課程設(shè)計三相六拍步進電機plc控制系統(tǒng)[教資學習]

1、學號2014216444電氣控制與可編程控制技術(shù)課 程 設(shè) 計（2014級本科）題 目： 三相六拍步進電機PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計系（部）院： 物理與機電工學院 專 業(yè)： 能源與動力工程 作者姓名： 周正峰 指導教師： 單樂 職稱： 助教 完成日期： 2 0 1 7 年 7 月 13 日目錄目錄2摘要3第一章 可編程程序控制器（PLC）41.1 PLC的定義41.2 PLC的特點5 1.3 步進電機的特點 5 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計72.1三相六拍步進電機的控制要求72.2方案原理分析7第三章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計83.1輸入輸出編址83.2選擇PLC的類型83.3 PLC外部接線圖93.4控制流程

2、圖：93.5梯形圖程序設(shè)計103.6語句表143.7 主電路圖163.8元件布置圖163.9程序的運行及調(diào)試17總結(jié)19參考文獻20教資c類摘要 步進電機就是一種控制精度極高的電機，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。步進電機具有快速啟停、精確步進和定位等特點，所以常用作工業(yè)過程控制機及儀表儀器的控制原件。基于PLC控制的步進電機具有設(shè)計簡單，實現(xiàn)方便，參數(shù)設(shè)計置靈活等優(yōu)點。矩角不易丟失 。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數(shù)來實現(xiàn)。本文主要介紹采用可編程控制器（PLC）對五相十拍步進電機進行控制的設(shè)計原理及方法進行分析。本文詳細的介紹了PLC控制步進電機系統(tǒng)的原理，及硬件和軟件的設(shè)計方法。其內(nèi)容主

3、要包括I/O分配表、PLC外部接線圖、控制流程圖、主電路圖、梯形圖、原件清單及語句表。本文設(shè)計過程中使用了十六移位寄存器，大大簡化了程序的設(shè)計，使程序更簡湊，方便了設(shè)計。關(guān)鍵詞: PLC；梯形圖；三相六拍步進電機第一章 可編程程序控制器（PLC）1.1 PLC的定義可編程控制器（Programmable Controller）簡稱PC，但個人計算機（Personal Computer）也簡稱PC，為了區(qū)別，人們?nèi)粤晳T稱可編程控制器為PLC（Programmable Logical Controller）。國際電工委員會（International Electrical Committee）于1

4、987年頒布了可編程控制器的標準及其定義：“可編程控制器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)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(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。”可編程控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)，當時叫可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。PLC的基本設(shè)計思想

5、是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據(jù)實際應(yīng)用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi)?？刂破骱捅豢貙ο筮B接方便。隨著半導體技術(shù)，尤其是微處理器和微型計算機技術(shù)的發(fā)展，到70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的PLC已不再是邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。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)部存儲執(zhí)行邏

6、輯運算，順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機械觸點的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用微處理器的優(yōu)點?？删幊炭刂破鲗τ脩魜碚f，是一種無觸點設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計階段選用可編程控制器，在實施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據(jù)用戶的訂貨要求專門設(shè)計控制器，適合批量生產(chǎn)。特別是它的高可靠性和較強的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，受到用戶的青昧，因而在冶金、化工

7、、交通、電力等諸多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，與機器人、CAD/CAM一起，被稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱?？删幊炭刂破髡蔀楣I(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用。由于這些特點，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 PLC的特點PLC作為一種專用于工業(yè)環(huán)境的、具有特殊結(jié)構(gòu)的計算機，有其顯著的特點。1) 可靠性高，抗干擾能力強傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少

8、量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/101/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。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)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

9、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) 硬件配套齊全，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，并且已經(jīng)標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(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

10、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) 易學易用，深受工程技術(shù)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(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) 安裝方便，擴展靈活PLC采用標準的整體式和模塊式硬件結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝簡便，接線簡單，工作量相對較小

11、；而且能根據(jù)應(yīng)用的要求擴展輸入輸出模塊或插件，系統(tǒng)集成方便靈活。各種控制功能通過軟件編程完成，因而能適應(yīng)各種復(fù)雜情況下的控制系統(tǒng)，也便于控制系統(tǒng)的改進和修正，特別適應(yīng)各種工藝流程變更較多的場合。5) 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小，維護方便，容易改造PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。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

12、產(chǎn)場合。6) 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，僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/21/10。它的重量小于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。步進電機作為執(zhí)行元件，是電氣自動化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領(lǐng)域。步進電機具有快速起停、精確步進核定位等特點，所以現(xiàn)場用作工業(yè)過程控制機儀器儀表的控制元件。目前，比較典型的控制方法是用單片機產(chǎn)生脈沖序列來控制步進電機。但采用單片機控制，不僅要復(fù)雜的控制程序和I/O接口電路，實現(xiàn)比較麻煩?；赑LC控制的步

