基于PLC步进电机控制系统的设计

太原理工大学阳泉学院—毕业设计说明书第五章数控滑台的设计5.1总体设计方案的确定1、为降低生产成本,满足使用要求,故确定总体设计方案如下: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2、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：5.2机械部分设计计算1、纵向进给系统设计计算已知条件：工作台重量：W=800N时间常数：T=25ms滚珠丝杆基本导程：L0=6mm行程：S=320mm脉冲当量：步进角：快速进给速度：电机功率：N=1.5kw(1)、切削力计算由《机床设计手册》可知，切削功率查机床说明书，得电机功率N=1.5kw；系统总效率5；系统功率系数K=0.96。则；式中－－切削线速度V=100m/min主切削：由《金属切削原理》可知，主切削力：,则可计算出FZ如下所示：mm111222mm0.10.20.30.10.20.3(N)33456276266811241524查表，可知当FZ=562.3N时，切削力深度mm，走刀量从《机械设计手册》中可知，在一般外团圆车削时；即：(2)、滚珠丝杆设计计算：对于矩形槽：K=1.15,摩擦系数f’=0.161）、强度计算：寿命值：；取工件直径：D=80mm;查表T1=15000h最大动负载：查表：；根据Q选择滚珠丝杆型号：CMD2504－2.5－E其额定动载荷Q=14462N，所以强度足够用。d1=22.5mm。螺母长度L=71mm,余程le=16mm,螺纹长度l=320+71+2×16=423mm.2)、效率计算：根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：其中摩擦角，螺旋升角因此：3）、刚度验算：受工作负载P引起导程变化量：L0=6mm=0.6cm,E=20.6×106N/cm2滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽略。即导程变形总误差为：查表知E级精度丝杆允许的螺距误差（1m长）为故刚度足够。4）、稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不验算。4）、稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不用验算。（3）、齿轮及转矩的有关计算1）、有关齿轮计算：,传动比：取第一级为：Z1=2.5取：Z1=18,Z2=45,m=2,b=20mm,mmmm取二级齿轮转动比：,Z3=18,Z4=45，m=2,b=20mm,中心距：2)、转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：丝杠的转动惯量：齿轮的转动惯量：电机的转动惯量很小可以忽略。3）、齿轮的转动惯量：电机的转动惯量很小可以忽略。4）、所需转动力矩计算：eq\o\ac(○,1)、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：eq\o\ac(○,2)、切削时折算到电机轴上的加速度力矩：eq\o\ac(○,3)、折算电机轴上的摩擦力矩：当,时：eq\o\ac(○,4)、由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩：当时，预加载荷,则：eq\o\ac(○,5)、折算到电机轴上的切削负载力矩：所以，快速空载启动所需力矩切削时进给所需力矩：快速进给所需力矩：由以上分析可知：所需最大力矩Mmax发生在快速启动时：2、横向进给系统设计计算经济型数控改造的横向进给系统的设比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。已知条件：工作台重量：W=300N时间常数：T=25ms滚珠丝杆基本导程：L0=6mm行程：S=200mm脉冲当量：步进角：快速进给速度：（1）、切削力计算横向进给为纵向的1/2～1/3,取1/2，则切削力为纵向的1/2切断工件时：取K=1.15,滚动摩擦系数为则寿命值：(2)、滚珠丝杆设计计算：1）、强度计算：对于矩形槽：K=1.15,摩擦系数f’=0.16则寿命值：；取工件直径：D=80mm;查表T1=15000h查表：；最大动负载：根据Q选择滚珠丝杆型号：CMD2004－2.5－E其额定动载荷Q=5862N，所以强度足够用。d1=17.5mm。螺母长度L=72mm,余程le=16mm,螺纹长度l=200+72+2×16=304mm.2)、效率计算：根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：其中摩擦角，螺旋升角因此：3）、刚度验算：受工作负载P引起导程变化量：L0=6mm=0.6cm,E=20.6×106N/cm2滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽略。