plc 步进电机控制

1、绪论课题背景 近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行

2、了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。PLC控制步进电机旋转台研究的目的和意义 数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量多品种复杂零件的加工等优点，在机械加工中得到

3、日益广泛的应用。它有以下几方面优点。1 适应性强。2 精度高，质量稳定。3 生产效率高。4 能实现复杂的运动。5 良好的经济效益。6 有利于生产管理的现代化。数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。数控机床发展的概况从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了五代。1959年，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。1965年，出现小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高。数控系统发展到第三代。以上三代系统，都是采用专用控制

4、计算机的硬接线数控系统，我们称之为硬线系统，统称为普通数控系统（NC）。随着计算技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，激烈地冲击着市场。数控系统的生产厂家认识到，采用小型计算机来取代专用控制计算机，经济上是合算的，许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制软件而加以实现，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统，称为第四代系统，即计算机数控系统（CNC）。但是，计算机技术的发展是日新月异的，就在1970年前后，美国英特尔（Intel）公司开发和使用了四位微处理器，微处理芯片渗透到各个行业，数控技术也不例外。我们把以微处理机技术为特征的数控系统称为第五代系统（MNC）。我国

5、数控机床发展的概况1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制出我国第一台数控铣床，由于我国基础理论研究滞后，相关工业基础薄弱，特别是电子技术落后，数控系统没有突破，虽然我国起步不晚，但发展不快，60-70年代，由于文革等因素，我国与发达国家差距开始拉大。70年代国家组织数控机床攻关，取得一定成效，相继推出一些数控机床品种，但从整体来看，我国数控机床产业尚处于起步阶段。80年代前期，我国引进了日本数控系统，通过消化吸收，提高了数控系统的可靠性。同时开始自行研制、开发并小批量生产数控机床，数控机床品种和质量有了突破性进展，我国数控机床进入实用阶段。国家从科技攻关和技术改造两方面对数控机床产业进行

6、了重点扶植，并加快了国产数控系统的开发。普及型数控系统开发成功，为数控机床商品化和规模化生产奠定了基础。一些数控机床主机厂组建床身、箱体、主轴、轴套等成组单元，厂内组织专业化生产，生产水平进一步提高。CADCAPPCAM开始应用，开发能力、工艺水平和产品质量进一步提高，奠定产业化基础，“十五”数控机床进入了快速发展期。我国从1958年试制成功第一台数控铣床，经历了漫长的发展历程。从“六五”（1980-1985）开始数控机床产业化，通过二十多年的发展，初步建立了国产数控机床产业化体系。进入新世纪以来，科学技术发展迅速，随着新技术革命向纵深发展，特别是电子技术和信息技术的快速发展，一批新技术的应用

7、与当代各学科技术的融合，数控机床的发展进入了新阶段，我国数控机床面临关键技术突破和产业升级的战略机遇。未来的发展方向目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：1高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线

8、伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。2多功能化。配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多

9、CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。4 三相反应式步进电机工作原理三相反应式电动机工作原理:反应式步进电动机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕组，其几何轴线依次分别与转子错开0，（相邻两个转子齿轴线间的距离为齿距，以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开，C与齿3向右错开，（与A是同一电极）与齿5相对齐，图3-1所示是反应式步进电机定转子的展开图。图3-1 反应式步

10、进电机定转子展开图如果A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，转子不受任何力；如果B相通电，A、C相不通电，则齿2应与B对齐，此时转子向右移动，齿3与C偏移，齿4与A偏移；如果C相通电，A、B相不通电，则齿3应与C对齐，此时转子又向右移过，齿4与偏移；继续进行下去，A相通电，B、C相不通电，则齿4与对齐，转子又向移过。这样经过A，B，C，A分别通电状态，齿4移到A相，电机转子向右转过一个齿距。如果不断地按A，B，C，A，通电，电机就每步，向右旋转。按A，C，B，A，通电，电机就反转。由此可见，电机的位置和速度由通电次数（脉冲数）和频率决定，而方向由通电顺序决定。不过，出于对力矩

11、、平稳、噪声及减小角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种通电状态，这样将原来每步改变为。因此本设计采用PLC控制三相六拍步进电动机，来实现电机的速度、正反转、以及步数的控制。5 硬件的设计5.1确定I/O点数 PLC的输入信号有9个，包括启动开关、电机慢速、中快和快速控制按纽，正反转控制开关，电机单步、10步和100步按纽开关，以及暂停开关。 PLC的输出信号有三个，即三个输出继电器。 根据I/O端子的数量和种类，选择FX2-32MR PLC机一台。5.1.1画系统框图图5-1 PLC控制步进电机系统框图控制面板上的位置按纽控制移动的距离，速度按纽控制移动的速度，方向按钮

