【正文】 出編址 ....................................... 15 狀態(tài)真值表 ......................................... 16 步進電機的 I／ O 分配 ................................ 17 梯形圖程序 ......................................... 22 三相六拍步進電機控制語句表 .......................... 16 第五章．論文總結(jié)及展望 .................................... 25 論文總結(jié) .......................................... 25 工作展望 .......................................... 25 致謝 ...................................................... 27 參考文獻 .................................................. 26 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設(shè)計 1 第一章 緒 論 目前對于對步進電機的控制存在精度和價格方面的矛盾。因為高精度的實時演算需要較高性能的 DSP芯片，成本較高。因此現(xiàn)在的控制方法是采用大量的硬件電路。這種控制方法的精度不但較低，且成本較高。國內(nèi)為了省錢就大多數(shù)使用相對省資源的查表法，但是對于速度變化范圍很大的控制來說，在低速時會由于表本身的精度原因造成穩(wěn)定性變差，噪聲變大的問題。 這僅僅是低速時的細分問題。轉(zhuǎn)速越低，對它控制時的細分就越嚴格。此外還有扭矩的問題，當轉(zhuǎn)動 過慢時，即使細分也無法達到應有的扭矩，這都是控制時遇到的問題。簡單的說，目前普遍存在于步進電機控制中的問題就是低速運轉(zhuǎn)和低速啟動的問題。 當今是科學技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會，電子技術(shù)的進步，給現(xiàn)代工業(yè)帶來了質(zhì)的提升?，F(xiàn)代電子領(lǐng)域中， PLC 的應用正在不斷的走向深入，這必將導致傳統(tǒng)控制的日益革新。 PLC 的控制具有高可靠性、高性價比。比如在機械手、液體混合罐、液壓、氣壓等方面都得到了廣泛的應用。 PLC 在工業(yè)方面的應用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。 利用 PLC 采用程序設(shè)計方法來對步 進電機進行控制，具有線路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，而且可以通過控制按鈕實現(xiàn)對步進電機的正反轉(zhuǎn)和步進電機轉(zhuǎn)速的控制，用途廣泛等優(yōu)點。 PLC 控制步進電機發(fā)展的趨勢 時至今日，軟件以及電子設(shè)備等相關(guān)技術(shù)都有了長足發(fā)展。雖然軟件的發(fā)展速度比不上硬件的發(fā)展速度那么迅速，但已能滿足現(xiàn)在的工業(yè)需求。對步進電機的傳統(tǒng)控制通常完全由硬件電路搭接而成。隨著 PLC 的普及，現(xiàn)在已普遍采用硬件與軟件相結(jié)合的方式對其進行控制，這種控制方法有很多優(yōu)點，比如：可以實現(xiàn)高精度的控制，降低成本，降低控制難度，簡化控制電路等。今后 步進電機的總體發(fā)展趨勢是向著低功耗、高頻率精度、多功能、高度自動化和智能化的方向發(fā)展。 本設(shè)計的目的及控制要求 本設(shè)計的主要研究內(nèi)容是以西門子 S7200 系列 PLC（可編程邏輯控制器）為核心控制步進電機，及其相關(guān)外圍電路組成的控制電路設(shè)計?？梢酝ㄟ^對幾個開關(guān)按鈕的控制來實現(xiàn)對步進電機的方向，以及對高、中、低速的控制。比如用兩個開關(guān)分別控制電機正反轉(zhuǎn)，兩個開關(guān)分別控制電機啟動和停止，三個開關(guān)分別控制電機的高中低轉(zhuǎn)速，使得步進電機的控制更加簡便。甚至還可以利用更少的開關(guān)來控制，但為了使得本設(shè)計更加直觀 和易讀，故采用七個控制開關(guān)。此外，本設(shè)計更加便于實現(xiàn)對步進電機的自動化控制如圖 11所示： 2 （ 1）三相步進電動機有三個繞組 : A、 B、 C 正轉(zhuǎn)通電順序為： A→ AB→ B→ BC→ C→ CA 反轉(zhuǎn)通電順序為： A→ CA→ C→ BC→ B→ AB （ 2）用 5 個開關(guān)控制其工作 開關(guān)控制其運行 ( 啟 / 停 )。 號開關(guān)控制其低速運行 (轉(zhuǎn)過一個步距角需 s)。 號開關(guān)控制其高速運行 (轉(zhuǎn)過一個步距角需 s)。 號開關(guān)控制其轉(zhuǎn)向 ( ON 為正轉(zhuǎn)， OFF 為反轉(zhuǎn) )。 為 A 相輸出 為 B 相輸出 為 C 相輸出 圖 11步進電機的自動化控制 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設(shè)計 3 第二章 PLC控制系統(tǒng) PLC的定義 可編程序控制器，英文稱 Programmable Controller，簡稱 PC。但由于 PC 容易和個人計算機（ Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤晳T地用 PLC 作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理 器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時 /計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，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)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是 PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以 繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的 PLC 后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將 PLC 應用于生產(chǎn)實踐 [1]。 PLC 即可編程控制器（ Programmable logic Controller，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的 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(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。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)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則而設(shè)計。” PLC 的組成 PLC 的構(gòu)成： PLC 的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機、輸入 /輸出接口、電源擴展器接口和外部設(shè)備接口等幾個主要部分組成。 PLC 的硬件 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 4 圖 21PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 ① CPU 的構(gòu)成 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC 至少有一個 CPU，它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。 CPU 主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān) 電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC 不可缺少的組成單元。 在使用者看來，不必要詳細分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度， IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 ② I/O 模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 模塊集成了 PLC 的I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 I/O 分為開關(guān)量輸入（ DI），開關(guān)量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊 [12]。 常用的 I/O分類如下： 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設(shè)計 5 開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（ 420mA,020mA）、電 壓（ 010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按 I/O 點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 ③ 電源模塊 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。 ④ 底板或機架 大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體 [2]。 PLC 的工作原理 當 PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 (一 ) 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(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則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。 (二 ) 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(gòu)成的控制線路，并按先左后右 、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)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(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)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(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 (三 ) 輸出刷新階段 6 當掃描用戶程序結(jié)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(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設(shè)。 這時，才是 PLC的真正輸出。 PLC 的特點 ⑴ 可靠性高，抗干擾能力強 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(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。 ⑵ 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?？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(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