【正文】 南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 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。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。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)及 PLC 簡介 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)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由此而得名。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)定可靠地工作。 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。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。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 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。/176。 /176。 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。 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。 3） 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨 轉(zhuǎn)速的升高而下降。 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)。 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? ， A39。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。而方向由導(dǎo)電順序決定。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]。 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。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 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。 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。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)。 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。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。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 [8]。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)。 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。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。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)?ABCD， 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。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。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)間最長。 可根據(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。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。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)。 2． 軟 —— 軟結(jié)構(gòu) 如圖 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)。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。 圖 36 硬硬結(jié)構(gòu)控制 圖 37 軟軟結(jié)構(gòu)控制 圖 38 軟硬結(jié)構(gòu)控制 三菱 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。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。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。 開發(fā)了 各個(gè)范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要 模擬 I/O，高速計(jì)數(shù)器。 4） 其它功能 ： 內(nèi)置式 24V 直流電源 24V、 400mA 直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件。小時(shí)表功能對(duì)過程跟蹤和機(jī)器維護(hù)提供了有價(jià)值的信息。 8） 在線程序編輯 ： 在線改變程序不會(huì)損失工作時(shí)間或停止生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 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 ) 。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。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。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。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)重的干擾信號(hào) ， 使 PLC 系統(tǒng)將無法正常工作。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。 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)。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。 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。 圖 42 45BF 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 實(shí)物圖 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 圖 43 45BF 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 尺寸 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 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。由 T 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。對(duì) PLC 提出兩個(gè)特性要求。如下圖所示： 圖 46 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)。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用說明 本驅(qū)動(dòng)器為 M415B 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，適合驅(qū)動(dòng)中小型的任何 相電流以下的兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。 3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)的設(shè)置 I/O 接線圖 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 本章小結(jié) 本章闡述了此次設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)。硬件電路用 三菱 PLC、放大電路和相關(guān)集成電路設(shè)計(jì) 而成。 通過設(shè)定不同延時(shí)計(jì)時(shí)器的數(shù)值，來改變步進(jìn)電機(jī)的工作頻率。在導(dǎo)師的指導(dǎo)和幫助下，我順利地完成了這 次設(shè)計(jì)任務(wù)，在此向張老師 致以最誠摯的感謝！雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了，但是，由于自己所學(xué)的知識(shí) 有限，在很多方面還不夠全面，我希望在以后的工作和專業(yè)發(fā)展中， 導(dǎo)師能繼續(xù)給以指導(dǎo)和幫助下學(xué)到更多有關(guān)的知識(shí)。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 參考文獻(xiàn) [1] FX1S1N2N2NC 編程手冊(cè) [2] 林春方 ． 可編程控制器原理及其應(yīng)用 [M]． 上海交通大學(xué)出版社 ， 2020:7796． [3] 常斗南 ． 可編程序控制器原理 ?應(yīng)用 ?實(shí)驗(yàn) [M]． 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 1998:1219． [4] 廖常初 ． PLC 基礎(chǔ)及應(yīng)用 [M]． 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2020:112127． [5] 史國生 ． 電氣控制與可編程控制器技術(shù) [M]． 化學(xué)工業(yè)出版社， 2020:3341． [6] 阮友德 ． 電氣控制與 PLC 實(shí)訓(xùn)教程 [M]． 人民郵電出版社， 2020:5782． [7]SX815L 機(jī)電一體化綜合實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備說明書 [8] 劉寶 廷 ． 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) [M]． 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1997:2637． [9] 王鴻枉 ． 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門 [M]． 同濟(jì)大學(xué)出版社， 1990:7