基于PLC三相步進(jìn)電動機控制系統(tǒng)設(shè)計(三相步進(jìn)電動機PLC控制系統(tǒng))

目 錄 1 概述 . 1 1.1 PLC 控制步進(jìn)電機研究的意義 . 1 2 基于 PLC 的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計 . 9 2.1 系統(tǒng)的組成及功能 . 9 2.2 步進(jìn)電機特性 . 9 2.3 PLC 介紹 . 12 2.4 步進(jìn)電機控制系統(tǒng)程序設(shè)計 . 13 3 磁頭定位 . 20 3.1 硬盤工作原理 . 20 3.2 磁頭及定位系統(tǒng) . 23 4 難題及解決過程 . 24 5 結(jié)論 . 25 結(jié)束語 . 28 致 謝 . 29 參 考 文 獻(xiàn) . 30 附錄 A . 31 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 1 頁 共 38 頁 1 概述 1.1 PLC 控制步進(jìn)電機研究的意義 基于步進(jìn)電動機良好的控制和準(zhǔn)確定位特性，被廣泛應(yīng)用在 精確定位方面 ，諸如數(shù)控機床、繪圖機、扎鋼機、自動控制計算裝置、自動記錄儀表等自動控制領(lǐng)域。 PLC 作為簡單化了的計算機，功能完備、靈活、通用、控制系統(tǒng)簡單易懂，價格便宜，可現(xiàn)場修改程序，體積小、硬件維護(hù)方便，價格便宜等優(yōu)點，在全世界廣泛應(yīng)用，為生產(chǎn)生活帶來巨大效益方便。因此，通過研究用 PLC 來控制步進(jìn)電動機的，既可實現(xiàn)精確定位控制，又能降低控制成本，還有利于維護(hù)。以往的步進(jìn)電動機需要靠驅(qū)動器來控制，隨著技術(shù) 的不斷發(fā)展完善， PLC 具有了通過自身輸出脈沖直接步進(jìn)電動機的功能，這樣就有利于步進(jìn)電動機的精確控制。本課題基于 PLC 的步進(jìn)電機磁頭定位系統(tǒng)設(shè)計就是利用 PLC 控制步進(jìn)電機在硬盤工作時磁頭定位的研究。 1.2 國內(nèi)外關(guān)于步進(jìn)電機和 PLC 的應(yīng)用狀況 1.2.1 步進(jìn)電機方面 步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn) 確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。控制涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前，國內(nèi)生產(chǎn)步進(jìn)電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只有一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，選 用步進(jìn)電機時應(yīng)該十分注意以下一些指標(biāo)。 （ 1） 步進(jìn)電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、 S 磁場的激磁線圈對數(shù)。常用 m 表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 AB-BC-CD-DA-AB， 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 2 頁 共 38 頁 或 A-B-C-D-A；四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。 =360 度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50 齒電機為例。四拍運行時步距角為 =360 度 /（ 50*4） =1.8 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 =360 度 /（ 50*8） =0.9度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成 電機的發(fā)熱及機械噪音。 （ 2） 步進(jìn)電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 步距角精度：步進(jìn)電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示，即（誤差 /步距角） *100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。 失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。 最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 電機的共振點：步進(jìn)電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在 180-250pps 之間（步距角 1.8 度）或 在 400pps 左右（步距角為 0.9 度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負(fù)載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 3 頁 共 38 頁 然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機包括反應(yīng)式步進(jìn)電機（ VR）、永磁式步進(jìn)電機（ PM）、混合式步進(jìn)電機（ HB）和單相式步進(jìn)電機等。 永磁式步進(jìn)電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度或 15度。 