，通過研究PLC來控制運動，即可實現精確定位控制，又能降低控制本錢，還有利于維護。以往的電動機需要靠驅動器來控制，隨著技術不斷開展完善，PLC通過自身輸出脈沖接入并控制電動機，這樣就有利于對運動精確控制。上世紀80年代至90年代中期，是PLC開展的最快時期，年增長率一直保持為30—40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人及接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入運動控制領域，在某些應用上取代了在運領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)?；陔妱訖C良好的控制和準確定位特性，被廣泛應用在精確定位方面，諸如數控機床、繪圖機、扎鋼機、自動控制計算裝置、自動記錄儀表等自動控制領域。PLC具有通用性強、使用方便、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點，PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來時無法取代的。本控制系統(tǒng)設計是由系統(tǒng)硬件設計和系統(tǒng)軟件設計兩局部組成。其中，硬件設計主要包括步進電動機的工作原理分析、步進電動機的驅動設計及PLC工作原理及PLC作用驅動器且驅動步進電動機運動原理設計。軟件設計包括主程序以及其他輔助控制程序設計，最終實現對步進電動機轉角、轉速、及轉向控制。隨著微電子和計算機技術的開展，步進電動機的功能也越來越強大并得到廣泛應用，繼續(xù)研究PLC對步進電動機的控制系統(tǒng)，對提高控制精度、提高響應速度和提高能源利用率等有著重要意義。2可編程序控制器〔PLC〕簡介2.1PLC的根本概述PLC的定義可編程控制器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，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的開展，這種裝置的功能已經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。但是為了防止與個人計算機(簡稱PC)的簡稱混淆，所以將可編程控制器任簡稱PLC。PLC即可編程控制器，是指以計算機技術為根底的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會公布的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，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。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那么而設計。〞PLC的根本組成PLC是一種面向工業(yè)環(huán)境設計的專用計算機，它具有一般計算機類似的結構，也是由硬件和軟件組成。由中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出接口、編程器、電源等幾局部組成。PLC內部硬件結構框圖如圖2.1所示。a.中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的核心，他通過地址總線、數據總線、控制總線與存儲器、I/O接口相連，其主要作用是執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件，從輸入接口讀取各個開關狀態(tài)，根據梯形圖程序進行邏輯處理，并將處理結果輸出到輸出接口。b.存儲器PLC的存儲器是用來存儲數據或程序的。存儲器中的程序包括系統(tǒng)程序和應用程序。系統(tǒng)程序用來管理控制系統(tǒng)的運行，解釋執(zhí)行應用程序，存儲在只讀存儲器ROM中。應用程序即用戶程序，一般存放在隨機存儲器RAM中，由后備電池維持其在一定時間內不喪失。也可將用戶程序固化到只讀存儲器中，永久保存。c.電源電源的作用是吧外部供給的電源變換成系統(tǒng)內部各單元所需的電源。有的電源單元還向外提供24V直流電，可供開關量輸入單元連接的現場無源開關等使用。電源單元還包括掉電保護電路和后備電池電源，以保持RAM在外部電源斷電后存儲內容不喪失。PLC的電源一般采用開關電源，其特點是輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。圖2.1PLC的硬件結構框圖d.I/O接口電路I/O接口是CPU與現場I/O設備聯系的橋梁。輸入接口接收和和采集輸入信號。數字量或開關量輸入接口用來接收從按鈕、選擇開關、限位開關、接近開關、壓力微電器等來的數字量輸入信號；模擬量輸入接口用來接收電位器、測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。輸入信號通過接口電路轉化成適合CPU處理的數字信號。為防止各種干擾信號和上下壓信號，輸入接口一般要加光電耦合器進行隔離。輸出接口電路將內部電路輸出的弱電信號轉換為現場需要的強電信號輸出，以驅動執(zhí)行元件。