基于PLC步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計
《基于PLC步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《基于PLC步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計(106頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
太原理工大學陽泉學院畢業(yè)設(shè)計說明書基于PLC步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要隨著微電子和計算機技術(shù)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(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進電機的控制系統(tǒng),對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)已廣泛用于數(shù)字定位控制中。本設(shè)計將步進電機控制系統(tǒng)用于控制數(shù)控機床滑臺。本控制系統(tǒng)的設(shè)計,由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。其中,硬件設(shè)計主要包括步進電機的工作原理、步進電機的驅(qū)動電路設(shè)計、PLC的輸入輸出特性、PLC的外圍電路設(shè)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(shè)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(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)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(guān)鍵詞:步進電機、PLC、轉(zhuǎn)速控制、方向控制IStepping motor control system based on PLCAbstractWith the development of microelectronics and computer technology, the stepper motor is increasing demanded, which is widely used in printers, electric toys and other consumer products, and CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and other electrical machinery products, and is applied in the national economy in various fields. Researching of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is so important.Stepper motor is a device which will transform electrical pulses into mechanical angular displacement so that Shaft of each pulse to a step angle stepping increment, SO output angular displacement is proportional to the input pulses, speed is proportional to the input pulse speed and speed is proportional to input pulse frequency. Stepper motor control is simple, is open-loop control, and no accumulation of positioning error, a high positioning accuracy,and the PLC as an industrial control computer, is a powerful tool for the integration of the motor, Therefore, the stepper motor control based on PLC technology has been widely used for digital positioning control.The control system consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design includes the working principle of stepper motor, stepper motor drive circuit design, PLC input and output characteristics, PLC and PLC external circuit connection with the stepper motor and matching Problem. Software design, including the main program and each module of the control program, ultimately realizes on the stepper motor rotation direction and rotation speed control This system has the intelligence, practicality and reliability features.Keywords:Stepper motor, PLC, speed control, direction controlII目錄基于PLC步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計I摘要IStepping motor control system based on PLCIIAbstractII第一章 緒論11.1 PLC的發(fā)展及應(yīng)用前景11.1.1 可編程控制器(PLC)的發(fā)展趨勢11.1.2 可編程控制器(PLC)的應(yīng)用領(lǐng)域11.1.3 PLC的應(yīng)用前景11.2 提出問題21.2.1 機床滑臺類型及控制31.2.2 本文的工作目的及意義31.2.3 本文的主要目的及意義31.3 系統(tǒng)功能4第二章 PLC概述52.1 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展52.1.1 PLC的產(chǎn)生及定義52.1.2 PLC的發(fā)展62.2 PLC的特點與功能72.2.1 PLC的特點72.2.2 PLC的功能72.3 PLC的結(jié)構(gòu)82.4 PLC的編程語言82.4.1 梯形圖92.4.2 語句表112.4.3 順序功能圖11第三章 步進電機概述123.1 步進電機工作原理123.2 步進電機的特性123.3 步進電機的分類133.4 步進電機驅(qū)動器的直流供電電源的確定133.5 步進電機使用時的注意事項143.6 步進電機驅(qū)動器的細分原理及一些相關(guān)說明143.7 反應(yīng)式步進電機153.8本設(shè)計所用步進電機18第四章 總體方案設(shè)計194.1數(shù)控滑臺的控制方法194.1.2進給速度控制194.1.3 進給方向控制194.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計194.3 PLC控制系統(tǒng)的接地方法204.4步進電機的控制204.4.1步進電機的起??