【文章內(nèi)容簡介】 作，以防存儲器內(nèi)容被破壞。這樣，一旦檢測到外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)故障前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的處理。 在 PLC 中還采用程序驅(qū)動故障指示的診斷方法。這是用一般經(jīng)常執(zhí)行的程序，使硬件產(chǎn)生一些規(guī)定的信號，用這個(gè)信號來指示 CPU 處于正常狀態(tài)，萬一 CPU 發(fā)生故障，這個(gè)規(guī)定信號就不再出現(xiàn)，從而指示 CPU 的故障狀態(tài)。 二、 松下 PLC 的特點(diǎn) 在對機(jī)械手的控制 中選松下 PLC 來控制步進(jìn)電機(jī)。松下 FP 系列 PLC 有以下幾方面特點(diǎn)： [6] （ 1） 豐富的指令系統(tǒng) 在 FP 系列 PLC 中即使是小型機(jī)也具有近 200 條指令，除能實(shí)現(xiàn)一般邏輯控制還可天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 進(jìn)行運(yùn)動控制、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，甚至可以控制變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速與對步進(jìn)電機(jī)的控制。 （ 2） 快速的 CPU 處理速度 FP 系列機(jī)中 CPU 速度均優(yōu)于同類產(chǎn)品，小型機(jī)尤為突出。 （ 3） 大程序容量 FP 系列的用戶程序容量也較同類機(jī)型大，其小型機(jī)一般可達(dá) 3 千步左右，最多可達(dá) 5 千步，而大型機(jī)最高可達(dá) 60 千步。 （ 4） 功能強(qiáng)大的編程工具 FP 系列機(jī)不論采用的是手持編程器還是編 程工具軟件，其編程及監(jiān)控功能都很強(qiáng)。 （ 5） 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能 。 FP 系列的各種機(jī)型都提供了通信功能，而且它們所采用的應(yīng)用層通信協(xié)議具有一致性，這為構(gòu)成多級 PLC 網(wǎng)絡(luò)，開發(fā) PLC 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供了方便。并且在 PLC 最高層的管理網(wǎng)絡(luò)中采用了包含 TCP/IP 技術(shù)的 Ethemet 網(wǎng)，可通過它連接到計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)上。 三、 PLC 型號的選擇 此次研究的機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)， 步進(jìn)電機(jī)主要由 PLC 與位置控制模塊來控制， 機(jī)械手的運(yùn)動是由 五 臺步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作而完成的 ，其中 PLC 控制三臺步進(jìn)電機(jī)，位置控制模擬控制兩臺步進(jìn)電機(jī) 。因 此在選用 PLC 的型號時(shí)就應(yīng)在滿足機(jī)械手的硬件要求下完成的。在本次設(shè)計(jì)中要選用兩臺 PLC 通過采用 RS232 通信端口使用 串行通信傳輸數(shù)據(jù) 來控制 三 臺步進(jìn)電機(jī) 。本次設(shè)計(jì) 選擇 PLC 型號為 松下 FPΣ32。 FPΣ32 型 PLC 輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)為 16 點(diǎn)，體積小，容量大，具有 12K 的編程容量，并且具有中型 PLC 所具備的所有功能?？蓪?shí)現(xiàn)全方位通信功能，使用工具口（ RS232C）通過它主機(jī)能夠與觸摸屏或電腦實(shí)現(xiàn)通信。此外，我們還可選擇帶有 RS232C 和 RS485 接口的通信卡實(shí)現(xiàn)通信功能。安裝一個(gè)雙通道的 RS232C 型通訊卡，主 機(jī)就能通過 RS232 口實(shí)現(xiàn)與兩套外設(shè)的連接?？蓪?shí)現(xiàn)最大 100KHZ（使 2 通道時(shí)為 60HZ）的梯形加減速控制，能夠控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。提供梯形控制、返回原點(diǎn)、點(diǎn)動運(yùn)行等專用高級指令。脈沖輸出能實(shí)現(xiàn)四種形式：脈沖 /信號輸出， CW/CWW 輸出。 FPΣ 的控制單元最多可連接三塊 FP0的擴(kuò)展單元或 FP0 的智能單元。對于擴(kuò)展單元的排序和類型沒有單獨(dú)要求，繼電器輸出類型和晶體管輸出類型的組合也是可行的。 [7] 位置控制模塊的選擇及其基本功能 在位置控制模塊中通過對控制字的控制可以選擇不同的加 /減速模式、方向控制與工作模式。 該 控制模塊為操作者提供幾種加 /減速模式，即線性模式、正弦模式、二次曲線模式、擺線模式與三次曲線模式。操作者可以根據(jù)不同的控制要求來選擇不同的加/減速模式。本模塊還提供幾種基本工作方式 給 操作者選擇，工作方式有如下幾種： 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 （ 1） E point control(單一速度控制 ) 在此控制方式中操作者可以根據(jù)需要設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加 /減速時(shí)間、輸出脈沖個(gè)數(shù)五個(gè)參數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)。但此控制方式 只有一 種終止速度 。 （ 2） P point control(多種速度控制 ) 在此控制方式中操作者可以根據(jù)需 要設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加 /減速時(shí)間、輸出脈沖個(gè)數(shù)五個(gè)參數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)。但此控制方式 有多種終止速度，操作者可以根據(jù)需要編制程度以獲得多種速度。此種方式較適用于電機(jī)帶載起動 。 （ 3） JOG Operation(JOG 操作 ) JOG 操作工作方式用戶只需設(shè)置控制字，起始速度、終止速度與加 /減速時(shí)間四個(gè)參數(shù)便可控制電機(jī)動作。