可编程控制器（PLC）步进电动机电机控制分析研究 机械制造专业

1、摘 要本文介绍了有关PLC的基本概念，PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。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。其次了解PLC的主要特点和工作过程，让我们认识到PLC的未来展望。步进电动机是一种控制精度极高的电动机 ，在工业上有着广泛的应用， 论文在简要介绍步进电机的工作原理和控制原则之后 ，采用可编程控制（PLC）对步进电动机进行控制的设计方法进行了介绍 ，给出了控制系统的硬件， 软件设计方法 ，实际应用表明了设计的有效性。在PLC步进电机控制系统中，输入到其线圈绕组中的脉冲数或脉

2、冲频率可控制步进电动机的角位移和转速，在给步进电机的各线圈绕组输入脉冲时需要进行脉冲分配器分配脉冲，脉冲分配可以由软件进行设计，也可以由硬件组成。以OMRON的C系列P型机为例，此论文讨论步进电机的PLC控制系统的软件设计方法。介绍了plc控制步进电动机的一种应用方法 ，并论述了其编程过程。关键词: 可编程控制器（PLC），步进电动机， 电机控制AbstractThis paper introduced the basic concepts of the PLC, PLC is a specialist in industrial environments and the applicatio

3、n of digital design of the operation of electronic computing devices. At present, the PLC has been widely used in the domestic and foreign steel, petroleum, chemicals, electric power, building materials, machinery manufacturing, automotive, textile, transportation, environmental protection, culture

4、, entertainment, and other industries. Secondly understanding of the main features of PLC and the work process, let us recognize that the future outlook for PLC.Stepper motor is a high precision motor control in a wide range of industrial applications, the paper briefly introduced the working princi

5、ple of stepper motor and control principles, with the introduction of programmable controller (PLC) on the stepper motor control methods for the design, the control system is the hardware, software, design methods. Practical application shows the effectiveness of the design. In the PLC stepper motor

6、 control system, enter its coil windings in the pulse, or the pulse frequency can be controlled stepper motor speed and the angular displacement, to the stepper motor coil winding of the input pulse, the need for distribution of pulse distributor Pulse, pulse distribution can be designed by the soft

7、ware, hardware components can be. OMRON to the C Series P-type-for example, the paper on the PLC stepper motor control system software design method. It introduced a stepper motor control of plc applications, discussed the programming process. Key words: Programmable Logic Controller (PLC) , Stepper

8、 motor, Motor control 目 录第一章 前 言-5第二章 PLC的基本概况- 721 （PLC可编程控制器）的简介-722 PLC的特点- 823 PLC的工作过程- 1024 PLC的发展历史- 1025 PLC的国内外状况- 1126 PLC的未来展望- 1327 PLC的市场情况- 13第三章 步进电动机的简介-1531 步进电动机的定义-1532 步进电动机的特色-1533 步进电动机的种类-1634 步进电动机的工作原理-16第四章 PLC控制步进电机方法的研究-1841 引言-1842 PLC的基本结构- 1843 控制方法及研究-184.3.1 FP1的特殊功能

9、简介-184.3.2 步进电机的速度控制-194.3.3 控制系统的程序运行-2044 结束语-21第五章 步进电机的PLC控制系统设计- 2251 引言-2252 步进电动机PLC控制系统I/O接线图设计-2253 步进电动机PLC控制系统梯形图设计- 22第六章 步进电动机的PLC控制- 2561 引言-2562 微型步进电动机的运行原理-2563 PLC控制- 2764 结束语-31第七章 结 论- 3271 结论-3272 展望-32致 谢-34参 考 文 献-35第一章 前言PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储

10、执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。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。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.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

11、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。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。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

12、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。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，

13、如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。PLC还有一种说法是:产品生命周期（product life cycle）观念，简称PLC，是把一个产品的销售历史比作象人的生命周期一样，要经历出生、成长、成熟、老化、死亡等阶段。就产品而言，也就是要经历一个开发、引进、成长、成熟、衰退的阶段。1） 产品开发期：从开发产品的设想到产品制造成功的时期。此期间该产品销售额为零，公司投资不断增加。2） 引进期：新产品新上市，销售缓慢。由于引进产品的费用太高，初期通常利润偏低或为负数，但此时没有或只有极少的竞争者。3） 成长期：产品经过一段时间已有相当知名度，销售快速增长，利润也显著增加。但由于市场及利润成长

