步进电动机的PLC控制系统设计

III四川轻化工大学课程设计（论文）任务书设计（论文）题目：步进电动机的PLC控制系统设计学院：机械工程学院专业：机电一体化班级：机电专192学号：19502010236学生：熊建朝指导教师：黄波系主任（签名）一、原始资料1.主要内容及基本要求主要内容：根据系统的控制要求，确定系统所需输入输出电器；根据输入输出电器情况，确定PLC的I/O点数；根据控制要求及接线规则，完成PLC电气控制系统原理图、接线图、接线表及布局图；确定电器元件型号及规格；编写PLC控制程序及程序调试。基本要求：[1]总体方案设计；[2]PLC电气控制系统原理图；[3]PLC电气控制系统接线图及接线表；[4]PLC电气控制系统布局图；[5]PLC梯形图及程序表（使用三菱公司FX系列的指令系统）；[6]电气元件的型号及规格；[7]编写课程设计说明书，设计说明书书写格式参照《四川理工学院机械工程学院毕业设计（论文）管理实施细则》附录2：毕业设计说明书（论文）书写格式；（要求参考2-3篇学术论文，并在文中注明！）。2.原始数据[1].采用36BF02电动机，采用三相六拍通电方式；[2].实现转速控制，要求能实现慢速1、慢速2及快速；[3].实现步数控制，要求能实现单步、10步、100步；[4].实现暂停及正反转控制。二、总体方案设计2.1PLCPLC技术的迅猛发展，除了得益于工业的需求外，主要还是由于它具有许多独特的特点。PLC是传统的继电器技术和现代的计算机技术相结合的产物。而在工业控制方面，PLC还具有计算机控制或继电器控制所无法比拟的特点。1.可靠性高，抗干扰能力强2.应用灵活，编程方便3.功能完善，适用性强4.易于安装、调试、维修5.体积小、质量轻、能耗低PLC作为工业控制的多功能控制器，不仅能满足一般工业控制需要，而且能够适应工业控制的特殊控制要求，并可实现联网和通信控制。虽然不同类型PLC的性能，价格有差异，但其主要功能是相近的。2.2数控滑台的控制方法一、行程控制一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。而步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数，因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：n=DL/d（4-1）式中：DL为伺服机构的位移量（mm）；d为伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）。二、进给速度控制伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。因此，可以根据该工序要求的进给速度，确定其PLC输出的脉冲频率：f=Vf/60d(Hz)（4-2）式中：Vf为伺服机构的进给速度（mm/min）。三、进给方向控制进给方向控制即步进电机的转向控制.可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来其转向，本课题选用的三相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行分配器的输出顺序，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。2.3总体设计方案的确定采用FX2N-16MT三菱系统对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲驱动步进电机，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现数控平台的纵向、横向进给运动。方案如下： 图5-1步进电机带动机床工作台示意图工作台总体结构的确定初步采用1.步进电机2个（X、Y向分别控制）2.滚珠丝杆2套，由于所受的力以及行程长短不一样，所以要分别选择计算3.滚动导轨：双导轨、四滑块（分别为X、Y向，长短选择不同）4.带有三条“”槽的工作台面二、传动方案的确定步进电机→（是否需要齿轮减速装置？减速比取多少？）→滚珠丝杆→工作台X、Y方向满足：(5-1)三、硬件设计3.1电路总体设计键盘在单片机应用系统中能实现向PLC输入数据、传送命令等重要功能，是人工干预单片机的重要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。机械开关应接到PLC的开关量输入接口进行开关控制，PLC的开关量输入接口的作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。开关量输入接口按可接纳的外信号电源的类型不同可分为直流输入单元和交流输入单元，如图6-1、图6-2所示。图6-1直流输入单元图6-2交流输入单元从图中可以看出，输入接口中都有滤波电路及耦合电路。滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。图中输入口的电源部分都画在了输入口外（虚线框外），这是分体式输入口的画法，在一般单元式可编程控制器中，输入口都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源。本设计中采用的是直流输入单元，即如图6—1所示。一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为5—10ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键是否按下。在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常采用硬件方法或软件方法。