【正文】 計(jì) 總體方案確定 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 整個(gè)系統(tǒng)由電源、 plc、鍵盤輸入、數(shù)字顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、 步進(jìn)電機(jī) 以及傳感器 組成。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數(shù)控裝置，這種裝置功能十分完善，但其價(jià)格卻很昂貴，而且許多功能對(duì)點(diǎn)位控制來(lái)說(shuō)是多余的；二是采用單板機(jī)或單片機(jī) 控制，這種方法除了要進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)外，還要設(shè)計(jì)硬件電路、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的抗干擾問(wèn)題。本課題采用 PLC控制的點(diǎn)位控制技術(shù)方案。 XY工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。 考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。為了使各位初學(xué)者更方便地了解 PLC，本文對(duì) PLC的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等基本知識(shí)作一簡(jiǎn)介，以期對(duì)各位網(wǎng)友有所幫助。 個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱 PC）發(fā)展起來(lái)后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC），現(xiàn)在，仍常常將 PLC 簡(jiǎn)稱 PC。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 PLC在工業(yè) 自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，是無(wú)法取代的 。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： * 極高的可靠性 * 極豐富的指令集 * 易于掌握 * 便捷的操作 * 豐富的內(nèi)置集成功能 * 實(shí)時(shí)特性 * 強(qiáng)勁的通訊能力 * 豐富的擴(kuò)展模塊 S7200 系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。 S7200 系列 PLC 可 提供 4個(gè)不同的基本型號(hào)的 8種 CPU 供您使用。 本機(jī)集成 24輸入 /16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。 2個(gè) RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議 、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 S7200 系列 PLC 是西門子公司的產(chǎn)品，另外，國(guó)內(nèi)外還有一些廠家生產(chǎn)與其完全兼容的產(chǎn)品，例如德國(guó) VIPA 公司，中國(guó)上海正航電子科技有限公司等。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 目前 ,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒(méi)有。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。 圖 31步距角 2. 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。一般情況 下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸） 3. 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟： 圖 32 電機(jī) 選擇 步驟 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 20 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下： P= Ω178。 2. 步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。 6. 高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度 ,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用 5相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說(shuō)法是外行話。 本設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線圈 A、 B、 C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?AABBBCCCAA，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?AACCCBBBAA。通過(guò)光電耦合器隔離，由 +80V、 +12V 高低壓驅(qū)動(dòng) VMOS 管，在改變繞組通電順序的情況下來(lái)控制它的正反轉(zhuǎn)、及三相六拍通電方式 。當(dāng) 或 被置為 PTO 或 PWM 功能時(shí)， PTO/PWM 發(fā)生器控制這些輸出點(diǎn)，在該輸出點(diǎn)禁止使用數(shù)字量輸出功能，此時(shí)輸出波形不受輸出映像寄存器的狀態(tài)、輸出強(qiáng)制或立即輸出指令的影響。 矩陣式鍵盤工作原理 矩陣 式鍵盤是相對(duì)于獨(dú)立式鍵盤而言的，也叫行列式鍵盤，是當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)為節(jié)省 I/O 點(diǎn)而采取的一種結(jié)構(gòu)。 