14、较快，容易吸引更多的竞争者。4） 成熟期：此时市场成长趋势减缓或饱和，产品已被大多数潜在购买者所接受，利润在达到顶点后逐渐走下坡路。此时市场竞争激烈，公司为保持产品地位需投入大量的营销费用。5） 衰退期：这期间产品销售量显著衰退，利润也大幅度滑落。优胜劣汰，市场竞争者也越来越少。第二章 PLC的基本概况2.1 可编程控制器（PLC）的简介20世纪60年代末第一台可编程控制器研制成功并获得应用，当时它主要用于顺序控制，进行逻辑运算，故称“可编程序控制器”，简称PLC（Programmable logic Controller）,进入80年代，由于计算机技术与微电子技术的飞速发展，极大的推动了PL

15、C的发展，使其功能日益增强，已远远超出当逻辑控制和顺序控制的范围，故称为“可编程控制器” 简称PC（Programmable Controller）。但因PC容易与“个人计算机” （Personal Computer）浑淆，所以人们仍习惯用PLC作为可编程控制器的缩写。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟

16、式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。可程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），乃是一种固态电子装置，主要利用输入/输出装置的回授信号及储存程序，控制机械或程序的操作。在工厂自动化（FA）系统中，PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性佳的特点，故一直为自动化业界所采用。近几年来，各PLC制造厂家无不致力于新机种的研发，所以在CPU 处理速度、扩展模块及通讯的功能上，相较于早期PLC控制器，已有长足的进展。PLC 能储存如顺序指令、定时器指令、计

17、数器指令、演算指令、数据控制指令以及通讯指令，并且以控制工业的机械装置及流程。如图2-1所示为PLC 在应用方面的概念图。图 2-1 PLC 在应用方面的概念图PLC 是以微处理机为基础，综合了计算器与自动化技术而开发的工业控制装置，这种控制器按照 IEC 国际标准的定义是可程序逻辑控制器又称为PC 或PLC。这种装置，内部储存预先编写相应的程序， 待输入输出连接完成之后，PLC 运行这个程序，便可自动完成预定的操作，属于一种程序记忆型的电子控制装置，亦可视为一般的继电器或定时器、计数器等集合体。目前PLC控制技术已在世界范围内广为流行，PLC控制技术已成为当前和今后电机控制的主要手段和重要的

18、基础设备之一。2.2 PLC的特点PLC经过三十多年的发展。日益完善，与传统继电接触器控制相比较，具有如下特点：1. 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发

19、出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2. 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作

20、为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4. 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5. 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为

21、例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3 PLC的工作过程 PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。一个完整的周期可分为三个阶段：1. 输入刷新阶段程序开始时，监控程序使机器以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映象寄存器。2. 程序处理阶段所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果，存入对应的中间元件和输出元件映象寄存器，当最后一条控制程序执行完毕后，即

22、转入输出刷新处理。3. 输出刷新阶段将输出元件映象寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。2.4 PLC的发展历史1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行

23、顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的百分比。在80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。由于PLC机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC

24、)的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和DCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度，总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。2.5 PLC的国内外状况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公

25、司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继

26、电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶

27、段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各

28、种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中

29、外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。2.6 PLC的未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络

30、的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。2.7 PLC的市场情况 国内PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还 有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的

31、。在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿元人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。我国市场上流行的有如下几家PLC产品:1. 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品; 2. 罗克韦尔公司(包括AB公司)PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品; 3. 西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品;4. GE公司的产品;日本欧姆龙、三菱、富士、松下等

32、公司产品。PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。 从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS(计算机集成制造系统)，在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因。第三章 步进电动机的简介3.1 步进电动机的定义电动机是将一种电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当

33、输入一个点脉冲时，它便转过一个固定的角度称为步距角，简称为步距。脉冲一个一个输入，电动机便一步一步地转动，步进电动机便因之而命名。3.2 步进电动机的特色步进电动机具有自身的特色归纳起来有： 1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 2) 位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有定精度的开环控制系统，也可在要求更高招度时组成闲环控制系统。3) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 4) 易于起动、停止、正反转及变速响应性也好5) 停止时，可有自锁能力。6) 步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下通常可以在超低速下高转

34、矩稳定运行、通常可以不经减速器直接驱动负载。7) 速度可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。8) 步进电动机带惯性负载的能力较差。9) 由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的不向而复杂化。10) 不能直接使用普通的交直流电源驱动。3.3 步进电动机的种类目前常用的有三种步进电动机：1. 反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。2. 永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。3. 混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机

35、两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动3.4 步进电动机的工作原理图 3-1 三相反应式步进电动机的结构示意图1定子 2转子 3定子绕组图3-1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60。各磁极上套有线圈，按图3-1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为E=360/40=9，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对

36、齐，如图3-1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3。依次类推，当三相绕组按ABCA顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按ACBA顺序循环通电，则转子