即寻程变形总误差为：查表知E级精度丝杆允许的螺距误差（1m长）为故刚度足够。4）、稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不验算。(3)、齿轮及转矩的有关计算,,m=2传动比：取第一级为：,Z1=18,Z2=45,d1=36,d2=90取二级：,Z1=18,Z2=45,d3=36,d4=902)、转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的传动惯量：丝杠的转动惯量：齿轮的转动惯量：电机的转动惯量很小可以忽略。3）、所需转动力矩计算：eq\o\ac(○,1)、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：eq\o\ac(○,2)、切削时折算到电机轴上的加速度力矩：eq\o\ac(○,3)、折算电机轴上的摩擦力矩：当,滚动摩擦系数时：eq\o\ac(○,4)、由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩：当时，预加载荷,则：eq\o\ac(○,5)、折算到电机轴上的切削负载力矩：所以，快速空载启动所需力矩切削时进给所需力矩：快速进给所需力矩：由以上分析可知：所需最大力矩Mmax发生在快速启动时：3、步进电机的选择(1)、纵向进给系统的电机的确定：根据启动力矩的选择;－－电机启动力矩；－－电机静负载力矩则：为满足最小步角要求，电机选用四相八拍工作方式，查表知:所以，步进电机最大静转距为：步进电机最高工作频率：综合考虑，查表选用20BYJ46型四相步进电机。(2)、横向进给系统步进电机的确定：则：为满足最小步角要求，电机选用四相八拍工作方式，查表知:所以，步进电机最大静转距为：步进电机最高工作频率：综合考虑，查表选用20BYJ46型四相步进电机。4、滚动导轨的选择综合考虑机床的基本额定载荷及其它方面的因素，选取HTSD－－WAA(宽幅矩型滑块)的滚珠导轨。初步选用4滑块，工作台大小400×300，工作台自重300N，外载荷700N。(1)、摩擦力计算：摩擦力计算公式式中为滚动摩擦系数取,P为法向载荷纵向P=349.2,横向P=229.4，f为密封件阻力，取f=0.5N.纵向F=0.003×349.2+0.5=1.55N横向F=0.003×229.4+0.5=1.19N(2)、寿命计算：纵向行程为0.32m目标寿命L=0.32×2×5×60×8×300×5×10-3=2304km选择HTSD－LG20WAA型导轨，额定动载Ca为10.28W，根据计算可知，满足强度要求。横向行程为0.2m，目标寿命L=0.2×2×5×60×8×300×5×10-3=1440km选择HTSD－LG20WAA型导轨。额定动载Ca为4.51W.第六章设计硬件电路6.1硬件电路总体分析步进电机控制系统共分为两个模块：按键控制模块、步进电机驱动模块。键盘控制模块包括启动键、停止键、点动控制键、速度控制键、方向控制键和步进电机通电方式改变的控制。其中启动键接于PLC的X0端口；停止键接于PLC的X1端口；点动控制键接于PLC的X2端口，实现对步进电机的点动控制；而速度控制键分为4个不同的速度等级，有小到大分别接于PLC的X3、X4、X5和X6端口，实现对步进电机在不同转速下运行的控制要求；方向控制键接于PLC的X7端口，实现对步进电机正反转的控制；通电方式改变按钮接于PLC的X8端口，实现对步进电机通电方式改变的控制。步进电机驱动模块采用恒频斩波细分驱动电路，通过接收PLC发出的脉冲信号来控制步进电机完成各种操作。由于本设计中采用三相反应式步进电机，因此需要采用四支完全相同的驱动电路分别控制电机四相绕组的电流，而由PLC的Y0、Y1、Y2和Y3端口分别提供控制四相绕组的脉冲信号。6.2总体设计分析图电机驱动模块PLC按键控制模块电机驱动模块PLC按键控制模块图6-1硬件电路分析图图形说明：1.PLC接受键盘信息，改变系统内部变量值。2.PLC输出脉冲信号，控制步进电机转动。6.3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。6.4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。步进电机是采用电脉冲电源供电的。这种驱动电源一般应包括脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲功率放大电路几部分。驱动电路就是脉冲功率放大电路。功率放大器的输出直接直接驱动电动机绕组。因此功率放大电路的性能对步进电机的运行状态有很大影响。目前国内步进电机的驱动电路主要有以下几种。=1\*GB2⑴单电压驱动单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电。单电压驱动如图6-4所示图6-3键盘硬件接线图图6-4单电压驱动电路功率晶体管T用作开头，L是电机一相绕组的电感，电源电压一般选择在10V-100V左右。