刂?14.4.2步進電機的加減速控制214.4.3 步進電機的換向控制224.5 本章小結(jié)22第五章 數(shù)控滑臺的設(shè)計235.1總體設(shè)計方案的確定235.2 機械部分設(shè)計計算23第六章 設(shè)計硬件電路366.1 硬件電路總體分析366.2總體設(shè)計分析圖366.3電路總體設(shè)計366.4步進電機的驅(qū)動電路38第七章 軟件設(shè)計447.1 可編程控制器(PLC)的工作原理447.2存儲空間的計算477.3可編程控制器(PLC)提供的編程語言477.4 PLC編程中難點介紹497.4.1驅(qū)動電源的特殊性497.4.2用功能指令構(gòu)建控制程序的有關(guān)問題497.5 PLC梯形圖 I/O分配表50第8章 GX Developer軟件程序模擬運行518.1 程序運行圖文說明51結(jié)論68附錄691、流程圖692、控制系統(tǒng)設(shè)計步驟69參考文獻711、參考資料712、參考論文72外文文獻74中文翻譯78致謝81第1章 緒論1.1 PLC的發(fā)展及應(yīng)用前景PLC 工藝自從出現(xiàn)一直到今天,已經(jīng)由最初的接線邏輯發(fā)展到了儲存邏輯,目前被大量的應(yīng)用到眾多的行業(yè)之中。當今社會是一個高速發(fā)展的社會,目前的半導體工藝和電腦科技非常發(fā)達,PLC 借助這些技術(shù)的優(yōu)勢,已經(jīng)可以非常好的處理網(wǎng)絡(luò)接口了??傮w來說,這項工藝很受行業(yè)人士的喜歡。這項系統(tǒng)是專門用于工藝生產(chǎn)工作的數(shù)控系統(tǒng),它把電腦科技和自控工藝等技術(shù)有效的融合在一起,它是目前行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,它的穩(wěn)定性很高。此外,它還具有強大的抗干擾能力,編程步驟簡單,而且易于維護。隨著工藝不斷發(fā)展,現(xiàn)今它的控制活動已經(jīng)能夠從原先的單一化邏輯控制發(fā)展到如今的持續(xù)性控制。1.1.1 可編程控制器(PLC)的發(fā)展趨勢我們堅信這項技術(shù)一定會得更好的發(fā)展。從技術(shù)上來看,隨著目前電腦等優(yōu)秀的科學技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到 PLC 上面,因此我們堅信不久的將來,就會出現(xiàn)運算速率更快,容量更加龐大,更為先進的產(chǎn)品。從規(guī)模上來說,完備的通信設(shè)備會更好地迎合各種工業(yè)控制場合的不同需求;從市場上來分析,今后的競爭將會更加的激烈,將會發(fā)生壟斷現(xiàn)象,屆時將會有全球通用的編程語言;通過分析網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展態(tài)勢可以得知,可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成的大型控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展,可編程控制器作為國際通用網(wǎng)絡(luò)和自動化控制網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,將在工業(yè)及工業(yè)以外的大量領(lǐng)域發(fā)揮十分重要的作用。1.1.2 可編程控制器(PLC)的應(yīng)用領(lǐng)域PLC 是以微計算機技術(shù)和通信技術(shù)和自動控制技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新的工業(yè)控制裝置,隨著微處理工藝的發(fā)展,這項技術(shù)必然會會在眾多的行業(yè)之中獲取良好的發(fā)展。當前它的應(yīng)用范圍非常廣,比如:通用和專用機械,汽車制造,機床與工具,立體倉庫,控制設(shè)備制造、控制與裝置儀表,環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。而且還在朝著其它方向擴展。PLC 的自診斷占 18,批量控制占26,運動控制占 40,過程控制占 58,應(yīng)用機械控制占 871.1.3 PLC的應(yīng)用前景PLC制造商通過收購和聯(lián)合大量的軟件企業(yè)和發(fā)展軟件產(chǎn)業(yè)。明顯的提升了軟件使用性能。大多的品牌都有與它們的設(shè)備相對應(yīng)的平臺甚至軟件,將其有效的結(jié)合在一起,能夠顯著的提升系統(tǒng)的綜合服務(wù)能力,而且節(jié)省投資,得到良好的控制體系,目前,PLC+網(wǎng)絡(luò)+IPC+CRT 的模式被大規(guī)模應(yīng)用??删幊炭刂破鳎≒LC)廠家在以前的CPU模板上提供物理層 RS232/422/485 接口的基礎(chǔ)上,新添了很多不同的通訊接口,能夠創(chuàng)造一體化的網(wǎng)絡(luò)體系。近年來信息技術(shù)發(fā)展很快,用戶對開放性有著更多的需求,而且此時的互聯(lián)網(wǎng)也在迅速發(fā)展。例如:羅克韋爾 A-B公司大力主推的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系,即 Device Net、Ether Net,Contml Net。工藝在發(fā)展的時候,生產(chǎn)廠家為了獲得更多的市場份額,不斷展開激烈的競爭。它們的標準不一樣,所以無法很好的兼容在一起,這就導致用戶在使用的時候非常不方便,而且會造成維護費用增加。以后市場必然會高度開放,這已經(jīng)被大多數(shù)生產(chǎn)廠家意識到了,形成了長時期妥協(xié)與競爭的過程,而且這一過程還在繼續(xù)。雖說目前的工具無法很好的兼容在一起,不過隨著系統(tǒng)的進步,用戶在使用的時候,已經(jīng)能夠較好的應(yīng)用各種性質(zhì)的產(chǎn)品了。當前時期,該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)水平以及運算速率等都明顯的強化了,此時已經(jīng)不再是單純的用來進行邏輯控制了,更多的是用到過程控制之中。相關(guān)人士調(diào)查得出的結(jié)論是:目前除了石化等行業(yè)之外,這項系統(tǒng)在大部分的行業(yè)中都獲取了良好的成就。通過分析我們發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)的優(yōu)點非常明顯,比如它的結(jié)構(gòu)非常緊湊,它的功能很多,穩(wěn)定性強,速率較快,最主要的是它的價位不高,因此不管是目前還是今后的很長一段時間之內(nèi),該系統(tǒng)都能夠發(fā)揮出非常明顯的意義,它的存在必將帶動整個行業(yè)的進步。1.2 提出問題在電氣時代的今天,電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)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,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。電動機控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)、微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進步使電動機控制技術(shù)化。