基于PLC的XY軸位移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、. . . . 2013 屆 畢 業(yè) 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)基于PLC的Z軸位移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：班級(jí)：11電氣2班指導(dǎo)老師：郭紅XXX / 32摘要隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，SMT技術(shù)已經(jīng)成為電子組裝技術(shù)中不可或缺的一部分。SMT技術(shù)是指將表面貼裝的電子組件，直接焊接于印刷電路底版的表面上，與傳統(tǒng)插裝工藝不同,SMT工藝的元件與焊點(diǎn)均在同一表面上。并具有微型化、大規(guī)?；?、自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)今絕大部分現(xiàn)代工業(yè)中的電器，電子產(chǎn)品都離不開SMT技術(shù)的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)是采用S7200控制三相六拍的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，通過軟件設(shè)計(jì)移位脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的勻速前進(jìn)。移位寄存器指令MW0的低八位按照三相六拍的步進(jìn)順序

2、進(jìn)行賦值來控制步進(jìn)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)鍵詞 貼片機(jī)、位移、S7-200PLC、步進(jìn)電機(jī)目 錄第1章 緒論11.1 設(shè)計(jì)背景11.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)2第2章 Z軸位移控制系統(tǒng)工作原理42.1 PLC控制步進(jìn)電機(jī)42.2 步進(jìn)電機(jī)簡介52.3 PLC的發(fā)展概述6第3章Z軸位移控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)93.1步進(jìn)電機(jī)的控制方式93.2 驅(qū)動(dòng)電路93.3 PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)10第4章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)114.1西門子S7-200控制45BF00三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)114.2 S7200的介紹124.3步進(jìn)電機(jī)的選擇134.4驅(qū)動(dòng)器的選擇144.5絲桿的選擇154.6硬件配置 15第5章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)165.1 STEP

3、7概述165.2梯形圖設(shè)計(jì)175.3程序設(shè)計(jì)說明18結(jié) 論19參考文獻(xiàn)20致21附 錄22第1章 緒 論1.1 設(shè)計(jì)背景隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，SMT技術(shù)已經(jīng)成為電子組裝技術(shù)中不可或缺的一部分。SMT技術(shù)是指將表面貼裝的電子組件，直接焊接于印刷電路底版的表面上，與傳統(tǒng)插裝工藝不同,SMT工藝的元件與焊點(diǎn)均在同一表面上。并具有微型化、大規(guī)?；?、自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)今絕大部分現(xiàn)代工業(yè)中的電器，電子產(chǎn)品都離不開SMT技術(shù)的應(yīng)用。而貼裝工藝更是SMT工序中不可或缺的一道。貼片機(jī)的組主要作用是將表面組裝元器件準(zhǔn)確安裝到PCB的固定位置上。位于SMT生產(chǎn)線中印刷機(jī)的后面，一般為高速機(jī)和泛用機(jī)按照生產(chǎn)需求搭

4、配使用。然而在SMT生產(chǎn)過程中往往會(huì)遇到很多問題，包括設(shè)備問題和工藝問題，設(shè)備問題可以用買入新機(jī)器的方法來解決。而工藝問題往往復(fù)雜和多樣化。在生產(chǎn)過程中，可以通過對(duì)貼裝設(shè)備、貼裝前準(zhǔn)備、貼裝過程的操作進(jìn)行優(yōu)化來達(dá)到提高質(zhì)量的要求，工藝的優(yōu)化不僅能大大的提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)降低了成本，創(chuàng)造了更大價(jià)值。是大多數(shù)企業(yè)不斷努力的方向。SMT是Surface Mounted Technology表面組裝技術(shù)（表面貼裝技術(shù)）的縮寫，是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術(shù)和工藝。SMT工藝技術(shù)的特點(diǎn)可以通過其與傳統(tǒng)通孔插裝技術(shù)(THT)的差別比較體現(xiàn)。二者的差別體現(xiàn)在基板、元器件、組件形態(tài)、焊點(diǎn)形態(tài)和

