步進(jìn)電機(jī)的西門子PLC控制

1、目 錄第1章 緒 論11.1 設(shè)計(jì)背景11.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)31.3 本章小結(jié)3第2章 步進(jìn)電機(jī)及PLC簡介42.1 步進(jìn)電機(jī)簡介42.2 PLC的發(fā)展概述82.3 PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用82.4 本章小結(jié)10第3章 PLC控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇113.1 常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式113.2 步進(jìn)電機(jī)控制原理123.3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法123.4 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路133.5 本章小結(jié)15第4章 S7300控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì)164.1 S7300的介紹164.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇204.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)214.4 PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)224.5 本章小結(jié)

2、23第5章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)245.1 STEP7概述245.2 STEP7項(xiàng)目的創(chuàng)建265.3 本設(shè)計(jì)相關(guān)指令介紹305.4 程序的編寫335.5 程序設(shè)計(jì)的說明355.6 STEP7的硬件組態(tài)355.7 運(yùn)用組態(tài)軟件監(jiān)視PLC系統(tǒng)405.8 本章小結(jié)41結(jié) 論42參考文獻(xiàn)43致 謝44附 錄45第1章 緒 論1.1 設(shè)計(jì)背景步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。可是在人類社會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿足工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，

3、發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中較有自己特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動(dòng)機(jī)以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機(jī)床、小功率機(jī)械加工機(jī)床、測量儀器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機(jī)械等。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程。現(xiàn)在，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。爪極電機(jī)價(jià)格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻

4、式主要作為高分辨率電動(dòng)機(jī)，由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制功率小，運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動(dòng)機(jī)，步距角1.8°0.9°（全步半步）； 還有五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，五相電動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已極少見1。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特別是日本東方公司，無論是電動(dòng)機(jī)性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量（含國外獨(dú)資公司）近2億臺(tái)，德國也是世界

5、上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)大國。德國B.L.公司1994年五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專利期滿后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系列，為定子6極轉(zhuǎn)子50齒結(jié)構(gòu)，配套電流型驅(qū)動(dòng)器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，還可以在此基礎(chǔ)上再10細(xì)分，分辨率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運(yùn)用了電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的功能，讓三相電動(dòng)機(jī)同時(shí)具有二相和五相電動(dòng)機(jī)的性能。與此同時(shí)，日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該公司阪正文博士研制了三種不同的永磁式三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，轉(zhuǎn)子則同永磁式環(huán)形

6、磁鐵相似）和爪極PM型。將三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較后得出： 1）在獲得小步距角方面，三相電動(dòng)機(jī)比二相電動(dòng)機(jī)要好。 2）三相電動(dòng)機(jī)的兩相勵(lì)磁最大保持力矩為3T1（T1為單相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩），而二相電動(dòng)機(jī)為 2T1，所以三相電動(dòng)機(jī)的合成力矩大。3）三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比二相電動(dòng)機(jī)要小。4）三相電動(dòng)機(jī)連續(xù)2步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動(dòng)機(jī)的要小。5）三相電動(dòng)機(jī)繞組可以星形連接，三個(gè)終端驅(qū)動(dòng)，勵(lì)磁電路晶體管6個(gè)； 而二相電動(dòng)機(jī)是8個(gè)。6）連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原因，磁通和電流的三次諧波被消除了，所以三相電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)力矩比二相電動(dòng)機(jī)的要小.結(jié)論是顯而易見的2。另外的結(jié)論是HB型電動(dòng)機(jī)更

7、適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途；RM型適用于平穩(wěn)運(yùn)行以及轉(zhuǎn)速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)和高轉(zhuǎn)速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩方面，三相PM型電動(dòng)機(jī)比兩相電動(dòng)機(jī)的性能要好。因此，當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而混合式電動(dòng)機(jī)又向以下四個(gè)方向發(fā)展：發(fā)展趨勢一， 隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來越小，在57、42機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機(jī)座號(hào)向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。發(fā)展趨勢之二，是改圓形電動(dòng)機(jī)為方形電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計(jì)得比圓

