机电一体化毕业设计（论文）- DXD系列包装机PLC电气控制系统设计.doc

包头轻工职业技术学院毕业论文论文题目：学号：_作 者：_机电一体化专 业 名 称：_2013年月12日论文题目： 赵文强作者：_ 包头轻工职业技术学院刘艳春张晓燕包头轻工职业技术学院指 导 教 师： 单位： 单位： 论文提交日期：2013年 月 12日 联系方式:1摘 要ABSTRACT前 言第1章DXD系列包装机控制系统设计说明61.1本设计所用包装机的特点 61.2技术参数及设计要求 7第2章DXD系列包装机的组成结构82.1供纸模块 82.2横封纵封模块 82.2.1 包装封口强度的检测意义 92.2.2热封器的基本组成 92.3光电定长11第3章 包装机电气控制系统硬件设计123.1 步进电机的选用123.1.1 步进电机概述123.1.2 步进电机结构选择133.1.3步进电机工作原理及工作方式153.1.4步进电机的特性173.1.5步进电机参数的选择193.2步进电动机驱动器的选用243.2.1步进电动机驱动电源253.3可编程控制器（PLC）选用263.3.1可编程控制器概述263.3.2 PLC选型293.4包装机电气接线图及电气原器件表30第4章 包装机电气控制系统软件设计304.1包装机的动作过程304.2 PLC控制步进电机系统原理314.3电气控制系统梯形图及时序图324.4包装机的调试运行35结 论39致 谢40参考文献41摘 要 本设计的主要目的是为了满足控制精度的医用制袋充填封口包装设备的电气控制系统。所包含的内容有：DXD系列包装机的发展概况；包装机九大组成部件中的供膜、热封、光电定长的介绍；本课题所用的电气控制元件的选择；实现设计目的的软硬件设计方法等；其中可编程控制器（PLC）、拉袋步进电机、光电开关、热电偶、温控仪的选择、软硬件的设计方法是本文的主要内容。展望现阶段包装机的发展状况，可以预知包装机在不久的将来会被广泛地应用于食品、医学、建材工业等领域，从而成为现代化产业中所必须的设备之一。关键词：可编程控制器（PLC），步进电动机，热电偶，温控仪前 言 近年来，随着经济的迅速增长和人民生活水平的不断提高，作为传统行业之一的包装工业，呈快速发展态势，是人们普遍看好的“朝阳产业”，随之而来的就是包装机应用需求的大幅增长。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。在机电一体化技术迅速发展的今天，随着自动化技术的发展，包装机已全部实现了自动化。自动包装机一般分为半自动包装机和全自动包机两种，由人工供给包装材料（容器）和内装物，但能自动完成其它包装工序的机器称为半自动包装机，自动完成主要包装工序和其它辅助包装工序的机器称全自动包装机。DXD系列包装机广泛应用于食品、医药、化妆品、化工、茶叶、种子等颗粒状、片状、粉状及半流体状物料包装。DXD全自动包装机要求加料、制袋、充填、封口、剪切、撕口等工序全自动完成，包装速度、制袋长度可以调整。采用PLC控制的DXD全自动包装机是集机电一体化、光电检测、步进电机自动跟踪纠偏等功能于一体的多用途自动包装机，该包装机具有电眼跟踪、PLC控制、无级变速纠偏等功能，计量精确，符合行业标准，并且具有性能稳定、操作维护方便、效率高等特点，保证了包装袋的长度稳定，图形美观。根据工艺要求，DXD全自动包装机采用PLC进行自动控制，包含两个最关键的步进电机的协调运行。选用1块CPU模块作为整个控制系统的核心部分，还包含三路高速脉冲计数输入和两路高速脉冲输出，其输出频率最大可达。选用液晶触摸屏作为人机界面。采用PLC控制的DXD全自动包装机可以实现自动制袋、自动封装等多项功能，并可对生产过程进行实时监控，完成自动诊断、自动报警和数据上传等功能。根据工艺要求，DXD全自动包装机的控制系统由人机界面操作及显示系统、制袋控制系统、送料计量控制系统、封装及剪切控制系统组成。本课题设计的目的就是利用原有设备的机械本体，设计一个新型的电气控制系统，提高其包装性能，使包装速度、制袋长度和物料充填量在额定范围内无级可调且不需要更换零件；封口温度采用两路温度控制器控制，使温度设置方便，控制准确，适合多种包装材料；制袋长度可在操作面板上直接设定，操作方便。使用有色标的包装材料时，包装袋长度可由色标间的距离确定。电控采取于智能系统的柔性控制，能对不同材质、不同厚度、不同物料的包装对象进行参数自动调整，并使之最优化，从而大大地提高生产效率和物料利用率，减轻劳动强度。本课题的意义在于解决当前医用制袋充填封口包装机械中普遍存在的控制精度低、操作不方便等技术障碍问题；设计新型的医用自动包装机械的电气控制器，并推广应用；理论联系实际对落后设备进行改造。因此，结合包装机产业的发展状况，得知本文的设计有很大的现实意义和实用价值。新一代小型一体化PLC在DXD系列包装机上的应用，在提高包装机自动化方面取得了很好效果，具有很好的推广前景。第1章 DXD系列包装机电气控制系统设计说明1.1 本设计所用包装机的特点DXD系列包装机广泛应用于食品、医药、化妆品、化工、茶叶、种子等颗粒状、片状、粉状及半流体状物料包装。