數字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制調節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。為保證PLC可靠平安的工作，輸出接口電路采取電氣隔離措施。輸出接口電路分為繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出三種，目前，一般采用繼電器輸出方式。e.編程器編程器是用來輸入和編輯程序，也可以用來監(jiān)視PLC運行時各編程元件的工作狀態(tài)。編程器是由鍵盤、顯示器、工作方式開關以及與PLC的通信接口等幾局部組成。一般情況下只在程序輸入、調試階段和檢修時使用，所以一臺編程器可供給多臺PLC使用。PLC的工作原理與掃描技術可編程序控制器有兩種根本的工作狀態(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，內部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段〔見圖2.2a〕。可編程序控制器的這種周而復始的循環(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。在內部處理聯合階段。可編程序控制器檢查CPU模塊內部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。ab圖2.2PLC的工作原理示意圖在通信效勞階段，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運行〔RUN〕狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作〔見圖2.2b〕，圖中僅畫出了與用戶程序執(zhí)行過程有關的3個階段?？删幊绦蚩刂破髟赗UN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2.3所示。圖2.3PLC的掃描運行方式示意圖a.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)和數據，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應單元內。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)和數據發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數據也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，那么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。b.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)內的狀態(tài)和數據不會發(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)內的狀態(tài)和數據都有可能發(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但凡用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。c.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)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。2.2PLC控制系統(tǒng)的設計根本原那么a.最大限度的滿足被控對象的控制要求。b.在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用和維護方便。c.保證控制系統(tǒng)平安可靠。e.考慮到生產的開展和工藝的改良在選擇PLC容量時應適當留有余量。2.3PLC軟件系統(tǒng)及常用編程語言PLC軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩局部組成。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現場控制要求，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。a.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內部繼電器的接點或內部存放器、計數器等的狀態(tài)。〔3〕梯形圖中的接點可以任意串、并聯，但線圈只能并聯不能串聯?！?〕內部繼電器、計數器、存放器等均不能直接控制外部負載，只能做中間結果供CPU內部使用?！?〕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。b.語句表語言，類似于匯編語言。c.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。2.4PLC的特點a.