8、形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)，方形的力矩比圓形的將提高3040發(fā)展趨勢之三，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。發(fā)展趨勢之四，向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些。我國的情況有所不同，直到20世紀(jì)80年代，一直是磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是80年代后期才開始發(fā)展，至今

9、仍然是二種結(jié)構(gòu)類型同時(shí)并存。盡管新的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完全可能替代磁阻式電動(dòng)機(jī)，但磁阻式電動(dòng)機(jī)的整機(jī)獲得了長期應(yīng)用，對(duì)于它的技術(shù)也較為熟悉，特別是典型的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角（0.9°/1.8°）與典型的磁阻式電動(dòng)機(jī)的步距角（0.75°/1.5°）不一樣，用戶改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的，這就使得兩種機(jī)型并存的局面難以在較短時(shí)間內(nèi)改變。這種現(xiàn)狀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展是不利的。1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)

10、轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)，已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)行業(yè)的控制領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在的可編程控制器(通常稱PLC) 是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能，能充分適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，簡單易懂，操作方便，可靠性高，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。本設(shè)計(jì)是采用是S7300控制三相六拍的反應(yīng)步式步進(jìn)電機(jī)，通過軟件設(shè)計(jì)移位脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的慢速、中速、快速。移位寄存器指

11、令MW0的低八位按照三相六拍的步進(jìn)順序進(jìn)行賦值來控制步進(jìn)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。圍繞這兩個(gè)主要方面，可提出具體的控制要求如下:1）可正轉(zhuǎn)起動(dòng)或反轉(zhuǎn)起動(dòng)；2）運(yùn)行過程中，正反轉(zhuǎn)可隨時(shí)不停機(jī)切換；3）步進(jìn)速度可分為高速(0. 05 s) 、中速(0. 1s) 、低速(0. 5 s) 三檔，并可隨時(shí)手控變速；4）停止時(shí)，應(yīng)對(duì)移位寄存器清零，使每次起動(dòng)均從A 相開始。1.3 本章小結(jié)本章闡述了此次設(shè)計(jì)的背景，即步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，和步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的重大作用。提出了本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)，用PLC控制步進(jìn)電機(jī)以不同的方式運(yùn)行。第2章 步進(jìn)電機(jī)及PLC簡介2.1 步進(jìn)電機(jī)簡介步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換

12、成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于電動(dòng)機(jī)的工作原理和其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別，具有其它電動(dòng)機(jī)所沒有的特性。因此，沿著小型、高效、低價(jià)的方向發(fā)展。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由此而得名。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是在專用的脈沖電源供電下進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)子走過的步數(shù)，或者說轉(zhuǎn)子的角位移量，與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，只要改變輸入脈沖的順序，就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。這些特點(diǎn)使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別。因此， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的上述特點(diǎn)，使得由它和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工

13、作。因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷過一個(gè)大的發(fā)展階段3。2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的分類1）永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。2）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。3）混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相。兩相步進(jìn)角一般分為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。 定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對(duì)極上都繞有一對(duì)繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為A、B、C相。圖2-1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

14、在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng)A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對(duì)應(yīng)時(shí)，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯(cuò)開1/3齒距，C相則錯(cuò)開2/3齒距。如圖所示：圖2-2 A相通電定轉(zhuǎn)子錯(cuò)開示意圖電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)1.電機(jī)固有步距角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。2.步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目

15、前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。3.保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出

16、功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2Nm的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進(jìn)電機(jī)。 4.鉗制轉(zhuǎn)矩 鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有鉗制轉(zhuǎn)矩。 2.1.3 步進(jìn)電機(jī)主要特點(diǎn)1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)溫度過高時(shí)會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝

17、氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)有加速過程，即啟動(dòng)頻率

18、較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻4。 2.1.4 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理2.1.4.1 結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。0、1/3、2/3（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3，C與齒3向右錯(cuò)開2/3，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）如圖：圖2-3 定轉(zhuǎn)子的展開圖2.1.4.2 旋轉(zhuǎn)三相如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力，以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時(shí)齒3與C偏移為1