13、進電機具有設(shè)計簡單實現(xiàn)方便，參數(shù)設(shè)計置靈活等優(yōu)點。步進電機廣泛應(yīng)用于對精度要求較高的的運動控制系統(tǒng)中，如機器人、打印機、軟件驅(qū)動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。矩角特性好，步進電機啟動轉(zhuǎn)矩較大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數(shù)來實現(xiàn)。1.3 步進電機的特點三相六拍步進電機是一典型單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服電機。其結(jié)構(gòu)原理圖它與普通電機一樣,分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分,其中定子又分為定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯由電工鋼片疊壓而成。定子繞組繞制在定子鐵芯上,六個均勻分布齒上的線圈,在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起,構(gòu)成一相控制繞組。三相步進電機可構(gòu)成三相控制繞組,若任一

14、相繞組通電,便形成一組定子磁極。在定子的每個磁極上,即定子鐵芯上的每個齒上開了五個小齒,齒槽等寬,齒間夾角為9,轉(zhuǎn)子上沒有繞組,只有均勻分布的個40小齒,齒槽也是等寬的,齒間夾角也是,與磁極上的小齒一致。此外,三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開13齒距,。當A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊時,B相磁極上的齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子齒輪13齒距角,C相磁極齒超前或滯后轉(zhuǎn)子齒23齒距角。三相六拍步進電機的工作原理；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3,如果控制線路不停地按ABCA的循環(huán)順序控制步

15、進電機繞組的通電、斷電,步進電機的轉(zhuǎn)子便不停地順時針轉(zhuǎn)動,這是三相三拍。而當AB同時通電時,由于兩個滋力的作用,定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1.5，原理與三相三拍相同,從而形成三相六拍,其通電順序為：AAB BBCCCAA或AACCCBBBAA第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 2.1三相六拍步進電機的控制要求1. 三相六拍步進電機有三個繞組：A、B、C 正轉(zhuǎn)通電順序：AABBBCCCA 反轉(zhuǎn)通電順序：ACACBCBAB2.用五個開關(guān)控制其工作： # 1號開關(guān)控制器運行（啟/停） # 2號開關(guān)控制其低速運行（轉(zhuǎn)過一個步矩角需要0.5秒） #3號開關(guān)控制其中速運行（轉(zhuǎn)過一個步矩角需要0.1秒）

16、#4號開關(guān)控制器高速運行（轉(zhuǎn)過一個步矩角需要0.03秒） #5號開關(guān)控制其轉(zhuǎn)向（ON為正轉(zhuǎn)，OFF為反轉(zhuǎn)）2.2方案原理分析 2.2.1功能要求對三相六拍步進電機的控制，主要分為兩個方面：三相繞組的接通與斷開順序控制。正轉(zhuǎn)通電順序為AABBBCCCA，反轉(zhuǎn)通電順序為ACACBCBAB以及每個步矩角的行進速度。圍繞這兩個方面，可提出具體的控制要求如下： （1）可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)； （2）運行過程中正反轉(zhuǎn)可隨時不停機切換； （3）步進三種速度可分為高速（0.03秒）中速（0.1秒）低速（0.5秒）三檔，并可手控變速； 2.2.2性能要求：在實現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用程序應(yīng)盡量簡潔、緊湊。另一方面，同一控

17、制對象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求和控制時序會發(fā)生變化，此時要求程序修改方便、簡單，既要求程序具有較好的柔性。第三章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計3.1輸入輸出編址 控制步進電機的輸入開關(guān)及控制A、B、C三相繞組的輸出端在PLC中的I/O編址如表一所示。表1 I/O地址分配表輸入點輸出點元件名稱符號地址編碼元件名稱符號地址編碼啟停開關(guān)QS1I0.0A相繞組AQ0.00.5s低速運行開關(guān)QS2I0.1B相繞組BQ0.10.1s中速運行開關(guān)QS3I0.2C相繞組CQ0.20.03s高速運行開關(guān)QS4I0.3正反轉(zhuǎn)向控制開關(guān)QS5I0.43.2選擇PLC的類型根據(jù)上圖的I/O分配表通過查閱手冊選擇S7-2

18、00 CPU222基本單元（8入6出）1臺。3.3 PLC外部接線圖PLC的外部接線圖的輸入輸出設(shè)備、負載電源的類型等的設(shè)計就結(jié)合控制要求來設(shè)定。步進電機采用三相六拍，控制外部接線圖如圖3-1所示。AC220V 圖3-1步進電機采用三相六拍外部接線圖3.4控制流程圖： 由于上述具體控制要求，可做出步進電機在運行時的控制框圖，如圖3-2所示。以工作框圖為基本依據(jù)，結(jié)合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖分為四個模塊進行編程，模塊1：步進速度選擇；模塊2：起動、停止；模塊3：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；模塊4：移位控制功能模塊；模塊5：A、B、C三相繞組對象控制。然后將個模塊進行連接，最后經(jīng)過調(diào)試、完善、實現(xiàn)控制要