37、就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角b为30。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电动机的步距角可按下式计算：b=360/NEr (3-1)式中 Er转子齿数； N运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。第四章 PLC控制步进电机方法的研究4.1 引言随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛

38、进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱（即PLC，机器人，CAD/CAM）之一。目前可编程序控制器（Programmable Controller）简称PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具。4.2 PLC的基本结构PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电路等。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部端

39、子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其它各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。4.3 控制方法及研究4.3.1 FP1的特殊功能简介(1) 脉冲输出FP1的输出端Y7可输出脉冲，脉冲频率可通过软件编程进行调节，其输出频率范围为360Hz5kHz。(2) 高速计数器（HSC） FP1内部有高速计数器，可同时输入两路脉冲，最高计数频率为10kHz，计数范围-8388608+8388607。(3) 输入延时滤波FP1的输入端采用输入延时滤波，可防止因开关机械抖动带来的不可靠性，其延时时间可根据需要进行调节，调节范围为1ms128ms。(4

40、) 中断功能FP1的中断有两种类型，一种是外部硬中断，一种是内部定时中断。4.3.2 步进电机的速度控制FP1有一条SPD0指令，该指令配合HSC和Y7的脉冲输出功能可实现速度及位置控制。速度控制梯形图见图4-1，控制方式参数见图4-2，脉冲输出频率设定曲线见图4-3。 图 4-1 速度控制梯形图图 4-2 控制方式参数图 4-3 脉冲输出频率设定曲线4.3.3 控制系统的程序运行 图 4-4 控制系统原理图图4-4是控制系统的原理接线图，图4-4中Y7输出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。同时Y7接至PLC的输入接点X0，并经X0送至PLC内部的HSC。H

41、SC计数Y7的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使Y7的脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。实现这一控制的梯形图见图4-5。 图 4-5 控制梯形图控制系统的运行程序：第一句是将DT9044和DT9045清零，即为HSC进行计数做准备;第二句第五句是建立参数表，参数存放在以DT20为首地址的数据寄存器区;最后一句是启动SPD0指令，执行到这句则从DT20开始取出设定的参数并完成相应的控制要求。由第一句可知第一个参数是K0，是PULSE方式的特征值，由此规定了输出方式。第二个参数是K70，对应脉冲频率为500Hz，于是Y7发出频率为500Hz的脉冲。第三个参数是K1000，即按此频率

42、发1000个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即最后一个参数是K0，所以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。 4.4 结束语利用可编程序控制器可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便可靠地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。第五章 步进电机的PLC控制系统设计5.1 引言PLC作为控制器对机床电气控制系统的改造越来越突出。其主要部分是对数控机床的典型执行元件步进电机的控制。我们知道步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转

43、换成相应角位移的电机，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，因此只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数或者脉冲频率即可控制步进电动机的角位移和转速，但给步进电动机的各线圈绕组输入的脉冲还需要进行脉冲分配器的分配。利用PLC控制步进电动机，其脉冲分配可以由软件进行设计，还可以由硬件来组成。本文以OMRON的C系列P型机为例，讨论步进电动机用软件分配脉冲的设计方法。5.2 步进电动机PLC控制系统I/O接线图设计步进电动机以最常用的三相六拍通电方式工作，并要求步进电动机设有快速、慢速控制、正反转及单步控制4种控制方式。根据要求，可选用C28PCDTD的PLC进行控制并

44、设计出步进电动机的PLC控制系统I/O接线图（图5-1）。 图 5-1 步进电动机的PLC控制系统I/O接线图5.3 步进电动机PLC控制系统梯形图设计根据控制要求设计了PLC控制系统梯形图见图5-2。图 5-2 步进电动机的PLC控制系统梯形图1. 用移位寄存器SFT1010的10001005产生六拍的时序脉冲，在CP端的移位脉冲信号1106的作用下，将IN端的信号依次移入10001005，每移1位为1拍，6拍为1循环，移位时所产生的时钟脉冲频率由移位脉冲信号频率决定。2. 辅助继电器1200、1201、1202组成三相六拍环形分配器。在10001005产生的六拍时序脉冲作用下，1200、1

45、201、1202的通电顺序见图5-3。图 5-3 通电顺序3. 由0500、0501、0502实现步进电动机的正反转驱动控制。当正反转按钮SB5常开时，输入点0005断开，步进电动机的通电顺序为：0500（A相）0500、0501（A、B相）0501（B相）0501、0502（B、C相）0502（C相）0502、0500（C、A相）0500（A）.，此时步进电动机正转;按SB5时，输入点0005接通，则通电次序是BB、AAA、CCC、BB.，此时电机反转。按SB1起动铵钮时，输入点0001接通，步进电动机可以实现三相六拍通电。4. 脉冲控制器由1105、1106、1107组成。步进电动机的脉冲