12、控制移动的方向，启/停按纽控制电机的启动和暂停。在控制面板上设定移动距离、速度和方向等参数，PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动器，达到对距离、速度、方向控制的目的。5.1.2 I/O分配表表5.1 I/O分配表元 件I/O号信号定义元 件I/O号信号定义S0X0启动SBX5单步S1X1慢速S6X610步S2X2中速S7X7100步S3X3快速S8X8步S4X4正反转S9X10暂停SARUN5.2绘制I/O端子接线图图5-2 PLC I/O配置及接线图5.3步进电机驱动电路PLC控制步进电机常用的形式有普通型通用PLC控制和PLC专用步进驱动模块控制等两种，模

13、块式控制方式具有控制可靠性高的优点，而通用PLC控制步进驱动系统具有PLC系统构成简单。工程造价低等优点，易于推广应用。图5-3所示为步进电机的驱动电路。图5-3 步进电机驱动电路 图5-3中仅为一相的驱动电路。其余三相与之相同在图5-3中三极管T1起开关作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时，流过的集电极电流最大。开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由T2、T3两个三极管组成达林顿式功放电路，驱动步进电机的3个绕组使电机绕组的静态电流达到近2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1截止，输出高电平，则红外

14、发光二极管截止，光敏三极管不导通因此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1饱和导通，于是红外发光二极管被点亮，使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流使其导通，绕组被通以电流。6 软件的设计三相步进电动机转速的控制，分慢速、中速和快速三挡，分别通过开关S1、S2和S3选择；正、反转控制由开关S4选择；步数控制分单步、10步和100步三挡，分别通过按纽SB、开关S6和S7选择。6.1 PLC控制步进电机控制方法实现6.1.1转速控制 由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，其接通

15、顺序为：该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是：选择不同的脉冲同期T，可以获得不同频率的控制脉冲，从而实现对步进电动机的调速。6.1.2正反转控制 步进电机的正反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，三相六拍步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A时电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时电机反转。因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环形分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。即通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0、Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转控制。正转： 反转：6.1.3步数控

16、制步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。 式中为步进电机的输出位移量（mm），d为机构的脉冲当量（mm/脉冲）。 本设计通过脉冲计数器，控制六拍时序脉冲数，以实现对步进电动机步数的控制。6.2设计梯形图PLC控制三相六拍步进电机的梯形图如图6-1所示 图6-1 三相六拍步进电动机控制的梯形图6.2.1转速控制过程1、选择慢速（接通S1），接通启动开关S0，脉冲控制器产生同期为1s的控制脉冲，使M0至M5状态随脉冲向右移动，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环形分配器使Y0、Y

17、1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电机开始慢速步进运行。2、选择中速（接通S2），接通启动开关S0，脉冲控制器产生同期为0.5s的控制脉冲，使M0至M5状态随脉冲向右移动，产生六拍时序脉冲，并通过三相环形分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电机开始中速步进运行。3、选择快速（接通S3），接通启动开关S0，脉冲控制器产生同期为0.2s的控制脉冲，使M0至M5状态随脉冲向右移动，产生六拍时序脉冲，并通过三相环形分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电机开始快速步进运行。6.2.2正反转控制过程 先接通正、反转开关S4，再重复上述转速控制操作。6.2.3步

18、数控制过程选择慢速（接通S1），选择10步（接通S6），接通启动开关S0，六拍时序脉冲及三拍六拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。当走完预定步数时，计数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。选择快速（接通S3），选择100步（接通S7），接通启动开关S0，六拍时序脉冲及三拍六拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。当走完预定步数时，计数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。6.3调试运行程序将图6-1转换成表6.1的程序，将该程序写入PLC的RAM，并

19、调试运行该程序。表6.1 PLC控制三相步进电动机程序0 LDI T0 1 OUT TO K104 LDI T15 OUT T1 K58 LDT T29 OUT T2 K212 LD X00513 PLS M1115 LD X00116 OR X00317 ANI T418 OUT T3 K121 LD T322 AND X00323 OUT T4 K126 LD T427 OUT T2 K230 LD X00131 ORI T332 AND T033 LD T334 AND T135 ORB 36 LD T437 AND T238 ORB39 OR M1140 OUT M2041 LD X0

20、0042 ANI M143 ANI M244 ANI M345 ANI M446 ANI M547 OUT M1048 LD M2049 ANI X01050 ANI C051 ANI C152 ANI C353 SFTR M10 M0 K6 K162 LD M563 OR M064 OR M165 OUT M10066 LD M167 OR M268 OR M369 OUT M10170 LD M371 OR M472 OR M573 OUT M10274 LD XOO475 AND M10076 LDI X00477 AND M10178 ORB79 OUT Y00080 LD X00481 AND M10182 LDI X00483 AND M10084 ORB85 OUT Y00186 LD M10287 OUT Y00288 LD X00689 AND M2090 OUT C0 K1093 LDI X00698 OUT C1 K100101 LD X007102 RST C1104 LD X011105 AND M20106 OUT M30107 LD M30108 OUT C2 K500111 LD