反應(yīng)式步進(jìn)電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5 度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁 材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度，而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度。這種步進(jìn)電機的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電動機最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公司、東方公司、 SANYO DENKI 和MINEBEA 及 NPM 公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進(jìn)電動機年產(chǎn)量（含國外獨資公司）近 2億臺。 當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動機，而混合式電動 機又向以下四個方向發(fā)展。 趨勢一，是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在 57、 42 機座號的電動機應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機座號向 39、 35、 30、 25 方向向下延伸。瑞士 ESCAP公司最近還研制出外徑僅 10mm 的步進(jìn)電動機。 趨勢二，是改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高 30 40。 趨勢三，對電動機進(jìn)行綜合設(shè)計。 即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設(shè)計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。 趨勢四，向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅(qū)動電路比三相電動機精密且復(fù)雜，因此三相電動機系統(tǒng)的價格比要比五相電動機更低一些。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 4 頁 共 38 頁 為了得到更高精度的控制， 出現(xiàn)了脈沖細(xì)分控制，這種控制方式可以消除電機失步和共振，滿足更高精度要求的控制。其實步進(jìn)電機控制中已蘊含了細(xì)分的機理。如三相步進(jìn)電機 按 A B C的順序輪流通電，步進(jìn)電機為整步工作。而按 A AC C CB B BA A的順序通電，則為半步工作。以 A B 為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在 IA與 IB之間插入過渡向量 IAB，因為電流向量的合成方向決定了步進(jìn)電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度本身就是步進(jìn)電機的步進(jìn)角度。顯然， IAB 的插入改變了合成磁勢的轉(zhuǎn)動大小，使得步進(jìn)電機的步進(jìn)角度由 b 變?yōu)?0.5 b，從而也就實現(xiàn)了 2步細(xì)分。由此可見，步進(jìn)電機的細(xì)分原理就是通過等角度有規(guī)律的插入電流合成向量，從而減小合成磁 勢轉(zhuǎn)動角度，達(dá)到步進(jìn)電機細(xì)分控制的目的。 1.2.2 PLC 方面 （ 1） PLC 的國內(nèi)外狀況 世界上公認(rèn)的第一臺 PLC 是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。 20世紀(jì) 70年代初出現(xiàn)了微處理器 ,將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器 電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的 PLC 為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、 PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段 的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 5 頁 共 38 頁 套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了 PLC 的應(yīng)用。 PLC 是一種專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲器存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時計數(shù) 及算術(shù)運算等操作指令，通過數(shù)字量、模擬量輸入與輸出，控制機械運動和生產(chǎn)過程。 可編程控制器，簡稱 PLC（ Programmable logic Controller） ,是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際 電工委員會頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC 做了如下定義： “PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。 ” （ 2） PLC 的特點 （ a） 配套齊全，功能完善，適用性強 PLC 發(fā)展到今天，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功 能以外，現(xiàn)代 PLC 多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制， CNC 等各種工業(yè)控制中。