其次，若有鍵按下則逐列掃描。最后，確定鍵值，并進(jìn)入鍵處理程序。M公共端 。若輸入開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則信號(hào)沒(méi)有形成通路，此時(shí)輸入指示燈不亮，表示為“ OFF”狀態(tài)。 鍵盤的硬件設(shè)計(jì) 由以上分析可知 :PLC的 I/O口內(nèi)部電路與一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) (如單片機(jī)系統(tǒng) )有較大的不同，這就決定了在 PLC 系統(tǒng)中設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤也有其特殊性。如圖所示為 4 行 4 列矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)圖。本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)光電編碼器 EPC－ 755A。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖 26所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出方式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 絕對(duì)位置信息。 A,B 兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)兩個(gè)光敏接受管， A,B 兩點(diǎn)間距為 S2 ,角度碼盤的光柵間距分別為 S0 和 S1。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 26 S0 等于 S1 時(shí)，且 S2 等于 S0 的 1/2 時(shí)， 1/4 個(gè)運(yùn)動(dòng)周期就可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度，如果 S0 不等于 S1， S2 不等于 S0 的 1/2，那么要 1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期才可以得到運(yùn)動(dòng)方向位和位移角度了。目前國(guó)內(nèi)已有 16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。它的特點(diǎn)是： （ 1）可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值； （ 2）沒(méi)有累積誤差； （ 3） 電源切除后位置信息不會(huì)丟失。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。 176。 當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道 A 輸出波形比通道 B 輸出波形延遲 90176。有些高速計(jì)數(shù)器的輸入點(diǎn)相互間或它們與邊沿中斷（ — ）的輸入點(diǎn)與重疊，同一輸入點(diǎn)不能同時(shí)用于兩種不同的功能。當(dāng) 啟動(dòng)輸入有效 時(shí)，將允許計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 表 32高速計(jì)數(shù)器的外部輸入信號(hào) 模式 HSC 編號(hào)或 HSC 類型 輸入點(diǎn) HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 0 帶內(nèi)部方向輸入信號(hào)的單相加 /減計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘 1 時(shí)鐘 復(fù)位 2 時(shí)鐘 復(fù)位 啟動(dòng) 3 帶內(nèi)部方向輸入信號(hào)的單相加 /減計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘 方向 4 時(shí)鐘 方向 復(fù)位 5 時(shí)鐘 方向 復(fù)位 啟動(dòng) 6 帶加減計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖輸入的雙相計(jì)數(shù)器 加時(shí)鐘 減時(shí)鐘 7 加時(shí)鐘 減時(shí)鐘 復(fù)位 8 加時(shí)鐘 減時(shí)鐘 復(fù)位 啟動(dòng) 9 A/B 相正交計(jì)數(shù)器 A 相時(shí)鐘 B 相時(shí)鐘 10 A 相時(shí)鐘 B 相時(shí)鐘 復(fù) 位 11 A 相時(shí)鐘 B 相時(shí)鐘 復(fù)位 啟動(dòng) 此次設(shè)計(jì)采用的 EPC－ 755A 光電編碼器為 A/B 相正交計(jì)數(shù)器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源是一個(gè)互相聯(lián)系的整體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能是由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源兩者配合所形成的綜合效果。 圖 311 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源方框圖 脈沖發(fā)生器是一個(gè)脈沖頻率由幾赫 到幾十千赫可連續(xù)變化的脈沖信號(hào)發(fā)生器。下面著重介紹 CH250 環(huán)形脈沖分配器。 CL 端是時(shí)鐘脈沖輸入端， EN 是時(shí)鐘脈沖允許端，用以控制時(shí)鐘脈沖的允許與否。 CH250 環(huán)形脈沖分配器的功能關(guān)系如表所列。為了提高電源效率 及工作頻率，可采用高、低壓切換型電源，其原理如圖 10 所示。根據(jù)任務(wù)要求。 