设计完成版正文

1、浙江工贸职业技术学院毕业设计()基于158GA1 现代电气系统装置的步进电机运动小车应用案例的设计（三菱）张浙江工贸职业技术学院电子工程系, 班级：电信 1502摘要：随着市场的繁华和发展，各个工厂开始采用步进电机与伺服电机生产线。各企业为了达到对某个部位的目的，而其中伺服电机过于昂贵，所以为了节省成本常采用步进电机来进行(如自动售货机，打印机，3D 打印机，学校教学等)。目前市面上常用的步进电机有二相、三相、四相、五相步进电机，步进电机走的步数，正反转以及工作频率等等均可以使用 PLC（可编程器）通过共阴极、共阳极接法来驱动步进电机驱动器来进行（步进电机驱动器本身有正反转、细分、节流、脱机使

2、能等）。使用 PLC步进电机的在于它有专业的脉冲寄存器可对步进电机的脉冲数进行实时反馈步进电机的位置等，且电平相对一般器来说相对稳定，并且在工控领域内 PLC 相较于单片机具有使用方便，运行可靠，程序设计简单等优点。：可编程器；步进电机；编码器一、课题研究的意义步进电机的本质是无刷电机的进一步优化，步进电机最早是在 1920 年代由英国人所开发。1950 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的变得更为容易。本质上步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环电机，是现代数字程序系统中的主要执行，往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高精度、高分解能、高响应性、信

3、赖性等灵活性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置、需要精确操作各项指令动作的灵活性场合步进电机用得最多。广泛应用民用领域(如自动售货机，打印机，3D 打印机，学校教学，智能家居等)与工控领域（自动化生产线），三相步进电机的角距大概为 1.5 度，人们可通过对 PWM的调节来改变定子上的磁力致使步进电机的角度做更进一步的细分让它可以做出更小1基于 158GA1 现代电气系统装置的步进电机运动小车应用案例的设计（三菱）的角度二设计流程（一）步进电机运动小车的要求第一步系统通过“触摸屏”设置小车的运行距离及运行周期，注意此处小

4、车的运行为毫米，在设置完成前面两部后按下启动按钮进入自动运行，小车开始从初始位置1（电涡流传感器 1）开始向右快速运行到达位置 2（电涡流传感器 2），到达位置后小车暂停 3s。第二步 3s 后再以低速运行向右进给至设置距离，暂停 2s(期间若到达位置 3（电涡流传感器 3）则停止工作并“越程”)。第三步在距离位置 25mm 与设置距离位置区域反复运行 3 个周期。期间若到达位置 3（电涡流传感器 3）则发生。但若碰触到轨道的最大极限（左右两个限位开关）时小车停止工作。第四步完成后暂停 5s，最后自动返回初始位置 1（电涡流传感器 1）。第五步返回站点 1 后，小车运行周期若是没到达设置的运行

5、周期那么小车重复上一个周期的运动直至小车运行周期达到设置周期。第六步在此期间通过触摸屏上的数据令我们知道小车的运行距离。第七步若小车在运行状态下按下停止按钮（触摸屏上设置），小车无论运行到何处立即停止。第八步在小车停止的状态下或工作状态下按下复位按钮小车则立即返回站点 1（电涡流传感器 1）并停止工作。小车示意图如图 1 所示。图 1 小车示意图（二）设计流程在本次的毕业设计中我们先后经历了理解题目，确定所需零部件，构思框架，设置2浙江工贸职业技术学院毕业设计()好 I/O，调整工艺（因为在工作时我们缺少扎带所以并未安装）向索要触摸屏，步进电机资料，驱动器接线图，三菱 FX3U32MT 系列的

6、 PLC 等一系列的毕业设计所需的硬件后开始执行任务。设计构思流程图如图 2 所示，小车工作流程图如图 3 所示。图 2 构思流程图3基于 158GA1 现代电气系统装置的步进电机运动小车应用案例的设计（三菱）图 3 小车工作流程图三、硬件设计（一）元器件简介1. 小车小车的机构由两个滑动导轨以及一个丝杆滑块组成，以丝杆滑块的左右平移模拟成小车运动的样子，再由步进电机通过连接，经由步进电机运动的旋转制成小车的动力机构。小车结构如图 4 所示。图 4 小车结构图4浙江工贸职业技术学院毕业设计()2. 步进电机本次设计采用牌的三相六线制步进电机，他的步距角在 1.2，相比较步进电机精准了不少，且步

7、进驱动系统作为中德合作的结晶，在设计上秉承了德国专业的理念，高品质、高可靠性、高稳定性是其重要特点。3.MCGS 触摸屏根据题目要求，我们在触摸屏上设定小车启动、停止和复位按钮。然后放置两个输入框用于设定小车的设置距离以及运行周期次数。小车的运行状态更加直观的突出，再用两个输入框小车的运行距离，以及小车现在的运行周期次数。最后为了方便小车，设置滚动条来小车运行的轨迹，组态屏布局如图 5 所示。图 5 组态屏布局图（二）FX3U PLC 简介可编程序器采用一类可编程的器，用于其内部程序，执行逻辑运算,顺序，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/输出各种类型的机械或生产过程

