PLC控制三相步進電動機驅動控制系統(tǒng)的設計

步進機電驅動控制系統(tǒng)的設計圖2.2半閉環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖半閉環(huán)控制系統(tǒng)調試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性，無非精度不太高，較少使用。方案三：閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2.3閉環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)定位精度高，但調試和維修都較艱難，系統(tǒng)復雜，成本高。綜合三種方案，根據(jù)步進電動機的特點，從創(chuàng)造成本與系統(tǒng)結構復雜程度考慮，本設計采用方案一，在開環(huán)控制系統(tǒng)中，用PLC控制三相步進電動機.2.3步進機電的選擇現(xiàn)在比較常用的步進機電包括反應式步進電動機，永磁性步進電動機，混合式步進電動機和單相式步進電動機。永磁式步進電動機普通為兩相，轉矩和體積較小，步進角普通為7.5度或者15度；反應式步進電動機普通為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角普通為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電動機的轉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)生轉矩?；旌鲜讲竭M電動機是指混合了永磁式和反應式的特點。它又分為兩相和五相：兩相步進角普通為1.8度，而五相步進角普通為0.72度，這種步進電動機的應用也較為廣泛。由于本設計用PLC控制三相步進電動機，故選用36BF003型反應式步進電動作為控制對象，三相步進電動的步距角為.1.5/3。此機電有如下特點：.反應式步進機電的精度為步進角的3-5%,且不積累。.反應式步進機電外表允許的最高溫度在攝氏80-90度。.反應式步進機電的力矩會隨轉速的升高而下降.反應式步進機電低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。此外，步進機電有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進機電在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，機電不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或者堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使機電達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程,即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希翼的高頻（機電轉速從低速升到高速）4三相反應式步進機電工作原理反應式步進電動機轉子均勻分布著不少小齒，定子齒有三個勵磁繞組，其幾何軸線挨次分別與轉子錯開0,T&2T3（相鄰兩個轉子齒軸線間的距離為齒距，以t表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開%,C與齒3向右錯開2T3,a'（a'與A是同一電極）與齒5相對齊，圖3-1所示是反應式步進機電定轉子的展開圖。圖3-1反應式步進機電定轉子展開圖如果A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，轉子不受任何力；如果B相通電，A、C相不通電，則齒2應與B對齊，此時轉子向右挪移T/齒3與C偏移T/齒4與A偏移2T/；/3 /3 3如果C相通電，A、B相不通電，則齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過T3,齒4與a偏移Ty繼續(xù)進行下去，A相通電，B、C相不通電，則齒4與a對齊，轉子又向移過T3。這樣經(jīng)過A,B,C,A分別通電狀態(tài)，齒4移到A相，機電轉子向右轉過一個齒距。如果不斷地按A,B,C,A,……通電，機電就每步T3,向右旋轉。按A,C,B,A, 通電，機電就反轉。由此可見，機電的位置和速度由通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率決定，而方向由通電順序決定。無非，出于對力矩、平穩(wěn)、噪聲及減小角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種通電狀態(tài)，這樣將原來每步T/改變?yōu)門/。3 6因此本設計采用PLC控制三相六拍步進電動機，來實現(xiàn)機電的速度、正反轉、以及步數(shù)的控制。第三章硬件的設計3.1確定I/O點數(shù)PLC的輸入信號有9個，包括啟動開關、機電慢速、中快和快速控制按紐，正反轉控制開關，機電單步、10步和100步按紐開關，以及暫停開關。PLC的輸出信號有三個，即三個輸出繼電器。根據(jù)I/O端子的數(shù)量和種類，選擇FX2-32MRPLC機一臺。1.1畫系統(tǒng)框圖暫位方速啟控制面板驅動電機步進機暫位方速啟控制面板驅動電機步進機圖3-1PLC控制步進機電系統(tǒng)框圖控制面板上的位置按紐控制挪移的距離，速度按紐控制挪移的速度，方向按鈕控制挪移的方向，啟/停按紐控制機電的啟動和暫停。在控制面板上設定挪移距離、速度和方向等參數(shù)，PLC讀入這些設定值后，通過運算產(chǎn)生脈沖、方向信號，控制步進機電的驅動器，達到對距離、速度、方向控制的目的。1.2I/O分配表表3.1I/O分配表元件I/O號信號定義元件I/O號信號定義soxo啟動SBX5單步S1XI慢速S6X610步S2X2中速S7X7100步S3X3快速S8X8100000步S4X4正反轉S9X10暫停SARUN3.2繪制I/O端子接線圖+圖+圖3-2PLCI/O配置及接線圖3.3步進機電驅動電路PLC控制步進機電常用的形式有普通型通用PLC控制和PLC專用步進驅動模塊控制等兩種，模塊式控制方式具有控制可靠性高的優(yōu)點，而通用PLC控制步進驅動系統(tǒng)具有PLC系統(tǒng)構成簡單。工程造價低等優(yōu)點，易于推廣應用。圖5-3所示為步進機電的驅動電路。