【文章內(nèi)容簡介】 脈沖頻率 )成正比 ，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序 ， 便可控制步進(jìn)電機的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向 [10]。 PLC 直接控制步進(jìn)電機系統(tǒng)由 PLC 和步進(jìn)電機組成 ， PLC 具有實時刷新技術(shù) ， 輸出信號的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高 ， 使得脈沖分配能有很高的分配速度 ， 充分利用步進(jìn)電機的速度響應(yīng)能力 ， 提高整個系統(tǒng)的快速性。并且 ， PLC 有采用大功率晶體管的輸出端口 ， 能夠滿足步進(jìn)電機各相繞組數(shù) 10V 級脈沖電壓、1A 級脈沖電流的 驅(qū)動要求 [11]。 有以上步進(jìn)電機的工作原理以及工作方式我們可以看出： 控制步進(jìn)電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子 PLC 本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為 10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動機的要求。對 PLC 提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的 PLC 最好是具有實時刷新技術(shù)的 PLC， 使輸出信號的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度 ， 充分利用步進(jìn)電機的速度響應(yīng)能力 ， 提高整個系統(tǒng)的快速性。二是 PLC 本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管 ， 以滿足步進(jìn)電機各相繞組數(shù)十伏 脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求 [12]。 如下圖所示 ： 圖 24 步進(jìn)電機的 PLC 直接控制 PLC 步進(jìn)電機 輸入信號 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 10 本章小結(jié) 本章闡述了步進(jìn)電機的主要特點與工作原理 ，并介紹了 PLC 的發(fā)展?fàn)顩r以及PLC 技術(shù)在步進(jìn)電機控制中所發(fā)揮的巨大作用。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 11 第 3 章 PLC 控制步進(jìn)電機工作方式的選擇 常見的步進(jìn)電機的工作方式 常見的步進(jìn)電機的工作方式有以下三種 ： ： A B C A 圖 31 三相單三拍工作方式時序圖 拍： AB BC CA AB 圖 32 三相雙三拍工作方式時序圖 ： A AB B BC C CA A 圖 33 三相六拍工作方式時序圖 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 12 步進(jìn)電機 控制原 理 控制步進(jìn)電機換向順序 通電換向這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機的三相三拍工作方式，其各相通電順序為 ABCD， 通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、B、 C、 D 相的通斷。 控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機正 轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。 控制步進(jìn)電機的速度 如果給步進(jìn)電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機進(jìn)行調(diào)速。 PLC 控制 步進(jìn)電機的方法 在本設(shè)計中直接使用 PLC 控制步進(jìn)電機，可使用 PLC 產(chǎn)生控制步進(jìn)電機所需要的各種時序的脈沖。三相步進(jìn)電機可采用三種工作方式：三相單三拍，三相雙三拍，三相單六拍。 這三種方式的主要區(qū)別是 :電機繞組的通電、放電時間不同。工作方式是單三拍時通電時間最短， 雙三拍時允許放電時間最短，六拍時通電時間和放電時間最長。因此，同一脈沖頻率時，六拍的工作方式出力最大。而且，電機是三拍的工作方式時，其分辨率為 3 度，六拍的工作方式時，分辨率是 度。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進(jìn)電機的運行特性好，步進(jìn)電機分辨率最高 。 可根據(jù)步進(jìn)電機的工作方式，以及所要求的頻率（步進(jìn)電機的速度），畫出 A、B、 C 各相的時序圖。并使用 PLC 產(chǎn)生各種時序的脈沖。例如：本設(shè)計采用西門子S7300PLC 控制三相步進(jìn)電機的過程。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 13 圖 34 三相單六拍正向 時序圖 PLC 控制步進(jìn)電機的設(shè)計思路 步進(jìn)電機控制方式 典型的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)如圖所示： 圖 35 典型的步進(jìn)電機控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件 ， 每當(dāng)對其施加一個電脈沖時 ， 其輸出轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進(jìn)電機的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比 ， 其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù) (即脈沖頻率 )成正比 ， 其轉(zhuǎn)向與脈沖分配 到步進(jìn)電機的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的順序 ， 便可控制步進(jìn)電機的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機 :從廣義上講，步進(jìn)電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動機。 步進(jìn)電機的控制和驅(qū)動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為 :普通集成電路控制、單片機控制、 工業(yè)控制機控制、可編程控制器控制等幾種 ； 按照控制結(jié)構(gòu)可分為 :硬脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu) (硬 硬結(jié)構(gòu) )、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu) (軟 軟結(jié)構(gòu) )、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu) (軟 硬結(jié)構(gòu) )。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 14 1． 硬 —— 硬結(jié)構(gòu) 如圖 所示，這種步進(jìn)電機的控制驅(qū)動系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動器組成。這種控制驅(qū)動方式運行速度比較快，但是電路復(fù)雜，功能單一。 2． 軟 —— 軟結(jié)構(gòu) 如圖 所示，這種步進(jìn)電機的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器 都有微處理器或微控制器通過編程實現(xiàn)。用單片機、工業(yè)控制機、普通個人計算機、可編程序控制器控制步進(jìn)電機一般均可采用這種結(jié)構(gòu)。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，但是占用 CPU 時間多，給微處理器運行其他工作造成困難。 3． 軟 —— 硬結(jié)構(gòu) 如圖 所示，這種步進(jìn)電機的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅(qū)動器組成。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片 (如 8713 芯片 )來實現(xiàn)通電換相控制的。