北京某包装机械制造有限公司以及珠海天楹精密机械有限公司是生产DXD系列自动包装机及灌装机的专业厂家，其生产的DXD系列自动包装机及灌装机行销海内外，得到用户的普遍好评。其控制系统达到了预期效果，大大提高了设备的自动化水平。DXD全自动包装机要求加料、制袋、充填、封口、剪切、撕口等工序全自动完成，包装速度、制袋长度可以调整。采用PLC控制的DXD全自动包装机是集机电一体化、光电检测、步进电机自动跟踪纠偏等功能于一体的多用途自动包装机，该包装机具有电眼跟踪、PLC控制、无级变速纠偏等功能，符合行业标准，并且具有性能稳定、操作维护方便、效率高等特点，保证了包装袋的长度稳定，图形美观。根据工艺要求，DXD全自动包装机采用PLC进行自动控制，包含两个最关键的步进电机的协调运行。选用1块CPU模块作为整个控制系统的核心部分，还包含三路高速脉冲计数输入和两路高速脉冲输出，其输出频率最大可达。选用液晶触摸屏作为人机界面。采用PLC控制的DXD全自动包装机可以实现自动制袋、自动封装等多项功能，并可对生产过程进行实时监控，完成自动诊断、自动报警和数据上传等功能。根据工艺要求，DXD全自动包装机的控制系统由人机界面操作及显示系统、制袋控制系统、送料计量控制系统、封装及剪切控制系统组成。本课题设计所用的包装机：DXD系列C型全自动包装机是天楹公司借鉴国内外先进技术、在B型包装机的基础上开发研制的新式小型多功能间歇式包装机。该系列包装机采用了电脑控制、细分驱动步进电机拉袋等技术。可一次性自动完成计量、制袋、充填、封合、切断、计数等全部工作。特别使用于食品、医药及化工等行业的生产需要。本机具有如下特点：（本机外型如图1-1所示）l 包装速度、制袋长度和物料充填量在额定范围内无级可调不需更换零件。l 封口温度采用两路温度控制器控制，温度设置方便，控制准确，适合多种包装材料。l 操作面板采用轻触薄膜开关，密封、绝缘、耐腐蚀，便于清洁，符合安全和卫生要求。l 制袋长度可在操作面板上直接设定，操作方便。使用有色标的包装材料时，包装袋可由色标间的距离确定。该动作由电脑控制步进电机完成，准确可靠。l 具有缺纸、卡袋、安全门打开自动报警并停机等功能，使机器的运行更安全可靠。l 具有定位停机功能，确保机器在任何情况下停机，热封器及切刀都处于张开的状态。l 可自动打印产品批号，并可根据用户需要增加易撕切口、锯齿形切口等功能。l 所以与物料接触的部件均由耐腐蚀塑料制成，符合食品卫生要求。1.2 技术参数及设计要求1参数：机 型DXDK-80CDXDKB-80C适用包装材料颗粒包装速度（袋/分）5080计量范围（毫升）250制袋尺寸（毫米）长50120宽 3585电源电压380伏 50赫兹（三相四线制）外型尺寸（毫米）长600宽760高1650净重（千克）213包装材料纸/聚乙烯、玻璃纸/聚乙烯、聚脂/镀铝/聚乙烯、茶叶滤纸等可热封的复合包装材料功率（瓦）主电机：370 供纸、供纸电机：10 热封器：180X4拉袋步进电机：2.5Nm 充填步进电机：12Nm（DXDF-60B）搅拌电机：40（DXDJ-60B DXDF-60B） 振动电机：120（DXDP-60B）2设计要求：1） 包装速度、制袋长度和物料充填量在额定范围内无级可调，不需要更换零件；2） 封口温度设置方便，控制准确，并实时显示封装温度。使用多种包装材料；3） 制袋长度可在操作面板上直接设定，操作方便。使用有色标的包装材料时，包装袋长度可由色标间的距离确定。该动作由PLC控制步进电机完成，准确可靠。4） 操作面板密封、绝缘、耐腐蚀、便于清洁；5） 具有缺纸、卡袋、安全门打开自动报警并停机等功能，确保机器运行的安全可靠。6） 具有定位停机功能，确保机器在任何情况下停机，热封器及切刀都处于张开状态。7） 制袋长度的误差=3mm8） 在环境温度升高时，控制系统能正常工作。第2章 DXD系列包装机的组成结构DXD系列C型全自动包装机基本组成是由：供膜、成型、定量供料、导向、牵引、纵封、光电定长、横封和输出九大模块。各功能模块的构成、作用以及机器总体结构模块图。（说明：由于本课题设计是有关电气控制的系统设计，成型、定量供料、导向、牵引和输出等与机械原理息息相关，将在最后一章介绍其动作原理。）2.1 供纸模块（如附图2-1所示）1、供纸模块共有两部分组成：纸架，送料部分，步进电机控制部分；1） 纸架：由机械结构完成。由架纸轴，挡纸轮，支撑板构成；2） 送料部分：由于包装纸总是以卷筒状安放在放料架上，由步进电机直接拖动，在电机升速是产生很大的加速度，因而会产生大的惯性力，使电机失步或拉断加工材料，因而在放料架上必须安装放料装置，该装置要求较低，只需要在每次步进电机拉袋之前送出足够一次拉料的材料即可。3） 步进电机控制系统控制系统的核心为性能优良的PLC控制器。在运行时步进电机处于待命状态，当收到位置传感器发来的信号时，步时电机读入拔码盘上预置的十进制长度数据，并换算成十六进制脉冲步数，从静上开始逐步升速到较高的运行频率，当运行的步数剩下到一定数目时，步进电机则开始降速，直至走完整个长度。