圖3-3步進機電驅動電路圖3-3中僅為一相的驅動電路。其余三相與之相同.在圖5-3中三極管T1起開關作用。當三極管截止時，無集電極電流流通，開關相當于斷開；當三極管飽和時，流過的集電極電流最大。開關相當于閉合，該開關“動作”可由加于基極的電流來控制。由T2、T3兩個三極管組成達林頓式功放電路，驅動步進機電的3個繞組.使機電繞組的靜態(tài)電流達到近2AO電路中使用光電耦合器將控制和驅動信號隔離。當控制輸入信號為低電平時，T1截止，輸出高電平，則紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導通.因此繞組中無電流流過；當輸入信號為高電平時，T1飽和導通，于是紅外發(fā)光二極管被點亮，使光敏三極管導通，向功率驅動級晶體管提供基極電流.使其導通，繞組被通以電流。第四章軟件的設計三相步進電動機轉速的控制，分慢速、中速和快速三擋，分別通過開關SI、S2和S3選擇；正、反轉控制由開關S4選擇；步數(shù)控制分單步、10步和100步三擋，分別通過按紐SB、開關S6和S7選擇。PLC控制步進機電控制方法實現(xiàn)轉速控制由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同周期T的控制脈沖，通過脈沖控制器的選擇，再通過三相六拍環(huán)形分配器使三個輸出繼電器Y0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，其接通順序為：TTTTTTTT該過程對應于三相步進電動機的通電順序是：?L匚匚wjLT選擇不同的脈沖同期T,可以獲得不同頻率的控制脈沖，從而實現(xiàn)對步進電動機的調速。正反轉控制步進機電的正反轉控制可通過改變步進機電各繞組的通電順序來改變其轉向，三相六拍步進機電通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A……時機電正轉；當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A……順序通電時機電反轉。因此，可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)形分配器的輸出順序，或者經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進機電繞組的通電順序實現(xiàn)。即通過正反轉驅動環(huán)節(jié)（調換相序），改變Y0、Y1和Y2接通的順序，以實現(xiàn)步進電動機的正反轉控制。正轉：反轉:1.3步數(shù)控制步進機電每輸入一個電脈沖就前進一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。因此可以根據(jù)步進機電的輸出位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)，即可實現(xiàn)對步進機電的步數(shù)控制。n=AL/d式中AL為步進機電的輸出位移量(mm),d為機構的脈沖當量(nrn/脈沖)。本設計通過脈沖計數(shù)器，控制六拍時序脈沖數(shù)，以實現(xiàn)對步進電動機步數(shù)的控制。4.2設計梯形圖PLC控制三相六拍步進機電的梯形圖如圖4-1所示TOofKl

(T3 )T3X00321—11——IFT426TI TOofKl

(T3 )T3X00321—11——IFT426TI Kl(T4 )K2(T2 )XOO1TO3。一|一pHIT3(M20 )T3 T1II——IIT4 T2II——IIMUHFK10

(TO)TOC\o"1-5"\h\zT1 K54T(T1 )T2 K2(T2 )X00512―||[PLSMil)X002T4JI-I、選擇慢速（接通S1）,接通啟動開關so,脈沖控制器產(chǎn)生同期為1s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右挪移，產(chǎn)生六拍時序脈沖，并通過三相六拍環(huán)形分配器使丫0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進機電開始慢速步進運行。2、選擇中速（接通S2）,接通啟動開關SO,脈沖控制器產(chǎn)生同期為0.5s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右挪移，產(chǎn)生六拍時序脈沖，并通過三相環(huán)形分配器使丫0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進機電開始中速步進運行。3、選擇快速（接通S3）,接通啟動開關S0,脈沖控制器產(chǎn)生同期為0.2s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右挪移，產(chǎn)生六拍時序脈沖，并通過三相環(huán)形分配器使丫0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進機電開始快速步進運行。4.2.2正反轉控制過程先接通正、反轉開關S4,再重復上述轉速控制操作。4.2.3步數(shù)控制過程選擇慢速（接通S1）,選擇10步（接通S6）,接通啟動開關S0,六拍時序脈沖及三拍六拍環(huán)形分配器開始工作，計數(shù)器開始計數(shù)。當走完預定步數(shù)時，計數(shù)器動作，其常閉觸點斷開移位驅動電路，六拍時序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉驅動環(huán)節(jié)住手工作，步進電動機停轉。選擇快速（接通S3）,選擇100步（接通S7）,接通啟動開關S0,目錄第一章 可編程控制器簡介PLC的結構及各部份的應用1 中央處理單元2 存儲器3 輸入輸出單元4 電源5 編程器1.2 PLC的工作原理1.2.1 輸入處理1.2.2 程序執(zhí)行1.2.3 輸出處理3 PLC編程圖語言3.1 梯形圖編程語言3.2 語句表編程語言3.3 控制系統(tǒng)流程圖編程圖第二章 步進機電的簡介步進機電2 三相步進機電的控制要求及方案設計2.3 步進機電的選擇4 三相反應式步進機電工作原理第三章 硬件的設計確定I/O點數(shù)畫系統(tǒng)框圖I/O分配表2 繪制I/O端接線圖3.3 步進機電驅動電路六拍時序脈沖及三拍六拍環(huán)形分配器開始工作，計數(shù)器開始計數(shù)。