步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu),它的原理是通過對每相線圈中的電流和通電順序切換來使電機作步進式旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路由脈沖信號來控制,所以調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率可以改變步進電機的原先轉(zhuǎn)速。也就是說:當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,驅(qū)動步進電機就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。通過改變脈沖個數(shù)即可以改變角位移量,以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(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的,目前比較常用的步進電機包括反應(yīng)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(zhuǎn)矩和體積較小,步進角一般為7.50;反應(yīng)式步進電機一般為三相,可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,步進角一般為1.50,但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩?;旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式步進電機和反應(yīng)式步進電機的優(yōu)點。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。1.2.1 機床滑臺類型及控制在組合機床自動線中,一般根據(jù)不同的加工精度要求設(shè)置三種滑臺:1液壓滑臺,用于切削量大、加工精度要求較低的粗加工序中;2機械滑臺,用于切削量中等、具有一定加工精度要求的半精加工工序中;3 數(shù)控滑臺,用于切削量小、加工精度要求很高的精加工工序中??删幊炭刂破鳎ê喎Q PLC)以其通用性強、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便等一系列優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于工業(yè) 自動控制中。特別是在組合機床自動生產(chǎn)線的控制及 CNC 機床的 S、T、M 功能控制中更顯示出其卓越的性能。PLC 控制的步進電機開環(huán)伺服機構(gòu)應(yīng)用于組合機床自動生產(chǎn)線上的數(shù)控滑臺控制,可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng),使該單元的控制系統(tǒng)成本降低70%90%,甚至只占用自動線控制單元 PLC的35 個 I/O 接口及小于1KB的內(nèi)存。特別是大型自動線中可以使控制系統(tǒng)的成本顯著下降。1.2.2 本文的工作目的及意義畢業(yè)設(shè)計做了以下工作:1.對數(shù)控滑臺控制進行了系統(tǒng)的學習,包括PLC及步進電機的主要應(yīng)用,實際的需求。2.應(yīng)用三菱公司的可編程控制器FZ2X-16MT及20BYJ46四相步進電機,在此基礎(chǔ)上搭建了實際的控制模型。 3.深入研究了位置控制系統(tǒng)的算法,利用三菱系統(tǒng)高速、大存儲、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)靈活等特點,實現(xiàn)了更簡便的數(shù)控位置的PLC控制。4.根據(jù)要求設(shè)計了仿真,以實現(xiàn)程序的模擬。1.2.3 本文的主要目的及意義1.以數(shù)控滑臺的邏輯控制為實例,對三菱系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)配置和梯形圖編程進行一次嘗試,為今后的更好地開發(fā)三菱系統(tǒng)的工程應(yīng)用積累經(jīng)驗。2.以一種全新的編程思想進行PLC的梯形圖編程,對于將來高性能的PLC的編程具有開拓性的意義。3.對于數(shù)控滑臺位置控制實現(xiàn)的研究也給后續(xù)的研究開辟了一個全新的方式,為更簡捷完善的多軸位置控制的實現(xiàn)打下了堅實基礎(chǔ),對位置理論及其實現(xiàn)、位置控制在實際工程的應(yīng)用都有很大的指導意義和參考價值。1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計的目的是設(shè)計出一個以步進電機為基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用FX2N系列PLC作為控制單元,通過按鍵實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向以及轉(zhuǎn)動速度的控制,設(shè)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(zhuǎn)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第二章 PLC概述2.1 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展可編程控制器PC(Programmable Controller)是由美國電氣制造協(xié)會(NEMA)命名的,但是PC又可表示為個人計算機(Personal Computer),為了區(qū)別,人們常把可編程控制器稱為PLC(Programmable Logic Controller)。它是以微處理器為基礎(chǔ),在傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)基礎(chǔ)上,綜合了計算機技術(shù)、半導體集成技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而發(fā)展起來的新型控制器,用作數(shù)字控制的專用計算機。由用戶編寫程序進行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等,再通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出(I/O)來控制各種生產(chǎn)過程。2.1.1 PLC的產(chǎn)生及定義20世紀60年代以前,用以對工業(yè)生產(chǎn)進行自動控制的裝置是繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)存在一些缺陷。例如:系統(tǒng)的能耗較多,噪聲大;通用性、靈活性差,工藝流程的更新需要大量的人力物力;不具備現(xiàn)代工業(yè)控制所需的數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)控制等功能。到了20世紀60年代以后,美國汽車制造業(yè)為適應(yīng)市場需求不斷更新汽車型號,要求及時改變相應(yīng)的加工生產(chǎn)線。而汽車生產(chǎn)流水線基本上都采用傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制,所以整個系統(tǒng)就必須更新設(shè)計和配置。汽車生產(chǎn)流水線的更換越來越頻繁,原有的繼電器接觸器控制系統(tǒng)就經(jīng)常需要重新設(shè)計安裝,這不但造成巨大浪費,而且新系統(tǒng)的安裝費時,從而延長了汽車的設(shè)計生產(chǎn)周期。在這種情況下,采用傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制就有許多不足。