5、組裝工藝方法各個(gè)方面。表面組裝技術(shù)之所以在電子行業(yè)中如此流行，概括起來有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：易于實(shí)現(xiàn)微型化。信號(hào)傳輸速度高。高頻特性好。易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。材料成本低。簡化工序，降低成本。正是由于電子產(chǎn)品的日益小型化，功能的復(fù)雜化，集成度的密集化這些發(fā)展要求推動(dòng)了SMT表面貼裝技術(shù)在業(yè)界的發(fā)展，SMT技術(shù)也日益完善。美國是SMT和SMD 的發(fā)明地，并一直重視在投資類電子產(chǎn)品和軍事裝備領(lǐng)域發(fā)揮SMT高組裝密度和高可靠性能方面的優(yōu)勢，具有很高的水平。我國SMT的應(yīng)用起步于80年代初期，最初從美、日等國成套引進(jìn)了SMT生產(chǎn)線用于彩電調(diào)諧器生產(chǎn)。我國的事業(yè)起步較晚但是發(fā)展非常迅猛，在2000年不完全統(tǒng)計(jì)，我

6、國約有40多家企業(yè)從事SMC/SMD的生產(chǎn)，全國約有300多家引進(jìn)了SMT生產(chǎn)線，不同程度的采用了SMT。經(jīng)過十年的發(fā)展在中國的發(fā)展也具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模。2010金融危機(jī)洗禮之后的SMT產(chǎn)業(yè)開始強(qiáng)勢復(fù)，與歐美傳統(tǒng)強(qiáng)國相比，中國的SMT產(chǎn)業(yè)可謂“風(fēng)景這邊獨(dú)好”，全球的SMT產(chǎn)業(yè)均把目光投向中國，作為電子制造大國的中國開始向著電子制造強(qiáng)國的目標(biāo)堅(jiān)實(shí)邁進(jìn)，中國的SMT產(chǎn)業(yè)充滿了活力，我國的SMT發(fā)展形勢一片大好，在競爭激烈的發(fā)展道路上充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。所以本設(shè)計(jì)以社會(huì)需求為基礎(chǔ)向著為社會(huì)創(chuàng)造更大的價(jià)值而努力；以SMT中的貼片這一過程把它細(xì)分為X-Y軸位移系統(tǒng)并以此系統(tǒng)為依據(jù)經(jīng)行設(shè)計(jì)。1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任

7、務(wù)本設(shè)計(jì)應(yīng)用西門子系列S7-200PLC對(duì)45BF008三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過YKA2404MC驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)與其它任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)，已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)行業(yè)的控制領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在的可編程控制器(通常稱PLC) 是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、

8、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等性能，能充分適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，簡單易懂，操作方便，可靠性高，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。本設(shè)計(jì)是采用S7200控制三相六拍的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，通過軟件設(shè)計(jì)移位脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的勻速前進(jìn)。移位寄存器指令MW0的低八位按照三相六拍的步進(jìn)順序進(jìn)行賦值來控制步進(jìn)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。圍繞這兩個(gè)主要方面，可提出具體的控制要求如下:1）電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)；2）運(yùn)行過程中電機(jī)按照所編程序運(yùn)行；3）停止時(shí)，應(yīng)對(duì)移位寄存器清零，使每次起動(dòng)均從零點(diǎn)開始。 Z軸位移控制系統(tǒng)在SMT中的應(yīng)用如圖1圖1圖2工作原理：一號(hào)電動(dòng)機(jī)固定在零點(diǎn)絲杠方向?yàn)閄軸方向二號(hào)電動(dòng)機(jī)固定在一號(hào)