19、/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時(shí)齒4與A偏移為1/3對(duì)齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3，向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見，電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，所以本設(shè)

20、計(jì)采用三相六拍。這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)5。不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m，2/m(m-1)/m，1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。2.1.5 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的主要應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應(yīng)用在各種家電產(chǎn)品中，例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等。

21、另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。由于通過控制脈沖個(gè)數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不積累，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過控制頻率很方便的改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，達(dá)到任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中6。2.2 PLC的發(fā)展概述可編程控制器(簡稱 PLC) 是種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是在20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都

22、是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。PLC 自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。產(chǎn)生和發(fā)展過程現(xiàn)代社會(huì)要求生產(chǎn)廠家對(duì)市場的需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取而代之。PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同:1）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(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用

23、戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，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(chǔ)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(yùn)算的結(jié)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(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。2）存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用

24、戶程序存儲(chǔ)器7。2.3 PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來越小。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相

25、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些8。目前利用可編程序控制器（即PLC技術(shù)）可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。用PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能，現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制9。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指

26、令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向10。PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成，PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)10V級(jí)脈沖電壓、1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求11。有以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)

27、機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求12。如下圖所示：PLC步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)圖2-4 步進(jìn)電機(jī)的PLC直接控制2.4 本章小結(jié)本章闡述了步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)與工作原理，并介紹了PLC的發(fā)展?fàn)顩r以及PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中所發(fā)揮的巨大作用。第3章 PLC控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇3.1 常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式常

28、見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式有以下三種：1.三相單三拍：A-> B-> C-> A圖3-1 三相單三拍工作方式時(shí)序圖2.三相雙三拍：AB -> BC -> CA -> AB圖3-2 三相雙三拍工作方式時(shí)序圖3.三相六拍：A -> AB -> B -> BC -> C -> CA -> A圖3-3 三相六拍工作方式時(shí)序圖3.2 步進(jìn)電機(jī)控制原理 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序通電換向這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。 控

29、制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 3.3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法在本設(shè)計(jì)中直接使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，可使用PLC產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各種時(shí)序的脈沖。三相步進(jìn)電機(jī)可采用三種工作方式：三相單三拍，三相雙三拍，三相單六拍。這三種方式的主要區(qū)別是:電機(jī)繞組的通電、放電時(shí)間不同。工作方式是單三拍時(shí)通電時(shí)間最短，雙三拍時(shí)允許放電時(shí)間最短，六拍時(shí)通電時(shí)間和放電時(shí)間最

30、長。因此，同一脈沖頻率時(shí)，六拍的工作方式出力最大。而且，電機(jī)是三拍的工作方式時(shí)，其分辨率為3度，六拍的工作方式時(shí)，分辨率是1.5度。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性好，步進(jìn)電機(jī)分辨率最高?？筛鶕?jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式，以及所要求的頻率（步進(jìn)電機(jī)的速度），畫出A、B、C各相的時(shí)序圖。并使用PLC產(chǎn)生各種時(shí)序的脈沖。例如：本設(shè)計(jì)采用西門子S7-300PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程。圖3-4 三相單六拍正向時(shí)序圖3.4 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路3.4.1 步進(jìn)電機(jī)控制方式典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖所示：圖3-5 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一

31、種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的順序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長度，若

32、不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動(dòng)機(jī):從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通集成電路控制、單片機(jī)控制、工業(yè)控制機(jī)控制、可編程控制器控制等幾種；按照控制結(jié)構(gòu)可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu)(硬-硬結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-軟結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-硬結(jié)構(gòu))。1硬硬結(jié)構(gòu) 如圖3.6所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)器組成。這種控制驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行速度比較快，但是電路復(fù)

33、雜，功能單一。2軟軟結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過編程實(shí)現(xiàn)。用單片機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、普通個(gè)人計(jì)算機(jī)、可編程序控制器控制步進(jìn)電機(jī)一般均可采用這種結(jié)構(gòu)。這種控制驅(qū)動(dòng)方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，但是占用CPU時(shí)間多，給微處理器運(yùn)行其他工作造成困難。3軟硬結(jié)構(gòu)如圖3.8所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅(qū)動(dòng)器組成。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片(如8713芯片)來實(shí)現(xiàn)通電換相控制的。這種控制驅(qū)動(dòng)方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，