1968年,美國GM(General Motors)公司首次公開招標要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器,并提出了著名的十項招標指標,即著名的“GN十條”。如果說電子技術(shù)和電氣控制技術(shù)是可編程控制器出現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ),“GM十條”就是可編程邏輯控制器出現(xiàn)的技術(shù)要求基礎(chǔ),也是當今PLC最基本功能。1987年2月,國際電工委員會(IEC)頒布的可編程控制器(PLC)標準草案中對PLC做了如下定義:“可編程控制器是一種數(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。它采用了可編程序的存儲器,用來在其內(nèi)部定時、存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計數(shù)與算術(shù)運算操作等指令,并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出,控制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)外圍設(shè)備,都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體,易于擴充其功能的原則設(shè)計”。2.1.2 PLC的發(fā)展PLC的發(fā)展歷程PLC產(chǎn)生至今,歷經(jīng)50載,其發(fā)展大體經(jīng)歷了4個階段。19701980年,PLC結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段,隨著PLC剛誕生,各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)(如邏輯電路型、1位機型、通用計算機型、單板機型等),但都被迅速淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有PLC結(jié)構(gòu)形式取得了市場認可,得以迅速發(fā)展。本階段為PLC原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與的階段,PLC的應(yīng)用領(lǐng)域也開始由最初的小范圍邏輯控制、有選擇使用,逐步開始向機床、生產(chǎn)線領(lǐng)域拓展。19801990年,PLC普及與系列化階段。在這一階段,PLC的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大,價格一直下跌,PLC被廣泛普及。各個PLC生產(chǎn)單位產(chǎn)品的規(guī)模、品種開始系列化,并且形成了固定的模塊化結(jié)構(gòu)型、I/O端子型、基本單元加擴展模塊型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模式。PLC的應(yīng)用范圍不斷向順序控制的全部領(lǐng)域擴展。在本階段三菱公司以最早的F系列PLC產(chǎn)品為主,包括了小、中、大型各規(guī)格產(chǎn)品。19902000年,PLC高性能與小型化階段。在這一階段,隨著工業(yè)電氣自動化程度的提高和微電子技術(shù)的進步,PLC的功能日益增強,PL由單CPU轉(zhuǎn)向多CPU,16位和32位微處理器被大量應(yīng)用于PLC中,使其運算速度、圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能都大大增強。許多公司在加強各種特殊控制功能模塊研制的同時,還加強了軟件技術(shù)的開發(fā),PLC的體積大大減小,出現(xiàn)了各種類型的小型化、微型化PLC。PLC的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。本階段,三菱公司的PLC產(chǎn)品開始有F系列向FX系列過渡,而后陸續(xù)推出了Q/K型小、中、大型系列產(chǎn)品。2000至今,PLC功能開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段,為了適應(yīng)工廠自動化的需求與信息技術(shù)的發(fā)展,PLC的功能不斷開發(fā)與完善。一方面,PLC在不斷提高CPU運算位數(shù)、速率的同時,開發(fā)了適用于運動控制、過程控制的特殊模塊,使PLC的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動化的全部領(lǐng)域。同時隨著通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,新通信協(xié)議的不斷產(chǎn)生,PLC的通信和網(wǎng)絡(luò)功能得到迅速發(fā)展,PLC不僅可以連接通用輸入/輸出設(shè)備和傳統(tǒng)的編程,還可以通過總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),為工廠自動化奠定了基礎(chǔ)。PLC已經(jīng)真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理和聯(lián)網(wǎng)通信等功能的多功能控制器。本階段,三菱公司的PLC產(chǎn)品仍然以Q/K系列為主要產(chǎn)品,只是其性能在不斷完善,并有新的CPU模塊推出。PLC的發(fā)展趨勢從世界上第一臺PLC誕生至今,PLC技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的單一的邏輯控制發(fā)展到包括模擬量控制、數(shù)字控制以及機器人控制等在內(nèi)的各種工業(yè)控制場合,成為工業(yè)控制領(lǐng)域占主導地位的基礎(chǔ)自動化裝備。PLC的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下四個方面。1、向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展。微型化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性是PLC未來發(fā)展的主要方向。2、向系列化、標準化、模塊化方向發(fā)展。3、向大容量、高速度、高性能方面發(fā)展。4、向自診斷、容錯性、高性能方面發(fā)展。2.2 PLC的特點與功能2.2.1 PLC的特點PLC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??煽啃愿?,抗干擾能力強應(yīng)用靈活,編程方便功能完善,適用性強易于安裝、調(diào)試、維修體積小、質(zhì)量輕、能耗低2.2.2 PLC的功能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?;竟δ苓壿嬤\算功能是PLC必備的基本功能。本質(zhì)上,它以計算機“位”運算位基礎(chǔ),按照程序的要求,通過對來自設(shè)備外圍的按鈕、接觸器觸電、行程開關(guān)等開關(guān)量信號進行邏輯運算處理,并控制外圍指示燈、接觸器線圈、電磁閥的通斷。在早期的PLC上,順序控制所需要的定時、計數(shù)功能需要通過定時模塊與計數(shù)模塊實現(xiàn),但是,他已經(jīng)成為PLC的基本功能之一。此外,邏輯控制中常用的數(shù)據(jù)比較與處理、代碼轉(zhuǎn)換等,也是PLC常用的基本功能。特殊功能PLC的特殊控制功能包括模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換、高速處理、溫度控制、位置控制等。這些特殊控制功能的實現(xiàn)一般需要PLC的特殊功能模塊完成。