基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于plc步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[摘要]本文所要控制的電機(jī)為五相步進(jìn)電機(jī)，采用可編程控制器對(duì)其控制，對(duì)設(shè)計(jì)原理及方法分析總結(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)有快速起停、定位和精確步進(jìn)等，日常的生產(chǎn)和生活中比擬普遍，控制精度高。在工業(yè)過(guò)程控制和儀器儀表控制方面，應(yīng)用的很廣泛。本文還介紹的PLC控制系統(tǒng)，其包括硬件結(jié)構(gòu)還有原理以及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原那么方法。以五相電機(jī)控制為例，闡述了西門(mén)子PLC在電機(jī)控制中的運(yùn)用。其根本原理、硬件準(zhǔn)備和軟件的設(shè)計(jì)，在文中都有表達(dá)。采用的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，可以到達(dá)極高的精度并提高穩(wěn)定性，有利于電機(jī)運(yùn)行品質(zhì)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的改善。本文內(nèi)容包含PIC外部接線圖、I/O地址分配、控制流程圖、驅(qū)動(dòng)電路選擇、細(xì)分驅(qū)動(dòng)分析、梯形圖等，并且上位機(jī)監(jiān)控界面是運(yùn)用組態(tài)王軟件編寫(xiě)。[關(guān)鍵詞]：S7-200；五相步進(jìn)電機(jī)；梯形圖；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；組態(tài)王DesignofSteppingMotorControlSystemBasedonPLC[Abstract]Themotorcontrolledinthispaperisafivephasesteppermotor.Itiscontrolledbyaprogrammablecontroller.Thedesignprincipleandmethodareanalyzedandsummarized.Steppingmotorhastheadvantagesoffaststartstop,positioningandaccuratestepping,etc.,andthedailyproductionandlifearemorecommon,andthecontrolaccuracyishigh.Itiswidelyusedinindustrialprocesscontrolandinstrumentcontrol.PLCcontrolsystemisintroduced,includinghardwarestructureandprinciple,andtheprincipleandmethodofPLCcontrolsystemdesign.Takingfivephasemotorcontrolasanexample,theapplicationofSIEMENSPLCinmotorcontrolisexpounded.Itsbasicprinciple,hardwarepreparationandsoftwaredesignareembodiedinthisarticle.Thesubdivisiondrivemethodcanachievehighaccuracyandstability,andisfavorableformotorqualityandtorquefluctuation.ThecontentsofthispaperincludePICexternalwiringdiagram,I/Oaddressallocation,controlflowchart,drivecircuitselection,subdivisiondriveanalysis,ladderdiagramandsoon,andtheuppercomputermonitoringinterfaceiswrittenbyKingviewsoftware.[Keywords]S7-200;Five-phasesteppingmotor;Ladderdiagram;Subdivisiondrive;Configurationking目錄1引言11.1步進(jìn)電機(jī)的介紹11.2步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)11.3步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用21.4步進(jìn)電機(jī)的各種控制及比擬2環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)21.4.2單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)31.4.3可編程序控制器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)3幾種控制系統(tǒng)的性能比擬41.5PLC選型要求42電氣控制系統(tǒng)方案的選擇及硬件設(shè)計(jì)62.1可編程控制器的原理62.2可編程控制器的選型72.3控制方式的選擇82.4五相步進(jìn)電機(jī)的幾種運(yùn)行方式9單五拍運(yùn)行方式9十拍運(yùn)行方式10雙五拍運(yùn)行方式112.5控制分析11功能要求112.5.2I/O地址分配表122.6PLC外部接線圖132.7步進(jìn)電機(jī)時(shí)序圖133步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇143.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的分類(lèi)143.2.細(xì)分電路的分析和選擇164系統(tǒng)設(shè)計(jì)194.1步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)及分析194.2PLC程序設(shè)計(jì)204.2.1步進(jìn)控制設(shè)計(jì)204.2.2梯形圖設(shè)計(jì)225組態(tài)軟件監(jiān)控設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行245.1組態(tài)軟件仿真實(shí)現(xiàn)的意義245.2組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)步驟245.3系統(tǒng)的仿真運(yùn)行27總結(jié)28致謝29參考文獻(xiàn)30附錄31附錄A程序梯形圖31附錄B程序語(yǔ)句表36附錄C系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖40引言1.1步進(jìn)電機(jī)的介紹步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，電機(jī)對(duì)傳輸來(lái)的電脈沖信號(hào)的分析和轉(zhuǎn)換而進(jìn)行相應(yīng)的角位移和線位移。在電機(jī)的負(fù)載沒(méi)有超出它理論值情況下，傳輸來(lái)的電脈沖信號(hào)直接決定電機(jī)運(yùn)行的速度和位移，此時(shí)電機(jī)速度是不受其他因素影響。在這種情況下，我們可以很輕易對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)電脈沖信號(hào)的大小、強(qiáng)度和脈沖數(shù)的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和線位移進(jìn)行控制。當(dāng)傳輸來(lái)的電脈沖信號(hào)被步進(jìn)電機(jī)接收到后，它會(huì)按照預(yù)先設(shè)定進(jìn)行一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)，這個(gè)動(dòng)作我們將其稱(chēng)為“步距腳〞。它旋轉(zhuǎn)的角度是固定的。以傳輸來(lái)的電脈沖的個(gè)數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)角位移進(jìn)行有效的控制，以傳輸來(lái)的電脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的加速度和速度。1.2步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)步進(jìn)電機(jī)從構(gòu)造角度來(lái)分有以下幾種：反響式、永磁式和混合式。