34、同時(shí)占用CPU時(shí)間較少，用可編程控制器全部實(shí)現(xiàn)了控制器和驅(qū)動(dòng)器的功能。在PLC中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制，并且由PLC輸出端口直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。如圖3.7所示，這是一種軟-軟結(jié)構(gòu)，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序?qū)崿F(xiàn)。圖3-6 硬硬結(jié)構(gòu)控制圖3-7 軟軟結(jié)構(gòu)控制圖3-8 軟硬結(jié)構(gòu)控制 西門子PLC控制步進(jìn)電機(jī)由以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一

35、是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。對(duì)輸入電機(jī)的相關(guān)脈沖控制，從而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。3.5 本章小結(jié)本章說明了三相步進(jìn)電機(jī)幾種常見的工作方式，即三相單三拍，三相雙三拍和三相六拍。闡述了步進(jìn)電機(jī)的控制原理，以及PLC控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的方法。第4章 S7300控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì)4.1

36、S7300的介紹PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。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(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，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(chǔ)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(yùn)算的結(jié)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(yīng)的輸出裝置，如此

37、循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。PLC常用的存儲(chǔ)器類型：1）RAM這是一種讀/寫存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。2）EPROM這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下，存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。3）EEPROM這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改?？臻g的分配：雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不相

38、同，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)2）系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備，如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲(chǔ)器。1）I/O映象區(qū)：由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，

39、在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位（bit），一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字（16個(gè)bit）。因此整個(gè)I/O映象區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開關(guān)量I/O映象區(qū)；模擬量I/O映象區(qū)。2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū) ：除了I/O映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)遺失。CPU3

40、13C集成有3個(gè)用于高速計(jì)數(shù)或高頻脈沖輸出的特殊通道，3個(gè)通道位于CPU313C集成數(shù)字量輸出點(diǎn)首位字節(jié)的最低三位，這三位通常情況下可以作為普通的數(shù)字量輸出點(diǎn)來使用。在需要高頻脈沖輸出時(shí)，可通過硬件設(shè)置定義這三位的屬性，將其作為高頻脈沖輸出通道來使用。作為普通數(shù)字量輸出點(diǎn)使用時(shí)，其系統(tǒng)默認(rèn)地址為Q124.0、Q124.1、Q124.2（該地址用戶可根據(jù)需要自行修改），作為高速脈沖輸出時(shí)，對(duì)應(yīng)的通道分別為0通道、1通道、2通道（通道號(hào)為固定值，用戶不能自行修改）。每一通道都可輸出最高頻率為2.5KHZ（周期為0.4ms）的高頻脈沖。CPU313C中，X2前接線端子22、23、24號(hào)接線端子分別對(duì)

41、應(yīng)通道0、通道1、和通道2。另外，每個(gè)通道都有自己的硬件控制門，0通道的硬件門對(duì)應(yīng)X2前接線端子的4號(hào)接線端子，對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)默認(rèn)地址為I124.2。1通道硬件門7號(hào)接線端子，對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)默認(rèn)地址為I124.5，而2號(hào)通道硬件門為12號(hào)接線端子，對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)默認(rèn)地址為I125.0。圖4-1 CPU313C的結(jié)構(gòu) 西門子 PLC 應(yīng)用中需要注意的問題1）溫度：PLC 要求環(huán)境溫度在 0 55 ，安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。2）濕度：為了保證 PLC 的絕緣性能，空氣的相對(duì)濕度應(yīng)小于 85%( 無露珠) 。3）震動(dòng)：應(yīng)使 PLC 遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動(dòng)源，防止振動(dòng)頻率為 1

