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1、摘 要 本论文主要阐述了五相十拍步进电动机控制领域中的应用 其中可编程控制器是工 业自动化设备的主导产品 具有控制功能强 可靠性高 适用于不同控制要求的各 种控制对象等优点 其工作原理 设计和使用方法为电气和机电类专业必修课程的 学习内容 本设计涉及的内容有 步进电动机的硬件驱动过程 五相十拍步进电动机的 PLC 软件实现等 通过对硬件软件的结合 从而实现电动机的正反转控制 PLC 是现代 工业自动控制的一种通用计算机 但其工作方式与微机控制系统不同 与继电接触器 控制系统也有本质的不同 PLC 应用系统设计包括硬件设计和软件设计两个方面 关关键词键词 步进电动机 PLC 软件设计 PLC 硬
2、件设计 目 录 1 绪论 5 1 1 可编程控制器 5 1 1 1 PLC 的工作原理 5 1 1 2 可编程序控制器的组成 6 1 1 3 可编程序控制器的特点 7 1 1 4 可编程控制器的应用 8 1 2 步进电动机 9 1 2 1 步进电机概述 9 1 2 2 步进电动机的特点 9 1 2 3 步进电动机的基本原理及步距角的计算 9 1 2 4 步进电动机的动态指标及术语 10 2 软件设计 11 2 1 西门子 S7 200 介绍 11 2 1 1 CPU22X 型的选择 11 下载可编辑 专业 整理 2 1 2 S7 200 元件的介绍 12 2 2 五相十拍步进电动机的 PLC
3、设计过程 13 2 2 1 五相十拍步进电动机的控制要求 13 2 2 2 PLC 外部接线图 14 2 2 3 I O 地址分配表 15 2 2 4 程序设计 16 3 硬件设计 20 3 1 环形分配器 21 3 2 功率放大器 22 结 束 语 23 参考文献 24 1 绪论绪论 1 1 可编编程控制器 1 1 1 PLC 的工作原理 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller 中文全称为可编程逻辑控制器 定义是 一种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境应用而设计的 它采用一类 可编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算
4、 术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟式输入 输出控制各种机械或生产过程 下载可编辑 专业 整理 一般来说 PLC 的扫描周期包括自诊断 通讯等 如下图 1 1 所示 即一个扫 描周期等于自诊断 通讯 输入采样 用户程序执行 输出刷新等所有时间的总和 图 1 1 可编程控制器的扫描周期 1 1 2 可编编程序控制器的组组成 可编程序控制器硬件由中央处理器 电源 输出组件 输入组件 输入输出 编程器六部分构成 中央处理器 Central Processor Unit 简称 CPU 它是可编程序控制器的心 脏部分 CPU 由微处理器 Microproce ssor 存储实际控制逻辑的程序存储器
5、和存 储数据 变量的数据储器构成 电源 Power Supply 给中央处理器提供必需的工作电源 输入组件 Inputs 输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器 现场信号可能是开关量 模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量 输出组件 Outputs 输出组件接收 CPU 的控制信号 并把它转换成电压或 电流等现场执行机构所能接收的信号后 传送控制命令给现场设备的执行器 输入输出 简称 I O 是可编程序控制器的 手 和 脚 或者叫作系统的 眼睛 和 视觉 输入信号包括按扭开关 限位开关 接近开关 光电传感器 热电偶 热 电阻 位置检测开关和编码器等 输出信号包括继电器 指示灯 显示
6、器 电机启 动等直流和交流设备 编程器 Programmer 在正常情况下 编程器用于系统初始状态的配置 控 制逻辑程序编制和加载 不能对系统操作 编程器也可用于控制程序的调试和控制 系统故障时作为检查故障的有效工具 下载可编辑 专业 整理 1 1 3 可编编程序控制器的特点 现代工业生产是复杂多样的 它们对控制的要求也各不相同 可编程序控制器 一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎 它的主要特点如下 1 抗干扰能力强 可靠性高 微机虽然具有很强的功能 但抗干扰能力差 工业现场的电磁干扰 电源波动 机械振动 温度和湿度的变化 都可以使一般通用微机不能正常工作 而 PLC 在电 子线路 机械结构
7、以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验 主要 模块均采用大规模与超大规模集成电路 I 0 系统设计有完善的通道保护与信号调 理电路 在结构上对耐热 防潮 防尘 抗震等都有精确考虑 在硬件上采用隔离 屏蔽 滤波 接地等抗干扰措施 在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施 所有这些使 PLC 具有较高的抗干扰能力 PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以 上 这是一般微机不能比拟的 继电器 接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力 但使用了大量的机械触点 使 设备连线复杂 且触点在开闭时易受电弧的损害 寿命短 系统可靠性差 而 PLC 采用微电子技术 大量的开关动作由无触点的电子存储器件来
8、完成 大部分继电器 和繁杂连线被软件程序所取代 故寿命长 可靠性大大提高 2 控制系统结构简单 通用性强 PLC 及外围模块品种多 可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系 统 在 PLC 构成的控制系统中 只需在 PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线即 可 不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路 当需要变更 控制系统的功能时 可以用编程器在线或离线修改程序 同一个 PLC 装置用于不同 的控制对象 只是输入输出组件和应用软件的不同 PLC 的输入输出可直接与交流 220 V 直流 24V 等强电相连 并有较强的带负载能力 3 编程方便 易于使用 PLC 是面向用