加上PLC 通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 （ b） 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用優(yōu)質(zhì)的電子元件與合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部電路采取光電隔離、數(shù)字濾波、故障診斷等硬件措施，具有很高的可靠性。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工 作時間很長。從 PLC 的機外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 6 頁 共 38 頁 設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)，使得整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。 還特別設(shè)立了警戒時鐘 WDT， PLC 系統(tǒng)對警戒時鐘進(jìn)行定時刷新，一旦出現(xiàn)死循環(huán)， PLC 能自動重新啟動，對軟件程序和硬件進(jìn)行檢查，給出錯誤報警，避免了 個人電腦和單片機經(jīng)常出現(xiàn)的死機現(xiàn)象。 （ c） 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小 、 維護(hù)方便 、 容易改造 PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造周期大為縮短，同時維護(hù)變得容易起來。更重要的是可以使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程。 （ d） 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，為面向工礦企業(yè)的工業(yè)控制設(shè)備。接口簡單容易，編程語言易于為工程技術(shù)開發(fā)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制 指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。 （ e） 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。 （ 3） PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類 ： （ a） 開關(guān)量的邏輯控制 PLC 取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制， 也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、訂書機械、印刷機、磨床、組合機床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 （ b） 運動控制 PLC 可以用于直線運動或者圓周運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機或者伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都具有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機器人、機床、電梯等場合 的 模擬量控制 。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 7 頁 共 38 頁 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。 為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制 ,數(shù)據(jù)處理 。 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、邏輯運算、函數(shù)運算）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型工業(yè)控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造 系統(tǒng)；也可以用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 （ c） 過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 （ d） 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它 智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有串口通信接口，通信非常方便。如果需要遠(yuǎn)程控制，可以利用終端服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 可以預(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC 在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。在我國，一般按 I/O 點數(shù)將 PLC 分為以下級別（但不絕對，國外分類有些區(qū)別）： 微型： 32I/O ； 小型 256I/O； 中型： 1024I/O； 大型： 4096I/O； 巨型： 8192I/O。 在我國 應(yīng)用的 PLC 系統(tǒng)中， I/O 64 點以下 PLC 銷售額占整個 PLC 的 47%， 64 點 256點的占 31%，合計占整個 PLC 銷售額的 78%?