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由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內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那么更長。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百甚至數千分之一，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。b.配套齊全功能完善，適用性強。PLC開展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？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，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，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開展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。c.易學易用深受工程技術人員歡送。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)控制翻開了方便之門。d.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過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。e.體積小、重量輕、能耗低以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。2.5PLC的應用目前，PLC在國內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。a.順序控制這是PLC最廣泛的應用領域，它取代了傳統(tǒng)的繼電器控制。PLC應用于單機控制、多機群控制、生產自動線控制，例如注塑機、印刷機、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線、包裝生產線、電鍍流水線及電梯控制等等。b.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，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產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c.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調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(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。d.數據處理現代PLC具有數學運算〔含矩陣運算、函數運算、邏輯運算〕、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比擬，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。數據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)。e.通信及聯網PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的開展，工廠自動化網絡開展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3步進電動機的簡介3.1步進電動機概述與特性3.1.1步進電動機概述步進電動機是將電脈沖信號變換成機械角位移的執(zhí)行元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機由單路電脈沖驅動，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，步進電動機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比；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字量的輸入，所以特別適合于微機控制。3.1.2步進電動機的特性步進電動機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數字信號，這恰是計算機所擅長處理的數據類型。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、磁盤器等裝置的位置控制中，步進電動機都是不可缺少的組成局部之一?？傮w上說，步進電動機有如下優(yōu)點：a.不需要反響，控制簡單。b.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擬簡單。c.沒有角累積誤差。d.停止時也可保持轉距。e.