每送完料一次，计数器加1，并判断是否达到设定次数，如达到则启动传送带，把切下的料送走，接着再进行下一个循环。为保证送料的精度，取脉冲当量为1/3mm，加上胶辊滑移、纸张延伸等不定因素，精度可达+-0.5mm左右。2、 动作情况机器运转时，拉袋机构向下拉袋的同时，通过包装材料将供纸控制杆抬起，供纸接近开关发出信号，使供纸电机运转，输送包装材料，供纸控制杆将自动下落，在接近开关的控制下供纸电机停转。如此循环，完成供纸过程，当包装材料用完时，缺纸控制杆复位，缺纸接近开关发出信号，机器停机并报警。3、 接近开关接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器根据工作原理的不同分为电感式和电容式，本次课题设计采用电感式。电感式接近开关它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体，检测距离由0.8mm至150mm。可根据客户需要制作成耐高温型接近开关，最高温度150。2.2 横封纵封模块2.2.1 包装封口强度的检测意义封口强度对包装材料来讲是一个重要性能指标，对任何一种软包装材料都要做成包装袋来包装各种商品，包装商品都要热封或粘接来封口，达到包装目的。封口要有一定的强度才能够承受一定重量的内装物的压力，保证商品在流通过程中不开裂。热封是利用外界条件(电加热、超声波等)使塑料薄膜的封口部位变成粘流状态，借助刀具压力使薄膜融合为一体，冷却后能保持一定强度。热封工艺的三大因素热封温度、压力、时间，其中主要是温度。根据材料的不同和料袋运动状态需要不同的热封因素，三者是必须协调配合才能获得好的热封质量。因此在实际大规模生产之前，要进行大量的实验来确定恰当的热封参数。热封温度：温度太低，薄膜不能全部融合；温度太高，薄膜以产生变形。严重的会烫伤。因此必须随各种薄膜的不同来加以调节。2.2.2 热封器的基本组成1、热电偶：本课题中所使用的热电管作用在于：对包装纸袋进行加热，然后配合热电偶和温控仪完成整个纸袋的包装温度的控制。即：在热封当中起到很大的包装封合作用。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。1）热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热点效应。热电偶是利用这种效应来工作的。2）热电偶的种类及结构形成热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某种特殊场合的测量。标准化热电偶 我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、I、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：A、组成热电偶的两个热电极焊接必须牢固；B、两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；C、补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；D、保护套管应能保证热电极与有害介质隔离。3）热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵 金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热 电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷 端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到 仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100C。2、温控仪本课题设计中，使用了两个温控仪。一是控制包装袋温度的横封，一是控制包装袋温度的纵封。作用：在于时刻控制包装袋包装的效果，是整个热封运动过程稳定可靠运行。设定温度：根据所用的包装材料，在温控仪上设定热封温度。一般情况下应使横封设定值高出纵封设定值510度左右。本设计采用的包装材料是铝箔/聚乙烯，其设定温度值在150度左右，如果包装效果达不到要求，可对设定值稍加调整。若出现包装袋封严或受热变形较大的情况，亦可能选择较高的温度和较低的封合压力，以延长机器的使用寿命。2.3 光电定长基本组成电气原器件为：光电开关、步进电动机和可编程控制器（PLC）1、光电开关光电开关亦称光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。 2、步进电动机、可编程控制器有关步进电动机和可编程控制器的介绍将在下面章节详细介绍。