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC 在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。 21 世紀(jì)， PLC 會有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 8 頁 共 38 頁 看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng) 各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System ）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 9 頁 共 38 頁 2 基于 PLC 的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計 2.1 系統(tǒng)的組成及功能 本設(shè)計中使用的 PLC 為 西門子 S7-200 CN 系列 PLC -CPU224XPCN AC/DC/RLY，借助于實驗室 實驗 平 臺 ，選用 36BF003 型步進(jìn)電動機。 要實現(xiàn)功能：通過 PLC 控制步進(jìn)電動機在單步、連續(xù)運行的情況下實現(xiàn)三拍、六拍的正、反轉(zhuǎn)運動及實現(xiàn)無級調(diào)速。 2.2 步進(jìn)電機特性 2.2.1 步進(jìn)電機簡介 本課題采用的電機是 36BF003 型三相步進(jìn)電動機，其 步距角 為 1.5/3，額定 電壓為 27V， 電流 為 1.5A， 保持轉(zhuǎn)矩 為 0.078(0.8)N.m， 空載啟動頻率 為 3100HZ。其 轉(zhuǎn)矩頻率特性如圖 2.1 所示。 圖 2.1 轉(zhuǎn)矩頻率特性圖 2.2.2 步進(jìn)電機工作原理介紹 (1) 步進(jìn)電機結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)剖面圖如圖 2.2 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 10 頁 共 38 頁 圖 2.2 步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)剖面圖 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著 40 個小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 0、 1/3 、 2/3 ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即 A相與齒 1 相對齊， B相與齒 2 向右錯開 1/3 ， C 相與齒 3向右錯開 2/3 ，A與齒 5相對齊，（ A就是 A，齒 5 就是齒 1），定轉(zhuǎn)子的展開圖如圖 2.3 所示。 圖 2.3 定轉(zhuǎn)子的展開圖 (2) 旋轉(zhuǎn)過程 如 A 相通電， B、 C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1 與 A 對齊，轉(zhuǎn)子不受任何力（以下均同）。 如 B 相通電， A、 C相不通電時，齒 2應(yīng)與 B 對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 ，此時齒 3與 C偏移為 1/3 ，齒 4 與 A 偏移（ -1/3 ） =2/3 。 如 C相通電， A、 B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 ，此時齒 4與 A偏移為 1/3 對齊。如 A相通電， B、 C相不通電，齒 4與 A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 ，這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1前一齒）移到 A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A、 B、 C、 A通電，電機就每步（每脈沖） 1/3 ,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A、 C、 B、 A通電，電機就反轉(zhuǎn)。其通電狀態(tài)如圖 2.4所示 。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 11 頁 共 38 頁 圖 2.4 通電狀態(tài)圖 由此可見，電機的位置和速度由通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由通電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 A-AB-B-BC-C-CA-A 這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 改變?yōu)?1/6 。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 變?yōu)?1/12 ， 1/24 ，這就是電機細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有 m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒 軸線偏移 1/m， 2/m (m-1)/m， 1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制 這是旋轉(zhuǎn)的物理條件。 (3) 力矩 電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力 F 與（ d /d ） 成正比 ， 其磁通量 =Br*S， Br 為磁密， S 為導(dǎo)磁面積， F與 L*D*Br 成正比 ， L 為鐵芯有效長度， D 為轉(zhuǎn)子直徑， Br=N I/R， N I 為勵磁繞組安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）， R 為磁阻。力矩 =力 *半徑 力矩與電機有效體積 *安匝數(shù) *磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）。因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。 2.2.3 步進(jìn)電機運行方式 36BF003 型步進(jìn)電動機的運行狀態(tài)如表 2.1 所示。 表 2.1 步進(jìn)電動機的運行狀態(tài) 單步 三拍 六拍 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 啟動 停止 連續(xù) 三拍 六拍 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 啟動 停止 2.2.4 步進(jìn)電機控制方式 36BF003 型步進(jìn)電動機的三個繞組分別用 A、 B、 C 表示。 三拍運行時，正轉(zhuǎn)通電順序為 A B C A ，反轉(zhuǎn)通電順序為 C B A C ； 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 12 頁 共 38 頁 或正轉(zhuǎn)通電順序為 AB BC CA AB ，反轉(zhuǎn)通電順序為 AC CB BA AC 。 六拍運行時，正轉(zhuǎn)通電順序為 A AB B BC C CA A ；反轉(zhuǎn)通電順序為 AAC C CB B BA A 。 2.2.5 脈沖和角度的關(guān)系 (1) 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 表示 ， =3600/M*Z*K （ 2.1） 式中， M為定子繞組相數(shù)； Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K為通電方式系數(shù)，當(dāng) M 相 M拍通電時，K=1，當(dāng) M相 2M 拍通電時， K=2。 本課題所用為三相電機，由參數(shù)表可以推算出它的齒數(shù) J3=360 度 /3*30 =40 個 或 J6=360 度 /6*1.50 =40 個 (2) 頻率關(guān)系和轉(zhuǎn)速的關(guān)系 n=60f/M*Z*K （ 2.2） 式中， M、 Z、 K 同上； n為每分鐘轉(zhuǎn)速 r/min；當(dāng) M 相 M 拍通電時， K=1，當(dāng) M 相2M 拍通電時， K=2。 2.3 PLC 介紹 2.3.1 PLC 基本情況簡介 本課題使用 PLC為 西門子 S7-200 CN系列 PLC -CPU224XPCN AC/DC/RLY。 其基本情況為： CPU224XPCN， 24VDC電源， 24VDC輸 入， 24VDC輸出， 6ES7 214-2AD23-0XB8，集成 14輸入 /10輸出共 24個數(shù)字量 I/O點， 2輸入 /1輸出共 3個模擬量 I/O點，可連接 7個擴展模塊，最大擴展至 168路數(shù)字量 I/O點或 38路模擬量 I/O點 。 22K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間 ， 6個獨立的高速計數(shù)器 （ 100KHz） ， 2個 100KHz的高速脈沖輸出， 4個上升沿和 4個下降沿 邊沿中斷， 2個 RS485通訊 /編程口，具有 PPI通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量 I/O，位控特性，自整定 PID功能，線性斜坡脈沖 指令，診斷 LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等 ， 是具有模擬量 I/O和強大控制能力的新型 CPU，用于控制步進(jìn)電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務(wù)。 2.3.2 功能介紹 S7-200CN 系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 13 頁 共 38 頁 繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機床、磨床、印刷機械、橡膠化工機械、中央空調(diào)、電梯控制、運動系統(tǒng)。 S7-200 CN 系列表現(xiàn)出 有極高的可靠性，極豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的內(nèi)置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力，豐富的擴展模塊。 2.3.3 軟件簡介 S7-200 可 編 程 控 制 器 使 用 STEP7-Micro/WIN32 編 程 軟 件 進(jìn) 行 編 程 。STEP7-Micro/WIN32 編程軟件是基于 Windows 的應(yīng)用軟件，功能強大，主要用于開發(fā)程序，也可用于適時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。加上漢化后的程序，可在全漢化的界面下進(jìn)行操作。 操作系統(tǒng)為 Windows95 以上的操作系統(tǒng)。 計算機配置為 IBM486 以上兼容機，內(nèi)存 8MB 以上， VGA顯示器，至少 50MB 以上硬盤空間。 通信電纜用一條 PC/PPI 電纜實現(xiàn)可編程控制器與計算機的通信。 