8、。作为自动装置的，它具有功能强，可靠性高等诸多优点,PLC 实验装置采用的是模块化结构，主要模块有可编程序器、编程器模块，九种实验模块，按钮、开关输入模块和继电器输出模块，以及四层电梯模型。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序器，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用，实现了生产的自动，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编5基于 158GA1 现代电气系统装置的步进电机运动小车应用案例的设计（三菱）程逻辑器，简称 PLC（Programmable Logic Controller）。可编程器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。PLC地具有计算机功能，

9、不仅用逻辑编程取代硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，为一种电子计算机工业装置，而且做到了小型化和超小型化。目前在世界先进工业PLC 已成为工业的标准设备，它的应用几乎覆盖了所有工业，作为工业自动化的三大支柱（PLC 技术、人、计算机辅助设计和）之一的 PLC 技术，将会跃居主导地位。所以说 PLC 是现今必不可少的一种工业用的可编程器。并且在诸多领域，包括我们的日常生活中都有极其广泛的应用而且在工业的环境中有很好的发展前景。本次选取的是 FX3U-32MT 型号的 PLC，首先我们考虑到我们的步进电机需要脉冲的问题，所以选用 FX3U-32MR(继电器型 PLC)就不那么合适，只

10、有 FX3U-32MT 型号的 PLC能够满足我们的要求。FX3U-32MT 它拥有 Y0 与 Y1 两个高速脉冲输出口及 21 个共三组高速计数器。而且相对于其他系列的 PLC（如西门子，等）它具有价格低廉，处理速度快，最高能达到 0.065us/基本指令，内置 64K 大容量器，大幅增加了内部软元件的数量，且其编程软件 GX developed 更是内置 SFC、梯形图、指令语句表三种变成语言大大的增加了 PLC 编程的多样性、可选择性，还有交叉，软查找/替换等功能提高了编程的简易度。（三）所需器件及材料本设计所需器件及材料见表 1。表 1 材料6材料个数材料个数牌步进电机1导线若干步进电

11、机驱动器1压线端子10024v 开关电源1MCGS 触摸屏11k 电阻2FX3U PLC1小车架子1电涡流传感器3限位开关2端子连接器2光纤数据线11浙江工贸职业技术学院毕业设计()（四）I/O 接线图PLC 的 I/O 接线图如图 7 所示。图 6 步进电机运动小车I/O 接线图四、软件设计（一）编程方法 SFC 简介顺序功能图（SequeentialFunctionChart）是一种新颖、按工艺流程图进行编程的图形化编程语言，也是一种符合国际电工委员会（IEC）标准，被首选推荐用于可编程器的通用编程语言，在 PLC 应用领域中应用广泛及推广。采用 SFC 进行 PLC 应用编程的优点如下：

12、在可以直观地看到设备的动作顺序。SFC 程序是按照设备（或工艺）的动作顺序而编写，所以程序的规律性较强，容易读懂，具有一定的可视性。在设备发生故障时能很容易的找出故障所在位置。梯形图程序与 SFC 程序可以分成两块来写，大大减小了程序的。SFC 程序可以随时转换成梯形图程序。不需要复杂的互锁电路，更容易设计和维护系统。（二）程序流程图本次程序采用 SFC 顺序功能图，描述了小车工作的流程。其中 PLC 的初始化程序应用于计算与启动，完整的梯形图见附录一。顺序功能图如图 7 所示，具体步进程序见附录二。7基于 158GA1 现代电气系统装置的步进电机运动小车应用案例的设计（三菱）图 7 PLC

13、顺序功能（二）I/O 分配表步进电机运动小车I /O 分配表见表 2。表 2 步进电机运动小车I/O 分配表8X0编码器 AX1编码器 BX2站点三限位X3站点一限位X4站点二限位X7左限位X10右限位Y0步进电机脉冲Y2步进电机方向浙江工贸职业技术学院毕业设计()（三）程序分析1.启动停止与复位分析的 M0、M1、M2 是辅助继电器，按下启动按钮 M0，他会自锁 M10 运行，若按下 M1或者碰到 X006/X010（左右限位）以及 M44(站点三)则会停止运行，按下 M2 则是回到复位（回到站点一），启动、停止与复位梯形图如图 8 所示。图 8 启动、停止和复位梯形图2.站点一至站点二分析

14、开机运行 M0，则 M10（运行标志位）自锁，若小车在 X003（站点 1）处，且运行周期大于 1（M6 自锁，运行周期大于 1 才能工作）则 M20（站点 1 至站点 2 运行标志位）工作，经过定时器 T1 一秒延时小车方向位 Y2 置 1，输送 1KHZ 的（k0 在 PLSY 的指令中代表的是无穷大）脉冲给小车并在站点二（X004）时停止工作，在延时三秒后 T0 清空M8140（脉冲寄存器）并跳入 S10。站点一至站点二梯形图如图 9 所示。图 9 站点一至站点二梯形图9基于 158GA1 现代电气系统装置的步进电机运动小车应用案例的设计（三菱）3.站点二至设定距离分析通过 T0 跳入