第3章 包装机电气控制系统硬件设计3.1 步进电机的选用3.1.1 步进电机概述一、应用与发展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。步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中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。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。二、步进电机的特点：步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，因此非常适合于单片机或PLC控制。近几十年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电动机的发展。为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。步进电动机有如下特点：1）步进电动机的角位移与输入脉冲严格成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。2） 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3） 步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4） 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。5） 步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，他不能直接使用交流电源和直流电源。6） 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。7） 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。3.1.2 步进电机结构选择步进电动机是在PLC控制系统中一种十分重要的自动化执行元件。它和PLC数字系统结合可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用做电磁制动轮、电磁差分器、电磁减法器或角位移发生器等。步进电动机根据作用原理和结构，基本上可分成下面两大类型。电磁型步进电动机和定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的步进电动机。根据本课题设计要求采用：第二种类型的步进电机。这种电动机一般有多相绕组，在定子和转子之间没有机械联系。这种电动机有良好的可靠性及快速性。工业应用上大量用作状态伺服元件、状态指示元件及功率伺服拖动元件，有时也用做位置控制、速度控制元件。根据转子的结构形式，可以分成永磁转子电动机或反应式转子电动机，它们也简称为永磁式步进电动机或反应式步进电动机。在永磁式步进电动机中，它的转子是用永久磁钢制成的，也有通过滑环供电的直流激磁绕组制成的，无论如何，其转子是一个磁源。在反应式步进电动机中，其转子由软磁材料制成齿状，转子的齿也称显极。在这种步进电动机的转子中没有绕组。因为反应式步进电动机有力矩/惯性比高，步进频率高，频率响应快，不通电时可自由转动，可双向转动，结构简单和寿命长等特点。所以选用反应式步进电动机。反应式步进电机结构如下图1所示：这是一个三相步进电动机。在反应式步进电动机的结构中，分成定子和转子两大部分。在定子上有6个大极，每个大极上绕有绕组。对称的大极绕组形成一组绕组，也即形成一相控制绕组。显然，分别产生了A，B，C三相绕组，正因这三相控制绕组的存在，才使步进电动机产生起动转矩。在每个大极上，面向转子的部分分布着多个小齿，这些小齿呈梳壮布列，并大小相同，间距相等。反应式步进电动机的转子由软材料制成，外部呈齿状的圆柱体。转子中的小齿和定子的小齿形状相似，齿矩相同。所以定子大极的齿和转子的齿是对应吻合的。在定子大极中，其中心线是齿的中心线，在有些反应式步进电动机中是槽的中心线。图1 反应式步进电动机结构反应式步进电动机的齿距角s组可以用下式来表示：s=360/(mzrc)=360/（3240）=1.5式中，c为通电方式系数，m为控制绕组的相数，zr为转子的齿数。纯单拍或纯双拍时取为1，单、双拍交替时取2。三相反应式步进电机的三相六拍通电方式的步距角比纯单拍或纯双拍通电方式的小一倍。步进电动机相绕组通常有二相、三相、四相及五相等。相数越多，步距角越小。步距角确定后，通以一定频率f的脉冲，将产生相应的转速n(r/min).即: n=60f/(mzrc)=6050/（3240）=12.5r/min反应式步进电动机的绕组通常由单极性脉冲供电，一般由基本脉冲串和辅助脉冲串进行换向控制步进工作。有时也采用双极性脉冲供电。3.1.3 步进电机工作原理及工作方式步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。