沒有轉向器等機械局部，不需要保養(yǎng)，故造價較低。f.即使沒有傳感器，也能精確定位。g.根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉動。但是，這種電動機也有自身的缺點。h.難以獲得較大的轉矩i.不宜用作高速轉動j.在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。k.超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。3.2步進電動機的分類與工作原理3.2.1步進電動機的分類步進電動機的分類步進電動機按形狀區(qū)分，有旋轉式和直線式。按勵磁相數來分，步進電動機有三相、四相、五相和六相。根據工作原理，步進電動機分為反響式、永磁式和混合式三種。本次設計只研究旋轉式。a.反響式步進電動機〔VR〕其采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產本錢低，步距角可以做的相當小，但動態(tài)性能相對較差。b.永磁式步進電動機〔PM〕其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；但步距角一般比擬大。c.混合式步進電動機〔HB〕這是PM和VR的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子那么為齒狀的突起結構。此類電動機綜合了反響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動機。3.2.2反響式步進電動機的工作原理反響式步進電動機又稱變磁阻式步進電動機，其定子和轉子均由硅鋼片組成，定子上有假設干對磁極，磁極上有控制繞組。在轉子的圓柱面上均勻分布有小齒。依靠定子與轉子之間的氣隙磁場吸力的作用，產生電磁轉矩，使轉子向氣隙磁場減少的位置方向轉動。三相反響式步進電動機的定子有6個均勻的磁極，每兩個相對的磁極組成一組相，即有A-A′、B-B′、C-C′三相，假定轉子有均勻分布的4個齒，A、B、C三對磁極依次產生時便引起轉子轉動。如下列圖3.1a所示，如果先使A相繞組通電，其相應的定子和轉子齒之間就會產生磁吸力，使轉子的1、3兩個齒與定子的A相磁極對齊。然后，A相斷電，再使B相繞組通電并使該磁極產生磁通，由圖3.1b所示看到其轉子的2、4兩個齒與B相磁極對齊。如果按照A→B→C→A→﹒﹒﹒的順序通電，轉子那么按逆時針方向一步步轉動，每步轉動的角度稱為步距角。如果，按A→C→B→A→﹒﹒﹒順序通電，步進電動機順時針轉動，其步距角也是30°。如果，輪流給各項磁極通電的頻率越高，那么步進電動機轉速就越快。從一相繞組通電轉換到另一相繞組通電稱為一拍，每一拍轉子轉動一個步距角。上面講的是三相單三拍方式。也可以使兩相繞組同時通電，即按AB→BC→CA→CA→AB→﹒﹒﹒那么轉子每一拍的穩(wěn)態(tài)位置是處于該兩相磁極的幾何中線上，步距角仍為30°，這種通電方式為三相雙三拍方式。abc圖3.1三相反響式步進電動機把上述兩種方式結合起來，按A→AB→B→BC→C→CA→A→﹒﹒﹒的順序通電，換接6次完成一個循環(huán)，這種通電的方式叫三相六拍，其步距角為15°是前兩種通電方式的一半。實際上，步距角越小，意味著所能到達的位置精度越高，通常步距角為1.5°～0.75°，為此需要將轉子做成的齒輪形狀的，定子的磁極上也制成小齒形狀的，兩種小齒的齒寬和齒距相等。如圖3.2所示，當一相定子磁極的小齒與轉子的齒對齊時，其他兩相磁極的小齒都與轉子的齒錯過一個角度，按照相序，后一相比前一相錯過的角度要大。例如轉子上有40個齒，那么相鄰的兩個齒的齒距角是360°/40=9°，如把定子上每個磁極制作5個小齒，當轉子齒和A相磁極小齒對齊時，B相磁極小齒那么沿逆時針方向超前轉子齒1/3齒距角，即3°，而C相那么超前2/3齒距，即6°。按照此結構，如果按A→AB→B→BC→C→CA→A→﹒﹒﹒的順序以三相六拍通電時，電動機逆時針轉動，其步距角為1.5°由上述可知，步進電動機的步距角由轉子齒數、控制繞組的相數m和通電方式決定，即式中，C為通電方式系數，重單拍或重雙拍時取為1，單、雙拍交替時取2。由式可見，相數越多，那么步距角越小。ab圖3.2感應式步進電動機3.3本設計中所采用的步進電動機本設計中所用的是三相反響式步進電動機，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〞、“三相雙三拍〞和“三相單雙六拍〞。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。如果要使步進電動機反轉，只要改變通電順序，即按A→C→B→A…順序循環(huán)通電。當步進電動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。當要使反轉時，通電方式改變?yōu)锳B→AC→CB→BA…。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圖3.3所示。當要使步進電動機反轉時，其通電方式應該為A→AC→C→CB→B→BA→A…,其步進角與正轉相同。