15、S10，M10 在此作为总开关且位置未在站点 3，M21（站点二至设定距离运行标志位）启动，M21Y0 输送 300KHZ 的 x（设定值 D10）的脉冲数给步进电机做慢速运动，并设定工作向右运动（把 Y002 置 1），当这里的 M8140（脉冲寄存器）等于 D10（设定距离值）时 T2 定时器延时等待 2000 毫秒，M23(到达运行标志位)立即启动，M21 断开，步进电机立即停止工作，T2 延时时间到达清空 M8140 为下次脉冲数做准备并跳至 S11。站点二至设定距离梯形图如图 10 所示。在尚未到达设定距离的工作期间如果超过范围到达 X002（站点 3 限位），M44(标志位)运行，

16、而后 M10（运行标志位）断开，步进电机立即停止工作触摸屏指示灯。图 10 站点二至设定距离梯形图4.设定距离至 25mm 进给分析M10 运行标志位通则M24(25mm 运行标志位)通，M24Y000 输出1KHZ 的6250（25mm换算）的脉冲给步进电机做进给运动，并设定工作向右运动（Y002 置 1），当 M8140检测到 Y000完毕了 6250 个脉冲时，T4（电机正反转保护）延时 200ms，接通 M26，清空 M8140 数据，为下次脉冲数做准备，并跳入 S13。设定距离至 25mm 梯形图如图11 所示。10浙江工贸职业技术学院毕业设计()图 11 设定距离至 25mm 梯形

17、图M10 运行标志位通则 M25(回到设定距离标志位)通，M25Y000 输出 1KHZ 的 6250（25mm 换算）的脉冲，方向向左（Y002 复位），当 M8140 检测到 Y000 发出了 6250 个脉冲时，T3（电机正反转保护）延时 200ms，接通 M27，清空 M8140 数据，跳入 S11。C2次数加 1，当 C2 通时跳入 S14,C2 不通则跳入 S11 继续执行三周期运动，直至结束。设定距离至 25mm 进给梯形图如图 12 所示。图 12 设定距离至 25mm 进给梯形图5.返回站点 1 分析M10 运行标志位通则复位 C2（三周期循环标志位），T10 延时 5 秒，

18、T10 通Y00011基于 158GA1 现代电气系统装置的步进电机运动小车应用案例的设计（三菱）向左运动（K0 代表无穷）直至站点 1X003（电涡流传感器 1）停止，期间 M43C2（运行周期标志位），要是周期未到达设定周期数（也就是 C2 计数器条件为满足）从 S0 开始重复执行直至周期结束。C2 计数器的值由 D40 数据寄存器提供，D40 来源于触摸屏的设置周期框设置，且 D40 必须大于 1。返回站点 1 梯形图如图 13 所示。图 13 返回站点 1 梯形图五、调试与完善在调试期间脉冲数与编码器及要求的毫米有所，又因触摸屏计算数据泰国麻烦，我们采用了 PLC 进行计算距离的公式，

19、其中 D0 作为 PLC 的设定距离要测量出毫米的距离十分之，我们只能退而求其次先计算厘米的大概值，在经过调整计算与正常的数值的误差，得到一个误差在 2mm 内的计算公式,而且在调试过程中步进电机还会因频率过快而失步与频率过慢抖动声过大等一系列的问题，所幸在的帮助下这些问题得到了解决。计算方式见表 3 所示。表 3 PLC 与触摸屏计算方式12数据寄存器作用PLC 关联来源计算D0触摸屏的设定距离D10触摸屏写入D10=D0*250D40触摸屏的设定周期C5触摸屏写入D80触摸屏的监控距离D150PLC 编码器输出D80=D150/250D50触摸屏的监控运行周期C5PLC 输出浙江工贸职业技

20、术学院毕业设计()六、结束语经过这次的进一步的增强，加深了对 PLC 它们的理解，并对 PLC 产生了浓厚的，但是我也深深的知道的不足之处，比如说对应用指令的不熟悉，加深了我在书写程序是的难度，在学习过程中的种种通过对的提问与上网的搜索得到了解决，扎实的理论功底且具有相当实践能力的必不可少。在这次的课程中，我发现 PLC 在工业中的作用很大，它能使人的转变成电脑的，大大地降低了的成本，很大地提高生产效率。学习的过程是痛苦的，但是收获的喜悦更是让人激动的。相信通过这次课程设计它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。参考文献123456.S7-200PLC 基础M.北械工业，2006.7.可编程器技术与应用系统设计M.机械工业，2002.2.PLC 编程及应用M.机械工业，2005.8.可编程.可编程.可编程器原理及应用M.电子工业器应用基础M.电子工业，2007.9，2006.5，2001.2器应用技术M.北械工业13基于