42、0 Hz55Hz 的頻繁或連續(xù)振動(dòng)。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動(dòng)時(shí)，必須采取減震措施，如采用減震膠等。4）空氣：避免有腐蝕和易燃的氣體，如氯化氫、硫化氫等。對(duì)于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將 PLC 安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。5）電源：PLC 對(duì)于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中，可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。一般 PLC 都有直流 24 V輸出提供給輸入端，當(dāng)輸入端使用外接直流電源時(shí)，應(yīng)選用直流穩(wěn)壓電源。普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使 PLC 接收到錯(cuò)誤信息。 控制系統(tǒng)中干擾及其來源影響 P

43、LC 控制系統(tǒng)的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；磁場改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波，電磁波對(duì)其具有強(qiáng)烈的干擾。1）強(qiáng)電干擾。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，電網(wǎng)受到空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，刀開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備啟停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。2）柜內(nèi)干擾?？刂乒駜?nèi)的高壓電器，大的電感性負(fù)載，混亂的布線都容易對(duì) PLC 造成一定程度的干擾。3）來自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信

44、號(hào)，使 PLC 系統(tǒng)將無法正常工作。4）來自 PLC 系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。5）變頻器干擾。一是變頻器啟動(dòng)及運(yùn)行過程中產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備的正常工作。 主要抗干擾措施1）合理處理電源以抑制電網(wǎng)引入的干擾對(duì)于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的變比為 11 的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接 LC 濾波電路。2）合理安裝與布線動(dòng)力線

45、、控制線以及 PLC 的電源線和 RS485 網(wǎng)線應(yīng)分別配線，各走各的橋架或線槽。PLC 應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，柜內(nèi) PLC 應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力線( 二者之間距離應(yīng)大于 200 mm)，與 PLC 裝在同一個(gè)柜子內(nèi)的電感性負(fù)載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián) RC 消弧電路。PLC 的輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號(hào)的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地，接地電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的 1/10。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，避免并行。4.1.4 正確選擇接地點(diǎn)以完善接地系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保

46、護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對(duì) PLC 系統(tǒng)的干擾主要是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。1）安全地或電源接地：將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。2）系統(tǒng)接地：PLC 控制器為了與所控的各個(gè)設(shè)備同電位而接地，叫系統(tǒng)接地。接地電阻值不得大于 4 ，一般需將 PLC 設(shè)備系統(tǒng)地和控制柜內(nèi)開關(guān)電源負(fù)端接在一起，作為控制系統(tǒng)地。3）信號(hào)與屏蔽接地：一般要求信號(hào)線必須要有唯一的參考地。4.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)選用45BF008。相數(shù)是三相、步距角1.5/3度。電壓24V、相電流0.2A、保持轉(zhuǎn)距0.118NM(1.2kg.cm)、空載啟動(dòng)頻率500，

47、D為45； D1為25；高H為2.5； d為4；E為14.5；L為58； D2為33；MS為4-M3。圖4-2 45BF三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖圖4-3 45BF三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)尺寸4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路下圖為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。圖中僅為一相的驅(qū)動(dòng)電路，其余兩相與之相同。在圖中三極管 T1 起開關(guān)作用。當(dāng)三極管截止時(shí)，無集電極電流流通，開關(guān)相當(dāng)于斷開；當(dāng)三極管飽和時(shí)， 流過的集電極電流最大， 開關(guān)相當(dāng)于閉合，該開關(guān)“動(dòng)作”可由加于基極的電流來控制。由 T2、T3 兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓式功放電路， 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的 3個(gè)繞組，使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到近 2A。電路中使用光電耦合器

48、將控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離。當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，T1 截止，輸出高電平，則紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導(dǎo)通，因此繞組中無電流流過；當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，T1 飽和導(dǎo)通， 于是紅外發(fā)光二極管被點(diǎn)亮， 使光敏三極管導(dǎo)通，向功率驅(qū)動(dòng)級(jí)晶體管提供基極電流， 使其導(dǎo)通，繞組被通以電流。圖4-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路接口圖4-5 驅(qū)動(dòng)器接口4.4 PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)西門子PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是

