【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，便可恢復故障前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的處理。 在 PLC 中還采用程序驅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，用這個信號來指示 CPU 處于正常狀態(tài)，萬一 CPU 發(fā)生故障，這個規(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 在對機械手的控制 中選松下 PLC 來控制步進電機。松下 FP 系列 PLC 有以下幾方面特點： [6] （ 1） 豐富的指令系統(tǒng) 在 FP 系列 PLC 中即使是小型機也具有近 200 條指令，除能實現(xiàn)一般邏輯控制還可天津 職業(yè)技術師范大學 2020 本科生 畢業(yè)設計 8 進行運動控制、復雜數(shù)據(jù)處理，甚至可以控制變頻器實現(xiàn)電機的調(diào)速與對步進電機的控制。 （ 2） 快速的 CPU 處理速度 FP 系列機中 CPU 速度均優(yōu)于同類產(chǎn)品，小型機尤為突出。 （ 3） 大程序容量 FP 系列的用戶程序容量也較同類機型大，其小型機一般可達 3 千步左右，最多可達 5 千步，而大型機最高可達 60 千步。 （ 4） 功能強大的編程工具 FP 系列機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。 （ 5） 強大的網(wǎng)絡通信功能 。 FP 系列的各種機型都提供了通信功能，而且它們所采用的應用層通信協(xié)議具有一致性，這為構成多級 PLC 網(wǎng)絡，開發(fā) PLC 網(wǎng)絡應用程序提供了方便。并且在 PLC 最高層的管理網(wǎng)絡中采用了包含 TCP/IP 技術的 Ethemet 網(wǎng)，可通過它連接到計算機互聯(lián)網(wǎng)上。 三、 PLC 型號的選擇 此次研究的機械手驅動電機為步進電機， 步進電機主要由 PLC 與位置控制模塊來控制， 機械手的運動是由 五 臺步進電機協(xié)調(diào)運作而完成的 ，其中 PLC 控制三臺步進電機，位置控制模擬控制兩臺步進電機 。因 此在選用 PLC 的型號時就應在滿足機械手的硬件要求下完成的。在本次設計中要選用兩臺 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 臺步進電機 。本次設計 選擇 PLC 型號為 松下 FPΣ32。 FPΣ32 型 PLC 輸入 /輸出點數(shù)為 16 點，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。可實現(xiàn)全方位通信功能，使用工具口（ RS232C）通過它主機能夠與觸摸屏或電腦實現(xiàn)通信。此外，我們還可選擇帶有 RS232C 和 RS485 接口的通信卡實現(xiàn)通信功能。安裝一個雙通道的 RS232C 型通訊卡，主 機就能通過 RS232 口實現(xiàn)與兩套外設的連接?？蓪崿F(xiàn)最大 100KHZ（使 2 通道時為 60HZ）的梯形加減速控制，能夠控制步進電機和伺服電機。提供梯形控制、返回原點、點動運行等專用高級指令。脈沖輸出能實現(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的擴展單元或 FP0 的智能單元。對于擴展單元的排序和類型沒有單獨要求，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)技術師范大學 2020 本科生 畢業(yè)設計 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)需要設置控制字、起始速度、終止速度、加 /減速時間、輸出脈沖個數(shù)五個參數(shù)來控制步進電機。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 要設置控制字、起始速度、終止速度、加 /減速時間、輸出脈沖個數(shù)五個參數(shù)來控制步進電機。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帶載起動 。 （ 3） JOG Operation(JOG 操作 ) JOG 操作工作方式用戶只需設置控制字，起始速度、終止速度與加 /減速時間四個參數(shù)便可控制電機動作。電機走過的脈沖數(shù)由外部起動開關來控制，當開關閉合時電機按所設置的參數(shù)運行，當開關斷開后電機按所設置參數(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。此工作方式相當于繼電控制中的 點動控制。 （ 4） JOG Positioning(JOG 位置控制 ) JOG 位置控制工作方式用戶通過設置控制字、起始速度、終止速度、加 /減速時間、輸出脈沖個數(shù)五個參數(shù)便可控制電機動作。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閉合后電機按 所 設置的參數(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置輸出脈沖。位置控制開始屬于時間輸入，可接外部控制。通過操作者的需要控制具體時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尋找與回零點操作兩種工作方式。在此操作中只要設置控制字、起始速度、終止速度、加 /減速時間四個參數(shù)來達到控制要求。 (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停止。急停 是指停止信號發(fā)出后電機沒有減速過程立即停止。停止信號由外部開關發(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)用戶需要設置不同的控制字，控制模塊可以根據(jù)控制字的設置對脈沖發(fā)生器輸入的脈沖進行不同的細分，用細分后的脈沖來控制電機。在使用該功能中用戶中只設置控制字與終止速度兩參數(shù)就可實現(xiàn)該功能。此功能不能與反饋計數(shù)器同時操作。 (8） Feedback Counter(反饋計數(shù)器 ) 利用在程序中可以監(jiān)控反饋計數(shù)器中的脈沖個數(shù)與位 置控制經(jīng)過值相比較，若兩值天津 職業(yè)技術師范大學 2020 本科生 畢業(yè)設計 10 的差值在允許范圍內(nèi)說明電機運行精度滿足控制要求，若兩差值不在允許范圍內(nèi)就應采取適當?shù)拇胧?。