46、频率控制按4种控制方式的要求可分为： 快速方式由辅助继电器1105的常闭接点和其线圈构成的振荡器，该振荡器产生的快速振荡脉冲，其周期为程序的1个扫描周期； 慢速方式由特殊继电器1900产生011s的时钟脉冲； 单步方式利用前沿微分指令（DIFU），由辅助继电器产生单步脉冲，其脉冲频率由SB6控制;脉冲控制器1107产生不同频率的脉冲，作为移位寄存器的移位信号。第六章 步进电动机的PLC控制6.1 引言步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移(或线位移)的执行元件。普通电动机是连续运转的，而步进电动机是一步一步转动的。它在数控机床、绘图机、轧钢机自动控制以及检测仪表等方面获得了广泛的应

47、用。PLC的应用和普及，对于步进电动机应用技术的发展有着十分重要的意义。因此，步进电动机与微处理器的结合将使其应用更为合理而高效。6.2 微型步进电动机的运行原理图6-1所示为微型永磁式步进电动机结构简图，此步进电动机的定子上有八个主磁极，其上装有A和B两套控制绕组，彼此错开90的电角度，极靴处带有均布小齿，转子则是由环形永久磁铁且两端罩上四段帽式铁心构成。这些铁心也带有均布小齿，但两者装配位置的特点是从轴向看去彼此错开半个齿距。根据图6-2给出的A、B两绕组通电的矢量图，可以得到该微型步进电动机的运行多种方式。下面就以两相八拍步进电动机为例说明这一运行原理。若以A(+)、A(-)分别表示A相

48、加+5V电源和加-5V电源，以B(+)、B(-)分别表示B相加+5V电源和加-5V电源。当A相与B相按图3所示顺序通以正负5V电源时，步进电机的定子磁极部分将会在磁极、以及相邻磁极之间按顺序感应出一对旋转的磁极与转子的永磁铁相对应，从而通过转矩拉动转子产生步进运行。这样，通过通电次序的改变达到改变步进电机的运行拍数、运转方向和运转速度。假定步进电动机正转运行的通电次序为顺时钟，则典型的两相八拍步进电动机正转的通电状态的变化规律是：A(+)A(+)B()B()B()A()A()A()B(+)B(+)A(+)B(+)A(+)图 6-1 微型步进电动机结构简图图 6-2 绕组通电矢量图图 6-3 两

49、相八拍通电规律步进电动机两相四拍正转和反转的通电状态的变化规律：正转：A(+)B()A()B(+)A(+)；反转：A(+)B(+)A()B()A(+)。6.3 PLC控制为了得到上述两相八拍的步进电动机正转的通电规律，我们选用了日本三菱公司Fxos20MR微型可编程控制器进行控制。1. 为了编制、阅读程序方便，这里给出输入/输出接线端子的分配表6-1和各内部软元件的分配表6-2。表 6-1 输入/输出接线端子分配表分类元器件输入/输出标号作用输入按钮SB1X000开始按钮SB2X001停止输出A相绕组Y001A相接正5V电源Y000A相接负5V电源B相绕组Y002B相接负5V电源Y003B相接

50、正5V电源表 6-2 各种软元件分配表各种软器件标号作用特殊状态寄存器M8002上电运行软时间继电器T0确定步进电动机转速T1状态寄存器D0转速参数存储步进状态寄存器S20第1拍步进运行S21第2拍步进运行S22第3拍步进运行S23第4拍步进运行S24第5拍步进运行S25第6拍步进运行S26第7拍步进运行S27第8拍步进运行S0初始化2. 由输入/输出接线端子分配表，完成PLC的外部接线图，如图6-4所示。图 6-4 硬件接线原理图3. 程序的编制及说明现在根据以上资料来编制该步进电动机的PLC控制程序，程序清单如下：该程序第07条指令为程序运行初始化，可设置步进电动机的转速参数，PLC上电以

51、后就能运行；第811指令为该程序运行的开始、停止控制段，X000接通，步进电动机开始运行，X001接通则步进电动机运行停止；第1284条指令为对应步进电动机运行一个通电循环的8条步进指令，由于第84条返回指令“RET”的作用，该步进电动机能不停地运行下去，直到X001接通。第85条指令为程序结束指令，如要改变步进电动机的转速，只要改变状态寄存器D0的参数。0 LD M80021 SET S03 MOV K5 D08 LD X0009 OR M010 ANI X00111 OUT M012 STL S0 13 LD M014 SET S2016 STL S2017 OUT Y00118 OUT T0 D021