【正文】 14 第四章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制，主要為兩個(gè)方面：三相繞組的接通與斷開順序控制以及步進(jìn)速度的控制。由于通過控制脈沖個(gè)數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不積累，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 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)用在各種家電產(chǎn)品中，例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。 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。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(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。 2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)溫度過高時(shí)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)；一般來講，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，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有鉗制轉(zhuǎn)矩。比如，當(dāng)人們說 2Nm 的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2Nm 的步進(jìn)電機(jī)。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。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 。、五相的為 176。、三相的為 176。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 176。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān) [5]。而當(dāng) AB 同時(shí)通電時(shí) , 由于兩個(gè)滋力的作用 , 定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次 , 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 176。若 A相斷電 , B 相通電 , 由于磁力的作用 , 轉(zhuǎn)子的齒與定子 BB上的齒對齊 , 轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過 3176。當(dāng) A 相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊時(shí) , B 相磁極上的齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子齒輪 1／ 3齒距角 , C 相磁極齒超前或滯后轉(zhuǎn)子齒 2／ 3 齒距角。 , 轉(zhuǎn)子上沒有繞組 , 只有均勻分布的個(gè) 40 小齒 , 齒槽也是等寬的 , 齒間夾角也是 , 與磁極上的小齒一致。三相步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成三相控制繞組 , 若任一 相繞組通電 , 便形成一組定子磁極。定子鐵芯由電工鋼片疊壓而成。 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 三相六拍步進(jìn)電機(jī)是一典型單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服電機(jī)。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。 2控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 10 常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式有以下三種： ： A B C A 圖 34三相單三拍工作方式時(shí)序圖 ： AB BC CA AB 圖 35三相雙三拍工作方式時(shí)序圖 ： A AB B BC C CA A 圖 36三相六拍工作方式時(shí)序圖 1控制步進(jìn)電機(jī)換向順序 通電換向這一過程稱為脈沖分配。 (4)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。 (1)步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。如圖 33 所示： 圖 33定子磁極和轉(zhuǎn)子齒分度 電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。定子的每對極上都繞有一對繞組，構(gòu)成一 相繞組，共三相稱為 A、 B、 C相。 三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 圖 31 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。 定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。兩相步進(jìn)角一般分為 度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 2）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 度，但噪聲和振動都很大。步進(jìn)電機(jī)的種類很多，按結(jié)構(gòu)可以分為反應(yīng)式、永磁式及混合式步進(jìn)電機(jī)三類，按相數(shù)分則可以分為單相、兩相和多相三種 [7]。 ⑴ 開關(guān)量的邏輯控制 ⑵ 模擬量控制 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 ⑶ 運(yùn)動控制 ⑷ 過程控制 ⑸ 數(shù)據(jù)處理 ⑹ 通信及聯(lián)網(wǎng) 8 第三章步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇 步進(jìn)電動機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。這很適合多品種、 小批量的生產(chǎn)場合。 ⑷ 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。 ⑶ 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時(shí)間則更長。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 這時(shí)，才是 PLC的真正輸出。 (三 ) 輸出刷新階段 6 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右 、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 PLC 的工作原理 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。 ③ 電源模塊 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。 除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 常用的 I/O分類如下： 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 ② I/O 模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。寄存器參與運(yùn)算，并存儲運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。 在使用者看來，不必要詳細(xì)分析 CPU 的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。 CPU 主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān) 電路。 ① CPU 的構(gòu)成 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC 至少有一個(gè) CPU，它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體?！? PLC 的組成 PLC 的構(gòu)成： PLC 的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機(jī)、輸入 /輸出接口、電源擴(kuò)展器接口和外部設(shè)備接口等幾個(gè)主要部分組成。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 即可編程控制器（ Programmable logic Controller，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 PLC 是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是 PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識，而是采用了一套以 繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。但由于 PC 容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（ Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用 PLC 作為可編程序控制器的縮寫。 號開關(guān)控制其轉(zhuǎn)向 ( ON 為正轉(zhuǎn)， OFF 為反轉(zhuǎn) )。 號開關(guān)控制其低速運(yùn)行 (轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角需 s)。甚至還可以利用更少的開關(guān)來控制，但為了使得本設(shè)計(jì)更加直觀 和易讀，故采用七個(gè)控制開關(guān)?？梢酝ㄟ^對幾個(gè)開關(guān)按鈕的控制來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的方向，以及對高、中、低速的控制。今后 步進(jìn)電機(jī)的總體發(fā)展趨勢是向著低功耗、高頻率精度、多功能、高度自動化和智能化的方向發(fā)展。對步進(jìn)電機(jī)的傳統(tǒng)控制通常完全由硬件電路搭接而成。 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)發(fā)展的趨勢 時(shí)至今日，軟件以及電子設(shè)備等相關(guān)技術(shù)都有了長足發(fā)展。 PLC 在工業(yè)方面的應(yīng)用水平已逐步成為一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。 PLC 的控制具有高可靠性、高性價(jià)比。 當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會，電子技術(shù)的進(jìn)步，給現(xiàn)代工業(yè)帶來了質(zhì)的提升。此外還有扭矩的問題，當(dāng)轉(zhuǎn)動 過慢時(shí)，即使細(xì)分也無法達(dá)到應(yīng)有的扭矩，這都是控制時(shí)遇到的問題。 這僅僅是低速時(shí)的細(xì)分問題。這種控制方法的精度不但較低，且成本較高。因?yàn)楦呔鹊膶?shí)時(shí)演算需要較高性能的 DSP芯片，成本較高。 PLC adopts photoelectric isolation and filtering techniques effective inhibitory effects of external interference on PLC technology, and PLC can also be in a strong, mon good。 關(guān)鍵詞： PLC控制；可編程序控制器；三相六拍；步進(jìn)電機(jī)；電機(jī)正反轉(zhuǎn) Abstract： Programmable logic controllers (Programmable Logic Controller), referred to as PLC, relay sequence control is developed on the basis of the microprocessor as the core of General Industrial Automation control of appliance. With the rapid development of electronic technology and puter technology, PLC of more and more powerful and more with puter capabilities, also referred to as PC (PROGRAMMABLE CONTROLLER), but in order not to confuse and PERSONAL COMPUTER, is still used to referred to as PLC. Current PLC has been in intelligence, working has made a very good development, and today is already a SOFTPLC, but also unlimited prospects for development of the field of PLC. PLC controller is based on modern microprocessor technology as the core, as a general purpose industrial controller, its high reli