A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換多用于過程控制或閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在PLC中,通過特殊的功能模塊與功能指令,可以對過程中的溫度、壓力、速度、流量、電流、電壓、位移等連續(xù)變化的物理量進行采樣,并通過必要的運算實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié),必要時也可以對這些物理量進行各種形式的顯示。位置控制一般通過對PLC的特殊應(yīng)用指令的寫入與狀態(tài)讀取,對位置控制模塊的位移量、速度、方向等進行控制。位置控制模塊一般以位置給定的指令脈沖形式輸出,指令脈沖再通過伺服驅(qū)動器或步進驅(qū)動器、驅(qū)動伺服電動機或步進電動機帶動進給傳動系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)位置控制高速處理功能一般通過PLC的特殊應(yīng)用指令和高速處理模塊,如高速計數(shù)、快速響應(yīng)模塊等實現(xiàn),PLC通過高速處理命令的寫入與狀態(tài)的讀取,對高速變化的速度、流量、位置等值進行處理控制。高速計數(shù)模塊可以對幾十千赫甚至上百千赫的脈沖進行計數(shù)處理,保證負載信息的及時處理并驅(qū)動??焖夙憫?yīng)模塊將輸入量的變化較快的反映到輸出量上。總之,PLC的高速處理功能對變化快、脈沖寬度小于PLC掃描周期的輸入/輸出信號進行處理,避免了丟失部分關(guān)鍵信號,從而影響控制過程的及時性和準確性。網(wǎng)絡(luò)與通信功能PLC早期的通信一般局限于PLC與外圍設(shè)備(編程器或變成計算機等)間的簡單串行口通信?,F(xiàn)代工業(yè)控制中的網(wǎng)絡(luò)與通信不僅可以進行PLC與外圍設(shè)備間的通訊,而且可以在PLC與PLC之間、PLC與其他工業(yè)控制設(shè)備之間、PLC與上位機之間、PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)間進行通訊,并可以通過現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)總線組成系統(tǒng),從而使得PLC可以方便的進入工廠自動化系統(tǒng)。2.3 PLC的結(jié)構(gòu)在硬件結(jié)構(gòu)上PLC可以分為整體式固定I/O型、模塊式PLC、基本單元加擴展型分布式PLC和集成式PLC五種結(jié)構(gòu)形式。2.4 PLC的編程語言PLC是專為工業(yè)控制而研發(fā)的裝置,主要使用者是企業(yè)電器工作人員。為了適應(yīng)工人的傳統(tǒng)習慣和掌握能力,通常PLC不采用計算機編程語言,而采用面向控制工程、面向問題的“自然語言”編程。國際電工委員會(IEC)1994年5月公布的IEC611313可編程控制器語言標準詳細的說明了語義、句法和五種編程語言。2.4.1 梯形圖梯形圖是目前為止使用最多的圖形編程語言,梯形圖和繼電器控制系統(tǒng)的電路圖相似,梯形圖常被稱為電路或者程序,梯形圖的設(shè)計稱為編程。梯形圖由線圈、觸點和指令組成。線圈通常代表邏輯輸出結(jié)果和輸出標志位。觸點代表邏輯輸入條件。梯形圖編程的基本概念能流。在梯形圖中為了分析各個元件間的輸入與輸出關(guān)系,就要假象一個概念電流。認為電流按照從左往右的方向流動,這一方向與執(zhí)行用戶順序時的邏輯運算關(guān)系是一致的。利用能流這一概念,可以幫助我們很好地理解和分析梯形圖。能流只能從左往右流動,層次改變只能從上往下。母線。梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線。母線之間有能流從左往右流。通常梯形圖中母線有左右兩條。軟觸點。PLC梯形圖中的一些編程元件沿用了繼電器這一名稱,如輸入繼電器、輸出繼電器等,但是他們不是真實的物理繼電器,而是一些存儲單元,每個軟繼電器的觸點與PLC存儲器中映像存儲器的一個存儲單元相對應(yīng),所以這些觸點稱為軟觸點。這些軟觸點的0/1狀態(tài)代表相應(yīng)繼電器觸點或線圈的接通或者斷開。而且對于PLC內(nèi)部,如果存儲單元狀態(tài)為“1”則表示梯形圖中對應(yīng)軟繼電器的通電,常開觸點接通,常閉觸點斷開,在繼電器控制系統(tǒng)的接線中,觸點數(shù)量有限,而PLC內(nèi)部軟觸點的數(shù)量和使用次數(shù)沒限制,用戶可根據(jù)具體要求在梯形圖中多次使用同一觸點。梯形圖的特點PLC的梯形圖源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述,并和電氣控制系統(tǒng)梯形圖的基本思路一致,只是在符號和表達方式上有一定區(qū)別。它采用梯形圖的圖形符號來描述程序設(shè)計,是PLC程序設(shè)計中最常用的一種設(shè)計語言。這種設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述系統(tǒng)發(fā)生的條件和結(jié)果。其中每個梯級是一個因果關(guān)系。在梯級中描述系統(tǒng)發(fā)生的條件在左邊,事件發(fā)生的結(jié)果在右邊。PLC梯形圖使用的內(nèi)部輔助繼電器、計數(shù)/定時器等,都是有軟件實現(xiàn)的,它的最大優(yōu)點是使用方便、形象、直觀、實用和修改靈活。這是傳統(tǒng)電氣控制的繼電器硬件接線所無法比擬的。梯形圖的格式一般有如下一些要求:每個梯形圖網(wǎng)絡(luò)由多個梯級構(gòu)成。每個輸出元素可構(gòu)成一個梯級,每個梯級有多個支路。通常每個支路可容納11個編程元素,最右邊的元素必須是輸出元素。一個網(wǎng)絡(luò)最多允許16條支路。梯形圖有以下8個特點:PLC梯形圖和電氣操作原理圖相對應(yīng),具有對應(yīng)性和直觀性,并與傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制技術(shù)相一致。梯形圖中的能流不是實際的電流,而是一個虛擬的電流,是用戶程序運算中滿足輸出條件的形象表達。能流只能從左往右。梯形圖中個編程元件所描述的常開常閉觸點可在編程時無限使用,不受次數(shù)限制。梯形圖格式中繼電器和物理繼電器是不同的。在PLC中編程元件沿用了繼電器這一名稱,如輸入繼電器、內(nèi)部輔助繼電器、輸出繼電器等。對于PLC來說,其內(nèi)部的繼電器并不是實際存在的繼電器,而是指軟件中的編程元件。編程元件中的每個軟觸點都和PLC存儲器中的一個存儲單元相對應(yīng)。因此,在應(yīng)用時,需與原繼電器邏輯控制技術(shù)的概念區(qū)別。梯形圖中輸入繼電器的狀態(tài)只取決于外部輸入電路的通斷狀態(tài),所以 在梯形圖中沒有輸入繼電器線圈。輸出線圈只對應(yīng)輸出映像區(qū)的相應(yīng)位,不能用該編程元件直接驅(qū)動現(xiàn)場機構(gòu)。根據(jù)梯形圖中個觸點的狀態(tài)和邏輯關(guān)系,可以求出與圖中各線圈對應(yīng)的編程元件的1/0狀態(tài),稱為梯形圖的邏輯運算。邏輯運算按照梯形圖從左至右、從上至下的原則進行。邏輯運算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值,而不是根據(jù)邏輯運算瞬時外部輸入狀態(tài)來進行。梯形圖中用戶的邏輯運算結(jié)果馬上可為后面用戶程序的邏輯運算所運用。梯形圖與其他設(shè)計語言有一一對應(yīng)關(guān)系,便于相互轉(zhuǎn)換和對程序的檢查。但是對于較復雜的控制系統(tǒng)。與順序功能圖等設(shè)計語言相比較,梯形圖的邏輯描述還不夠清晰。梯形圖設(shè)計規(guī)則由于梯形圖中的線圈和觸點均為“軟繼電器”,因此同一標號的觸點可反復使用,這也是PLC區(qū)別于傳統(tǒng)控制的一大優(yōu)點。