電機(jī)走過的脈沖數(shù)由外部起動開關(guān)來控制，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)電機(jī)按所設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行，當(dāng)開關(guān)斷開后電機(jī)按所設(shè)置參數(shù)的加速率從終止速度開始減速至起始速度后停止脈沖輸出。此工作方式相當(dāng)于繼電控制中的 點(diǎn)動控制。 （ 4） JOG Positioning(JOG 位置控制 ) JOG 位置控制工作方式用戶通過設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加 /減速時(shí)間、輸出脈沖個(gè)數(shù)五個(gè)參數(shù)便可控制電機(jī)動作。此工作方式與 E point control 有類似之處即只能有一種終止速度，不同的是此工作方式在外部開關(guān)閉合后電機(jī)按 所 設(shè)置的參數(shù)加速到終止速度后并不執(zhí)行位置操作而是位置控制開始的輸入閉合后才按所設(shè)置輸出脈沖。位置控制開始屬于時(shí)間輸入，可接外部控制。通過操作者的需要控制具體時(shí)間以控制位置控制的開始。但在該工作方式中不能采用絕對控制， 否則會造成錯誤。 （ 5） Home Return(回零點(diǎn)操作 ) 本模塊中提供了幾種回零的模式，用戶可根據(jù)具體需要來設(shè)置控制字來選擇不同的回零方式。具體的回零方式中有零點(diǎn)尋找與回零點(diǎn)操作兩種工作方式。在此操作中只要設(shè)置控制字、起始速度、終止速度、加 /減速時(shí)間四個(gè)參數(shù)來達(dá)到控制要求。 (6） Deceleration Stop and Forced Stop(正常停止與急停 ) 在該模塊中提供了兩種停止方式即正常停止與急停。正常停止是在停止信號發(fā)出后該 模塊按加速率從終止速度減速至起始速度后停上脈沖輸出使電機(jī)停止。急停 是指停止信號發(fā)出后電機(jī)沒有減速過程立即停止。停止信號由外部開關(guān)發(fā)出，為控制模塊提供停止信號。 (7） Pulser Input Operation(脈沖發(fā)生器輸入操作 ) 在該模塊接入脈沖發(fā)生器，根據(jù)用戶需要設(shè)置不同的控制字，控制模塊可以根據(jù)控制字的設(shè)置對脈沖發(fā)生器輸入的脈沖進(jìn)行不同的細(xì)分，用細(xì)分后的脈沖來控制電機(jī)。在使用該功能中用戶中只設(shè)置控制字與終止速度兩參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)該功能。此功能不能與反饋計(jì)數(shù)器同時(shí)操作。 (8） Feedback Counter(反饋計(jì)數(shù)器 ) 利用在程序中可以監(jiān)控反饋計(jì)數(shù)器中的脈沖個(gè)數(shù)與位 置控制經(jīng)過值相比較，若兩值天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 的差值在允許范圍內(nèi)說明電機(jī)運(yùn)行精度滿足控制要求，若兩差值不在允許范圍內(nèi)就應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?。該功能可以對電機(jī)的輸出進(jìn)行監(jiān)控，以滿足控制精度要求，適用于閉環(huán)控制。此項(xiàng)功能不能與脈沖發(fā)生器輸入操作同時(shí)進(jìn)行。 在對步進(jìn)電機(jī)控制過程中除了 PLC通過編程對步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制脈沖以達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。松下的位置控制模塊配合松下 FP∑ PLC 共同使用對步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制脈沖，以達(dá)到控制的目的。松下的位置控制模塊是松下 PLC 一種智能擴(kuò)展模塊，它與松下PLC 一樣用同樣的編程語言編程，并且具有多種控制方式 可供用戶選擇。在控制模塊中，可以通過修改其控制字來改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、加 /減速模式、工作方式與各種極限位置的保護(hù)等等。 在本次設(shè)計(jì)中 有三臺 在 步進(jìn)電機(jī)由 PLC控制 ，有兩臺步進(jìn)電機(jī)由位置控制模塊控制。在選擇位置控制模塊的過程中，選用控制模塊的型號為 模塊 輸入點(diǎn)數(shù)為 32點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為 32 點(diǎn)，外部可接電路電壓為直流 、電流 35mA,內(nèi)部最大電流為 220mA，控制模塊可發(fā)出的脈沖數(shù)為 322 （ 2147483648～＋ 2147483647），速度可達(dá) 1PPS～ 4MPPS（ PPS— 脈沖 /秒）。 圖 23 位置控制模塊接線圖 DCDC 24 VGND回零位置公共端脈沖輸出方向輸出脈沖信號方向信號接 PLC 控制公共端脈沖輸入方向輸入脫機(jī)信號A +A B +B DC兩相混合式步進(jìn)電機(jī)DC 24 V步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器位置控制模塊電源COM天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 機(jī)械手的 AFPG431 控制中位置控制模塊控制兩臺步進(jìn)電機(jī)，選用松下的位置控制模塊是因?yàn)樵撃K不僅能同進(jìn)控制兩臺步進(jìn)電機(jī)發(fā)出驅(qū)動脈沖、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向、控制加∕減速度、改變加∕減速時(shí)間還有多種工作方式給操作者選擇。該模塊通過FPΣ 32 的擴(kuò)展口連接，通過 PLC 直接編程傳入位置控制模塊的共享寄存器來達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。使用此擴(kuò)展模塊不僅滿足了控制要求還無需其他的編程語言便可達(dá) 到控制目的。位置控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)接線如圖 23 所示。 圖 23 所示的連接圖中位置控制模塊對步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖、方向進(jìn)行控制，其中脫機(jī)信號按 PLC 進(jìn)行控制，外接行程開關(guān)進(jìn)行回零位控制。 