9、電動(dòng)機(jī)的絲杠上，當(dāng)一號(hào)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)二號(hào)電動(dòng)機(jī)在一號(hào)電動(dòng)機(jī)的絲杠上移動(dòng)，當(dāng)一號(hào)電動(dòng)機(jī)到達(dá)指定位移處停止不動(dòng)時(shí)，二號(hào)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)沿Y軸方向固定在二號(hào)電動(dòng)機(jī)的絲杠移動(dòng)。到達(dá)指定位置后停止兩秒返回。到達(dá)零點(diǎn)準(zhǔn)備下一次貼片。 第2章 Z軸位移控制系統(tǒng)工作原理2.1 PLC控制步進(jìn)電機(jī)2.1.1 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法通電換向這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一

10、個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 在本設(shè)計(jì)中直接使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，可使用PLC產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各種時(shí)序的脈沖。三相步進(jìn)電機(jī)可采用三種工作方式：三相單三拍，三相雙三拍，三相單六拍。這三種方式的主要區(qū)別是:電機(jī)繞組的通電、放電時(shí)間不同。工作方式是單三拍時(shí)通電時(shí)間最短，雙三拍時(shí)允許放電時(shí)間最短，六拍時(shí)通電時(shí)間和放電時(shí)間最長。因此，同一脈沖頻率時(shí)，六拍的工作方式出力最大。而且，電機(jī)是三拍的工作方式時(shí)，其分辨率為3度，六拍的工作方式時(shí)，分辨率是1.5度。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下

11、工作，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性好，步進(jìn)電機(jī)分辨率最高?？筛鶕?jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式，以與所要求的頻率（步進(jìn)電機(jī)的速度），并使用PLC產(chǎn)生各種時(shí)序的脈沖。例如：本設(shè)計(jì)采用西門子S7-200PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該

12、采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。如下圖所示：驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)PLC圖3 步進(jìn)電機(jī)的PLC直接控制2.2 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于電動(dòng)機(jī)的工作原理和其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別，具有其它電動(dòng)機(jī)所沒有的特性。因此，沿著小型、高效、低價(jià)的方向發(fā)展。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由此而得名。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是在專用的脈沖電源供電下進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)子走過的步數(shù)，或者說轉(zhuǎn)子的角位移量，與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，只要改變輸入脈沖的順序，

13、就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。這些特點(diǎn)使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別。因此， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的上述特點(diǎn)，使得由它和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷過一個(gè)大的發(fā)展階段3。向由繞組通電的順序決定。2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)1.電機(jī)固有步距角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。2.步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)部的線圈組數(shù)，目前常用的有

14、二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。3.保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速

15、度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2Nm的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進(jìn)電機(jī)。 4.鉗制轉(zhuǎn)矩鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有鉗制轉(zhuǎn)矩。2.3 PLC的發(fā)展概述可編程控制器(簡稱 PLC) 是種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是在20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，其部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破髋c其有關(guān)設(shè)備

16、，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。PLC 自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。產(chǎn)生和發(fā)展過程現(xiàn)代社會(huì)要求生產(chǎn)廠家對(duì)市場的需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取而代之。PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)一樣:1）中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以與警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診

17、斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。2）存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用

18、戶程序存儲(chǔ)器。2.3.1 PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以與各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來越小。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相

19、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些8。目前利用可編程序控制器（即PLC技術(shù)）可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。用PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能，現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制9。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令

20、脈沖的數(shù)量、頻率與電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向10。PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成，PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)10V級(jí)脈沖電壓、1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖如下： 圖4 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)原理圖第三章Z軸位移控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1 步進(jìn)電機(jī)控制方式典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖所示：圖5 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成

21、機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率與電機(jī)繞組通電的順序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長度，若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定

22、位置而靜止的電動(dòng)機(jī):從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率圍轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動(dòng)機(jī)。3.2 驅(qū)動(dòng)電路下圖為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。圖中僅為一相的驅(qū)動(dòng)電路，其余兩相與之一樣。在圖中三極管 T1 起開關(guān)作用。當(dāng)三極管截止時(shí)，無集電極電流流通，開關(guān)相當(dāng)于斷開；當(dāng)三極管飽和時(shí)， 流過的集電極電流最大， 開關(guān)相當(dāng)于閉合，該開關(guān)“動(dòng)作”可由加于基極的電流來控制。由 T2、T3 兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓式功放電路， 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的 3個(gè)繞組，使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到近 2A。電路中使用光電耦合器將控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離。當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，T1 截止，輸出高