每個梯形圖有多層梯級組成,每層邏輯行起始于做母線,經(jīng)過觸點的各種連接最后結(jié)束于線圈,觸點不能出現(xiàn)在線圈右邊,只能在觸點右邊連接線圈,每一個邏輯行實際代表一個邏輯方程。梯形圖中的輸入觸點只受外部信號控制,而不能有內(nèi)部繼電器的線圈將其接通或斷開,及線圈不能直接和做母線相連,所以在梯形圖中不會出現(xiàn)“輸入繼電器的線圈”。在幾個串聯(lián)回路相并聯(lián)時,應(yīng)該將觸點多的放在梯形圖上面。在幾個并聯(lián)回路相串聯(lián)時,應(yīng)該將觸點最多的回路放在梯形圖的最左面。這種安排指令較少。觸點因花在水平線上,不能花在垂直分支上,被畫在垂直分支上的觸點,很難正確識別它和其他觸點的關(guān)系,也難以判斷通過觸點對輸出線圈的控制方向。所以梯形圖的書寫順序自左向右、自上至下,CPU也按此順序執(zhí)行。梯形圖中的觸點可以任意串聯(lián)、并聯(lián),但輸出線圈不能串聯(lián),只能并聯(lián)。2.4.2 語句表PLC的指令是一種與計算機的匯編語言中的指令相似的助記符表達式。語句表表達式與梯形圖有對應(yīng)關(guān)系,由指令組成的程序叫指令程序。在用戶程序存儲器中,指令按步序號順序排列。每一條語句指令都包含操作數(shù)和操作碼兩部分,操作數(shù)一般由標識符和地址碼組成。2.4.3 順序功能圖順序功能圖,又叫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,是一種較新的編程方法。他將一個完整的程序分成若干段,各階段具有不同的動作,階段之間有一定的轉(zhuǎn)換條件,轉(zhuǎn)換條件滿足就實現(xiàn)階段轉(zhuǎn)移,上一階段動作結(jié)束,下一階段動作開始。它提供了一種組織程序的圖形方法。在順序功能圖中可以用其它語言嵌套編程,轉(zhuǎn)換、路徑和步是順序功能圖的三種主要元素。順序功能圖主要用來描述開關(guān)量順序控制系統(tǒng),根據(jù)它可以很容易畫出順序控制梯形圖程序。整個程序完全按動作順序直接編程,非常直觀簡便,思路很清楚,很合適順序控制場合。第三章 步進電機概述步進電機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的執(zhí)行元件。步進電機的輸出位移量與輸人脈沖個數(shù)成正比,其速度與單位時間內(nèi)輸人的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比,其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到各相繞組的相序有關(guān)。因此只要控制指令脈沖的電機繞組通電的相序、頻率及數(shù)量,便可控制步進電機的輸出方向、速度和位移量。步進電機具有較好的控制性能,其啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成,并且可獲得較高的控制精度,因而廣泛應(yīng)用在數(shù)控機床、數(shù)字系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)及航天工業(yè)裝置中。3.1 步進電機工作原理步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步步運行的??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(zhuǎn)動的速度和加速度,從而達到調(diào)速的目的。 步進電動機的工作原理實際上是和電磁鐵的作用原理一樣。當A相繞組通電時,轉(zhuǎn)子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電,B相通電,由于磁力的作用,轉(zhuǎn)子的齒與定子BB上的齒對齊,轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過,如果控制線路按ABCA的順序控制步進電動機繞組的通斷電,步進電動機的轉(zhuǎn)子便不停地做順時針轉(zhuǎn)動。若將通電順序改為ACBA,步進電動機的轉(zhuǎn)子將逆時針轉(zhuǎn)動,這種通電方式稱為三相三拍。而通常的通電方式為三相六拍,其通電順序為AABBBCCCAA及AACCCBBBAA,相應(yīng)地,定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15度。3.2 步進電機的特性步進電機轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號,而脈沖是數(shù)字信號,這恰恰是計算機所擅長處理的類型。自從20世紀80年代以來開始開發(fā)出專用的驅(qū)動電路,今天在磁盤、打印機等的OA裝置的位置控制中,步進電機都是重要的組成部分??傮w來說步進電機特點如下:1、不需要反饋,控制簡單。2、與微機的連接、速度控制及驅(qū)動電路的設(shè)計較簡單。3、沒有角度累積誤差4、停止時也可保持轉(zhuǎn)距。5、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(zhuǎn)動。難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩。8、不宜用作高速轉(zhuǎn)動9、在體積重量方面沒有優(yōu)勢,能源利用率低。10、超過負載時會破壞同步,高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。11、步進電機的角位移與輸人脈沖數(shù)嚴格成正比,電機運轉(zhuǎn)一周后沒有累積誤差,具有良好的跟隨性。 12、由步進電機與驅(qū)動器電路組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng),既簡單、廉價,又可靠。同時,它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。 13、步進電機的動態(tài)響應(yīng)快,易于啟停、正反轉(zhuǎn)以及變速控制。 14、速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié),低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。 15、步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行,它不能直接使用交流電源和直流電源。3.3 步進電機的分類步進電機的結(jié)構(gòu)形式和分類方法較多。按照勵磁方式分類,可將步進電機分為三類:反應(yīng)式步進電動機(VR)。采用高導磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子,其結(jié)構(gòu)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。使用簡單,使用較多。永磁式步進電動機(PM)。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵,在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)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?;旌喜竭M電動機(HB)。這是PM和VR的復合產(chǎn)品,其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料,定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。這類電機綜合了反應(yīng)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(guān)的設(shè)備中多用此類電機。