最新PLC五相十拍步进电动机正反转与速度控制.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-datePLC五相十拍步进电动机正反转与速度控制内容摘要第1章引言1.1设计内容：用PLC控制五相2/3十拍步进电动机正反转与速度。1.2控制要求：1.2.1五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E ,正转通电顺序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB反转通电顺序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB1.2.2用五个开关控制其工作：1号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。2号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 s)。3号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 s)。4号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.03 s)。5号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。1.3设计思路对定时器进行不同的时间定时控制其速度。通过定时器定时通、断电使步进电机不同绕组通、断电，实现步进电机的正反转。第2章 可编程控制器2.1 PLC的工作原理 PLC 英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。PLC采用循环扫描的工作方式，即顺序扫描，不断循环这种工作方式是在系统软件控制下进行的。当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编写好并存于用户存储器中的程序，按序号作周期性的程序循环扫描，程序从第一条指令开始，逐条顺序执行用户的程序直到程序结束。然后重新返回第一条指令，再开始下一次扫描；如此周而复始。实际上，PLC扫描工作除了执行用户程序外，还要完成其他工作，整个工作过程分为自诊断、通讯服务、输入处理、输出处理、程序执行五个阶段。如图2-1：图2-1 PLC循环扫描工作图2.2 可编程序控制器的组成 可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编程器六部分构成: 中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU 由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。 电源 （Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。 输入组件（Inputs）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。 输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU 的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。 输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。 编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。2.3 可编程序控制器的特点 现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下： 2.3.1抗干扰能力强，可靠性高 微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I0 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC 具有较高的抗干扰能力。PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。 继电器接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。 2.3.1控制系统结构简单，通用性强 PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC 构成的控制系统中，只需在PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC 装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入输出可直接与交流220 V，直流24V 等强电相连，并有较强的带负载能力。 2.3.3编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯。PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。 2.3.4功能完善PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现定时、计数、锁存、比较、跳转和强制I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC 具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。2.4可编程控制器PLC的应用 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。2.4.1开关量的逻辑控制  这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.4.2模拟量控制  在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。2.4.3运动控制  PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。2.4.4过程控制  过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。2.4.5数据处理  现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。2.4.6通信及联网  PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。第3章 步进电动机3.1 步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。 3.2 步进电动机的特点 步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。在此基础上提出了双三拍步进电机程序控制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。 3.3 步进电动机的基本原理及步距角的计算3.3.1步进电机的基本原理 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5 度 或15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 (2）步距角的计算 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36 度/0.72 度（五相电机）、0.9 度/1.8 度（二、四相电机）、1.5 度/3 度 （三相电机）等。 步距角的大小和通电方式、转子齿数、定子励磁绕组的相数的关系： =360°/mZK. m步进电机的相数； Z转子齿数； K通电方式系数；K=拍数/相数.3.4 步进电动机的动态指标及术语3.4.1步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。 3.4.2失步 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3.4.3失调角 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。3.4.4最大空载起动频率 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 3.4.5最大空载的运行频率 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 3.4.6运行矩频特性 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示： 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。3.4.7电机正反转控电动机的矩频特性制 当电机绕组通电时序为ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 为正转，时序为ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 时为反转。第4章 西门子S7-200 介绍本设计以西门子公司的S7-200 系统小型PLC 为主要讲述的。S7-200 以其极高的性能价格比，在国内占有很大的市场份额。S7-200 适用于各种各业的检测、监测及控制的自动化，无论独立运行或连成网络，都能实现复杂的控制功能。