【正文】 種控制方法有很多優(yōu)點，比如：可以實現高精度的控制，降低成本，降低控制難度，簡化控制電路等。 本設計的目的及控制要求 本設計的主要研究內容是以西門子 S7200 系列 PLC（可編程邏輯控制器）為核心控制步進電機，及其相關外圍電路組成的控制電路設計。比如用兩個開關分別控制電機正反轉，兩個開關分別控制電機啟動和停止，三個開關分別控制電機的高中低轉速，使得步進電機的控制更加簡便。此外，本設計更加便于實現對步進電機的自動化控制如圖 11所示： 2 （ 1）三相步進電動機有三個繞組 : A、 B、 C 正轉通電順序為： A→ AB→ B→ BC→ C→ CA 反轉通電順序為： A→ CA→ C→ BC→ B→ AB （ 2）用 5 個開關控制其工作 開關控制其運行 ( 啟 / 停 )。 號開關控制其高速運行 (轉過一個步距角需 s)。 為 A 相輸出 為 B 相輸出 為 C 相輸出 圖 11步進電機的自動化控制 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設計 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 器為核心的數字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時 /計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。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 應用于生產實踐 [1]。在 1987 年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的 PLC標準草案中對 PLC做了如下定義： “ PLC 是一種專門為在 工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。 PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 PLC 的硬件 系統(tǒng)結構如圖 21 所示： 4 圖 21PLC的硬件系統(tǒng)結構 從結構上分， 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、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。內存主要用于存儲程序及數據，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。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內存容量是 PLC 的重要參數，它們決定著 PLC 的工作速度， IO 數量及軟件容量等，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)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。 I/O 分為開關量輸入（ DI），開關量輸出（ 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 點數確定模塊規(guī)格及數量， I/O 模塊可多可少，但其最大數受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。同時，有的還為輸入電路提供24V 的工作電源。 ④ 底板或機架 大多數模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使 CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體 [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)和數據，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應得單元內。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數據也不會改變。 (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，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內的狀態(tài)和數據不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內的狀態(tài)和數據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線 圈的狀態(tài)或數據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)內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。 PLC 的特點 ⑴ 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。例如三菱公 司生產的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達 30 萬小時。從 PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。在應用軟件中，應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 以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。 ⑵ 配套齊 全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品。除了邏輯處理功能以外，現代 PLC 大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(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人員接受。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。 ⑸ 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數瓦。 PLC 的運用領域 目前， PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、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，其轉子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數量和脈沖頻率成正比，通過控制脈沖數量來控制角位移量，從而達到準確 定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的；通過改變通電順序，從而達到改變電機旋轉方向的目的。 1）永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 度或 15 度。 3）混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，它又分為兩相和五相。 三相反應式步進電機的結構如圖 31 所示。定子的每對極上都繞有一對繞組，構成一相繞組，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 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設計 9 圖 32三相步進電機的結構 在定子磁極和轉子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當的齒數配合，當 A相磁極的小齒與轉子小齒一一對應時， B 相磁極的小齒與轉子小齒相互錯開 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 步進電機與驅動器電路組成的開環(huán)數字控制系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非?？煽俊? (3)步進電機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉及變速。 (5)步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流和直流電源。例如：三相步進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控制步進電機的速度 如果給步 進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。調整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。其結構原理圖它與普通電機一樣 , 分為定子和轉子兩部分 , 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在一起 , 構成一相控制繞組。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 37三相六拍步進電機 三相六拍步進電機的工作原理；當 A 相繞組通電時 , 轉子的齒與 定子 AA 上的齒對齊。 , 如果控制線路不停地按 A ACB ??? 的循環(huán)順序控制步進電機繞組的通電、斷電 , 步進電機的 轉子便不停地順時針轉動 , 這是三相三拍。原理與三相三拍相同 ,從而形成三相六拍 , 其通電順序為： 數 12 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。 步進電機的相數是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。 /176。 /176。 /176。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進 電機來滿足自己步距角的要求。 保持轉矩是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。由于步進電機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，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。 鉗制轉矩是指 步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。 步進電機主要特點 1）一般步進電機的精度為步進角的 35%，且不累積。 3） 步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機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，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應有加速過程，即啟動頻率較低， 然后按一定加速度升到所希望的高頻。另外步進電機也廣泛應用于各種工業(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電機的轉速和加速度，達到任意調速的目的，因此步進電機可以廣泛的應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中 [6]。即：正轉順序： A— AB— B— BC— C— CA— A；反轉順序： A— AC— C— CB— B— BA— A 以及每個步距角 (每個箭頭 )的行進速度。 由上述具體控制要求，可作出步進電機在起動運行時的程序框圖，如圖 1 所示。然后，將各模塊進行連接，最后經過調試、完善、實現控制要求 [9]。 控制步進電機的歌輸入開關及控制 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，電機前進一個步距角，據此，可作出位移寄存器輸出狀態(tài)及步進電機正反轉繞組的狀態(tài)真值表，從而得出三相繞組的控制邏輯關系式； 正轉時 A相 =++ B相 =++ C相 =++ 反轉時 A相 =++ B相 =++ C相 =++ 位移寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表 表 42 位移寄存器 正轉 反轉 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 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設計 17 圖 44 硬件連接線路圖 圖 45 三相電動機控制電路 根據程序模塊及三相繞組的控制邏輯關系，即可編寫出梯形圖控制程序，如圖 2所示。 必須注意，在進行各模塊的連接時，應充分考慮各模塊功能之間的 聯鎖關系、 CPU 串行掃描的工作方式對各指令執(zhí)行結果的影響以及可隨時進行正反轉切換和步進變速的要求。 18 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設計 19 20 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設計 21 圖 42 步進電機梯形圖控制程序 22 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進電機的控制系統(tǒng)設計 23 24 圖 43控制語句表