3.4 步進電機驅(qū)動器的直流供電電源的確定電壓的確定混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍(比如ASD545R的供電電壓為1848VDC),電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快,那么電壓取值也高,但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓,否則可能損壞驅(qū)動器。電流的確定供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源(環(huán)行變壓器),電源電流一般可取I的1.11.3倍;如果采用開關(guān)電源,電源電流一般可取I的1.52.0倍?;旌鲜讲竭M電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍,電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快,那么電壓取值也高,但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓,否則可能損壞驅(qū)動器3.5 步進電機使用時的注意事項1、步進電機應(yīng)用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn),(0.9度時6666PPS),最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用,可通過減速裝置使其在此間工作,此時電機工作效率高,噪音低。2、步進電機最好不使用整步狀態(tài),整步狀態(tài)時振動大。3、若所帶負載轉(zhuǎn)動慣量較大,則應(yīng)在低頻下啟動,然后再上升到工作頻率,停車時也因從工作頻率下降到適當頻率再停車。4、轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。5、電機在較高速或大慣量負載時,一般不在工作速度起動,而采用逐漸升頻提速,一電機不失步,二可以減少噪音同時可以提高停止時的定位精度。6、在工作過程中,因盡量使負載均勻,避免負載突變引起誤差。7、電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作,如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。8、若在工作中發(fā)生失步現(xiàn)象,首先應(yīng)檢查負載是否過大,電源電壓是否正常。再檢查驅(qū)動電源輸出波形是否正常,在處理問題時,不應(yīng)隨意變換元件。9、應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。10、驅(qū)動電源的選擇對步進電動機控制系統(tǒng)的運行影響極大。應(yīng)該根據(jù)運行的具體要求,盡量選用先進的驅(qū)動電源。3.6 步進電機驅(qū)動器的細分原理及一些相關(guān)說明在國外,對于步進系統(tǒng),主要采用二相混合式步進電機及相應(yīng)的細分驅(qū)動器。但在國內(nèi),廣大用戶對“細分”還不是特別了解,有的只是認為,細分是為了提高精度,其實不然,細分主要是改善電機的運行性能,現(xiàn)說明如下:步進電機的細分控制是由驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流來實現(xiàn)的,以二相電機為例,假如電機的額定相電流為3A,如果使用常規(guī)驅(qū)動器(如常用的恒流斬波方式)驅(qū)動該電機,電機每運行一步,其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0,相電流的巨大變化,必然會引起電機運行的振動和噪音。如果使用細分驅(qū)動器,在10細分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機,電機每運行一微步,其繞組內(nèi)的電流變化只有0.3A而不是3A,且電流是以正弦曲線規(guī)律變化,這樣就大大的改善了電機的振動和噪音,因此,在性能上的優(yōu)點才是細分的真正優(yōu)點。由于細分驅(qū)動器要精確控制電機的相電流,所以對驅(qū)動器要有相當高的技術(shù)要求和工藝要求,成本亦會較高。注意,國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用“平滑”來取代細分,有的亦稱為細分,但這不是真正的細分。 3.7 反應(yīng)式步進電機反應(yīng)式步進電機,是一種傳統(tǒng)的步進電機,由磁性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)關(guān)系。而方向由導電順序決定。 應(yīng)用領(lǐng)域:反應(yīng)式步進電機主要應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置、圖3-1、四相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)閥門控制、銀行終端、數(shù)控機床、自動繞線機、電子鐘表及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中。圖3-1是一臺四相反應(yīng)式步進電機的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子小齒的齒距,且轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子小齒數(shù)。定子一個極距所對的轉(zhuǎn)子小齒數(shù)為:(2-2)式中 m為相數(shù)。設(shè)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(zhuǎn)子的作用而轉(zhuǎn)動,直到轉(zhuǎn)子磁軸線和定子磁極A-A上的磁軸線對齊為止。因為轉(zhuǎn)子共有50個齒極,每個齒距角,定子一個極距所對的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為,不是整數(shù),因此當A-A極下的定、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒必然錯開1/4齒距角,即。這時,各相磁極的定子齒與轉(zhuǎn)子齒的相對位置如圖3-2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(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下,轉(zhuǎn)子按順時針方向轉(zhuǎn)過,是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子齒又錯開。以此類推,控制繞組按ABCDA的順序循環(huán)通電時,轉(zhuǎn)子就按順時針方向一步一步連續(xù)地轉(zhuǎn)動起來。每換接一次繞組,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/4齒距角。 0 圖3-2、 A相通電時定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置顯然,如果要使步進電機反轉(zhuǎn),只要改變通電順序,即按ADCBA的順序循環(huán)通電時,則轉(zhuǎn)子便按逆時針方向一步一步地轉(zhuǎn)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AABBBCCCDDDAA,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ABBCCDDAAB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(zhuǎn)子齒數(shù)、定子相數(shù)m和通電方式所決定,即:(2-3)式中 C為狀態(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為拍數(shù)。