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī)的 選擇 一、基本原理與特點(diǎn) (1）步進(jìn)電機(jī)基本原理 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^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。 (2）步 進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) ： 1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35％，且不累積。 2）步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)。一般來說，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上。 3）步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動勢。頻率越高，反向電動勢越大。因此電機(jī)隨頻率或速度的增大而使電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲 二 、 步進(jìn) 電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種性能很 好的數(shù)字化執(zhí)行元件，在數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)、位控制中，可利用步進(jìn)電機(jī) 作為 驅(qū)動電機(jī)，在本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手中要滿足技術(shù)要求對機(jī)械手進(jìn)行軌跡控制，使機(jī)械手按所設(shè)定的軌跡運(yùn)動。機(jī)械手的 1軸 、 2軸 、 3軸與 4軸 基本 控制了機(jī)械手的運(yùn)動軌跡。只要這幾部分步進(jìn)電機(jī)能按照人為設(shè)計(jì)的軌跡 準(zhǔn)確的運(yùn)動就可以使步進(jìn)電機(jī)按所規(guī)定的軌跡準(zhǔn)確的運(yùn)動。在本次設(shè)計(jì)中采用開環(huán)控制，因此控制精度不如閉環(huán)控制精度高，但要在一定程度上滿足機(jī)械手的控制要求就要提高 各 部位關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動精度。因此在本次設(shè)計(jì)中各關(guān)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)選用了兩 相混合式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī) 綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步距角小， 高速特性好， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 存在低速振動區(qū)。 所用步進(jìn)電機(jī)的型號是 57BYG250C,2相四線輸出，步距角為 176。 /176。在此基礎(chǔ)上選用驅(qū)動器的型號為 SH20403。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器就是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號通過驅(qū)動器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 驅(qū)動器 一般有以下幾部分組成： 公共端、信號輸入部分、輸出部分等。 （ 1）公共端：本驅(qū)動器的輸入信號采用共陽極接線方式，輸入信號的電源正極連到該端子上，將輸入的控制信號連接到對應(yīng)的信號端子上?？刂菩盘柕碗娖接行?。 （ 2）信號輸入部分：共有三路輸入信號，它們是：步進(jìn)脈沖信號 CP、方向電平信號 DIR、脫機(jī)信號 FREE。脈沖輸入信號下降沿為一有效脈沖，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行一步，為了能確保脈沖信號的可靠響應(yīng)，脈沖信號低電平的持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于 10181。S，響應(yīng)頻率為70KHZ。方向信號輸入時(shí)用高∕低電平控制電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)向，共陽極此端懸空為 默認(rèn)為高電平。脫機(jī)信號低電平有效，這時(shí)電機(jī)相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)； 若為高電平或懸空不接時(shí)，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。信號源由 PLC 主機(jī)提供。由于 PLC 提供的電壓為 24v，而輸入部分的電壓為 5V，所以中間加了保護(hù)電路。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器主要構(gòu)成如 圖 24 所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等各部分組成。 [5] 環(huán) 形 分 配 器信 號 放 大與 處 理推 動 級 驅(qū) 動 級保 護(hù) 圖 24 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器組成 （ 1）環(huán)形分配器 環(huán)形分配器用來接受來自控制器的 CP 脈沖，并按步進(jìn)電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序 產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。每來一個(gè) CP 脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于 CP 脈沖的有無或頻率。同時(shí)，環(huán)形分配器還要接受控制器的方向信號，而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者按反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。 （ 2）信號放大與處理 從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號放大的作用是將環(huán)形分配器的輸出信號加以放大，轉(zhuǎn)換成足夠大的信號送入推動級。這中間需要