【正文】 ............................................ 44 1 第 1 章 緒論 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 。 隨著 PLC 技術(shù)的發(fā)展，其功能越來越多，集成度也越來越高，它的型號和種類繁多，不同型號自成體系有不同的程序語言和使用方法。 PLC 控制 步進 電機呢不是直接控制的，其實是 PLC 發(fā)出脈沖或控制信號控制 步進 驅(qū)動器，由驅(qū)動器來驅(qū)動 步進 電 機。這兩個東西就是這么合作的 。 本課題研究的 主要內(nèi)容 針對畢業(yè)設(shè)計課題進行分析， 三菱 PLC 同時控制三個 步進 電機同步運動 這一課題是在設(shè)計科研設(shè)備的過程中產(chǎn)生的，國內(nèi)外針對相同的科研測試，設(shè)備的設(shè)計方案也是各種各樣的，隨著將來工業(yè)制造工藝的發(fā)展，如快速成型之類的技術(shù)更加成熟，或許會有更好的解決方案，就目前而言，每種方案都有其優(yōu)缺點， PLC 在伺服電機控制中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有控制速度快，可靠性高，靈活性強等優(yōu)點，使得 PLC 成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱。最終設(shè)備能達到設(shè)計要求。目前仍是計算機入門的主要學(xué)習(xí)語言之一。 第三階段 80 年代中 90年代初 結(jié)構(gòu)化 BASIC 語言。這在當時引起了很大的轟動。這使得程序員欣喜之極 都嘗試在 VB 的平臺上進行軟件創(chuàng)作。 VB 功能強大 ,學(xué)習(xí)簡單。用戶認為可用 Visual Basic 快速創(chuàng)建 Windows 程序 。它 4 告訴計算機如何執(zhí)行特殊的任務(wù)。甚至對最簡單的任務(wù)也需要指令 ，例如如何取得擊鍵？怎樣在屏幕上放一個字母？ 怎樣在磁盤中保存訊息 ？ 幸運的是許多這樣的指令包含在處理器芯片中或內(nèi)置于操作系統(tǒng)中 ， 因此用戶不必擔(dān)心它們。即一系列在計算機內(nèi)存和處理器中的開或關(guān)的狀態(tài)。 即使是這些指令仍有限， 并要遵循高度定義的結(jié)構(gòu)。在 Windows 之前 ， 回到往日的 DOS 和“史前時代” ， 之前，程序以順序方式運行，也就是說 一旦程序啟動 ， 它就一條指令一條指令的向前執(zhí)行 ， 直 到程序 結(jié)束或出現(xiàn)致命錯誤。 控件： 提供程序可見界面的可重用對象。 方法： 嵌入在對象定義中的程序代碼。它含有定義其特征的屬性， 定義其任務(wù)和識別它可以響應(yīng)的事件的方法。 屬性： 對象的特征 ，如尺寸、位置、顏色或文本。 VB是程序設(shè)計人員在 Windows 環(huán)境下最常用的開發(fā)串口通信程序的編程語言。雙方為了進行通信，必須遵守一定的通信規(guī)則，這個共同的規(guī)則就是通信端口的初始化。例如，在某異步串行通信中，每傳送一個 字符需要 8 位，如果采用波特率為 4800bit/s 進行傳送，則每秒可傳送 600個字符。以實際的 RS232 傳輸上看來，由于工業(yè)上常使用的 PLC大多只是傳送文字碼，因此只要 7 位就可以將 ASCII 碼的 0127 碼表達出來（共有 128 種組合方式），所有的可見字符也落在此范圍內(nèi)，所以只要 7 個數(shù)據(jù)位就夠了。接收端會因起始位的觸發(fā)（因電壓 由低電位升至高電位）而開始接受數(shù)據(jù)，并因停止位的通知（因電壓維持在低電位）而明確數(shù)據(jù)的字符信號已經(jīng)結(jié)束。校驗位是用來檢查所傳送數(shù)據(jù)正確性的一種核對碼，又分成奇校驗與偶校驗兩種，分別是檢查字符碼中 1 的數(shù)目是奇數(shù)或偶數(shù)。如果新的計算值有誤，那么接收端就會收到一些指示，表示此次接受的數(shù)據(jù)有誤。通過使用 MSComm 通訊控件 ，可以簡單高效地實現(xiàn)設(shè)備之間的通訊， 而不必調(diào)用低級的 API函數(shù) ，從而使編程效率大大提高， 也降低了因編程不當導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 8 圖 22 加入 MSComm 控件 單擊 確定 關(guān)閉 部件 對話框。以字符串形式設(shè)置或返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位和停止位四個參數(shù)、其格式為“ BBBB， P， D， S” 其中 BBBB 為波特率， P為奇偶校驗方式， D為數(shù)據(jù)位數(shù)， S 為停止位數(shù)。但是 PLC 也有不易顯示各種實時圖表 /曲線（趨勢線）和漢字，無良好的用戶界面，不便于監(jiān)控等缺陷。用一臺計算機（上位機）去監(jiān)控下位機（ PLC） ,這就要求 PC 與 PLC 之間穩(wěn)定，可靠的數(shù)據(jù)通信。 