限流电阻R1决定了时间常数，R1在工作中要消耗一定的能量，所以这个电路损耗大、放率低，一般只用于小功率步进电动机的驱动。=2\*GB2⑵双电压驱动 用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。双电压驱动有两种方式：双电压法和高低压法=1\*GB3①双电压法双电压法的基本思路是：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动。其电路原理如图6-5所示。图6-5双电压驱动电路当电动机工作在低频时，给T1低电平，使T1关断。这时，电动机的绕组由低电压VL供电，控制脉冲通过T2使绕组得到低压脉冲电源。当电动机工作在高频时，给T1高电平，使T1打开。压脉冲电源。当电动机工作在高频时，给T1高电平，使T1打开。这时二极管D2反响截止，切断低电压电源VL，电动机绕组由高电压VH供电，使控制脉冲通过T2使绕组得到高压脉冲电源。这种驱动方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频性能，但仍没摆脱单压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。=2\*GB3②高低压法高低压法的基本思路是：不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始用高压供电，使绕组中电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。高低压驱动电路的原理如图6-6所示，尽管看起来与双电压法电路非常相似，但它们的原理有很大差别。图6-6高低压驱动电路图中有两个功率晶体管VT1、VT2，两个二极管VD1、VD2，一个外接电阻Rc步进电机绕组电感L以及电阻Rl。高压U1为80~150V，低压U2为5~20V。双电压功放电路的工作控制信号和单电压功放电路有很大区别。在单电压功放电路中，它的工作控制信号是步进时一相所需的方波信号。。而在双电压功放电路中，除了需要一相所需的方波信号外，还需高压驱动控制信号，只有两个信号密切配合才能正常工作。当VT1、VT2管的基极电压Ub1、Ub2都为高电平时，则在t1~t2时间内，VT1和VT2均饱和导通，二极管VD2反向偏置而截至。高压电源U1经VT1和VT2管加到电机绕组L上，使其电流迅速上升，从而提高步进电机工作频率和高频时力矩。在用高压电源U1时，流入绕组的瞬时电流式中，Tj为回路时间常数；Rl为绕组电阻；Rc为外接电阻。当时间达到t2时或电流上升到某一数值时，Ub1为低电平，Ub2为高电平，VT1管截止，VT2管导通。电动机绕组的电流由低压电源U2经二极管VD2和VT2管来维持。在t2~t3时，绕组电流保持一定的稳态电流，从而电动机在这段时间内能保持相同转动力矩，已完成步进过程。绕组内稳态电流I为U2/（Rc+Rl）。在t3时，Ub2也为低电平，VT2管截止。这时高压电源和低压电源都被关断，无法向电动机绕组供电。绕组因电源关断而产生反电势。在电路中二极管VD1、VD2组成反电势泄放的回路。绕组的反电势通过Rl、Rc、VD1、U1、U2、VD2回路泄放，绕组中的电流迅速下降，其波形形成较好的电流下降沿。可见，该电路对绕组的电流比单电压功放回路的波形好，有十分明显的高速率的上升和下降沿。所以，高频特性好，电源效率也较高。它的不足之处是：高压产生的电流上冲作用在低频工作时会使输入能量过大，引起电动机的低频振荡加重。另外，在高低压衔接处的电流有谷点、不够平滑，影响电动机运动的平稳性。此回路具有能耗低、高频工作时有较大的转动力矩，所以常用于中功率和大功率步进电机中。高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法。由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。斩波型功放电路克服了高低压功放电路出现的谷点现象，并且提高了电机的效率和力矩。斩波型功放回路有两种：一种是斩波恒流功放回路；另一种是斩波平滑功放回路。斩波功放电路应用较广泛。它是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近，这种电路也成为电流驱动电路或波顶补偿回路。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。第七章软件设计7.1可编程控制器（PLC）的工作原理可编程控制器（PLC）的有两个工作要点：入出信息变换、可靠物理实现。入出信息变换主要由运行存储于PLC内存中的程序实现。这程序既有系统的（这程序又称监控程序，或操作系统），又有用户的。系统程序为用户程序提供编辑与运行平台，同时，还进行必要的公共处理，如自检，I/O刷新，与外设、上位计算机或其它PLC通讯等处理。用户程序由用户按照控制的要求进行设计。什么样的控制，就有什么样的用户程序。