STEP7-Micro/WIN32 編程軟件包括 Microwin3.1； Microwin3.1 的升級版本軟件Microwin3.1 SP1； Toolbox（包括 Uss 協(xié)議指令：變頻通信用， TP070：觸摸屏的組態(tài)軟件 Tp Designer V1.0 設(shè)計師）工具箱；以及 Microwin 3.11 Chinese（ Microwin3.11 SP1 和 Tp Designer 的專用漢化工具）等編程軟件。 2.4 步進(jìn) 電機控制系統(tǒng)程序設(shè)計 2.4.1 控制流程分析 此設(shè)計使用開環(huán)控制步進(jìn)電機。傳統(tǒng)的控制 系統(tǒng)框圖 如圖 2.5所示 。 指令 圖 2.5 傳統(tǒng)的控制 系統(tǒng)框圖 步進(jìn)電機 脈沖放大器 脈沖分配 器 變頻信號源 工作機構(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 14 頁 共 38 頁 而本課題使用 PLC為 西門子 S7-200 CN系列 PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY，可以直 接輸出脈沖驅(qū)動 36BF003型電機運行，指令可通過程序代替，而“變頻信號源”、“脈沖分配器”、“脈沖放大器”則全部由 PLC替代，進(jìn)而取代了具有以上四項功能的驅(qū)動器，使得控制十分簡單，所以本課題的控制框圖可簡單用圖 2.6表示。 圖 2.6 基于 PLC的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)框圖 2.4.2 程序設(shè)計 (1) I/O分配 I/O分配 表如表 2.2所示。 表 2.2 I/O分配表 輸入 啟動 停止 單步 連續(xù) 三拍 六拍 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 脈沖 加速 減速 I0.0 I0.1 I0.6 I0.7 I0.4 I0.5 I0.2 I0.3 I1.0 I1.2 I1.1 輸出 A1 B1 C1 A2 B2 C2 +24V(主機 ) Q0.4 Q0.3 Q0.2 (2) 主要程序解釋 給定啟動頻率 f=1/200ms=5HZ 通過加時間來減小頻率，達(dá)到減速目的 通過減時間來增大頻率，達(dá)到加速目的 24V 直流電源 步進(jìn)電機 S7-200CN系列 PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY 磁頭定位 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 15 頁 共 38 頁 復(fù)位頻率和運行頻率的關(guān)系 決定連續(xù)和單步運行的脈沖觸發(fā)（ M0.2提供連續(xù)運行脈沖； M9.7提供單步運行脈沖） 三拍、六拍正反轉(zhuǎn)連續(xù)運行時，寄存器指令所用到的最高位 三拍、六拍單步正、反轉(zhuǎn)運行時，寄存器指令所用到的最高位 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 16 頁 共 38 頁 正轉(zhuǎn)三拍運行 反轉(zhuǎn)三拍運行 正轉(zhuǎn)六拍運行 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 17 頁 共 38 頁 反轉(zhuǎn)六拍運行 正轉(zhuǎn)三拍連續(xù)運行時寄存器指令運行狀況 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 18 頁 共 38 頁 反轉(zhuǎn)六拍運行時寄存器指令運行狀況 正轉(zhuǎn)三拍單步運行時寄存器指令運行狀況 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 19 頁 共 38 頁 A相通電步進(jìn)電機動作 B相通電步進(jìn)電機動作 C相通電步進(jìn)電機動作 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 20 頁 共 38 頁 3 磁頭定位 3.1 硬盤工作原理 3.1.1 硬盤的基本組成 一般說來，無論哪種硬盤，都是由盤片、磁頭、盤片主軸、控制電機、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等幾個部份組成，其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖 3.1 所示。 圖 3.1 硬盤結(jié)構(gòu)組成示意圖 硬盤在邏輯上被劃分為磁道、柱面（中間圓心部分）以及扇區(qū)見圖 3.2。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 21 頁 共 38 頁 圖 3.2 硬盤邏輯分區(qū)示意圖 所有的盤片都固定在一個旋轉(zhuǎn)軸上，這個軸即盤片主軸。而所有盤片之間是絕對平行的，片與片之間的安裝示意圖如圖 3.3 所示。 圖 3.3 片與片之間的安裝示意圖 在每個盤片的存儲面上都有一個磁頭，磁頭與盤片 之間的距離比頭發(fā) 絲的直徑還小。所有的磁頭連在一個磁頭控制器上，由磁頭控制器負(fù)責(zé)各個磁頭的運動。磁頭可沿盤片的半徑方向動作，而盤片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到上萬轉(zhuǎn)的速度在高 速旋轉(zhuǎn)，這樣磁頭就能對盤片上的指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。 3.1.2 工作原理 磁頭在工作的過程中并不與盤片接觸，而是在盤片高速旋轉(zhuǎn)帶動的空氣動力的作用下以很低的高度在盤片上面飛行，為了提高磁頭的靈敏度，磁頭的飛行高度在不斷降低；磁頭一般跟金屬磁頭臂、音圈電機線圈和預(yù)放電路等組成一個組件，磁頭在音圈電機的帶動下根據(jù)讀寫數(shù)據(jù)的需要做往 復(fù)運動來定位數(shù)據(jù)所在的磁道 ，磁頭固定裝 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 22 頁 共 38 頁 置如圖 3.4 所示。 