當走完預定步數(shù)時，計數(shù)器動作，其常閉觸點斷開移位驅動電路，六拍時序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉驅動環(huán)節(jié)住手工作，步進電動機停轉。3調試運行程序將圖4-1轉換成表4.1的程序，將該程序寫入PLC的RAM,并調試運行該程序。表4.1PLC控制三相步進電動機程序0LDITO65OUTM1001OUTTOK1066LDMl4LDIT167ORM25OUTT1K568ORM38LDTT269OUTM1019OUTT2K270LDM312LDX00571ORM413PLSMil72ORM515LDX00173OUTM10216ORX00374LDX00417ANIT475ANDM10018OUTT3KI76LDIX00421LDT377ANDM10122ANDX00378ORB23OUTT4KI79OUTY00026LDT480LDX00427OUTT2K281ANDM10130 LD X00182 LDI X00431 ORI T383 AND M10032 AND TO84 ORB33 LD T385 OUT Y00134 AND T186 LD M10235 ORB87 OUT Y00236 LD T488 LD X00637 AND T289 AND M2038 ORB90 OUT CO39 OR MilK1040 OUT M2093 LDI X00641 LD XOOO98 OUT Cl42 ANI MlK10043 ANI M2101LD X00744 ANI M3102RST Cl45 ANI M4104LD X01146 ANI M5105AND M2047 OUT MIO106OUT M3048 LD M20107LD M3049 ANI X010108 OUT C250 ANI COK50051ANI Cl111LD C252ANIC3112RSTC253SFTRMIOMO114LDC2K6K1115ANDM2062LDM5116OUT C363ORMOK20064ORMl119LDIX011120RSTC3122END第五章結束語我在這一次步進機電驅動控制系統(tǒng)的設計過程中，很是受益匪淺。通過對自己在大學三年時間里所學的知識的回顧，并充分發(fā)揮對所學知識的理解和對畢業(yè)設計的思量及書面表達能力，最終完成為了。這為自己今后進一步深化學習，積累了一定珍貴的經(jīng)驗。撰寫論文的過程也是專業(yè)知識的學習過程，它使我運用已有的專業(yè)基礎知識，對其進行設計，分析和解決一個理論問題或者實際問題，把知識轉化為能力的實際訓練。培養(yǎng)了我運用所學知識解決實際問題的能力。通過這次課程設計我發(fā)現(xiàn)，惟獨理論水平提高了；才干夠將課本知識與實踐相整合，理論知識服務于教學實踐，以增強自己的動手能力。這個實驗十分故意義我獲得很深刻的經(jīng)驗。通過這次課程設計，我們知道了理論和實際的距離，也知道了理論和實際想結合的重要性，，也從中得知了不少書本上無法得知的知識。我們的學習非但要立足于書本，以解決理論和實際教學中的實際問題為目的，還要以實踐相結合，理論問題即實踐課題，解決問題即課程研究，學生自己就是一個專家，通過自己的手來解決問題比用腦子解決問題更加深刻。學習就應該采取理論與實踐結合的方式，理論的問題，也就是實踐性的課題。這種做法既有助于完成理論知識的鞏固，又有助于帶動實踐，解決實際問題，加強我們的動手能力和解決問題的能力。第六章 參考文獻[1]吳麗主編 《電氣控制與PLC實用教程》 關口州：黃河水利出版社，2005.2[2]高欽和編著《可編程控制器應用技術與設計實例》北京人民郵電出版社，2004,7[3]www.zlgmcu.com[4]《電氣繪圖規(guī)范手冊》www.gongkong.comwww?kingview.com[7]高明遠《Proteldxp基礎與應用》科學出版社，2022[8]李道霖主編《電氣控制與PLC原理及應用》電子工業(yè)出版社第七章致謝首先衷心地感謝我的導師高明遠高老師，在高老師的悉心指導和建議給了我極大的匡助和支持，使我受益匪淺。本論文設計期間，高老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導和一些富于創(chuàng)造性的建議，高老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度使我深受感動，沒有這樣的幫助和關心和熏陶，我不會這么順利的完成畢業(yè)設計。在此向高老師表示深深的感謝和崇高的敬意！在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機會向在這三年中賦予我諸多教誨和匡助的各位老師表示由衷的謝意，感謝他們多年來的辛勤栽培。不積度步何以至千里，各位任課老師認真負責,在他們的悉心匡助和支持下，我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)論文。同時，在設計論文寫作過程中，我還要感謝同組的各位同學以及我的各位室友，在畢業(yè)設計的這段時間里，你們給了我不少的啟示，提出了不少珍貴的意見，對于你們匡助和支持，致以忠誠的感謝。第四章 軟件的設計PLC控制步進機電控制方法實現(xiàn)轉速控制2 正反轉控制步數(shù)控制4.2 設計梯形圖4.2.1 轉速控制過程4.2.2 正反轉控制過程4.2.3 步數(shù)控制過程4.3 調試運行程序第五章 結束語第六章 參考文獻第七章致謝第一章可編程控制器簡介可編程控制器是60年代末在美國首先浮現(xiàn)，當時叫可編程邏輯控制器PLC(ProgrammableLogicController),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的基本設計思想是把計算機功能完善、靈便、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)點結合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據(jù)實際應用對象，將控制內容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內?？刂破骱捅豢貙ο筮B接方便。