步进电机的速度控制是通过输入的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。还可以通过频率的改变而提高步进电机的速度或位置精度。步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。在包装机控制中，给定脉冲数的多少，还与机构的参数有关。在包装机械中，很多情况下需要控制执行机构的运行速度和运行位置，以前都是通过机械或其它方式来完成的，机构复杂、调节不易。改用步进电机后，不仅能使包装机械结构变得简单、调节方便、可靠性增加，而且粗度会得到很大提高。反应式步进电动机的工作方式：1. 三相反应式步进电动机各相为A，B，C相。如果换相方式为A-B-C-A，则电流切换三次，即换相三次时，磁场就会旋转一周，同时转子转动一个齿距。对某相通电时，转子齿就会与该相定子齿对齐。这种通电方式称为单三拍方式。ABCA2双三拍工作方式在步进电动机的步进控制中，如果每次都是两相通电，控制电流切换三次，磁场旋转一周，转子移动一个齿距位置，则称为双三拍工作方式。ABBCCAAB3对三相反应式步进电动机进行控制时，把单三拍和双三拍工作方式结合起来,就产生了六拍工作方式。在六拍工作方式中，通电的相数如下：AABBBCCCAA对于一个三相反应式步进电动机，转子有40个齿，那么齿距角为9。则在六拍工作方式中每一步转子齿移动9/6，步距角为1.5。显然六拍工作方式比单三拍或双三拍的步进精度都高出一倍，显然选用六拍工作方式。在六拍工作方式中，控制电流切换六次，磁场旋转一周，转子移动一个齿距。 图2表3-1三种工作方式的区别3.1.4步进电机的特性一、基本特性步进电动机的主要性能指标是频率特性曲线，即起动速度力矩曲线。步进电动机的频率特性曲线的纵坐标为转动力矩，用T表示，单位为kgfcm；横坐标为转动频率，用f表示，单位为步/s。典型的步进电动机频率特性曲线如图3所示。图3 步进电动机典型频率特性曲线 步进电动机的频率特性曲线和很多因素有关，这些因素包括步进电动机的转子直径、转子铁心有效长、控制线路的电压、齿数、齿形、齿槽比、步进电动机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙、转动一个齿距所需的拍数等。二、振荡、失步和阻尼方法振荡是步进电动机在工作时存在的一般现象，但严重的振荡会引起失步。这些是在控制系统中所不希望的。下面介绍这些问题，并给出在实际应用中的解决办法。1.振荡振荡的产生原因有多种，其中主要的原因有步进电动机处于低频单步运行；步进电动机的换向频率和转子的特征频率、倍特征频率、分数特征频率相等；步进电动机突然停车等情况。另外，步进电动机的工作状态也会产生振荡现象。例如，当一个步进电动机在正常步进旋转时，突然制动，则无论步进电动机原来以什么换相频率工作，都会产生振荡。2.失步步进电动机的失步有两种原因：一 是转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场。这时是因为输入电机的电能不足，从而引起失步。并且凡是比这时频率高的工作频率都必将失步。这种失步说明了步进电动机的拖动能力不够，一旦减少负载，或者提高绕组中的激磁电流，则有可能克服失步。二是转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度。这时定子通电激磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡。当振荡足够严重时就导致失步。3.阻尼方法步进电动机在运行中，振荡是它的固有特性，但也是在任何拖动系统中所不希望的。所以，需要对振荡进行抑制。抑制振荡通常采用各种阻尼方法。包括合理选择电动机参数，以机械方法进行阻尼，以电子方法进行阻尼。对于步进电动机的用户而言，一般采用的方法都是电子方法。以电子方法进行步进电动机的振荡消除，基本上都是从电源着手。3.1.5 步进电机参数的选择根据本课题设计所要求的精度及步进电机的保持转距的大小（即：2.5Nm），所以选用的三相反应式步进电机的型号为：3S85Q-04097，现将其具体参数介绍如下：1） 外形尺寸步进电机外形尺寸图2）技术参数3）矩频曲线4）电机电缆34 线 色电机信号红 色U橙 色蓝 色V白 色黄 色W绿 色3.2 步进电动机驱动器的选用虽然步进电动机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电动机。常用驱动电路有：单极性、双极性、高低压、斩波及细分驱动电路等。因此，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电动机。步进电动机的驱动电路选择有如下的一般要求：（1） 能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波形尽量接近矩形；（2） 具有供截止期间释放电流的回路，以降低相绕组两端的反电动势，加快电流衰减；（3） 功耗低，效率高。