49、使環(huán)形脈沖分配能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。如下圖所示：圖4-6 PLC直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)環(huán)形分配程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序進(jìn)行環(huán)形脈沖分配，從而控制接到步進(jìn)電機(jī)三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于步進(jìn)電機(jī)是電感性負(fù)載，直流電阻很小，故接限流電阻以免脈沖電流過大損壞，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序按 ：AABBBCCCAA導(dǎo)通斷開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。按AACCCBBBAA依次導(dǎo)通、斷開時(shí)，步進(jìn)電

50、機(jī)反轉(zhuǎn)，即步進(jìn)電機(jī)可以按三相六拍工作。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，當(dāng)步數(shù)減為零時(shí)，停止環(huán)形脈沖分配，等待下一次的脈沖輸入?？刂撇糠值亩ㄎ恢饕晌恢每刂撇糠峙c轉(zhuǎn)速控制部分組成，分別接PLC的I0.0-I0.7口。接線圖如下:圖4-7 定位控制部分圖4.5 本章小結(jié)本章闡述了此次設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)。簡單介紹了西門子S7-300系列PLC，以及S7-300系列PLC在使用中應(yīng)該注意的問題。設(shè)計(jì)了一個(gè)功率放大電路，并且說明了本次設(shè)計(jì)的硬件接線方法。第5章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1 STEP7概述STEP7編程軟件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WINAC，是供它們編程、

51、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。在STEP 7中，用項(xiàng)目來管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WINAC的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。 STEP 7的硬件接口PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計(jì)算機(jī)的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計(jì)算機(jī)一側(cè)的通信速率為19.2 KBIT/S或38.4 KBIT/S，PLC一側(cè)的通信速率為

52、19.2 KBIT/S1.5MBIT/S。除了PC適配器，還需要一根標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C通信電纜。使用計(jì)算機(jī)的通信卡CP 5611、CP 5511或CP 5512，可以將計(jì)算機(jī)連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC的通信。也可以使用計(jì)算機(jī)的工業(yè)以太網(wǎng)通信卡CP 1512或CP 1612，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC通信。在計(jì)算機(jī)上安裝好STEP7后，在管理器中執(zhí)行菜單命令“OPTION”“SETTING THE PG/PC INTERFACE” ，打開“INSTALL/REMOVE INTERFACES”對(duì)話框。在中間的選擇框中，選擇實(shí)際使用的硬件接口。點(diǎn)擊【SEL

53、ECT】按鈕，打開“INSTALL/REMOVE INTERFACES”對(duì)話框，可以安裝選擇框中沒有列出的硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序。點(diǎn)擊【PROPERTIES】按鈕，可以設(shè)置計(jì)算機(jī)與PLC通信的參數(shù)。 STEP 7的編程功能STEP 7的標(biāo)準(zhǔn)版只配置了3種基本的編程語言，梯形圖（LAD）、功能塊圖（FDB）和語句表（STL）、復(fù)制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節(jié)省輸入時(shí)間和存儲(chǔ)區(qū)域，并且“更接近硬件”。STEP 7專業(yè)版的編程語言包括S7-SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）、S7-GRAPH（順序功能圖語言）、S7 HIGRAPH和CFC，這四種語言對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)版是可選的。STEP 7用符號(hào)表編輯

54、器工具管理所有的全局變量，用于定義符號(hào)名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號(hào)表可供所有應(yīng)用程序使用，所有工具自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)參數(shù)的變化。測試功能和服務(wù)功能包括設(shè)置斷點(diǎn)、強(qiáng)制輸入和輸出、重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、直接下載和調(diào)試塊、同時(shí)監(jiān)測幾個(gè)塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點(diǎn)可以通過輸入符號(hào)名或地址快速查找。STEP 7的幫助功能：選定想要得到的在線幫助的菜單目錄，或打開對(duì)話框，按F1鍵便可得到與它們有關(guān)的在線幫助。執(zhí)行菜單命令“HELP”“CONTENTS”進(jìn)入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關(guān)鍵詞，可以查找與某一關(guān)鍵詞有關(guān)的