9、户的设备 PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习 惯 PLC 程序的编制 采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式 梯形图与继电 器原理图相类似 这种编程语言形象直观 容易掌握 不需要专门的计算机知识和 语言 只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会 4 功能完警 PLC 的输入输出系统功能完善 性能可靠 能够适应于各种形式和性质的开关量 和模拟量的输入输出 由于采用了微处理器 它能够很方便地实现定时 计数 锁 存 比较 跳转和强制 I O 等诸多功能 不仅具有逻辑运算 算术运算 数制转换 以及顺序控制功能 而且还具备模拟运算 显示 监控 打印及报表生成功能 此 外 它还
10、可以和其他微机系统 控制设备共同组成分布式或分散式控制系统 还能 下载可编辑 专业 整理 实现成组数据传送 矩阵运算 闭环控制 排序与查表 函数运算及快速中断等功 能 因此 PLC 具有极强的适应性 能够很好地满足各种类型控制的需要 1 1 4 可编编程控制器的应应用 随着计算机技术的迅猛发展及元器件成本大幅度下降 PLC 的性能价格比以前 大大提高 其应用范围也日益广泛 如今 PLC 已经在电力 纺织 机械 汽车制 造 造纸 钢铁 食品 轻工 化工 公用事业等领域得到广泛使用 PLC 的应用 可以划分如下类型 1 顺序控制及时序控制 从 PLC 诞生之日起 顺序控制和时序控制就是 PLC 最
11、基本的功能 并取代了传 统的继电器控制回路 如今 PLC 仍在这一领域发挥着气无可比拟的优越性 2 过程控制 现在的 PLC 系统在软件硬件上提供了一系列措施 使用户可以方便地实现回路 控制 如现在广泛使用的 PID 控制功能 许多 PLC 在硬件上提供了 PID 调节智能模 块 这种模块可以独立实现 PID 调节功能 在软件上 许多 PLC 提供了 PID 算法功 能块 通过软件功能块及模拟量输入 输出模块 也可实现 PID 控制功能 3 运动控制 随着工厂自动化的日趋发展 PLC 的运动控制功能也日益完善 借助其运动控 制模块 驱动器 伺服电动机等 PLC 可以方便地实现装配 输送 存放及
12、取回 材料移动 成型等自动控制功能 甚至可以完成一些复杂的仿行功能 4 数据处理 现在的 PLC 指令系统不仅可以实现传统的逻辑运算及整数四则运算 还可以实 现 32 位浮点复杂运算 ASCII 码读写 矩阵处理 数据传送 移位 数据检索 BCD 及二进制码的相互转换 工程量转换等各项功能 5 网络通信 为了实现 PLC 与远程之间 PLC 之间 PLC 与上位机之间及 PLC 与第三方产品之间 的联系 PLC 的网络通信功能已得到飞速发展 各 PLC 厂家都开发了自己的工业控 制网络 如美国 A B 公司 PLC 使用的 DH 网 美国 MODICON PLC 使用的 MB 网 德国 SIE
13、MENS PLC 使用的 SINEC 下载可编辑 专业 整理 1 2 步进电动进电动机 1 2 1 步进电进电机概概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 当步进驱动器接收到一个脉 冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 称为 步距角 它 的旋转是以固定的角度一步一步运行的 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加 速度 从而达到调速的目的 步进电机可以作为一种控制用的特种电机 利用其没 有积累误差 精度为 100 的特点 广泛应用于各种开环控制 1 2 2 步进电动进电动机的特点 步进电机具有控制简
14、便 定位准确等特点 随着科学技术的发展 在许多领域将 得到广泛的应用 鉴于传统的脉冲系统移植性不好 本文提出微机控制系统代替脉冲 发生器和脉冲分配器 用软件的方法产生控制脉冲 通过软件编程可以任意设定步进电 机的转速 旋转角度 转动次数和控制步进电机的运行状态 以简化控制电路 降低 生产成本 提高系统的运行效率和灵活性 在此基础上提出了双三拍步进电机程序控 制的硬件接口电路 程序流程图和汇编程序 1 2 3 步进电动进电动机的基本原理及步距角的计计算 1 步进电机的基本原理 步进电机作为执行元件 是机电一体化的关键产品之一 广泛应用在各种自动化控制系统中 随着微电子和计算机技术的发展 步进电机
15、的 需求量与日俱增 在各个国民经济领域都有应用 步进电机是一种将电脉冲转化为 角位移的执行机构 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定 的方向转动一个固定的角度 称为 步距角 它的旋转是以固定的角度一步一步运行 的 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时可以 通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电 机可以作为一种控制用的特种电机 利用其没有积累误差 精度为 100 的特点 广 泛应用于各种开环控制 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 VR 永 磁式步进电机 PM 混合式步进电机 HB 和单相式步进电机等 永磁式步
16、进电 机一般为两相 转矩和体积较小 步进角一般为 7 5 度 或 15 度 反应式步进电机 一般为三相 可实现大转矩输出 步进角一般为 1 5 度 但噪声和振动都很大 反 应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成 定子上有多相励磁绕组 利用磁导的变 化产生转矩 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点 它又分为两相和 五相 两相步进角一般为 1 8 度而五相步进角一般为 0 72 度 这种步进电机的应用 最为广泛 也是本次细分驱动方案所选用的步进电机 下载可编辑 专业 整理 2 步距角的计算 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求 将负载的最小分辨率 当量 换算到电机轴上 每个当量电机应走多少角度 包括减速 电机的步距 角应等于或小于此角度 目前市场上步进电机的步距角一般有 0 36 度 0 72 度 五相电机 0 9 度 1 8 度 二 四相电机 1 5 度 3 度 三相电机 等 步距角的大小和通电方式 转子齿数 定子励磁绕组的相数的关系 360 mZK 0 36 21005360 m 步进电机的相数 Z 转子齿数 取 Z 100 K 通电方式系数 K 拍数 相数 10 5