圖3.3三相步進電動機繞組的電源脈沖波形4PLC在步進電動機應用4.1控制設計設想在步進電動機控制系統(tǒng)中，首先要控制步進電動機，使之穩(wěn)步起動，然后高速運動，接近指定位置時，減速之后低速運行一段時間，在準確地停在預定位置上，最后步進電動機停留3S后，按照前進時的加速、高速、減速、低俗四個步驟返回到起始點，其運動狀態(tài)轉換過程平穩(wěn)，其功能框圖如圖4.1所示，其簡單工作過程如圖4.2所示。圖4.1步進電動機控制功能框圖圖4.2步進電動機的簡單工作過程步進電動機本身的結構特性決定其要實現高速運轉必須有加速過程，如果在起動時突然加載高頻脈沖，電動時機產生嘯叫、失步甚至是不能起動。在停止階段，當高頻脈沖突然降到零時，電動時機產生嘯叫和振動。因此在起動和停止時，都必須有一個加速和減速的緩沖過程。4.2系統(tǒng)硬件設計由于步進電動機的硬件結構特性，所以對輸入脈沖的頻率要有所限制，對于低頻的脈沖輸出，PLC可以利用定時器來完成。步進電動機位置控制系統(tǒng)硬件框圖如圖4.3所示。圖4.3步進電動機位置控制系統(tǒng)硬件框圖根據圖4.3所示的系統(tǒng)硬件框圖，選擇如下硬件系統(tǒng)。a.PLC主機根據系統(tǒng)控制要求，可采用西門子S7—200系列PLC作為控制器，并考慮到此控制系統(tǒng)中的I/O口數量用的非常少，輸入只有4個，輸出只有2個，一共用到的I/O口有6個，因此控制系統(tǒng)不需要太大的數據存儲。選用S7—200系列CPU221作為本控制系統(tǒng)的主機，既能滿足系統(tǒng)要求，又能實現其經濟性。b.限位開關該系統(tǒng)中共使用了倆個限位開關，即左限位開關和有限位開關，這倆個限位開關的作用是控制物體的位置，防止物體超出合理的工作范圍。〔1〕左限位開關左限位開關是固定在工作臺的最左端，其作用是當物體移動到預定的停止位置時沒有停止，觸發(fā)限位開關，使之斷開電動機電源，到達平安保護?！?〕有限位開關有限位開關是固定在工作臺的最右端，其作用是當物體移動到工作臺原點時沒有停止，觸發(fā)限位開關，使之斷開電動機電源，到達平安保護。c.步進電動機步進電動機是該系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)，其精度影響整個系統(tǒng)的控制精度，選用電動機時，應滿足系統(tǒng)的功能要求。假設某類型步進電動機的參數，步距角為0.75，為三相流拍方式供電，最大靜轉矩為7.84N.m,最高空載起動頻率是1500HZ，轉子轉動慣量為47×10-5kg.m2.知道這些數據后，必須計算出以下3個數據，即脈沖當量、脈沖頻率上限和最大脈沖數量。脈沖當量=脈沖頻率上限=最大脈沖數量=根據以上3個數據才能算出PLC的控制指令。假設螺距為5h，傳動速比為1，高速移動時速度為2m/min，移動距離為0.5m，那么可算出，脈沖當量為1/96，脈沖頻率上限為3200Hz，最大脈沖數量為48000個。根據計算出來的這些數據可以判斷所選的PLC是否能夠滿足步進電動機的要求。d.步進電動機驅動器步進電動機必須使用專用的電動機驅動設備才能正常工作。步進電動機系統(tǒng)的運行性能除了與電動機自身的性能有關外，在很大程度上還取決于驅動器性能的優(yōu)劣。Pulse是脈沖的輸入端口，每個脈沖上升沿使電動機轉動一步。DIR是方向信號，用于控制電動機的正、反轉，低電平時為順時針旋轉，高電平時為逆時針旋轉。在控制系統(tǒng)中用PLC輸出一定量的脈沖來控制步進電動機的位移，控制脈沖的頻率來控制步進電動機的速度，步進電動機驅動器將接收的脈沖進行分配，按照一定的通電順序供給繞組。PLC可以采用軟件環(huán)形分配器，也可以采用硬件環(huán)形分配器，但是軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，尤其是當繞組數目大于4時。假設采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結構相對復雜，但能夠節(jié)省PLC的I/O數量。一般僅占用少量I/O口，輸出口有倆個，一個作為脈沖輸出端接驅動器的脈沖端，另外一個作為方向控制輸入到驅動器的方向控制端。如果采用硬件環(huán)形分配器，會使PLC的程序編寫量也變小，對于PLC存儲空間的要求就不會很高了。步進電動機驅動器是由脈沖分配器與功率放大器組成。脈沖放大器是將脈沖信號源〔PLC〕傳來的脈沖均勻的分配在三相繞組及三相繞組通電相序。功率放大器是將低脈沖信號放大到足以驅動步進電動機的強脈沖信號。步進電動機的內部原理圖如圖4.4所示。圖4.4步進電動機驅動器原理圖根據以上分析，PLC的I/O分配見表4.1所示。根據硬件框圖和控制系統(tǒng)I/O分配表，可以設計出本控制系統(tǒng)的硬件連線圖，如圖4.5所示。表4.1PLC的I/O分配名稱地址和編碼說明輸入信號SB0I0.0起動按鈕SB1I0.1停止按鈕SQ1I0.2左限位開關SQ2I0.3有限位開關輸出信號PulseQ0.0電動機轉速和轉角DIRQ0.1電動機轉動方向圖4.5控制系統(tǒng)硬件連接圖4.3系統(tǒng)軟件設計根據該控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)控制的流程圖如圖4.6所示。這個過程分為三個局部，即主程序、子程序、和中斷程序。