【正文】 ........ 49 ****大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 59 頁(yè) 緒論 技術(shù)概述 在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。 本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。****大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 摘 要 ： 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，其在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)的控制方式簡(jiǎn)單，屬于開環(huán)控制 ，且無(wú)累積定位誤差 ，有較高的定位精度，而 PLC 作為一種工業(yè)控制微機(jī)，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)一體化的有力工具，因此基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)已廣泛用于數(shù)字定位控制中。 本系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用性及可靠性的特點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。通俗地說 :當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 (及步進(jìn)角 )。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為，但噪聲和振動(dòng)都很大。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。電機(jī) 相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為、三相的為 、五相的為 。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。 。 ，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì) 。介紹步進(jìn)電機(jī)的一個(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)。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高， 步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。我國(guó)的 PLC 研蘭云芳 (294404413) 2 制、生產(chǎn)、和應(yīng)用也發(fā)展的很快，尤其在應(yīng)用方面更為突出。隨著 PLC 性價(jià)比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴(kuò)大。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)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的 速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。研究步進(jìn)電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。 通過本課題，一方面我們?cè)诓殚嗁Y料的基礎(chǔ)上，了解 FX2N 系列 PLC 控制的一些基本技術(shù)，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實(shí)現(xiàn) 方法 ,能對(duì) PLC 外圍電路設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)與掌握；另一方面 ， 通過設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng) 的硬件電路，控制程序和相應(yīng)的電路圖， 以此培養(yǎng)自己的自學(xué)和動(dòng)手能力，從而 為 今后參加工作或進(jìn)一步深造打下良好的基礎(chǔ)。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī) (Personal Computer)的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停 止運(yùn)行。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在這兩個(gè)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(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。 即 在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)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(huì)對(duì)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(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。 （ 4） PLC 的構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。進(jìn)入運(yùn)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(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。 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。 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。 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。 按 I/O 點(diǎn)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(jī)架槽數(shù)限制。 ④ 底板或機(jī)架 大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機(jī)架，其作用是 ：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU 能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。 2） 人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員 終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。多數(shù)PLC 具有 RS232 接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 ⑶ 保證控制系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)軟件由 PLC 廠家提供并已固化在 EPROM 中，不能直接存取和干預(yù)。 2） 梯形圖中接點(diǎn)（觸點(diǎn)）只有常開和常閉，接點(diǎn)可以是 PLC 輸入點(diǎn)接的開關(guān)也可以是 PLC 內(nèi)部繼電器的接點(diǎn)或內(nèi)部寄存器、計(jì)數(shù)器等的狀態(tài)。 語(yǔ)句表語(yǔ)言，類似于匯編語(yǔ)言。例如三菱公司生產(chǎn)的 F系列 PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá) 30 萬(wàn)小時(shí)。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)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(hù)。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(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 目前， PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）****大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 59 頁(yè) 和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。 ⑸ 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前的計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 ****大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 59 頁(yè) 2．與微機(jī)的連接、速度控制（啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。 6．即使沒有傳感器，也能精確定位。 