【正文】 ：1. 步進(jìn)電機(jī)的啟停控制2．步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制3. 步進(jìn)電機(jī)的加速控制4. 步進(jìn)電機(jī)的減速控制5. 步進(jìn)電機(jī)通電方式改變的控制第2章 PLC及步進(jìn)電機(jī)的概述 PLC的基本概念可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC。 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。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)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(guò)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(guò)程?！?PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖所示： 　　a. 中央處理單元(CPU) 　　中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。 　　為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對(duì)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)。 　　b、存儲(chǔ)器 　　存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 　　C、電源 　　PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。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。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。近年來(lái)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。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。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)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。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(chǔ)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(lái)。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。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。從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動(dòng)電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一。2．與微機(jī)的連接、速度控制（啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。4．停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。6．即使沒(méi)有傳感器，也能精確定位。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)。11．超過(guò)負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的控制反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，是一種傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)，由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過(guò)與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相的反應(yīng)式步進(jìn)機(jī)居多。圖22 四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖22是一臺(tái)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。各個(gè)磁極上套有線圈，徑向相對(duì)的兩個(gè)磁極上的線圈是一相。根據(jù)工作要求，定子小齒的齒距必須等于轉(zhuǎn)子小齒的齒距，且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定限制。為轉(zhuǎn)子小齒數(shù)。設(shè)電機(jī)為四相四拍通電方式。因?yàn)檗D(zhuǎn)子共有50個(gè)齒極，每個(gè)齒距角，定子一個(gè)極距所對(duì)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為，不是整數(shù)，因此當(dāng)AA’極下的定、轉(zhuǎn)子齒軸線對(duì)齊時(shí)，相鄰的兩對(duì)磁極BB’和DD’極下的齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯(cuò)開1/4齒距角，即。 如果斷開A相而接通B相，產(chǎn)生沿BB’極軸線方向的磁通，同樣在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)，是轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極BB’下的齒軸線對(duì)齊。以此類推，控制繞組按A→B→C→D→A…的順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊竭B續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 0 圖23 A相通電時(shí)定、轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置 顯然，如果要使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，只要改變通電順序，即按A→D→C→B→A…的順序循環(huán)通電時(shí)，則轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，步距角同樣為1/4齒距角，即。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式為四相雙四拍時(shí)，當(dāng)AB→BC→CD→DA→AB…方式通電時(shí)，步距角與四相單四拍運(yùn)行時(shí)一樣，為1/4齒距角，即。 N——拍數(shù)。若步進(jìn)電機(jī)所加的通電脈沖頻率為f，則其轉(zhuǎn)速為：……………………………………………………（24）由于在一個(gè)通電循環(huán)內(nèi)控制脈沖的個(gè)數(shù)為N（拍數(shù)），而每相繞組的供電脈沖個(gè)數(shù)卻只有一個(gè)，因此定子相繞組的供電頻率為：可見，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不失步、不丟步的前提下，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角與電壓、負(fù)載、濕度等因素?zé)o關(guān)，因而步進(jìn)電機(jī)可直接采用開環(huán)，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)子小齒為80個(gè)，因此齒距角。三相單三拍的通電順序?yàn)锳→B→C→A…,不斷接通與斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1/3齒距角，即。當(dāng)運(yùn)行方式改為三相單雙六拍時(shí)，通電方式為A→AB→B→BC→C→CA→A…,即單相通電與兩相通電相間，步距角為三相單三相運(yùn)行時(shí)的一半，即。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，其通電方式應(yīng)該為A→AC→C→CB→B→BA→A…,其步進(jìn)角與正轉(zhuǎn)相同。當(dāng)其反轉(zhuǎn)時(shí)，通電方式改變?yōu)锳B→AC→CB→BA…。鍵盤控制模塊包括啟動(dòng)鍵、停止鍵、點(diǎn)動(dòng)控制鍵、速度控制鍵、方向控制鍵和步進(jìn)電機(jī)通電方式改變的控制。 數(shù)碼顯示模塊采用共陽(yáng)極數(shù)碼管來(lái)動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度。PLC的Y3Y6端口提供數(shù)碼管的段選信號(hào)，PLC的Y7Y10端口控制數(shù)碼管的位選信號(hào)。由于本設(shè)計(jì)中采用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，因此需要采用三支完全相同的驅(qū)動(dòng)電路分別控制電機(jī)兩相繞組的電流，而由PLC的Y0、Y1和Y3端口分別提供控制兩相繞組的脈沖信號(hào)。圖31總體設(shè)計(jì)框圖 說(shuō)明如下：，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。，控制數(shù)碼管顯示。鍵盤實(shí)質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。機(jī)械開關(guān)應(yīng)接到PLC的開關(guān)量輸入接口進(jìn)行開關(guān)控制，PLC的開關(guān)量輸入接口的作用是把現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量信號(hào)變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 圖32直流輸入單元 圖33 交流輸入單元從圖中可以看出，輸入接口中都有濾波電路及耦合電路。圖中輸入口的電源部分都畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般單元式可編程控制器中，輸入口都使用可編程本機(jī)的直流電源供電，不再需要外接電源 。一個(gè)電壓信號(hào)在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般為5—10ms；兩次抖動(dòng)之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時(shí)間由按鍵動(dòng)作所決定；第一次抖動(dòng)前和第二次抖動(dòng)后為斷開狀態(tài)。通過(guò)對(duì)輸出電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個(gè)按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時(shí)，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。消除按鍵抖動(dòng)通常采用硬件、軟件兩種方法。其原理是在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍 圖34 按鍵接線圖 保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。按照電流流過(guò)的方向是單向還是雙向的，可以把功率放大電路分為雙極性驅(qū)動(dòng)電路和單極性驅(qū)動(dòng)電路兩類。驅(qū)動(dòng)電路的功率器件可以選用功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）或IGBT，還可以選用集成功率