【正文】 種控制方法有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：可以實(shí)現(xiàn)高精度的控制，降低成本，降低控制難度，簡化控制電路等。 本設(shè)計(jì)的目的及控制要求 本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容是以西門子 S7200 系列 PLC（可編程邏輯控制器）為核心控制步進(jìn)電機(jī)，及其相關(guān)外圍電路組成的控制電路設(shè)計(jì)。比如用兩個開關(guān)分別控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，兩個開關(guān)分別控制電機(jī)啟動和停止，三個開關(guān)分別控制電機(jī)的高中低轉(zhuǎn)速，使得步進(jìn)電機(jī)的控制更加簡便。此外，本設(shè)計(jì)更加便于實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的自動化控制如圖 11所示： 2 （ 1）三相步進(jìn)電動機(jī)有三個繞組 : A、 B、 C 正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?A→ AB→ B→ BC→ C→ CA 反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)椋?A→ CA→ C→ BC→ B→ AB （ 2）用 5 個開關(guān)控制其工作 開關(guān)控制其運(yùn)行 ( 啟 / 停 )。 號開關(guān)控制其高速運(yùn)行 (轉(zhuǎn)過一個步距角需 s)。 為 A 相輸出 為 B 相輸出 為 C 相輸出 圖 11步進(jìn)電機(jī)的自動化控制 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) 3 第二章 PLC控制系統(tǒng) PLC的定義 可編程序控制器，英文稱 Programmable Controller，簡稱 PC。它是一個以微處理 器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時 /計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶在購到所需的 PLC 后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將 PLC 應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐 [1]。在 1987 年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC做了如下定義： “ PLC 是一種專門為在 工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 PLC 的硬件 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示： 4 圖 21PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。模塊式 PLC 包括CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC 不可缺少的組成單元。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度， IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 I/O 模塊集成了 PLC 的I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。 I/O 分為開關(guān)量輸入（ DI），開關(guān)量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊 [12]。 模擬量：按信號類型分，有電流型（ 420mA,020mA）、電 壓（ 010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 按 I/O 點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。同時，有的還為輸入電路提供24V 的工作電源。 ④ 底板或機(jī)架 大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體 [2]。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。 (一 ) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次 地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。 (二 ) 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。 即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線 圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在此期間， CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。 PLC 的特點(diǎn) ⑴ 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。例如三菱公 司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達(dá) 30 萬小時。從 PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。 ⑵ 配套齊 全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。它接口容易 ，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。 ⑸ 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。 PLC 的運(yùn)用領(lǐng)域 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類 [3]。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確 定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；通過改變通電順序，從而達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。 1）永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度或 15 度。 3）混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相。 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。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。而方向由繞組通電的順序決定。 定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。 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) 9 圖 32三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng) A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對應(yīng)時， B 相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開 1/3 齒距， C 相則錯開2/3 齒距 [8]。而方向由繞組通電的順序決定。 (2)由 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器電路組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既非常簡單、廉價(jià)，又非常可靠。 (3)步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 (5)步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流和直流電源。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?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[5]。 3控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步 進(jìn)電機(jī)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。調(diào)整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。其結(jié)構(gòu)原理圖它與普通電機(jī)一樣 , 分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分 , 其中定子又分為定子鐵芯和定子繞組。定子繞組繞制在定子鐵芯上 , 六個均勻分布齒上的線圈 , 在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起 , 構(gòu)成一相控制繞組。在定子的每個磁極上 , 即定子鐵芯上的每個齒上開了五個小齒 , 齒槽等寬 , 齒間夾角為 9176。此外 , 三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開 1／ 3齒距 ,。 圖 37三相六拍步進(jìn)電機(jī) 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的工作原理；當(dāng) A 相繞組通電時 , 轉(zhuǎn)子的齒與 定子 AA 上的齒對齊。 , 如果控制線路不停地按 A ACB ??? 的循環(huán)順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通電、斷電 , 步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)子便不停地順時針轉(zhuǎn)動 , 這是三相三拍。原理與三相三拍相同 ,從而形成三相六拍 , 其通電順序?yàn)椋? 數(shù) 12 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。 /176。 /176。 /176。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn) 電機(jī)來滿足自己步距角的要求。 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。 鉗制轉(zhuǎn)矩是指 步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。 步進(jìn)電機(jī)主要特點(diǎn) 1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。 3） 步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)有加速過程，即啟動頻率較低， 然后按一定加速度升到所希望的高頻。另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中。還可以通過控制頻率很方便的改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，達(dá)到任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中 [6]。即：正轉(zhuǎn)順序： A— AB— B— BC— C— CA— A；反轉(zhuǎn)順序： A— AC— C— CB— B— BA— A 以及每個步距角 (每個箭頭 )的行進(jìn)速度。 由上述具體控制要求，可作出步進(jìn)電機(jī)在起動運(yùn)行時的程序框圖，如圖 1 所示。然后，將各模塊進(jìn)行連接，最后經(jīng)過調(diào)試、完善、實(shí)現(xiàn)控制要求 [9]。 控制步進(jìn)電機(jī)的歌輸入開關(guān)及控制 A,B,C 三相繞組工作的輸出端在 PLC 中的 I/O 編址如表 21所示。每右移 1位，電機(jī)前進(jìn)一個步距角，據(jù)此，可作出位移寄存器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)繞組的狀態(tài)真值表，從而得出三相繞組的控制邏輯關(guān)系式； 正轉(zhuǎn)時 A相 =++ B相 =++ C相 =++ 反轉(zhuǎn)時 A相 =++ B相 =++ C相 =++ 位移寄存器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表 表 42 位移寄存器 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) A B C A B C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 I／ O 分配 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) 17 圖 44 硬件連接線路圖 圖 45 三相電動機(jī)控制電路 根據(jù)程序模塊及三相繞組的控制邏輯關(guān)系，即可編寫出梯形圖控制程序，如圖 2所示。 必須注意，在進(jìn)行各模塊的連接時，應(yīng)充分考慮各模塊功能之間的 聯(lián)鎖關(guān)系、 CPU 串行掃描的工作方式對各指令執(zhí)行結(jié)果的影響以及可隨時進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換和步進(jìn)變速的要求。 18 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) 19 20 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) 21 圖 42 步進(jìn)電機(jī)梯形圖控制程序 22 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) 23 24 圖 43控制語句表