除此之外，在一些有特殊要求的应用场合，为了提高步进电动机定位的分辨率，减小过冲和抑制振荡，驱动电路还应有细分功能。通过参考文献的阅读及结合本次课题设计的要求，步进电动机的驱动电路选用细分电路。细分电路亦称微步驱动，它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。细分电路提高了步进电动机的分辨率，能够平滑步进运动，减弱甚至消除振荡。各个驱动电路的比较见下表：表3-3驱动电路起动频率运行频率运行平稳性效率成本单极性低低较差低低双极性低较高较差较高高高低压高较高差较高较高斩波高高差高高细分高高好高高根据要求，选用所匹配的三相反应式步进电机驱动器型号为：3M4853.2.1 步进电动机驱动电源步进电动机运动控制系统是一种开环控制系统。它的组成包括：运动控制软件、脉冲分配器、驱动器、步进电动机及传动装置等。结构如下：步进电动机的控制绕组中需要一系列的有一定规律的电脉冲信号，从而使电机按照生产要求运行。这个产生一系列有一定规律的电脉冲信号的电源称为驱动电源。步进电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分。1脉冲分配器脉冲分配器又称环形分配器，它是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和切断，并根据指令使电机正转、反转，实现确定的运行方式。早期的环形分配器采用分立元件搭建，现在一般采用集成电路块构成还可以用软件生成环形分配器。2功率放大电路步进电机的功率放大电路实际上是一种脉冲放大电路从环形分配器输出脉冲信号是很弱的，必须经过功率的放大电路将脉冲信号放大后才能驱动步进电机运行。步进电机驱动电路的核心是如何提高步进电机的快速性和平稳性，功率放大电路可分为电压驱动和电流驱动两种方式。步进电机的运行特性不仅取决于电机本身具有的机械特性和电气特性，而且取决于驱动电源的性能优劣。3.3 可编程控制器（PLC）选用3.3.1 可编程控制器概述一、应用与发展近年来，随着微电子技术的发展，可编程序控制器PLC以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，已进入过程控制和位置控制等领域，成为一种多功能、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。PLC的应用范围非常广泛，在现代化生产过程中，从继电器控制系统到过程控制系统都可以使用PLC，实现自动化控制，提高产品的质量和数量。例如：控制电动机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，实施温度、压力、流量等技术参数设定。PLC作为一种通用的工业控制器，适用于一切工业领域。也可以说，凡是采用继电器控制盘的场合，或兼有PID调节的场合，都可以选用PLC。比如PLC在以下工业中的应用：电力、纺织、机械、造纸、汽车制造、钢铁、食品、建材等。1969年，在美国出现第一台可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，以来，经过30多年的发展，现在已成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等优点，因此迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。它的发展趋势为：编程组态软件图形化；输入输出模块智能化和专用化；网络通信功能标准化；控制技术冗余化；机电一体化（Mechatronics）；控制与管理功能一体化。目前，PLC的生产厂家有几百家，从微型PLC到大型PLC，都有许多型号和系列。各个生产厂家生产的PLC型号均不统一，基本性能也有较大的差别。PLC部分主要生产厂家有：1 美国艾伦-布拉德利（A-B）公司 5美国通用电气（GE）公司2 德国西门子（SIEMENS）公司 6德国通用电气（AGE）公司3 法国TE（TELEMECANIQUE）公司 7日本富士（FUJI）电机公司4 日本欧姆龙（OMRON）公司 8日本三菱（MITSUBISHI）电机公司二、可编程控制器的优点1) 可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个PLC生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间达到30万小时以上，使用寿命长。2) 控制功能强。PLC具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。3) 编程方便，易于使用。PLC采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。