23、電平，則紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導(dǎo)通，因此繞組中無電流流過；當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，T1 飽和導(dǎo)通， 于是紅外發(fā)光二極管被點(diǎn)亮， 使光敏三極管導(dǎo)通，向功率驅(qū)動(dòng)級(jí)晶體管提供基極電流， 使其導(dǎo)通，繞組被通以電流。圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.2.1 驅(qū)動(dòng)電路接口圖7 驅(qū)動(dòng)器接口3.3 PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)西門子PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高。其目的是使環(huán)形脈沖分配能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力

24、，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。如下圖所示：圖8 PLC直接驅(qū)動(dòng)電機(jī) 第四章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 西門子S7-200PLC控制45BF008三相步進(jìn)電機(jī)由以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以與工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為100KHz，能夠滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求。對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高。其目的是使脈沖

25、能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。對(duì)輸入電機(jī)的相關(guān)脈沖控制，從而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。并通過驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，已達(dá)到X-Y軸位移控制系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確控制。X-Y軸位移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)接線圖如下：圖9 Z軸位移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)接線圖設(shè)計(jì)中需要對(duì)貼裝頭進(jìn)行定位控制，傳動(dòng)裝置需要應(yīng)用絲杠傳動(dòng)，已達(dá)到對(duì)貼裝頭的準(zhǔn)確定位，設(shè)計(jì)中需選用滾珠絲杠G1604-3。選用驅(qū)動(dòng)器為YKA24

26、04MC驅(qū)動(dòng)器。本設(shè)計(jì)選用PCB板的型號(hào)為50*50cm，定位點(diǎn)為30*30mm點(diǎn)。4.2 S7200的介紹PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)一樣。中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以與警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器。等所有的用戶程序

27、執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。PLC常用的存儲(chǔ)器類型：1）RAM這是一種讀/寫存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。2）EPROM這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下，存儲(chǔ)器的所有容保持不變。3）EEPROM這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容

28、易地對(duì)其所存儲(chǔ)的容進(jìn)行修改。空間的分配：雖然各種PLC的CPU的最大尋址空間各不一樣，但是根據(jù)PLC的工作原理，其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)2）系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的性能。系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象區(qū)以與各類軟設(shè)備，如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等存儲(chǔ)器。1）

29、I/O映象區(qū)：由于PLC投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元(RAM)以存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些單元稱作I/O映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位（bit），一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字（16個(gè)bit）。因此整個(gè)I/O映象區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開關(guān)量I/O映象區(qū)；模擬量I/O映象區(qū)。2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū) ：除了I/O映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)還包括PLC部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持的存儲(chǔ)區(qū)域和無失

30、電保持的存儲(chǔ)區(qū)域，前者在PLC斷電時(shí)，由部的鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)遺失。4.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)選用45BF008。相數(shù)是三相、步距角1.5/3度。電壓60V、相電流0.2A、保持轉(zhuǎn)距0.118NM(1.2kg.cm)、空載啟動(dòng)頻率500， D為45； D1為25；高H為2.5； d為4；E為14.5；L為58； D2為33；MS為4-M3。圖10 45BF三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖圖11 45BF三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)尺寸環(huán)形分配程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序進(jìn)行環(huán)形脈沖分配，從而控制接到步進(jìn)電機(jī)三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于步進(jìn)電機(jī)是