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，同時占用 CPU 時間較少，用可編程控制器全部實現(xiàn)了控 制器和驅(qū)動器的功能。在PLC 中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對步進(jìn)電機進(jìn)行并行控制，并且由 PLC 輸出端口直接驅(qū)動步進(jìn)電機。如圖 所示，這是一種軟 軟結(jié)構(gòu)，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序?qū)崿F(xiàn)。 圖 36 硬硬結(jié)構(gòu)控制 圖 37 軟軟結(jié)構(gòu)控制 圖 38 軟硬結(jié)構(gòu)控制 西門子 PLC 控制步進(jìn)電機 由以上步進(jìn)電機的工作原理以及工作方式我們可以看出： 控制步進(jìn)電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子 PLC 本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的 頻率最大為 10KHz，能夠滿足步東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 15 進(jìn)電動機的要求。對 PLC 提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的 PLC 最好是具有實時刷新技術(shù)的 PLC， 使輸出信號的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度 ， 充分利用步進(jìn)電機的速度響應(yīng)能力 ， 提高整個系統(tǒng)的快速性。二是 PLC 本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管 ， 以滿足步進(jìn)電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。 對輸入電機的相關(guān)脈沖控制 ， 從而達(dá)到對步進(jìn)電機三相繞組的 48V 直流電源的依次通、斷 ， 形成旋轉(zhuǎn)磁場 ， 使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動。 本章小結(jié) 本章說明了三相 步進(jìn)電機幾種常見的工作方式，即三相單三拍，三相雙三拍和三相六拍。闡述了步進(jìn)電機的控制原理，以及 PLC 控制步進(jìn)電機運行的方法。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 16 第 4 章 S7— 300 控制步進(jìn)電機硬件設(shè)計 S7— 300 的介紹 PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。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)運行，直到停止運行。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可 靠 性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 PLC 常用的存儲器類型： 1） RAM 這是一種讀 /寫存儲器 (隨機存儲器 )，其存取速度最快，由鋰電池支持。 2） EPROM 這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。 3） EEPROM 這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用 編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進(jìn)行修改。 空間的分配： 雖然各種 PLC 的 CPU 的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù) PLC 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： 1） 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 2） 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)（包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等） 3） 用戶程序存儲區(qū) 系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 17 程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在 EPROM 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 的性能。 系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)：系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設(shè)備，如：邏輯線圈 、 數(shù)據(jù)寄存器 、 計時器 、 計數(shù)器 、 變址寄存器 、 累加器等存儲器。 1） I/O 映象區(qū)：由于 PLC 投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲單元 (RAM)以存放 I/O 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作 I/O 映象區(qū)。一個開關(guān)量 I/O 占用存儲單元中的一個位（ bit），一個模擬量 I/O 占用存儲單元中的一個字（ 16 個 bit）。因此整個 I/O 映象區(qū)可看作兩個部分組成：開關(guān)量I/O 映象區(qū)；模 擬量 I/O 映象區(qū)。 2） 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) ：除了 I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC 斷電時，由內(nèi)部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失。 CPU313C 集成有 3 個用于高速計數(shù)或高頻脈沖輸出的特殊通道， 3 個通道位于 CPU313C 集成數(shù)字量輸出點首位字節(jié)的最低三位，這三位通常情況下可以作為普通的數(shù)字量輸出點來使用。在需要高頻脈沖輸出時，可通過硬件設(shè)置定義這三位的屬性 ，將其作為高頻脈沖輸出通道來使用。作為普通數(shù)字量輸出點使用時，其系統(tǒng)默認(rèn)地址為 、 、 （該地址用戶可根據(jù)需要自行修改），作為高速脈沖輸出時，對應(yīng)的通道分別為 0 通道、 1 通道、 2 通道（通道號為固定值，用戶不能自行修改）。每一通道都可輸出最高頻率為 （周期為 ）的高頻脈沖。 CPU313C 中， X2 前接線端子 2 2 24 號接線端子分別對應(yīng)通道0、通道 和通道 2。另外，每個通道都有自己的硬件控制門， 0 通道的硬件門對應(yīng) X2 前接線端子的 4 號接線端子，對應(yīng)的輸入點默認(rèn)地 址為 。 1 通道硬件門 7 號接線端子，對應(yīng)的輸入點默認(rèn)地址為 ，而 2 號通道硬件門為 12 號接線端子，對應(yīng)的輸入點默認(rèn)地址為 。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 18 圖 41 CPU313C 的結(jié)構(gòu) 西門子 PLC 應(yīng)用中需要注 意的 問題 1） 溫度： PLC 要求環(huán)境溫度在 0 ℃～ 55 ℃ ， 安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面 ， 四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。 2） 濕度：為了保證 PLC 的絕緣性能 ， 空氣的相對濕度應(yīng)小于 85%( 無露珠 ) 。 3） 震動：應(yīng)使 PLC 遠(yuǎn)離強烈的震動源 ， 防止振動頻率為 10 Hz～ 55Hz 的頻繁或連續(xù)振動。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動時 ， 必須采取減震措施 ， 如采用減震膠等。 4） 空氣：避免有腐蝕和易燃的氣體 ， 如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境 ， 可將 PLC 安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。