4.1 CPU22X 型的选择 S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供使用。4.1.1CPU 221 本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。 4.1.2CPU 222 本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。 4.1.3CPU 224 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 4.1.4CPU 224XP 本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。20K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O,位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。 4.1.5CPU 226 本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。4.2S7-200 元件的介绍4.2.1 基本位操作指令 PUC 运行扫描到触点符号时，到触点位地址指定的存储器位访问，该位数据状态为1 时，触点为动态，即“合触点闭合，动合触点断开”；数据状态为0 时，触点为常态，即“动合触断开，动断触点闭合”。当逻辑运算结果为1 时，能量流可以到达线圈，使线圈通电，CPU 将线圈位地址指定的存储器位置1；当逻辑运算结果为0 时，线圈不通电，存储器位置置0。4.2.2边沿触发指令 边沿触发是指用边沿触发信号产生一个机器周期的扫描脉冲，通常用作脉冲整形。边沿触令分为正跳变触发（上升沿）和负跳变触发（下降沿）两大类。正跳变触发指输入脉冲的上升沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。负跳变触发指输入脉冲的下降沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。4.2.3通电延时定时器指令 使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从0 开始递增，大于或等于预置值（PT）时，定时器输出状态位置1（输出触点有效），当前值的最大值为32767。使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置0）。4.2.4增计数器指令 增计数器指令在CU 端输入脉冲上升沿，计数器的当前值增1 计数。当前值大于或等于预置值（PV）时，计数器状态位置1。当前值累加的最大值为32767。复位输入（R）有效时，计数器状态复位（置0），当前计数值清零。第5章五相十拍步进电动机的PLC 设计过程 PLC 应用系统软件设计的主要内容就是编写PLC 用户程序。设计步骤包括分析控制要求，确定控制方案、I/O 地址分配表、PLC 外部接线图、程序设计、系统调试等。5.1 五相十拍步进电动机的控制要求 5.1.1 五相步进电动机有五个绕组：A、B、C、D、E，控制步进电动机五相十拍的时序图如图5-1、图5-2所示图5-1 步进电机五相十拍正转时序图图5-2 步进电机五相十拍反转时序图5.1.2 用五个开关控制其工作：1 号开关控制其运行（启/停）2 号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5s）3 号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1s） 4 号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.03s） 5 号开关控制其转向（ON 为正转，OFF 为反转）5.2 PLC 外部接线图 PLC 外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如图所示图5-3 PLC外部接线图5.3 I/O 地址分配表 根据PLC 外部接线图可以列写出电器元件符号及功能说明表和I/O 地址分配表，见表5-1表5-1 I/O地址分配表控制信号元件符号功能描述地址编码输入型号SQ1启停开关I0.0SB10.5秒低速运行开关I0.1SB20.1秒中速运行开关I0.2SB30.03秒高速运行开关I0.3SQ2(ON)正向运行控制I0.5SQ2(OFF)反向运行控制I0.4输出信号A电机绕组Q0.0B电机绕组Q0.1C电机绕组Q0.2D电机绕组Q0.3E电机绕组Q0.45.4 程序设计5.4.1 五相十拍步进电动机的拍数实现梯形图如图所示：5.4.2五相十拍步进电动机的拍数实现语句表Network 1 / 网络注释LD I0.0= M2.0Network 2 LD I0.4O M2.1AN M2.2A M2.0= M2.1Network 3 LD I0.5O M2.2AN M2.1A M2.0= M2.2Network 4 LD M2.1O M2.2A I0.1MOVW 50, VW0Network 5 LD M2.1O M2.2A I0.2MOVW 10, VW0Network 6 LD M2.1O M2.2A I0.3MOVW 3, VW0Network 7 LD M2.1O M2.2AN T34AN T35AN T36AN T97TON T33, VW0Network 8 LD T33O M2.3AN T35TON T34, VW0Network 9 LD T34AN T36TON T35, VW0Network 10 LD T35AN T97TON T36, VW0Network 11 LD T36AN T34AN T98TON T97, VW0Network 12 LD T97O M2.3AN T33= M2.3Network 13 LD T97A M2.4TON T98, VW0Network 14 LD M2.3TON T99, VW0Network 15 LD T99= M2.4Network 16 LD M2.1A T33LD M2.2A T98OLD= M0.0Network 17 LD M2.1A T34AN M2.3LD M2.2A T97A M2.3OLD= M0.1Network 18 LD M2.1A T35AN M2.3LD M2.2A T36A M2.3OLD= M0.2Network 19 LD M2.1A T36AN M2.3LD M2.2A T35A M2.3OLD= M0.3Network 20 LD M2.1A T97AN M2.3LD M2.2A T34A M2.3OLD= M0.4Network 21 LD M2.1A T34A M2.3LD M2.2A T97AN M2.3OLD= M0.5Network 22 LD M2.1A T35A M2.3LD M2.2A T36AN M2.3OLD= M0.6Network 23 LD M2.1A T36A M2.3LD M2.2A T35AN M2.3OLD= M0.7Network 24 LD M2.1A T97A M2.3LD M2.2A T34AN M2.3OLD= M1.0Network 25 LD M2.1A T98LD M2.2A T33OLD= M1.1Network 26 LD M0.0O M0.6O M0.7O M1.0O M1.1= Q0.0Network 27 LD M0.0O M0.1O M0.2O M1.0O M1.1= Q0.1Network 28 LD M0.0O M0.1O M0.2O M0.3O M0.4= Q0.2Network 29 LD M0.2O M0.3O M0.4O M0.5O M0.6= Q0.3Network 30 LD M0.4O M0.5O M0.6O M0.7O M1.0= Q0.4结论本设计能够完成五相十拍步进电机的正、反转控制及速度控制。本设计所用元件也很简单，采用西门子S7-200系列PLC完成。本设计采用定时器控制电机绕组通、断电来实现电机的循环转动。对定时器进行不同的时间定时控制其速度。通过定时器定时通、断电使步进电机不同绕组通、断电，实现步进电机的正反转。设计总结经过本次课程设计，让我更加深刻的学习和巩固了电气控制及PLC这门课程，不仅从理论上掌握了课堂上没有学懂的知识，还从实践中拓宽了我的知识面，让我对我们专业的知识有了更加全面的认识，更加清晰的认识到我们专业知识的实用性是如此的强，可以通过平时学的知识自己设计很多有意思的电子产品，不仅能培养我们的兴趣爱好，更对我们今后的发展起到至关重要的作用。这次做课程设计也使我受益匪浅，这次设计历时两周，是我们要真正用心去做的，是我们自己学习的过程和研究的过程，在这次课程设计中遇到了很多问题，也获得了很多意想不到的知识。在每次突破一个问题后都有种久违的满足感，甚至对每发现一个问题都有种莫名的兴奋。这次的课程设计很有意义。感谢我们院上的领导为我们精心安排了这次课程设计，让我们在短时间内掌握了很多知识，以及知识以外的许多东西，比如吃苦耐劳的精神、专研问题的韧劲等等，在此特别感谢我们PLC课程的陈兴洲老师每天来到教室为我们传授丰富的知识和经验，感谢陈老师的悉心教导才有了我们的设计取得突破性进展。通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在PLC的基本原理、PLC应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。参考文献【1】 廖常初. 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