【文章內(nèi)容簡介】 幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到 PLC 工作方式的限制以及掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作。例如，若控制步進電機的脈沖頻率為 4000HZ，則脈沖周期為 毫秒，這樣脈沖周期的數(shù)量級就比掃描周期小很多，如 采用此頻率來控制步進電機。則 PLC 在還未完成輸出刷新任務時就已經(jīng)發(fā)出許多個控制脈沖，但步進電機仍一動不動，出現(xiàn)了嚴重的失步現(xiàn)象。若控制步進電機的脈沖頻率為100HZ，則脈沖周期為 10 毫秒，與 PLC 的掃描周期約處于同一數(shù)量級，步進電機運行時亦可能會產(chǎn)生較大的誤差。因此用 PLC 驅(qū)動步進電機時，為防止步進電機運行時出現(xiàn)失步與誤差，步進電機應在低頻下運行，脈沖信號頻率選為十至幾十赫茲左右，這可以利用程序設計加以實現(xiàn)。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 總體方案設計 14 2 總體方案設計 總體方案確定 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 整個系統(tǒng)由電源、 plc、鍵盤輸入、數(shù)字顯示、步進電機驅(qū)動、 步進電機 以及傳感器 組成。 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng) 由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制。為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動XY 工作臺。 計算機系統(tǒng) 實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點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，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的；二是采用單板機或單片機 控制，這種方法除了要進行軟件開發(fā)外，還要設計硬件電路、接口電路、驅(qū)動電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場中的抗干擾問題。 綜上可得：基于抗干擾性、可靠性、體積等因素分析。第三種方案在實現(xiàn)機電一體化的理想控制裝置等明顯長處，因此通過實踐與深入研究，本文提出了利用 PLC 控制步進電機實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制功能的有關見解與方法，先容了控 P L C 鍵盤輸入 數(shù)字顯 示部分 傳感器 X 軸驅(qū)動電路 Y 軸驅(qū)動電路 電機轉(zhuǎn)動 電機轉(zhuǎn)動 電源 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 總體方案設計 15 制系統(tǒng)研制中需要熟悉與解決的若干題目，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設計思路，對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關機床改造具有較高的應用與參考價值。 基于抗干擾 性、可靠性、體積等因素分析。本課題采用 PLC控制的點位控制技術方案。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、 LED、 I/O 接口、光電偶合電路、步進電機、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。LED 顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。 XY工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙 V形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差， 從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。 考慮電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 16 3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成 本次設計主要以 PLC 為主控芯片，用 LED 顯示，外加上電機驅(qū)動和鍵盤構(gòu)成。 PLC 基礎知識簡介 在自動化控制領域， PLC 是一種重要的控制設備。目前，世界上有 200 多廠家生產(chǎn) 300 多品種 PLC 產(chǎn)品，應用在汽車（ 23%）、糧食加工（ %）、化學 /制藥（ %）、金屬 /礦山（ %）、紙漿 /造紙（ %）等行業(yè)。為了使各位初學者更方便地了解 PLC，本文對 PLC的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應用等基本知識作一簡介，以期對各位網(wǎng)友有所幫助。 PLC 的發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電 子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 Programmable Controller（ PC）。 個人計算機（簡稱 PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC），現(xiàn)在，仍常常將 PLC 簡稱 PC。 PLC 的定義有許多種。國際電工委員會（ IEC）對 PLC 的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在 其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 上世紀 80 年代至 90年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。 PLC 具有通用性強、使 用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。 PLC在工業(yè) 自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的 。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 17 S7200 簡介 S7200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。 S7200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此 S7200系列具有極高的性能 /價格比。 S7200 系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： * 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 * 實時特性 * 強勁的通訊能力 * 豐富的擴展模塊 S7200 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。 S7200 系列 PLC 可 提供 4個不同的基本型號的 8種 CPU 供您使用。 ， （ CPU 221，222 具有 180mA 輸出， CPU 224， CPU 224XP， CPU 226 分別輸出 280， 400mA?？捎米髫撦d電源 ） 。 本次設計選用 cpu226。 本機集成 24輸入 /16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點?？蛇B接 7個擴展模塊，最大擴展至 248 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。 13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。 6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID控制器。 2個 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。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入 /輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 S7200 系列 PLC 是西門子公司的產(chǎn)品，另外，國內(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 VIPA 公司，中國上海正航電子科技有限公司等。 PLC 的輸入輸出通信地址 表 3— 1 PLC 的輸入輸出通信地址 X軸旋轉(zhuǎn)編碼器 A 相 X軸電機驅(qū)動信號 X軸旋轉(zhuǎn)編碼器 B 相 Y軸電機驅(qū)動信號 X軸旋轉(zhuǎn)編碼器復位 X軸電機轉(zhuǎn)動方向驅(qū)動信號 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 18 Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器 A 相 Y軸電機轉(zhuǎn)動方向驅(qū)動信號 Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器 B 相 鍵盤第四行控制 Y軸旋轉(zhuǎn)編碼器復位 鍵盤第三行控制 鍵盤第四列控制 鍵盤第二行控制 鍵盤第三列控制 鍵盤第一行控制 鍵盤第二列控制 LED驅(qū)動 鍵盤第一列控制 LED驅(qū)動 啟動電源 LED驅(qū)動 緊急停車 LED驅(qū)動 X軸正向運行 LED片選 X軸反向運行 LED片選 Y軸正向運行 LED片選 Y軸反向運行 LED片選 復位 步進電機 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn) 過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前 ,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲 目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。 步進電機的應用 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 1. 步距角的選擇 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 19 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有 度 / 度（五相電機）、 度 / 度（二、四相電機）、 度 /3 度 （三相電機）等。 圖 31步距角 2. 靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況 下，靜力矩應為摩擦負載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 3. 電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 綜上所述選擇電機一般應遵循以下步驟： 圖 32 電機 選擇 步驟 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成 20 力矩與功率換算 步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= Ω178。M Ω=2π178。n/60 P=2πnM/60 其 P為功率單位為瓦， Ω 為每秒角速度，單位為弧度， n為每分鐘轉(zhuǎn)速， M為力矩單位為牛頓 178。 米 P=2πfM/400( 半步工作） 其中 f為每秒脈沖數(shù)（簡稱 PPS) 應用中的注意點 1. 步進電機應用于低速場合 每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000 轉(zhuǎn)，（ 度時6666PPS)，最好在 10003000PPS( 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。 2. 步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3. 由于歷史原因，只有標稱為 12V 電壓的電機使用 12V 外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議： 57BYG 采用直流24V36V， 86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流