隨著半導體技術，特別是微處理器和微型計算機技術的發(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已再也不是邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID調節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能?？删幊炭刂破魇且环N數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和摹擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或者生產(chǎn)過程。PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈便性差的缺點，充分利用微處理器的優(yōu)點?？删幊炭刂破鲗τ脩魜碚f，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設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，從創(chuàng)造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在創(chuàng)造階段不需要根據(jù)用戶的定貨要求專門設計控制器，適合批量生產(chǎn)。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，得到了廣泛的應用。1.1PLC的結構及各部份的作用可編程控制器的結構多種多樣，但其組成的普通原理基本相同，都是以微處理器為核心的結構。通常由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源和編程器等幾個部份組成。1.1.1中央處理單元（CPU）CPU作為整個PLC的核心，起著總指揮的作用。CPU普通由控制電路、運算器和寄存器組成。這些電路通常都被封裝在一個集成電路的芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路連接。CPU的功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執(zhí)行指令，取下一條指令，處理中斷。1.1.2存儲器（RAM、ROM）存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器;存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器；存放工作數(shù)據(jù)的存儲器稱為數(shù)據(jù)存儲器。常用的存儲器有RAM、EPROM和EEPROMoRAM是一種可進行讀寫操作的隨機存儲器存放用戶程序，生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)，存放在RAM中的用戶程序可方便地修改。RAM存儲器是一種高密度、低功耗、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池做備用電源。掉電時，可有效地保持存儲的信息。EPROM、EEPROM都是只讀存儲器。用這些類型存儲器固化系統(tǒng)管理程序和應用程序。輸入輸出單元（I/O單元）I/O單元實際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件。I/O單元有良好的電隔離和濾波作用。接到PLC輸入接口的輸入器件是各種開關、按鈕、傳感器等。PLC的各輸出控制器件往往是電磁閥、接觸器、繼電器，而繼電器有交流和直流型，高電壓型和低電壓型，電壓型和電流型。1.1.4電源PLC電源單元包括系統(tǒng)的電源及備用電池，電源單元的作用是把外部電源轉換成內部工作電壓。PLC內有一個穩(wěn)壓電源用于對PLC的CPU單元和I/O單元供電。1.1.5編程器編程器是PLC的最重要外圍設備。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。除此以外，在個人計算機上添加適當?shù)挠布涌诤蛙浖?，即可用個人計算機對PLC編程。利用微機作為編程器，可以直接編制并顯示梯形圖。1.2PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為內部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當PLC處于停狀態(tài)時，只進行內部處理和通信操作服務等內容。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，向來循環(huán)掃描工作。1.2.1輸入處理輸入處理也叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通端狀態(tài)，并將讀入的信息存入內存中所對應的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時，輸入映象寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內容也不會發(fā)生變化，惟獨在下一個掃描周期的輸入處理階段才干被讀入信息。1.2.2程序執(zhí)行根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。遇到程序跳轉指令，根據(jù)跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映象寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應映象寄存器，根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，存入有關器件寄存器中。對每一個器件來說，器件映象寄存器中所寄存的內容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。1.2.3輸出處理程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。1.3PLC編程語言1.3.1梯形圖編程語言梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，它是在電器控制系統(tǒng)中常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎上簡化了符號演變來的，形象、直觀、實用。梯形圖的設計應注意以下三點：(1)梯形圖按