PC 與 PLC 串口通信程序設(shè)計用的軟 、 硬件 本設(shè)計用到的硬件和軟件清單如表 21所示。 設(shè)計的程序界面如圖 26所示。 “ 08”表示奇偶校驗位。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。 兩相混合式步進電機步距角一般為 176。也有一些高性能的 步進電機步距角更小。、 176。、 176。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標準 2500 線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當量為 360176。是步距角為 176。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。 16 步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在 300～ 600RPM。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信 號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁 17 場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。無論是工農(nóng)生產(chǎn)還是日常生活的家用電器，都大量使用著各種各樣的電動機。 步進電機的工作原理 步進電機是一種感應(yīng)電機，其工作的基本原理在于將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移進行輸出。 步進電機在機電控制中是一種長用的執(zhí)行機構(gòu)，其原理是通過對它每相線圈中的電流和順序切換來讓電機做步進式旋轉(zhuǎn)。同時通過控制發(fā)出脈沖的頻率來控制步進電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 HB 是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。電機出廠時給出了一個步矩角的值。電機相數(shù)不同，它的步矩角也不相同，一般二相電機的步矩角為 ，三相的為 ，五相的為 。 ：是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。所以保持轉(zhuǎn)矩就成了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。 3． 步進電機的力矩會隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降。 5． 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 步進電動機以其顯著地特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮重大的用途。 圖 31 步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （ General specifications） 步距精度 ?????? ??????????????? 177。 本次設(shè)計所使用的步進電機的型號是 BSHB3913，以它為例，步矩角是 度，那么電機轉(zhuǎn)動一周就要 300（ 360 度 / 度）個脈沖。但是，步進電機運行存在許多不足之處，如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高等，又嚴 重制約了步進電機的應(yīng)用范圍。因為常用低端步進電機伺服系統(tǒng)沒有編碼器反饋，所以隨著電機速度的升 高其內(nèi)部控制電流相應(yīng)減小，從而造成丟步現(xiàn)象。 細分原理 步進電機的細分控制從本質(zhì)上講是通過對步進電機的定子繞組中電流的控制，使步進電機內(nèi)部的合成磁場按某種要求變化，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。 三相混合式步進電機的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機。為便于分析，可做如下假設(shè) 。電機單相繞組通電的時候，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以表達為： T=f（ i,theta）。因此，將交流伺服控制原理應(yīng)用到三相混合式步進電機驅(qū)動系統(tǒng)中，輸入的 220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷?，再?jīng)脈寬調(diào)制技術(shù)變?yōu)?三路階梯式正弦波形電流 ，它們按固 定時序分別流過三路繞組，其每個階梯對應(yīng)電機轉(zhuǎn)動一步 23 圖 33 電動機轉(zhuǎn)動示意圖 通過改變驅(qū)動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉(zhuǎn)速，而輸出的階梯數(shù)確定了每步轉(zhuǎn)過的角度，當角度越小的時候，那么其階梯數(shù)就越多，即細分就越大，從理論上說此角度可以設(shè)得足夠的小，所以細分數(shù)可以是很大，而交流伺服控制的每步角度與反饋的編碼器的精度有很大的關(guān)系，一般使用的為 2500 線，所以每一步轉(zhuǎn)過的角度僅為 度，而此方法控制的步進 電機，比如其細分數(shù)為 10000，則每一步轉(zhuǎn)過的角度為 度，所以比一般的伺服控制精度高很多。 