可靠物理实现主要通过输入（I，

INPUT）及输出（O，

OUTPUT）电路。每一输入点或输出点就有一个I或O电路。而且，总是把若干个这样电路集成在一个模块（或箱体）中，然后再由若干个模块（或箱体）集成为PLC完整的I/O系统（电路）。尽管这些模块相当多，占了PLC体积的大部分，但由于它们都是由高度集成化的，所以，PLC的体积还是不太大的。输入电路时刻监视着输入点的（通、ON或断、OFF）状态，并将此状态暂存于它的输入暂存器中。每一输入点都有一个与其对应的输入暂存器。输出电路有输出锁存器（还可能有别的称谓）。它也有两个状态，高、低电位状态，并可锁存。同时，它还有相应的物理电路，可把这个高、低电位的状态传送给输出点。每一输出点都有一个与其对应的输出锁存器。这里的输入暂存器及输出锁存器实际是PLC的I/O电路的寄存器。它们与PLC内存交换信息通过PLCI/O总线及运行PLC的系统程序实现。把输入暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称为输入继电器，或称软触点，或称为过程映射输入寄存器（theprocess-imageinputregister）。这些位（bit）置成1，表示触点通，置成0为触点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入点的状态。

输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈，或称为过程映射输出寄存器（theprocess-imageoutputregister）。通过PLCI/O总线及运行系统程序，输出继电器的状态将映射给输出锁存器。这个映射的完成也称输出刷新。PLC除了有可接收开关信号的输入电路，有时，还有接收模拟信号的输入电路（称模拟量输入单元或模块）。只是后者先要进行模、数转换，然后，再把转换后的数据存入PLC相应的内存单元中。

如要产生模拟量输出，则要配有模拟量输出电路（称模拟量输出模块或单元）。靠它对PLC相应的内存单元的内容进行数、模转换，并产生输出。这样，用户所要编的程序只是，PLC输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的。图7-1PLC工作原理图7-1对以上叙述作了说明。其中框图代表信息存储的地点，箭头代表信息的流向及实现信息流动的手段。这个图既反映了PLC实现控制的两个基本要点，同时也反映了信息在PLC中的空间关系。简单地说，PLC工作过程是：输入刷新运行用户程序输出刷新，再输入刷新再运行用户程序再输出刷新⋯⋯永不停止地循环反复地进行着。图7-2所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息间的时间关系。

a-

简化工作流程图

b

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实际工作流程图图7-2PLC工作流程图有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监视得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化。只是响应的时间上，略有滞后。但由于PLC的工作速度很快，所以，这个“略有滞后”的时间是很短的，一般也就是几毫秒、几十毫秒，最多也不会超过100到200毫秒。图7-2a所示的是简化的过程，实际的PLC工作过程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些其它的公共处理工作。公共处理工作有：循环时间监视、外设服务及通讯处理等。监视循环时间的目的是避免用户程序“死循环”，保证PLC能正常工作。为避免用户程序“死循环”的办法是用“看门狗”（Watchingdog），即设一个定时器，监测用户程序的运行时间。只要循环超时，即报警，或作相应处理。外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或向编程器输出数据。通讯处理是实现与计算机，或与其它PLC，或与智能操作器、传感器进行信息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。