55、幫助。 STEP 7的硬件組態(tài)與診斷功能硬件組態(tài)工具用于對(duì)自動(dòng)化工程中使用的硬件進(jìn)行配置和參數(shù)設(shè)置。主要包括：1）系統(tǒng)組態(tài)：從目錄中選擇硬件機(jī)架，并將所選模塊分配給機(jī)架中希望的插槽。2）CPU的參數(shù)設(shè)置：可以設(shè)置CPU模塊的多種屬性，例如啟動(dòng)屬性、掃描監(jiān)視時(shí)間等，輸入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CPU的系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊中。3）模塊的參數(shù)設(shè)置：用戶可以在屏幕上定義所有硬件模塊的的可調(diào)整參數(shù)，包括功能模塊與通信處理器，不必通過DIP開關(guān)來設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置屏幕中，有的參數(shù)由系統(tǒng)提供若干個(gè)選項(xiàng)，有的參數(shù)只能在允許的范圍輸入，因此可以防止輸入錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。通信的組態(tài)包括：1）連接的組態(tài)和顯示。2）設(shè)置用MPI或PROFIBUS

56、-DP連接的設(shè)備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的參數(shù)，選擇通信的參與者，在表中輸入數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的地后，通信過程中數(shù)據(jù)的生成和傳送均是自動(dòng)完成的。3）設(shè)置用MPI、PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸，包括定義通信路。從集成塊庫中選擇通信模塊（CFB），用通用的編程語言（例如梯形圖）對(duì)所選的通信模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。STEP 7系統(tǒng)診斷：系統(tǒng)診斷為用戶提供自動(dòng)化系統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過2種方式顯示：1）快速瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶編寫的程序在運(yùn)行中的故障原因。2）用圖形方式顯示硬件配置，例如顯示模塊的一般信息和模塊的狀態(tài)：顯示模塊故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；顯示診斷緩沖區(qū)的信息等。5

57、.2 STEP7項(xiàng)目的創(chuàng)建在STEP 7中，用項(xiàng)目來管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，它可以方便的瀏覽SIMATIC S7、C7、和WINAC的數(shù)據(jù)。因此，掌握項(xiàng)目創(chuàng)建的方法就非常重要。5.2.1 使用向?qū)?chuàng)建項(xiàng)目首先雙擊桌面上的STEP 7圖標(biāo)，進(jìn)入SIMATIC MANAGER窗口，進(jìn)入主菜單【文件】，選擇【“新建項(xiàng)目”向?qū)А?，彈出?biāo)題為“新項(xiàng)目向?qū)А钡男〈翱凇?）點(diǎn)擊【下一步】按鈕，在新項(xiàng)目中選擇CPU模塊的型號(hào)為CPU 313C 。2）點(diǎn)擊【下一步】按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，選擇需要生成作為主程序的組織塊OB1，選擇編程語言為梯形圖

58、（LAD）。3）點(diǎn)擊【下一步】按鈕，輸入項(xiàng)目的名稱，按【完成】生成的項(xiàng)目。過程如圖5.1所示。 生成項(xiàng)目后，可以先組態(tài)硬件，然后生成軟件程序。也可以在沒有組態(tài)硬件的情況下，首先生成軟件。（a）打開“新建項(xiàng)目”向?qū)В╞）選擇CPU的型號(hào)（c）選擇塊的種類及語言種類（d）給項(xiàng)目命名（e）完成新項(xiàng)目的創(chuàng)建 圖5-1使用向?qū)?chuàng)建項(xiàng)目5.2.2 直接創(chuàng)建項(xiàng)目進(jìn)入主菜單【文件】 ，選擇【新建】，將出現(xiàn)如圖5.2的一個(gè)對(duì)話框，在該對(duì)話框中分別輸入“文件名” 、“目錄路徑”等內(nèi)容，并確定，完成一個(gè)空項(xiàng)目的創(chuàng)建工作。（a）輸入文件名與路徑（b）完成項(xiàng)目創(chuàng)建圖5-2 直接創(chuàng)建項(xiàng)目5.3 本設(shè)計(jì)相關(guān)指令介紹5.3.1 傳送指令MOVE圖5-3 MOVE指令符號(hào)MOVE（賦值指