的三相階梯式正弦電流 三相混合式步進電機一般把三相繞組連接成星形或者三角形，按照電路基本定理，三相電流之和為零。 本設(shè)計中所用的步進驅(qū)動器 DQ378M 是基于 DSP 控制的 三相步進電機驅(qū)動器。定位精度最高可達 60000 步 /轉(zhuǎn)。輸入電阻220Ω ，要求：低電平 ，高電平 45V，脈沖寬度 DP5=ON,DR 為反向步進脈沖信號 5 MF+ 輸入信號光電隔離正端 接 +5V 供電電源， +5V+24V 均可驅(qū)動，高于 +5V 需接限流電阻 6 MF 電機釋放信號 有效（低電平）時關(guān)斷電機接線電流，驅(qū)動器停止工作，電機處于自由狀態(tài) 7 RDY+ 驅(qū)動器準備好 輸出信號光電隔離正端 驅(qū)動器狀態(tài)正常，準備就緒接受控制器信號時該信號有效（低電平） 8 RDY 驅(qū)動器準備好輸出信號光電隔離負端 電機，電源端 1 U 電機接線 2 V 3 W 4 NC 空端口 5 DC+ 電源 電源： DC24~80V 6 DC 如表 33 所示 。 28 表 35 6位撥碼開關(guān)對照表 細分數(shù) 400 500 600 800 1000 1200 2000 3000 4000 5000 6000 10000 12000 20210 30000 60000 D1 ON ON ON ON ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF D2 ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF D3 ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF D4 ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF D5 ON, 雙脈沖： PU為正向步進脈沖信號， DR 為反向步進脈沖信號 OFF, 單脈沖： PU為步進脈沖信號， DR 為方向控制信號 D6 自動檢測開關(guān)（ OFF 時接收外部脈沖， ON 時驅(qū)動器內(nèi)部以 30 轉(zhuǎn) /分的速度運行） 29 第 4 章 PLC 控制步進電機 PLC 的概述 可編程控制器是 60 年代末在美國首先出現(xiàn)，當時叫可編程邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller），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。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是微處理器和微型計算機技術(shù)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 已不再是邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計階段選用可編程控制器，在實施階段再確定工藝過程。 PLC可靠性高，抗干擾能力強，其平均無故障時間可達幾十萬小時，之所以有這么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施。 因此，目前 PLC 已廣泛應(yīng)用于冶金，石油，化工，建材，機械制造，電力，汽車，輕工，環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（ PLC，機器人，CAD\CAM）之一。 （ CPU） CPU 作為整個 PLC 的核心，起著總指揮的作用。 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。常用的存儲器有 RAM、 EPROM 和 EEPROM。 EPROM、 EEPROM 都是只讀存儲器。接到 PLC 輸入接口的輸入器件是各種開關(guān)、按鈕、傳感器等。 5. 編程器 編程器是 PLC 的最重要外圍設(shè)備。 PLC 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(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。在 PLC處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。接著進入程序執(zhí)行階段。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(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應(yīng)映象寄 存器，根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，存入有關(guān)器件寄存器