也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理——I/O刷新——运行用户程序——再公共处理——⋯反复不停地重复着。图7-2b所示的是实际的过程。此外，PLC上电后，也要进行系统自检及内存的初始化工作，为PLC的正常运行做好准备。用这种不断地重复运行程序以实现控制，称扫描方式工作。是PLC基本的工作方式。此外，为了应对紧急任务，PLC还有中断工作方式。在中断方式下，需处理的任务先申请中断，被响应后停止正运行的程序，转而去处理中断工作（运行有关中断的服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。PLC的中断方式的任务，或称事件，是分等级的。同时出现两个或多个中断事件，则优先级高的先处理，继而处理低的。直到全部处理完中断任务，再转为执行扫描程序。PLC对大量控制都用扫描方式工作，而对个别急需的处理，则用中断方式。这样，既可做到所有的控制都能照顾到，而个别应急的任务也能及时进行处理。当然，PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。但如果能弄清上面介绍的思路，也可知到PLC是怎么工作的了。7.2存储空间的计算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。7.3可编程控制器（PLC）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。=2\*GB2⑵语句表语言，类似于汇编语言。=3\*GB2⑶逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能，左边画输入、右边画输出。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。7.4PLC编程中难点介绍7.4.1驱动电源的特殊性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。7.4.2用功能指令构建控制程序的有关问题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。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。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。7.5PLC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改变通电方式按钮第8章GXDeveloper软件程序模拟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。8.1程序运行图文说明1首先打开编程软件，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为步进电机四相绕组对应分别为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脉冲运行四相八拍正转。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、四相八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13、改变通电方式（四相四拍）按下SB0按钮、SB5按钮即闭合X000、X005将四相八拍改为四相单四拍正转（由于好捕捉图像在这还是采用1s脉冲通电）通电顺序为A→B→C→D→A，如图8-21~8-24图8-21四相四拍正转时A相线圈通电运行状态图8-22四相四拍正转时B相线圈通电运行状态图8-23四相四拍正转时C相线圈通电运行状态图8-24四相四拍正转时D相线圈通电运行状态14、四相四拍反转按下SB0启动按钮、SB4正反转按钮、SB5改变通电方式按钮即X000、X004、X005闭合通电方式为D→C→B→A（图8-25为其中一张运行图其余运行过程同步骤13一样）图8-25四相四拍反转时D相线圈通电运行状态15、四相四拍变速控制（反转）按下SB0启动按钮、SB1低速控制按钮、SB4正反转按钮、SB5改变通电方式按钮即X000、X001、X004、X005闭合通电方式为D→C→B→A（图8-26为其中一张运行图其余运行过程同步骤13一样）图8-26四相四拍反转时D相线圈低速通电运行状态16、四相四拍中速控制（反转）按下SB0启动按钮、SB2中速控制按钮、SB4正反转按钮、SB5改变通电方式按钮即X000、X002、X004、X005闭合，（图8-27为其中一张运行图其余运行过程同步骤13一样）图8-27四相四拍反转时D相线圈中速通电运行状态17、四相四拍高速控制（反转）按下SB0启动按钮、SB3高速控制按钮、SB4正反转按钮、SB5改变通电方式按钮即X000、X003、X004、X005闭合（图8-28为其中一张运行图其余运行过程同步骤13一样）图8-28四相四拍反转时D相线圈高速通电运行状态结论毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的设计出PLC控制步进电机系统，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。通过实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。通过PLC控制步进电机，实现步进电机的启停、正反转、速度控制达到一定的标准，这就要求我们的设计必须严密、可靠。通过这次毕业设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我们希望看到的，也正是我们进行毕业设计的目的所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。通过与张海老师的沟通和交流，我了解到此系统的适用条件，此设备的选用标准，以及各种器件适用性。我的能力也得到了提高，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。最终按质按量完成本次设计。我的收获是很难用语言来描述的。非常感谢各位老师的指导与帮助。顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。无论PLC控制步进电机系统怎么复杂，我都采用了一些新的技术和设备。它们有着很多的优越性，但也存在一定的不足，这些不足在一定程度上限制了我们的创造力。发现问题，面对问题，才有可能解决问题。不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为社会做出应有的贡献，为祖国的四化服务。