由于硬件电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而图6-3键盘硬件接线图消除了抖动的影响。因此本设计中采用了这种方式来消除抖动，其原理将在下一章软件设计中体现出来，其硬件原理图如图6-3所示。其中SB0是启动/停止按钮，SB1为0.5s低速持续运转控制按钮，SB2为0.1s中速持续运转控制按钮，SB3为0.3s高速持续运转控制按钮，SB4为正反转切换按钮，SB5为通电方式切换按钮。3.2步进电机的驱动电路步进电动机驱动电路、步进电机的功率放大电路的种类很多。按照电流流过的方向是单向还是双向的，可以把功率放大电路分为双极性驱动电路和单极性驱动电路两类。单极性驱动电路适用于反应式步进电机，而双极性驱动电路适用于永磁式步进电动机和混合式步进电动机。本设计中采用的驱动电路是斩波恒流驱动电路，斩波恒流驱动电路是性能较好、目前使用较多的一种驱动方式。其基本思想是：无论电机是在锁定状态还是在低频段或高频段运行，均使导通相的绕组的电流保持额定值。图6-7是斩波恒流驱动电路的原理图。相绕组的通断由开关管VT1和VT2共同控制，VT2的发射极接一个小电阻R，电动机绕组的电流经这个电阻到地，小电阻的压降与电动机绕组的电流成正比，所以这个电阻称为电流采样电阻。当Ui为高电平时，VT1和VT2两个开关管均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用，R上的电压逐渐升高，当超过给定电压Ua的值时，比较器的输出低电平，使与门输出低电平，VT1截止，电源被切断，绕组电流经VT2、R、VD2续流，采样电阻R的端电压随之下降。当采样电阻R上的电压小于给定电压Ua时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，VT1重新导通，电源又开始向绕组供电。如此反复，绕组的电流稳定在由给定电压所决定的数值上。当控制脉冲Ui变为低电平时，VT1和VT2两个开关管均截止，绕组中的电流经二极管VD1、电源和二极管VD2放电，电流迅速下降。控制脉冲Ui、VT1的基极电位Ub1及绕组电流Id的波形如图6-8所示。图6-7斩波恒流驱动电路的原理图图6-8斩波恒流控制的电流波形在VT2导通期间内，电源以脉冲式供电，所以这种驱动电路具有较高的效率。由于在斩波驱动下绕组电流恒定，电机的输出转矩均匀。这种驱动电路的另一个优点是能够有效地抑制共振，因为电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动的输入能量是随着绕组电流的变化自动调节的，可以有效的防止能量积聚。但是，由于电流波形为锯齿形，这种驱动方式会产生较大的电磁噪声。四、软件设计4.1PLC提供的编程语言标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点；A.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。B.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。C.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。D.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当条件使用。图7-3PLC编程步骤步进电机控制系统的软件需要同时完成读取键盘、处理键盘、控制步进电机转动、控制数码管动态显示等任务。PLC是通过CPU循环扫描的工作方式来完成其控制任务的。PLC运行时，CPU执行用户程序从应用程序的第一条指令开始取指令并执行，直到最后一条指令执行结束，因此在一定的硬件与软件基础上的用户程序决定了控制系统的运行功能。4.2PLC编程中难点介绍步进电动机的运行特性由输入脉冲的数量、频率和电机绕组的接通次序决定,故需提供不同形式的脉冲电源。针对两相单、双四拍步进电动机驱动电源,由PLC输出脉冲控制信号,控制A、B两相绕组按A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…(正转)或者按A→AD→D→DC→C→CB→BA→A(反转)通电方式(每切换一次电流称一拍)循环通电。若任意改变两相绕组的通电顺序，则步进电机转向改变。因此，设计驱动电源控制装置时，要根据步进电机通电方式，绕组接通次序、脉冲频率和运行要求来进行设计。FX2系列PLC较丰富的编程指令。除基本语句指令外，还有近100条的功能指令。功能指令的出现大大拓宽了PLC的应用范围，结合基本指令编写程序可解决各种复杂的控制。但是，由于每条功能指令属一段子程序又具有特定的功能，应用时有一定的局限性、复杂性和技巧性。因此，用功能指令编程前要认真思考和筛选，选取合适的功能指令编辑。笔者经过FX2系列PLC功能指令的分析研究：围绕“循环右移ROR”指令（下称“ROR”指令）、“循环左移ROL”指令（下称“ROL”指令）、“传送MOV”指令（下称“MOV”指令）构建控制程序。1.循环右移指令ROR和循环左移指令ROL循环右移指令ROR将目标操作数【D】中的二进制数按照【n】规定的移动的位数由高位向低位移动，最后移出的那一位将同时进入进位标志位M8022.循环左移指令ROL将目标操作数【D】中的二进制数按照指令中【n】规定的移动的位数由低位向高位移动，最后移出的那一位将同时进入进位标志位M8022.ROL指令的执行类似于ROR指令，只是移位方向相反。对于连续型执行的指令，在每个扫描周期都会进行移位动作。所以一定要注意。对于位元件组合的情况，位元件前的K值为4（16位）或8（32位）才有效，如K4M0、K8M0。2.传送指令MOV传送指令MOV将源操作数【S】传送到目标操作数【D】中。传送时，数据是利用二进制格式传送的。三菱PLC存储指令使用DMOV指令可使数据寄存器D存放32位数据，可以存储更多数据。