19、求開始首次選擇步進速度啟停正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)位移寄存器賦初值低速高速中速發(fā)出位移脈沖執(zhí)行位移位移輸出控制電機步進六拍計數(shù)N Y 圖3-2 控制流程圖3.5梯形圖程序設(shè)計3.5.1步進控制設(shè)計采用移位指令進行步進控制。首先制定移位寄存器MW0，按照三相六拍的步進順序，移位寄存器的初值見表2。表2 移位寄存器的初值M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1100000每右移一位，電機前進一個步矩角（一拍），完成六拍后重新賦初值。據(jù)此，可做出移位寄存器輸出狀態(tài)機步進電機正反轉(zhuǎn)繞組的狀態(tài)真值表，如圖3.1所示。從而得出三相繞組的控制邏輯關(guān)系式：正轉(zhuǎn)時：A相：Q0.0= M0.6+M0.5+M0.1B相：

20、Q0.1= M0.5+M0.4+M0.3C相：Q0.2= M0.3+M0.2+M0.1反轉(zhuǎn)時：A相：Q0.0= M0.6+M0.5+M0.1B相：Q0.1= M0.3+M0.2+M0.1C相：Q0.2=M0.5+M0.4+M0.3表3.1移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表（正反轉(zhuǎn)）移位寄存器正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)SM0.6SM0.5SM0.4SM0.3SM0.2SM0.1ABCABC0000000000001000001001000100001101010010000101010001000110110000100010100000011011103.5.2 梯形圖設(shè)計： 啟停使用單開關(guān)控制。梯形圖

21、設(shè)計如下，首先，按SB2（SB3或SB4）初次選擇一種步進速度，三相步進電動機的速度有定時器T33控制，把三個值50、10、3分別送入到VW100可得到低速、中速、高速三種速度。在按下開關(guān)QS1，M1.0得電，移位寄存器賦初值，電動機開始轉(zhuǎn)動，且定時器開始計時，到設(shè)定值時，T33得電動作，移位寄存器值右移一位，C21計數(shù)一次，然后T33重新計時。計數(shù)六次后吃C21動作使移位寄存器重新賦初值，依次循環(huán)。QS5控制正反轉(zhuǎn)，ON時I0.4得電三相步進電機正轉(zhuǎn)，OFF時，I0.4失電三相步進電機為反轉(zhuǎn)，再按一下QS1，C20動作，M1.0失電，C21復(fù)位電機停止轉(zhuǎn)動。程序如下：梯形圖 3.6語句表Ne

22、twork 1 / Network Title定義啟停開關(guān)，M1.0起自鎖 LD I0.0O M1.0AN C20= M1.0Network 2 LD I0.0LD C20CTU C20, 2Network 3 低速運行LD I0.1EUAN I0.2AN I0.3MOVW 50, VW100Network 4 中速運行LD I0.2EUAN I0.1AN I0.3MOVW 10, VW100Network 5 高速運行LD I0.3EUAN I0.1AN I0.3MOVW 3, VW100Network 6 移位寄存器賦值LD M1.0EUMOVW 2#100000, MW0Network

23、7 計時步進電機速度的調(diào)節(jié)LD M1.0AN M3.0TON T33, VW100Network 8 LD T33= M3.0Network 9 定時移位LD T33SLW MW0, 1Network 10 計數(shù)六拍后重新賦值LD M3.0LD C21O C20CTU C21, 6Network 11 Q0.0控制A相輸出LD M0.6O M0.5O M0.1A M1.0= Q0.0Network 12 Q0.1控制B相輸出LD M0.5O M0.4O M0.3A I0.4LD M0.3O M0.2O M0.1AN I0.4OLDA M1.0= Q0.1Network 13 Q0.2控制C相輸出LD M0.3O M0.2ON M0.1A I0.4LD M0.5O M0.4O M0.3AN I0.4OLDA M1.0= Q0.2END3.7 主電路圖3.8元件布置圖3.9程序的運行及調(diào)試1、啟動S7-200模擬軟件，配置CPU型號為222，如下圖所示：圖 3.9.1 運行12、載入程序，啟動軟件，打開監(jiān)控，如下圖所示：圖 3.9.2 運行23、低速反轉(zhuǎn)運行正常，如下圖所示：圖 3.9.3 運行33、中速反轉(zhuǎn)運行正常，如下圖所示：圖 3.9.4 運行44、高速正轉(zhuǎn)運行正常，如下圖