【正文】 (及步進角 )。同時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，現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（ VR)、永磁式步進電機 (PM),混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為，但噪聲和振動都很大。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。這種步進電機的應用最為廣泛。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為(表示半步工作時為 、整步工作時為 )，這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。電機 相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為、三相的為 、五相的為 。如果使用細分驅****大學畢業(yè)設計 第 2 頁 共 59 頁 動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。比如，當人們說 2 N m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為 2 N m的步進電機。 。一般來講，磁性材 料的退磁點都在 130? C 以上，有的甚至高達 200? C 以上，所以步進電機外表溫度 80? C90? C 完全正常。 ，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢 。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。介紹步進電機的一個技術參數(shù) :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，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻 (電機轉速從低速升到高速 )。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高， 步進電機將會在更多的領域得到應用。目前， PLC 已被廣泛應用于各種生產機械和生****大學畢業(yè)設計 第 3 頁 共 59 頁 產過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業(yè)控制裝置，被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（ PLC、機器人、 CAD\CAM）之一。我國的 PLC 研蘭云芳 (294404413) 2 制、生產、和應用也發(fā)展的很快，尤其在應用方面更為突出。 PLC 可靠性高，抗干擾能力強，其平均無故障時間可達幾十萬個小時，之所以有這么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施；其次 PLC 編程簡單、使用方便，目前大多數(shù) PLC 采用的編程語言是梯形圖語言，梯形圖與電器控制線路相似，形象、直觀，不需要掌握計 算機知識，很容易被廣大工程技術人員掌握；然后 PLC 功能完善、通用性強、設計安裝簡單、維護方便；最后， PLC 采用了集成電路，其結構緊湊、體積小、能耗低，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。隨著 PLC 性價比的不斷提高，其應用領域還將不斷擴大。 問題的提出 二十一世紀的 今天，電動機在工農業(yè)生產、人們 日常 生活中起著十分重要的作 用。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一 , 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以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。尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會長期積累 的特點 ，給實際的應用帶來了很大的方便。研究步進電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。 設計目的及系統(tǒng)功能 本 設計的目的是以單片機為核心設計出一個 步進電機控制 系統(tǒng)。 通過本課題，一方面我們在查閱資料的基礎上，了解 FX2N 系列 PLC 控制的一些基本技術，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實現(xiàn) 方法 ,能對 PLC 外圍電路設計進行系統(tǒng)學習與掌握；另一方面 ， 通過設計 步進電機 控制系統(tǒng) 的硬件電路，控制程序和相應的電路圖， 以此培養(yǎng)自己的自學和動手能力，從而 為 今后參加工作或進一步深造打下良好的基礎。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。但是為了避免與個人計算機 (Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱 PLC。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(shù)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。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。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)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停 止運行。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC 的制造商對電源的設計和制造也十分重視。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)中的相應得單元內。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，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)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(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)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。 （ 4） PLC 的構成 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(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。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制****大學畢業(yè)設計 第 8 頁 共 59 頁 器指揮下工作。 CPU 速度和內存容量是 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。 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(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 底板或機架 大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是 ：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU 能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。小編程器 PLC 一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。 2） 人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員 終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。因此，網絡在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出 網絡就是控制器 的觀點說法。多數(shù)PLC 具有 RS232 接口，還有一些內置有支持各自通信協(xié)議的接口。 PLC 控制系統(tǒng)的設計基本原則 ⑴ 最大限度的滿足被控對象的控制要求。 ⑶ 保證控制系統(tǒng)安全可靠。 PLC 軟件系統(tǒng)及常用編程語言 PLC 軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)軟件由 PLC 廠家提供并已固化在 EPROM 中，不能直接存取和干預。 STEP7 是用于 SIMATIC 可編程邏輯控制器組****大學畢業(yè)設計 第 10 頁 共 59 頁 態(tài)和編程的標準軟件包，也就是用戶程序，我們就是使用 STEP7 來進行硬件組態(tài)和邏輯程序編制，以及邏輯程序執(zhí)行結果的在線監(jiān)視。 2） 梯形圖中接點（觸點）只有常開和常閉，接點可以是 PLC 輸入點接的開關也可以是 PLC 內部繼電器的接點或內部寄存器、計數(shù)器等的狀態(tài)。 4） 內部繼電器、計數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能做中間結果供 CPU 內部使用。 語句表語言，類似于匯編語言。 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(shù)百甚至數(shù)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 ****大學畢業(yè)設計 第 11 頁 共 59 頁 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(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)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(shù)瓦。 PLC 的應用領域 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。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（ Analog）****大學畢業(yè)設計 第 12 頁 共 59 頁 和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉換及 D/A 轉換。 ⑶ 運動控制 PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。 ⑷ 過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。 PID 調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。 ⑸ 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型 控制系統(tǒng)。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各 PLC廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。 PLC 未來展望 21 世紀， PLC會有更大的發(fā)展。目前的計算機集散控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。 步進電機 步進電機概述 步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機。多相步進電動機有多相方波脈沖驅動，用途很廣。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通 電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。從 20 世紀 80年代開始開發(fā)出了專用的 IC 驅動電路，今天，在打印機、磁盤器等的 OA 裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成 部分之一。 ****大學畢業(yè)設計 第 14 頁 共 59 頁 2．與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。 4．停止時也可保持轉距。 6．即使沒有傳感器，也能精確定位。但是，這種電機也有自身的