既然每個控制脈沖使步進電機轉(zhuǎn)過一個,電機實際角位移應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角與電壓、負載、濕度等因素無關(guān),因而步進電機可直接采用開環(huán),簡化控制系統(tǒng)。3.8本設(shè)計所用步進電機本設(shè)計中所用的是四相反應(yīng)式步進電動機,其工作原理上述已經(jīng)說清楚。其轉(zhuǎn)子小齒為50個,因此齒距角。其采用三種運行方式,分別為“四相單四拍”、“四相單雙八拍”和“四相雙四拍”。四相單四拍的通電順序為ABCDA,不斷接通與斷開控制繞組,轉(zhuǎn)子就按順時針方向一步步地轉(zhuǎn)動起來,每換接一次繞組,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/4齒距角,即。如果要使電動機反轉(zhuǎn),只要改變通電順序,即按ADCBA順序循環(huán)通電。當運行方式改為四相單雙八拍時,通電方式為AABBBCCCDDDAA,即單相通電與兩相通電相間,步距角為四相單四拍運行時的一半,即。其四相繞組的波形圖如圖3-3所示。當步進電機反轉(zhuǎn)時,其通電方式應(yīng)該為AADDDCCCBBBAA,其步進角與正轉(zhuǎn)相同。當步進電機再改為四相雙四拍運行時,其通電方式為ABBCCDDAAB,步距角與四相單四拍時一樣,為1/4齒距角,即 。當其反轉(zhuǎn)時,通電方式改變?yōu)锳DDCCBBAAD。第四章 總體方案設(shè)計4.1數(shù)控滑臺的控制方法4.1.1 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 (1)式中: DL 為伺服機構(gòu)的位移量(mm);d為伺服機構(gòu)的脈沖當量(mm/脈沖)。4.1.2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) (2)式中: Vf 為伺服機構(gòu)的進給速度(mm/min)。4.1.3 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,如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)。4.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計在采用 PLC對步進電機進行控制的設(shè)計中控制方案為:用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號,并用 PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號,這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器,降低硬件成本。但由于 PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒,相應(yīng)的頻率只能達到幾百赫茲,因此,受到 PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響 ,步進電機不能在高頻下工作,無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時,由于受到掃描周期的影響 ,相應(yīng)的控制精度就降低了。應(yīng)注意,PLC要選用晶體管輸出型的,繼電器輸出型的實際輸出頻率很有限,不能滿足控制要求。采用這種方案,步進電機控制系統(tǒng)的硬件組成非常簡單,即由PLC、直流電源和大功率管子組成的驅(qū)動電路等組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。整個系統(tǒng) 具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠 圖4-1 傳動方案性高、使用方便、通用性強等特點。在控制系統(tǒng)的工作過程中,根據(jù)具體要求確定步進電機的工作方式(正反轉(zhuǎn))、加減速控制、恒速控制、正反轉(zhuǎn)切換控制、起??刂啤8鶕?jù)實際的工作情況計算出相應(yīng)的脈沖頻率,繼而計算出定時中斷的設(shè)定值,建立控制常數(shù)表。選定的工作方式不斷地從控制常數(shù)表中取出速度參數(shù)送給定時器 ,即可實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。在一個實際的控制系統(tǒng)中 ,要根據(jù)負載的情況來選擇步進電機。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng) ,有了這些數(shù)據(jù) ,才能有效地對電機進行加減速控制。4.3 PLC控制系統(tǒng)的接地方法1. 由于PLC機柜和操作臺、配電柜等用電設(shè)備的金屬外殼及控制設(shè)備正常不帶電的金屬部分,由于各種原因(如腐蝕、絕緣破損等)而有可能帶危險電壓,所以應(yīng)該進行保護接地,低于36V供電的設(shè)備,無特殊要求可不做接地保護。2. PLC控制系統(tǒng)中的基準電位是各回路工作的參考電位,基準電位的連接線稱為系統(tǒng)地,通常是控制回路直流電源的零伏導線,系統(tǒng)接地的方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地方式。 3.為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)置的屏蔽接地端子應(yīng)做屏蔽接地。其中信號回路接地和屏蔽接地又通稱為工作接地。 一般以上接地方法的控制原則是:保護地和工作地不能混用,這是由于在每一段電源保護地線的兩點間會有數(shù)毫伏,甚至幾伏的電位差,這對低電平信號電路來說是一個非常嚴重的干擾。屏蔽地,當信號電路是單點接地時,低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)單點接地,如果電纜的屏蔽層接地點有一個以上時,將產(chǎn)生噪聲電流,形成噪聲干擾源。本系統(tǒng)采用的接地電阻都需要在規(guī)定的范圍內(nèi),對于PLC組成的控制系統(tǒng)一般應(yīng)小于4,而且要有足夠的機械強度,事前都需要進行防腐處理。PLC組成的控制系統(tǒng)進行單獨設(shè)置接地系統(tǒng),也可以利用現(xiàn)場條件進行- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
- 2.下載的文檔,不會出現(xiàn)我們的網(wǎng)址水印。
- 3、該文檔所得收入(下載+內(nèi)容+預覽)歸上傳者、原創(chuàng)作者;如果您是本文檔原作者,請點此認領(lǐng)!既往收益都歸您。
下載文檔到電腦,查找使用更方便
15 積分
下載 |
- 配套講稿:
如PPT文件的首頁顯示word圖標,表示該PPT已包含配套word講稿。雙擊word圖標可打開word文檔。
- 特殊限制:
部分文檔作品中含有的國旗、國徽等圖片,僅作為作品整體效果示例展示,禁止商用。設(shè)計者僅對作品中獨創(chuàng)性部分享有著作權(quán)。
- 關(guān) 鍵 詞:
- 基于 PLC 步進 電機 控制系統(tǒng) 設(shè)計
鏈接地址:http://www.szxfmmzy.com/p-10787494.html