PLC可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。4) 适用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。5) 具有各种接口，与外部设备连接非常方便。6) 采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。7) 维修方便。PLC上有I/O指示灯（LED），哪个I/O元件有故障，一目了然。8) 可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。三、可编程控制器的构成及分类 1、构成：1） 单片机，包括一台计算机所必需的部件：中央处理器（CPU）；存储器（RAM和ROM、EPROM或EEPROM）；并行接口（PIO）；串行接口（SIO）；时钟（CTC）。单片机对整个PLC的工业进行控制。2） 输入/输出（I/O）接口电路，分为开关量、模拟量和数字量。所有输入输出信号都经过光耦合器或继电器。输入信号一般有两种形式：直流输入和交流输入。输出信号一般有三种形式：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。3） 稳压电源，供应PLC内部输入电源，有的PLC还能供应外部输出电源，方便用户。4） 配置有扩展接口、存储器接口、通信接口和编程器接口等。5） 各种智能模块。6） 编程器。2、分类：1） 按I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（可达8192点及以上）五种。2） 按结构可分为箱体式、模块式和平板式三种。3、结构：一台PLC就是一台工业控制用的微型计算机。PLC的控制原理是：外部输入信号驱动输入继电器，有输入继电器驱动内部程序，内部程序使输出继电器动作，最后由输出继电器去驱动外部负载。PLC内部结构框图如下图4：按钮行程开关光电开关输入接口电源微处理器编程器存储器输出接口指示灯电磁阀电源图4 PLC内部结构3.3.2 PLC选型1.PLC选型方法PLC控制系统的硬件设计包括：PLC机型选择；PLC容量选择；I/O模块的选择；电源模块的选择。根据被控制对象对PLC控制系统的功能要求,可进行PLC型号的选定。进行PLC选型时，基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量控制的系统，当控制速度要求不高时，一般的小型PLC都可以满足要求，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高、输出有高速脉冲信号等情况时，要考虑输入/输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选择具有所需功能的PLC主机，还要根据需要选择相应的模块、配接相应的传感器、变送器和驱动装置等。输入/输出的点数可以衡量PLC规模的大小。准确统计被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充，在实际统计I/O点数基础上，一般应加上10%20%的备用点数。多数小型PLC为整体式，具有体积小、价格便宜等优点，适于工艺过程比较稳定，控制要求比较简单的系统。模块式结构的PLC采用主机模块与输入模块、功能模块组合使用的方法，比整体式方便灵活，维修更换模块、判断与处理故障快速方便，适用于工艺变化较多、控制要求复杂的系统。此外，还应考虑用户存储器的容量、PLC的处理速度是否能满足实时控制的要求、编程器与外围设备的选择等。2.确定输入/输出电器包装机要完成计量、拉袋、封口、成型等过程，必须要运用较多的输入/输出设备来达到设计的要求。首先，包装机是一个电气控制系统，有一个主电动机来提供总的动力，然后分配给其他动作器件，主电机就是一个输出设备。其次，系统控制过程中用到很多开关，比如：缺纸光电开关、卡袋光电开关、接近开关、功能键及温控仪等，都是输入设备。然而这些输入设备与完成整个制袋过程紧密相关，相对应的输出电气设备。如：供纸步进电机，拉袋步进电机，蜂鸣器等。以上这些电气控制原件都是PLC控制对象。根据本设计中的电器原件，算出所需PLC总的输入/输出点数为：33点/34点。综合以上内容及课题设计要求及PLC选型手册，而选用三菱公司生产的FX2N-80MT PLC如下表所示：表3-4型 号晶体管输出输入点数（DC24V）输出点数（R，T）扩展模块可用点数FX2N-80MT40点40点48点64点3PLC I/O配置及接线（如附图一所示）4. I/O地址分配为了尽量减少占用PLC的I/O点个数， 结合本次课题设计所需的电气原器件表及课题设计的要求，通过用PLC控制来实现整个制袋的过程，本次设计所用到的输入输出设备多，I/O地址分配情况如下：（如附表一所示）3.4包装机电气接线图及电气原器件表1.包装机内部电气布局简图（如附图二所示）2.电气接线图（如附图三所示）3.电气原器件表：（如附表二所示