LED 顯示方法 LED 顯示的方法有兩種： 靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示 靜態(tài)顯示 :所謂靜態(tài)顯示 ,是由單 片機(jī)一次輸出顯示后 ,保持到下次送新的顯示信息為止 ,并且各個(gè) LED數(shù)碼管的筆劃信息碼同時(shí)傳送 .這種顯示占用 CPU資源少 \無(wú)需為選信號(hào) \各個(gè) LED 數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮 \顯示可靠 。共陽(yáng)極 LED顯示器。 普通的發(fā)光二極管正偏壓降紅色為 ，黃色為 左右，藍(lán) 白 為至少 。而與數(shù)據(jù)或選通脈沖的輸入狀態(tài)無(wú)關(guān)。 輸入電壓 0v— VDD+ 輸入電流： 10mA 存儲(chǔ)溫度： 65℃ 150℃。 VDD 正電源。 1NH 輸出禁止控制端。 輸入電壓范圍： 0v— VDD 工作溫度范圍： M類 55 ℃ 125℃， E 類： 40℃ 85℃。 限流電阻計(jì)算如下： U 為工作電壓 串聯(lián) R＝（ U－ LED 壓降＊ 18）／ 20mA 并聯(lián) R＝（ U－ LED 壓降）／（ 20*18mA） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 34 數(shù)碼驅(qū)動(dòng)管 CC4514 是由一 4位可選通鎖存器和 4 線 — 16線譯碼器組成，鎖存器所保留的數(shù)據(jù)為在選脈沖由 1 至 0 轉(zhuǎn)換之前的最后輸入數(shù)據(jù)。這樣，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極加有低電平，該發(fā)光二極管即被點(diǎn)亮。缺點(diǎn)是占用 CPU 資源多 ,亮度與靜態(tài)顯示相比要暗得多 .只東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 33 要單片機(jī)不執(zhí)行顯示程序 ,顯示器就停止顯示 ,動(dòng)態(tài)顯示的亮度與導(dǎo)通電流相關(guān) ,也與點(diǎn)亮?xí)r間隔時(shí)間的比例相關(guān) .這里采用的 LED 顯示方法是動(dòng)態(tài)顯示 ,其工作原理是 : (1) 先送出筆劃信息碼 ,接著選中 LED 數(shù)碼管 ,并延時(shí) 2MS 使之點(diǎn)亮 . (2) 依據(jù)上次動(dòng)作依次顯示各個(gè) LED 數(shù)碼管 ,直至每個(gè)數(shù)碼管都被點(diǎn)亮過(guò) (3) 循環(huán)反復(fù) 七段數(shù)碼管 7段數(shù)碼管發(fā)光二極管使用靈活，簡(jiǎn)單方便，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，相應(yīng) 的發(fā)光二極管就點(diǎn)亮；當(dāng)電流消滅沒(méi)有電流時(shí)，發(fā)光二極管就滅。所以設(shè)計(jì)中用十二個(gè) LED 顯示管來(lái)顯示點(diǎn)位坐標(biāo)。低壓電源中串聯(lián)一個(gè)數(shù)值較小的電阻，其目的是為了調(diào)節(jié)控制繞組的電流，使各相電流平衡。圖 9是一個(gè)實(shí)用的脈沖放大電路，圖中使用三級(jí)晶體管放大，第一級(jí)用 3DG6 小功率管，第二級(jí)用 3DK4 中功率管，第三級(jí)用 3DD15 大功率管， R6 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)限流電阻，隨所配電機(jī)不同而異。 CH250 也允許以 EN端作脈沖 CP 的輸入端，此時(shí)，只有CL 為低電平時(shí)，時(shí)鐘脈沖的下降沿才起作用。 圖 313 CH250 三相雙三拍接法 圖 314 CH250 三相六拍接法 J3r、 J3L 兩端子是三相雙三拍的控制端， J6r、 J6L 是三相六拍的控制端，三相雙三拍工作時(shí)，若 J3r＝ “1” ，而 J3L＝ “0” ，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若 J3r＝ “0” ，J3L＝ “1” ，則電機(jī)反轉(zhuǎn)；三相六拍供電時(shí)，若 J6r＝ “1” ， J6L＝ “0” ，則電機(jī)正轉(zhuǎn)；若 J6r＝ “0” ， J6L＝ “1” ，電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖 6 是兩種實(shí)用的多諧振蕩電路，它們分別由反相器和非門構(gòu)成，振蕩頻率由 RC 決定，改變 R 值即可改變脈沖頻脈 沖 發(fā)生器 脈 沖 分配器 脈 沖 放大器 步 行 電動(dòng)機(jī) 發(fā)生器 指令 工 作 機(jī) 構(gòu) 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 30 率。 驅(qū)動(dòng)電源的組成 。 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 。如果在關(guān)閉啟動(dòng)輸入時(shí)使復(fù)位輸入有效，將忽略復(fù)位輸入，當(dāng)前值不變。例如 0工作在模式 1 時(shí)只使用 和 ， 可供邊沿中斷或 HSC3 使用。 圖 310 光電編碼器鑒相計(jì)數(shù)電路 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 28 S7— 200 有六個(gè)高速計(jì)數(shù)器 HSC0HSC5，可以設(shè)置多達(dá) 12種不同的操作模式。 電路分析： 當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道 A 輸出波形超前通道 B輸 出波形 90176。因此，我們?cè)谘兄茢?shù)控機(jī)床時(shí)，選用 EPC－ 755A 光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開(kāi)路型，輸出分辨率選用 360 個(gè)脈沖 /圈。 3. 混合式絕對(duì)值編碼器 混合式絕對(duì)值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的