11．超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步， 高 速工 作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。 （ 1） 直流電動(dòng)機(jī)的分類 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場(chǎng)的問題。 c．串勵(lì)直流電機(jī) 串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。因此，凡是在重負(fù)載下起動(dòng)或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 為此必須增添一個(gè)叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個(gè)極下線圈邊中電流始終是一個(gè)方向，就可以使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)的旋轉(zhuǎn) ,這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 。 ****大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 59 頁(yè) 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。 PWM 調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改 變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比 (占空比 )來改變直流電機(jī)電樞上電壓的 占空比 ，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，且設(shè)占空比為 D=t/T，則電機(jī)的平均速度 Vd 為： Vd=VmaxD。 步進(jìn)電機(jī)的種類 目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類： 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（ VR）。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是 。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在 計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類 電機(jī)。而方向由導(dǎo)電順序決定。定子鐵心由硅鋼片疊成，定子上有 8 個(gè)均勻分布的磁極，每個(gè)磁極上又有若干小齒（本例為 5****大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 59 頁(yè) 個(gè)）。 定義每個(gè)小齒所占有的角度為齒距角： rt Z?? 360? ??????????????????????? ? （ 21） 式中 t? 為齒距角。當(dāng) A 相控制繞組通電 時(shí)，產(chǎn)生了沿 AA’極軸方向的磁通，由于磁通力圖通過磁阻最小路徑，使轉(zhuǎn)子的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)子磁軸線和定子磁極 AA’上的磁軸線對(duì)齊為止。這時(shí)， AA’和 CC’極下的齒與轉(zhuǎn)子齒又錯(cuò)開 ? 。 如果運(yùn)行方式改為四相八拍，通電方式為 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→A?，即單相 通電和兩相通電相間時(shí)，步距角為四相四拍運(yùn)行時(shí)的一半，即?? ? 。 既然每個(gè)控制脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè) b? ，電機(jī)實(shí)際角位移 ? 應(yīng)為：bN?? 39。 其轉(zhuǎn)子小齒為 80個(gè)，因此齒距角 ?? ? 。 當(dāng)運(yùn)行方式改為三相單雙六拍時(shí)，通電方式為 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A? ,即 單相通電與兩相通電相間，步距角為三相單三相運(yùn)行時(shí)的一半，即?? ? 。 當(dāng)其反轉(zhuǎn)時(shí)，通電方式改變?yōu)?AB→ AC→ CB→ BA? 。 數(shù)碼顯示模塊采用共陽(yáng)極數(shù)碼管來動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度。由于本設(shè)計(jì)中采用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，因此需要采用三支完全相同的驅(qū)動(dòng)電路分別控制電機(jī)兩相繞組的電流，而由 PLC 的Y0、 Y1 和 Y3端口分別提供控制兩相繞組的脈沖信號(hào)。 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)值，控制 數(shù)碼管顯示。 機(jī)械開關(guān)應(yīng)接到 PLC 的開關(guān)量輸入接口進(jìn)行開關(guān)控制， PLC 的開關(guān)量輸入接口的作用是把現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量信號(hào)變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。圖中輸入口的電源部分都畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般單元式可編程控制器中，輸入口都使用可編程本機(jī)的直流電源供電，不再需要外接電源 。通過對(duì)輸出電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。消除按鍵抖動(dòng)通常采用硬件、軟件兩種方法。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)的功率放大電路的種類很多。 ⑴ 單電壓驅(qū)動(dòng) 但電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電。雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩 種方式：雙電壓法和高低壓法 ① 雙電壓法 雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在高頻時(shí)，給 T1 高電平，使 T1 打開。 高低壓驅(qū)動(dòng)電路的原理如圖 210 所示，盡管看起來與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大差別。當(dāng)脈沖 UH降為低電平時(shí)，高壓開關(guān)管 T1 截止，高電壓被切斷，使電壓VL通過二極管 D2為繞組繼續(xù)供電，由于繞組電阻小，回路中又沒有串聯(lián)電阻，所以低電壓只需數(shù)伏就可以為繞組提供提供較大電流。其基本思想是：無(wú)論電機(jī)是在鎖定狀態(tài)還是在低頻段或高頻段運(yùn)行，均使導(dǎo)通相的繞組的電流保持額定值。由于繞組電感的作用， R 上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過給定電壓 Ua 的值時(shí)，比較器的輸出低電平，使與門輸出低電平 ， VT1 截止，電源被切斷，繞組電流經(jīng) VT R、VD2 續(xù)流，采樣電阻 R 的端電壓隨之下降。 控制脈 沖 Ui、 VT1 的基極電位 Ub1 及繞組電流 Id 餓波形如圖 211 所示。但是，由于電流波形為鋸齒形，這種驅(qū)動(dòng)方式會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。 LED 數(shù)碼顯示器是 1種由 LED 發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。當(dāng)陰極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不點(diǎn)亮。當(dāng)陽(yáng)極端輸入高電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平時(shí)則不點(diǎn)亮。 （ a） （ b） 圖 311 集電極輸出與反射極輸出 在本設(shè)計(jì)中，數(shù)碼顯示電路通過 采用共陽(yáng)極數(shù)碼管來動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度， 利用三極管為數(shù)碼管的 端提供高電平。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī)或切換到 STOP 工作狀態(tài)。 在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂?器 處于（ RUN）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外 3 個(gè)階段的操作（見 右 圖），圖中僅畫出了與用戶程序執(zhí)行過程有關(guān)的 3 個(gè)