附录1、流程图2、控制系统设计步骤参考文献1、参考资料（1）姚永刚主编．电机与控制技术：中国铁道出版社，2010（2）刘子林主编．电机与电气控制（第三版）：电子工业出版社，（3）顾战松、陈铁年编著.可编程控制器原理与应用.北京：国防工业出版社，1996（4）廖常初主编.可编程序控制器应用技术.重庆：重庆大学出版社，2005（5）陈远龄主编．机床与电气自动控制.重庆：重庆大学出版社，2006（6）曹承志主编.电机拖动与控制.北京:机械工业出版社,2001（7）唐介主编.电机拖动与控制基础.北京:高等教育出版社,2002（8）张勇主编.电机拖动与控制.北京:机械工业出版社,2001（9）程宪平主编.机电传动与控制.武汉:华中科技大学出版社,1997（10）冯晓,仲恕编著.电机与电器控制.北京:机械工业出版社,2005（11）郑萍主编.现代电气控制技术.重庆:重庆大学出版社,2003（12）孙建忠，白凤仙主编.特种电机及其控制（第三版）:中国水利水电出版社（13）邓兴中主编.机电传动控制.武汉：华中科技大学出版社，2001（14）程宪平主著.机电传动与控制：华中科技大学大学出版社，2000（15）杨后川、张春平、张学明、陶征等主编，三菱PLC应用100例（第二版）：电子工业出版社，（16）王阿根主编，PLC控制程序精编108例，北京，电子工业出版社，2013（17）王栋主编，煤矿设备电气控制与PLC应用技术，机械工业出版社，2014（18）明立军主编，可编程控制器应用技术，北京理工大学出版社，2013（19）江燕、周爱民主编，PLC技术及应用（三菱FX系列），中国铁道出版社，2013（20）肖明耀、代建军主编，三菱FX3u系列PLC应用技能实训，中国电力出版社，2015（21）陈建明主编，电气控制与PLC应用（第三版），电子工业出版社，2006（22）伍金浩、曾庆乐主编，电气控制与PLC应用技术（第二版），电子工业出版社，2009（23）黄永红主编，电气控制与PLC应用技术，机械工业出版社，2011（24）郭艳萍.电气控制与PLC技术.北京.北京师范大学出版社.2007

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PLCmanufacturershavetoprovideuserswithavarietyoffunctionalmodules,wedevelopedavarietyofseriesofproducts.Userscanfollowtheactualneeds,selecttheappropriatePLCproduct,andthensetuptomeettheneedsofthecontrolsystem.Applicationdesignprocess,mostusersdonotneedtoproduceavarietyofadditionaldevices.PLCmanufacturerstomeettheneedsofindustrialcontrol,CPU,powersupply,I/OandsoonconstitutethemaincomponentsofthePLC,mostofthestructureaccordingtothemodulardesign,eachmodulebetweentherackandthecableconnection,theusercanfollowthesizeofthesystemandfeaturesitsowncombinationofmodules,simpleandflexible,convenientandpractical.Inaddition,PLC'sI/Ointerfacemoduleisveryrich,diverseprogrammingmethodissimple,easytoinstall,easymaintenance.1.3PLCapplicationsPLChasnowbeenwidelyusedinindustrialautomation.Inthemachineryindustry,metallurgicalindustry,lightindustry,petrochemicalindustry,powerindustry,textileindustry,electronicindustry,foodindustryandotherindustrieshaveplayedanirreplaceablerole.Studieshaveshownthatmorethan80%oftheindustrialcontrolcanberealizedbythePLC.PLCcanrealizelogicsequencecontrol,dataprocessing,andtheprocessofavarietyoffunctionsandothercontrolfunctionsaswellascommunicationviatheInternet.PLCcontrolenablessteppermotorfunction,andtoimprovetheanti-jammingcapabilityandreliability.2,thecontrolmethodofthesteppingmotorControlrequirements2.1four-phasesteppermotor.Themainmotorspeedcanbeachieved,aswellasthenumberofstepsofthereversingcontrol.2.2SpeedControlInputpulsefrequencydeterminesthesteppermotorspeedisakeyfactor.Figure1showsthat,iftheinputpulsecyclechange,highandlowwidthA,B,C,Dfour-phasewindingsmustbechanged.Causingenergization,therateofchangeofpowerchanges,therebyaffectingthemotorspeed.2.3reversingcontrolWecanachievepositiveandreversecontrolofthesteppingmotorbyvaryingthepower-onsequenceofthewindings.Four-phasesteppermotorpowerdualfour-beatsequenceisAB-BC-CD-DA-ABAtthispointthemotoristransferred;windingsareenergizedwhentheorderisAD-DC-CB-BA-ADandthemotorreversal.Therefore,bychangingtheorderoftheoutputpulse,therebychangingthepower-onsequenceofthewindings,itcanbedoneis,reversecontrolofthemotor.2.4ControlnumberofstepsEachinputelectricalpulsewillfurtherbeforesteppingmotor,theangulardisplacementoftheoutputwiththeinputisproportionalrelationshipbetweenthenumberofpulses.Todothis,wecanfollowthedisplacementoftheoutputsize,thenumberofoutputpulsesforthePLCtoconfirmthenumberofstepstocontrolthemotor.Theformulais:n=△L/δInthisequation,△Lrepresentstheamountofoutputdisplacementmotor(mm),δrepresentativespulseequivalent(mm/pulse).3,basedonthecircuitdesignPLCControlSystem