圖 3.4 磁頭固定裝置示意圖 由于磁頭需要靠盤片旋轉(zhuǎn)帶動的空氣動力來飛行，那么在硬盤不工作或盤片電機的轉(zhuǎn)速還沒有達(dá)到預(yù)定值時，磁頭無法飛行，而磁頭的讀寫面和盤片都很光滑，如果他們直接接觸必然導(dǎo)致粘連而妨礙盤片起轉(zhuǎn)或?qū)е麓蓬^和盤片損傷，為此磁頭在不工作時需要停泊在數(shù)據(jù)區(qū)以外的區(qū)域；硬盤有兩種方式來滿足這個要求：第一種方式是在盤片內(nèi)側(cè)開辟一個環(huán)形的磁頭停泊區(qū) ，其示意圖如圖 3.5 所示 ，磁頭不工作時停泊在這個地方，為 了防止粘連，停泊區(qū)被有意加工成帶有一定粗糙度的區(qū)域，以便磁頭停泊在這里時磁頭和盤片之間有一定的空氣，但這樣必然導(dǎo)致硬盤啟停時磁頭和盤片要發(fā)生較嚴(yán)重的摩擦而損傷磁頭，所以硬盤還有一個啟停次數(shù)的指標(biāo)；第二種方式是在盤片的外面安裝一個磁頭停泊架 ，其示意圖如圖 3.6 所示 ，當(dāng)磁頭不工作時停泊在停泊架上，這樣正常情況下磁頭永遠(yuǎn)也不會和盤片表面接觸，也就不存在啟停次數(shù)的問題 。 圖 3.5 磁頭停泊區(qū) 圖 3.6 磁頭停泊架 為了防止硬盤不工作時發(fā)生意外，不同的硬盤還設(shè)計了不同的磁頭鎖定機構(gòu)，當(dāng)硬盤不工作或盤片沒有達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速時，磁頭鎖定機構(gòu)將磁頭鎖定在停泊位置，有些網(wǎng)友反映晃動硬盤時硬盤里有響聲，就是由磁頭鎖定機構(gòu)發(fā)出的；為了防止磁頭工作時出現(xiàn)意外而導(dǎo)致磁頭撞擊盤片電機的主軸或移動到盤片或停泊架以外，還設(shè)計有磁頭限位裝置 ，如圖 3.7 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 23 頁 共 38 頁 圖 3.7 磁頭限位裝置 3.2 磁頭及定位系統(tǒng) 磁頭讀寫動作示意圖如圖 3.8 所示，磁頭讀寫時，從主軸到磁盤盤片邊緣做徑向運動，而這一動作就是靠步進(jìn)電機驅(qū)動傳動軸和傳動手臂完成的，磁頭徑向運動的快慢、幅度和定位都由對步進(jìn)電機的控制決定，所以本課題的關(guān)鍵是通過 PLC 控制了步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速來完成磁頭定位系統(tǒng)的設(shè)計。 圖 3.8 磁頭讀寫動作示意圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 24 頁 共 38 頁 4 難題及解決過程 在設(shè)計過程中，確實遇到很多難題，諸如程序的編 寫，包括循環(huán)移位指令的使用、調(diào)速指令的采用等等，不僅自己查閱書籍資料，同時還向老師同學(xué)請教。在此值得一提的是解決調(diào)速指令，如圖 4.1 所示，以及循環(huán)移位指令，如圖 4.2 所示。 圖 4.1 調(diào)速指令 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 25 頁 共 38 頁 圖 4.2 循環(huán)移位指令 在之前的不可調(diào)速程序中，直接啟動運行程序，后面的可調(diào)速程序，只有在不可調(diào)速程序運行時下載進(jìn)去可調(diào)速程序，才可以運行可調(diào)速程序。如果直接停止，再按啟動，后按調(diào)速就不可以運行，在反復(fù)驗證和詢問老師后，才發(fā)現(xiàn)是操作錯誤，應(yīng)該先給啟動頻率 ，接著再按啟動，然后才調(diào)速。歸根結(jié)底還是對步進(jìn)電機工作原理沒有完全了解，其它問題基本可以通過查閱咨詢自行解決。 5 結(jié)論 通過老師的耐心指導(dǎo)、細(xì)心幫忙和自己的努力，我終于順利完成畢業(yè)設(shè)計，可以實現(xiàn)步進(jìn)電機的近乎無級調(diào)速，分別在連續(xù) 、 單步情況下完成三拍 、 六拍正反轉(zhuǎn)運行，及通過手動按鈕，實現(xiàn)無級調(diào)速。此程序可以根據(jù)實際需要，諸如磁頭定位系統(tǒng)，數(shù)控機床等領(lǐng)域，參照步進(jìn)電機的實際情況，要對程序中啟動頻率和中間繼電器指令做響應(yīng)的修改。如果電機所需驅(qū)動電流比較大，還需要驅(qū)動器來驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。而驅(qū)動器的選擇必須依據(jù) PLC 的輸出脈沖的電流大小來決定。最終調(diào)試結(jié)果步進(jìn)進(jìn)電機實時運行圖如圖 5.1 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 26 頁 共 38 頁 圖 5.1 步進(jìn)電機實時運行圖 PLC 的 I/O 口實時狀態(tài)顯示如圖 5.2 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 27 頁 共 38 頁 圖 5.2 PLC 的 I/O 口實時狀態(tài)顯示圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 28 頁 共 38 頁 結(jié)束語 通過這個課題設(shè)計，我對 PLC 和步進(jìn)電機有了更進(jìn)一步的了解認(rèn)識，了解了硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，更重要的是知道遇到問題如何分析，如何解決的辦法，這種方法即使在以后的工作和學(xué)習(xí) 中也是很有益的。本科教育只是通識教育，涉及面廣但不深，以后的工作中，會需要更加專業(yè)深入掌握所學(xué)的東西，甚