該功能可以對電機的輸出進行監(jiān)控，以滿足控制精度要求，適用于閉環(huán)控制。此項功能不能與脈沖發(fā)生器輸入操作同時進行。 在對步進電機控制過程中除了 PLC通過編程對步進電機發(fā)出控制脈沖以達到控制步進電機的目的。松下的位置控制模塊配合松下 FP∑ PLC 共同使用對步進電機發(fā)出控制脈沖，以達到控制的目的。松下的位置控制模塊是松下 PLC 一種智能擴展模塊，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電機旋轉方向、加 /減速模式、工作方式與各種極限位置的保護等等。 在本次設計中 有三臺 在 步進電機由 PLC控制 ，有兩臺步進電機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 輸入點數(shù)為 32點，輸出點數(shù)為 32 點，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 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信號A +A B +B DC兩相混合式步進電機DC 24 V步進電機驅動器位置控制模塊電源COM天津 職業(yè)技術師范大學 2020 本科生 畢業(yè)設計 11 機械手的 AFPG431 控制中位置控制模塊控制兩臺步進電機，選用松下的位置控制模塊是因為該模塊不僅能同進控制兩臺步進電機發(fā)出驅動脈沖、控制步進電機轉動方向、控制加∕減速度、改變加∕減速時間還有多種工作方式給操作者選擇。該模塊通過FPΣ 32 的擴展口連接，通過 PLC 直接編程傳入位置控制模塊的共享寄存器來達到控制步進電機的目的。使用此擴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 到控制目的。位置控制模塊控制步進電機接線如圖 23 所示。 圖 23 所示的連接圖中位置控制模塊對步進電機發(fā)出脈沖、方向進行控制，其中脫機信號按 PLC 進行控制，外接行程開關進行回零位控制。 步進電機及其驅動器 步進電機的 選擇 一、基本原理與特點 (1）步進電機基本原理 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。 (2）步 進電機特點 ： 1）一般步進電機的精度為步進角的 35％，且不累積。 2）步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點。一般來說，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上。 3）步進電機在運行時電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢。頻率越高，反向電動勢越大。因此電機隨頻率或速度的增大而使電流減小，從而導致力矩下降。 4）步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲 二 、 步進 電機的選擇 步進電機是一種性能很 好的數(shù)字化執(zhí)行元件，在數(shù)控系統(tǒng)的點、位控制中，可利用步進電機 作為 驅動電機，在本次設計的機械手中要滿足技術要求對機械手進行軌跡控制，使機械手按所設定的軌跡運動。機械手的 1軸 、 2軸 、 3軸與 4軸 基本 控制了機械手的運動軌跡。只要這幾部分步進電機能按照人為設計的軌跡 準確的運動就可以使步進電機按所規(guī)定的軌跡準確的運動。在本次設計中采用開環(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械手的控制要求就要提高 各 部位關節(jié)步進電機的運動精度。因此在本次設計中各關節(jié)的步進電機選用了兩 相混合式步進電機。混合式步進電機 綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，步距角小， 高速特性好， 但結構復雜，成本較高。 存在低速振動區(qū)。 所用步進電機的型號是 57BYG250C,2相四線輸出，步距角為 176。 /176。在此基礎上選用驅動器的型號為 SH20403。 天津 職業(yè)技術師范大學 2020 本科生 畢業(yè)設計 12 步進電機驅動器 步進電機運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器。步進電機驅動器就是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號通過驅動器就使步進電機旋轉一個步距角。 驅動器 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的信號端子上?？刂菩盘柕碗娖接行А? （ 2）信號輸入部分：共有三路輸入信號，它們是：步進脈沖信號 CP、方向電平信號 DIR、脫機信號 FREE。脈沖輸入信號下降沿為一有效脈沖，驅動電機運行一步，為了能確保脈沖信號的可靠響應，脈沖信號低電平的持續(xù)時間應不小于 10181。S，響應頻率為70KHZ。方向信號輸入時用高∕低電平控制電機的兩個轉向，共陽極此端懸空為 默認為高電平。脫機信號低電平有效，這時電機相電流被切斷，轉子處于自由狀態(tài)； 若為高電平或懸空不接時，轉子處于鎖定狀態(tài)。信號源由 PLC 主機提供。由于 PLC 提供的電壓為 24v，而輸入部分的電壓為 5V，所以中間加了保護電路。 步進電機驅動器主要構成如 圖 24 所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅動級等各部分組成。 [5] 環(huán) 形 分 配 器信 號 放 大與 處 理推 動 級 驅 動 級保 護 圖 24 步進電機驅動器組成 （ 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，并按步進電動機狀態(tài)轉換表要求的狀態(tài)順序 產(chǎn)生各相導通或截止的信號。每來一個 CP 脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉換一次。因此，步進電機轉速的高低、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，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)轉換是按正序或者按反序轉換，于是就決定了步進電動機的轉向。 （ 2）信號放大與處理 從環(huán)形分配器輸出的各相導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，轉換成足夠大的信號送入推動級。這中間需要