Movementofthesteppermotordoesnotproducetheamountofrotationerroraccumulation,therefore,nofeedbacksignalisthebiggestopen-loopcontrolcharacteristicsofsteppermotorcontrol.ThePLCcontrolsystemusesMitsubishiFX2-32MR.3.1steppermotordrivecircuit

Basedonfour-phasesteppermotorPLCcontrolroughlydividedintotwotypes:oneisuniversalPLCsteppermotorcontrol,andtheotherisasteppermotordrivermodulePLCdedicatedsteppercontrol.Controlmodulerelativelyhighreliability,universalPLCcontrolsystemstructureisrelativelysimple,relativelylowconstructioncost,theirownmerits.

EffecttransistorT1isequivalenttoaswitch,ifthetransistorT1isturnedoff,thecollectorcurrentflowconditionspresented,thenitwillswitchoff;ifthetransistorT1saturates,thecollectorcurrentisincreased,thentheswitchwillbeclosedtowanttocontroltheswitch,youneedtocontroltheincreaseinthebasecurrent.TransistorTransistorT2andT3combinationhasbecomeacommonDarlingtonamplifiercircuit,fourwindingdrivemotorfunction,whichenablesthequiescentcurrentofthemotorwindingreaches2A.Themainroleoftheoptocouplerisaneffectivecontrolanddrivesignalisolation.Iftheinputsignalislow,thetransistorT1isturnedoff,theoutputsignalishigh,thenthetimewillbeoffinfraredlightemittingdiode,andthephototransistorisnotturnedon,thewindingandnocurrentflows;iftheinputsignalishigh,thetransistorT1issaturated,thentheinfraredlightemittingdiodeemitslightatthistime,butwillalsophototransistoristurnedontosupplypowerdrivestagetransistorbasecurrent,sotherewillbeacurrentconductingwinding.3.2PLCfour-phasesteppermotorcontrolmethod3.2.1steppermotorspeedcontrolimplementation

Asweallknow,isinaccordancewiththeperiodicmotionpulsegeneratedbyapulsegenerator,tothisend,wePulsecontrollermustfirstbeselected,butthenrealizedY0,Y1,Y2,Y3fouroutputrelayisenergizedinaccordancewithdoublefourshotmodeisturnedonasshownbelowviaanannulardistributor.3.2.2steppermotoris,reversecontrolimplementationWecanchangethepower-onsequenceofthewindingsofmethodstocontrolasshownY0andY1,Y2andY3aresequentiallyturnedon.Achievepositiveandreversecontrolpurposes.4.ConclusionSimpledesignmethodofPLCcontrolledsteppermotorbasedonfeasible,operability,highreliability,easytochangecontrolparameters,PLC'sI/Ointerfacelessoccupied,andoutreachismoreconvenientinterfaces,thusminimizingthesystemdesignwork,thesystemdevelopmentcycleisshortened,andsavemoney,andthepromotionofhighvalue.中文翻译基于PLC控制的四相步进电机的