31、電感性負(fù)載，直流電阻很小，故接限流電阻以免脈沖電流過大損壞，每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，當(dāng)步數(shù)減為零時(shí)，停止環(huán)形脈沖分配，等待下一次的脈沖輸入。4.4驅(qū)動(dòng)器的選擇本設(shè)計(jì)選用 UKA2404MC驅(qū)動(dòng)器14個(gè)接線孔，設(shè)有16檔等角度恒力矩細(xì)分，最高分辨率60000步/轉(zhuǎn)，使運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，分辨率提高，最高反應(yīng)頻率可達(dá)200Kpps ，驅(qū)動(dòng)電流從0.6A/相到5.2A/相分16檔可調(diào)，單電源輸入，電壓圍：AC60-110V，可以驅(qū)動(dòng)任何5.8A相電流以下三相混合式步進(jìn)電機(jī)，YKA3611MA是一款經(jīng)濟(jì)、小巧的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，體積為68x108.5x178mm2。圖12 YKA2404MC驅(qū)

32、動(dòng)器4.5絲杠的選擇本設(shè)計(jì)選用滾珠絲桿G1604-3長60cm，絲桿外徑16mm導(dǎo)程4mm，滾珠絲桿可以有效的減少滾動(dòng)摩擦，減少貼裝頭在運(yùn)行過程中由于摩擦而產(chǎn)生的誤差。 本設(shè)計(jì)所需要的脈沖數(shù)計(jì)算公式：脈沖數(shù)=(傳送距離(mm)÷絲杠導(dǎo)程（mm）×（360÷步距角）4.6硬件配置表1 硬件配置數(shù)量設(shè)備制造廠/訂貨號(hào)1SIMATIC S7-200 CPU214SIEMENS 6ES7 214-A AC00-0XB01PC/PPI電纜SIEMENS 6ES7 901 3BF00-0XA01編程器PC2UKA2404MC驅(qū)動(dòng)器2G1604-3絲杠245BF008步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

33、2開關(guān)表2 PLC部分輸入信號(hào)輸出信號(hào)I0.1啟動(dòng)按鈕Q0.0、Q0.2脈沖輸入、方向控制I0.2停止按鈕Q0.3指示燈Q0.4繼電器Q0.5繼電器第5章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1 STEP7概述STEP7編程軟件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WINAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。在STEP 7中，用項(xiàng)目來管理一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WINAC的數(shù)據(jù)

34、。實(shí)現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。5.1.1 STEP 7的硬件接口PC/MPI適配器用于連接安裝了STEP 7的計(jì)算機(jī)的RS-232C接口和PLC的MPI接口。計(jì)算機(jī)一側(cè)的通信速率為19.2 KBIT/S或38.4 KBIT/S，PLC一側(cè)的通信速率為19.2 KBIT/S1.5MBIT/S。除了PC適配器，還需要一根標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C通信電纜。使用計(jì)算機(jī)的通信卡CP 5611、CP 5511或CP 5512，可以將計(jì)算機(jī)連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC的通信。也可以使用計(jì)算機(jī)的工業(yè)以太網(wǎng)通信卡CP 1512或CP

35、1612，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC通信。在計(jì)算機(jī)上安裝好STEP7后，在管理器中執(zhí)行菜單命令“OPTION”“SETTING THE PG/PC INTERFACE” ，打開“INSTALL/REMOVE INTERFACES”對(duì)話框。在中間的選擇框中，選擇實(shí)際使用的硬件接口。點(diǎn)擊SELECT按鈕，打開“INSTALL/REMOVE INTERFACES”對(duì)話框，可以安裝選擇框中沒有列出的硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序。點(diǎn)擊PROPERTIES按鈕，可以設(shè)置計(jì)算機(jī)與PLC通信的參數(shù)。5.1.2 STEP 7的編程功能STEP 7的標(biāo)準(zhǔn)版只配置了3種基本的編程語言，梯形圖（LAD）、功能塊圖（FDB）和語句表（STL）、復(fù)制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節(jié)省輸入時(shí)間和存儲(chǔ)區(qū)域，并且“更接近硬件”。STEP 7專業(yè)版的編程語言包括S7-SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）、S7-GRAPH（順序功能圖語言）、S7 HIGRAPH和CFC，這四種語言對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)版是可選的。STEP 7用符號(hào)表編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符號(hào)名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號(hào)表可供所有應(yīng)用程序使用，所有工具自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)參數(shù)的