因為步進電動機的起動頻率不能太高，所以編程時首先采用低頻起動，然后升到高頻，快速運動。到接近停止位置時，先降頻低速運行，到最后預設位置時停止，其脈沖頻率特性如圖4.7所示。圖4.6系統(tǒng)控制流程圖圖4.7步進電動機的脈沖頻率特性根據圖所示流程圖，編寫的步進電動機控制系統(tǒng)主程序、子程序、和中斷程序。步進電動機控制系統(tǒng)主程序如圖4.8所示。圖4.8步進電動機控制系統(tǒng)子程序步進電動機控制系統(tǒng)子程序如圖4.9所示。圖4.9步進電動機控制系統(tǒng)子程序步進電動機控制系統(tǒng)中斷程序如圖4.10所示。圖4.10步進電動機控制系統(tǒng)中斷程序a.其中，如圖4.8所示為步進電動機控制系統(tǒng)主程序，其主要功能如下：〔1〕在通電開始時，先將輸出口Q0.0初始化，置0?！?〕設定電動機轉動方向。〔3〕調用子程序完成步進電動機的前進和返回控制?！?〕電動機的起動和停止控制。與圖4.8所示控制系統(tǒng)主程序對應的語句表見表4.2表4.2控制系統(tǒng)主程序對應的語句表語句表注釋語句表注釋LDSM0.1接通一個掃描周期ENI開啟中斷，脈沖輸出完畢后產生中斷RQ0.0,1上電的第一個掃描周期對Q0.0復位LDM0.1常開觸點LDI0.0常開觸點RQ0.0,1上電的第一個掃描周期對Q0.0復位OM0.0常開觸點CALLSBR_0調用子程序，設置輸出脈沖段ANM0.1常閉觸點DTCH19進行中斷別離=M0.0控制電動機前進或返回LDI0.1常開觸點LDM0.0常開觸點OI0.2常開觸點=Q0.1控制旋轉方向OI0.3常開觸點CALLSBR_0調用子程序，設置輸出脈沖段OM0.2常開觸點ATCHInt_0,19進行中斷連接=M0.2停止或限位控制b.圖4.9所示的梯形圖程序為步進電動機控制系統(tǒng)子程序，主要功能是完成高速脈沖串輸出參數的設置。與圖4.9所示控制系統(tǒng)子程序對應的語句表見表4.3。表4.3控制系統(tǒng)子程序對應的語句表語句表注釋語句表注釋LDSM0.0產生一個高電平MOVW0,VW227周期增量為0，即為高速脈沖輸出ANM0.2常閉觸電MOVDW100,VD213脈沖個數為1000MOVB16#A5,SMB67寫控制字節(jié)到特殊存放器：允許脈沖輸出，多段管線PTO輸出，允許更新PTO的周期值和脈沖數，時間基準為usMOVW2500,VW217減速脈沖起始頻率為2500HzMOVW200,SMW168裝入首地址MOVW+20,VW219周期增量為20，即產生一個脈沖，其周期增加20us，該段為減速階段MOVB4,VB201控制過程分為四段MOVDW100，VD221脈沖個數為100MOVW100,VW201起動頻率為1000HzMOVW1000,VW209此階段起始頻率為1000HzMOVW-10,VW203周期增量為-10，即產生一個脈沖，其周期減少10us，該段為加速階段MOVW0，VW221周期增量為0，即為低速脈沖輸出MOVDW200,VD205脈沖數為200MOVDW100,VD229脈沖個數為100MOVW2500,VW225此階段起始頻率為2500HzPLS0起動脈沖輸出，由Q0.0輸出c.圖4.10所示的梯形圖程序為步進電動機控制系統(tǒng)中斷程序，主要作用是完成一個3s的定時功能。與圖4.10所示控制系統(tǒng)中斷程序對應的語句表見表4.4。與圖4.8、圖4.9、圖4.10所示的控制系統(tǒng)主程序、子程序、中斷程序運行的原理為:系統(tǒng)上電后，首先對輸出口進行初始化，然后按下起動按鈕SB0，使Q0.1輸出高電平，控制步進電動機的驅動器，使步進電動機正轉，并且調用PTO子程序。在子程序中，將各種控制字及參數寫相應的存儲器中，把脈沖控制分為四個階段，即變頻加速階段、高頻高速運行階段、變頻減速階段、和低頻低速階段。頻率從低到高電動機處于加速階段，由開始的1000Hz到高階段的2500Hz，均沒有超過步進電動機的額定數值，這樣的電動機就不會出現失步，低速運行100步到達停機位置停機。脈沖輸出完畢后，產生一個中斷。在中斷程序中有一個定時器，中斷產生后觸發(fā)定時器開始定時，3s后定時時間到，T37常閉觸電斷開，使得Q0.1輸出低電平，其常開觸點閉合。再次對Q0.0進行復位操作，然后調運子程序，并且經脈沖輸出中斷關閉，這樣就使步進電動機返回原始位置之后不會再次自行起動。返回過程與前進過程一樣，都是先加速接著高速運行，然后減速、低速運行直到回到原點停止。表4.4控制系統(tǒng)中斷程序對應的語句表語句表注釋語句表注釋LDSM0.0產生一個高電平LDT37常開觸點AMM0.1常閉觸點OM0.1常開觸點TONT37,30定時時間為3s=M0.1控制電動機前進或返回結論畢業(yè)設計是本科學生完成學業(yè)和取得畢業(yè)證書的最后過程，通過這次系統(tǒng)、完整的設計，使我認識到實踐的重要性，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計標準以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。通過PLC控制運動的速度、運行狀態(tài)、平安、可靠、消防等進行合理的設計。綜合考慮運動PLC控制系統(tǒng)，能夠到達“穩(wěn)、準、快〞的要求，這就要求我們的設計必