MOV指令存储数据是单字节的16位数据，范围是-32765到32767，如果超过这个范围，这个数超过16位（2进制意义上的）即十进制里面的32767，我们就需要用到DMOV指令了，DMOV指令可以传送32位以内的数。DMOVK10D0，就是把十进制的10传送到D0和D1中，其中D1存高位，D0存低位，其中D1D0组成就是32位存储器。4.5PLC梯形图I/O分配表PLC梯形图见附图纸。该梯形图用功能指令“MOV、ROR、ROL、ZRST”及基本指令编写而成。I/O分配表如表7-1所示。表7-1PLC控制步进电机I/O分配表输入输出输入继电器输入元件作用输出继电器输出元件作用X000SB0电机启/停按钮Y000A相功放电路控制电机启/停、调速、正、反转X001SB10.5s低速按钮Y001B相功放电路X002SB20.1s低速按钮Y002C相功放电路X003SB30.03s高速按钮Y003D相功放电路X004SB4电机正反转开关Y004运行指示灯HL运行显示X005SB5改变通电方式按钮五、程序调试运行在电脑上首先安装编程软件GXDeveloper然后安装仿真软件GXSimulator6。安装好编程软件和仿真软件后，在桌面或者开始菜单中并没有仿真软件的图标。因为仿真软件被集成到编程软件GXDeveloper中了，其实这个仿真软件相当于编程软件的一个插件。1首打开编程软件，图标如图所示2启动GXDeveloper软件后，创建一个新工程，如图8-1图8-1创建一个新工程3将编好的梯形图写入，如图8-2图8-2梯形图写入通过“快捷图标”启动仿真，如图8-3图8-3启动仿真按钮这个小窗口就是“仿真窗口”，显示运行状态，如果出错会有中文说明，如图8-4图8-4仿真窗口启动仿真后，程序开始在电脑上模拟PLC写入过程。如图8-5图8-5程序模拟写入这时程序已经开始运行，如图8-6图8-6程序运行状态在“仿真窗口”菜单栏中选“菜单启动”下拉菜单中“继电器内存监视”出现如下窗口，如图8-7图8-7软元件检测窗口在上述窗口菜单栏中选“软元件（D）”下拉菜单中“位软元件窗口（B）”→“X”和“Y”，如图8-8图8-8“X”、“Y”检测窗口图中Y000~Y003为步进电机三相绕组对应分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组、D相绕组，Y004为运行指示灯。X000接SB0控制电机启停，X001接SB1控制电机低速运行，X002接SB2控制电机中速运行，X003接SB3控制电机高速运行，X004接SB4控制电机正反转，X005接SB5控制电机通电方式。开始运行程序，如图8-9~8-16图8-9A相线圈通电运行状态按下SB0按钮程序启动X000闭合，Y004亮即运行指示灯亮，程序按1s脉冲运行三相六拍正转。图8-10AB相线圈通电运行状态图8-11B相线圈通电运行状态图8-12BC相线圈通电运行状态图8-13C相线圈通电运行状态图8-14CD相线圈通电运行状态图8-15D相线圈通电运行状态图8-16DA相线圈通电运行状态11、变速调节（正转）按下SB0启动按钮、SB1低速按钮即X000、X001闭合（图8-17为其中一张运行图其余运行过程同步骤10一样）图8-17低速运行时D相线圈通电运行状态按下SB0启动按钮、SB2中速按钮即X000、X002闭合（图8-18为其中一张运行图其余运行过程同步骤10一样）图8-18中速运行时C相线圈通电运行状态按下SB0启动按钮、SB3高速按钮即X000、X003闭合（图8-19为其中一张运行图其余运行过程同步骤10一样）图8-19高速运行时AB相线圈通电运行状态12、三相六拍反转由于好捕捉图像我在这选择1s脉冲时反转按下SB0启动按钮、SB4正反转按钮即X000、X004闭合通电顺序为A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→A，（图8-20为其中一张运行图其余运行过程同步骤10一样）图8-20反转时A相线圈通电运行状态附录：控制系统流程梯形图接线图元件表序号名称型号与规格单位数量备注1可编程控制器FX2-48MR或自定台12计算机自定台13绘图工具自定套14绘图纸B4张35输入继电器施耐德继电器个56输出继电器施耐德继电器个57步进电机HYPERLINK"/search/eclk?p=2b9fIT6daUYtOXwxacIORrjwhqTw2mDHtA1COzH4buQ3UwcHzlxlk0Zq0kFP1hAZQnz4ysDj_bLsTctAz9ntFCJG-yB_hQDdBpochjBJxyqHEg37TohwLK31DyE-tBrT4Dl64qgRtJfVZ0sI2RwmZz3KdhJ1zc6pNIU5hzRPL-rSPeroTdzkhz7lBifIm4uMnxZX45xw0DYjcJo5o3UvwEg5uFrrw8jjAjTu7Sul4z3bjii71cIOINW08hl0Mh3xA2FM7xpeJOGYVT024dxYIeRY9skQqASzvp0wut9mS2lOx-pLRGqjzg-sPg-fJiHS3Zl--Y5HqTVvkAOpHZjSFfOpRy-4tc3ofBGdJAyFYrqYcHKGPBug9h26KuEzZ0aPKxRfhyVVmtxd9wva2c_nyytpO8106nNYxbOFmrcxMqPuNiOxak03BWu83zZir90Q5WHaMTmIVnZR-Emq1n_PkgQLF-SWA7xrTMQ4CV2YTEq3pikx4jr5VwPhGFap1nYHdEuRPJbRj12f9FY3k5t0IbRCFqX-NsEOaIFOgvqIziKUW_0jctkTDQkJ9KrXe63ZgRpan91za0jqC5j1pNJnmvxxqEtR0UP-h3ZiZc6Q84n5RvLjzsJrwCR8OrDvNzisrr