反響式：它是由定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子上有繞組，轉(zhuǎn)子是通過(guò)軟磁材料構(gòu)成。所以反響式具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、本錢(qián)比擬低、步距角小，最好時(shí)候可以到達(dá)；但是也存在著缺點(diǎn)，比方它的動(dòng)態(tài)性能差、工作效率比擬低、容易發(fā)熱且發(fā)熱程度比擬大，不容易確保它的可靠性。永磁式：永磁式步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的材料是永磁材料，它的電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的極數(shù)相同。它的動(dòng)態(tài)性能很好，輸出力矩也比擬大。但是它也有其缺陷，即運(yùn)行時(shí)的精度不太高?；旌鲜剑侯櫭剂x可知，混合式步進(jìn)電機(jī)包含上面兩種電機(jī)其優(yōu)點(diǎn)，多相繞組組成其定子，轉(zhuǎn)子那么是由永磁材料制作的，其中為了提升步進(jìn)精度通過(guò)對(duì)定子和轉(zhuǎn)子添加小齒輪方式來(lái)實(shí)現(xiàn)?；旌鲜降奶攸c(diǎn)是把反響式和永磁式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，包括：輸出力矩較大，動(dòng)態(tài)性能比擬好，步距角小等。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相比照擬復(fù)雜，相應(yīng)的本錢(qián)也比擬高。1.3步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中步進(jìn)電機(jī)的使用非常普遍，但在生產(chǎn)過(guò)程中能夠很好的使用這個(gè)電機(jī)是有一定難度，如果想要它能夠順利工作那么要采用一些控制軟件進(jìn)行輔助，如：雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電流的等特殊裝置，它正常工作也涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子以及計(jì)算機(jī)等相關(guān)知識(shí)。在工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)化控制行業(yè)已經(jīng)廣泛使用步進(jìn)電機(jī)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速開(kāi)展，計(jì)算機(jī)和電機(jī)行業(yè)也相應(yīng)快速起步，對(duì)步進(jìn)電機(jī)需求量也不斷增加，很多行業(yè)和領(lǐng)域是利用步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)控制電脈沖的個(gè)數(shù)對(duì)電機(jī)的角速度進(jìn)行控制，采用控制電脈沖的頻率方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和加速度進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)如圖1-1所示。圖1-1五相步進(jìn)電機(jī)1.4步進(jìn)電機(jī)的各種控制及比擬環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)圖1-2環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)形分配器是把源自控制局部的脈沖串按照一定的規(guī)那么分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)局部的各相輸入端口?？刂破鞯臅r(shí)鐘脈沖讓環(huán)形分配器的輸出不但是周期性的還是可逆的。驅(qū)動(dòng)電路把環(huán)形分配器的有序時(shí)鐘脈沖放大來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及速度連續(xù)可調(diào)。1.4.2單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)圖1-3單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)可做到系統(tǒng)小巧、易于改變流程等特點(diǎn)。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖1-3，我們把寫(xiě)好的程序下載到單片機(jī)，單片機(jī)就會(huì)按照一定的過(guò)程把時(shí)鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給驅(qū)動(dòng)電路，使驅(qū)動(dòng)電路的輸出既是周期性的，又是可逆的?？刂茊纹瑱C(jī)的程序使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及速度連續(xù)可調(diào)。1.4.3可編程序控制器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)圖1-4可編程序控制器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)可編程序控制器〔ProgrammabieLogicController,縮寫(xiě)PLC〕是由微處理器結(jié)合計(jì)算機(jī)、通信、聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制技術(shù)創(chuàng)造的一代工業(yè)控制裝置。PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)和單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)相似，可編程控制器按用戶(hù)程序把有序的時(shí)鐘脈沖分配給驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路讓其有序脈沖進(jìn)行放大以此來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。PLC的程序使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及速度連續(xù)可調(diào)。幾種控制系統(tǒng)的性能比擬環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)比擬簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉但控制靈活性不高，適合于固定模式的控制系統(tǒng)。單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化、高精度、網(wǎng)絡(luò)化管理的控制系統(tǒng)中工藝流程不斷變化以致于單片機(jī)的程序需要隨時(shí)更改，為此修改程序需要有專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，并且單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)需要專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，輸入輸出需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的隔離電路，這些都給單片機(jī)的使用帶來(lái)很大的局限性。PLC的根底結(jié)構(gòu)是微處理器，結(jié)合計(jì)算機(jī)、通信以及自動(dòng)控制技術(shù)等而開(kāi)發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置。PLC的使用面向控制過(guò)程、面向用戶(hù)的“自然語(yǔ)言〞編程，編程簡(jiǎn)潔方便。各個(gè)廠家的生產(chǎn)的可編程控制器都已成系列化，各種功能的模塊一應(yīng)俱全。可編程控制器有專(zhuān)用的通訊模塊特別適合組成網(wǎng)絡(luò)化控制。由以上分析我們可以得出，使用可編程控制器控制步進(jìn)電機(jī)是一種比擬合理可靠的方案，編程方便、抗干擾能力強(qiáng)、其性能也很穩(wěn)定。在當(dāng)今控制系統(tǒng)中要求較高精度、較高可靠性的控制性能，所以可編程控制器無(wú)疑是首選。1.5PLC選型要求在實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮可編程控制器的可靠性，必須及時(shí)接受來(lái)自外部的命令和狀態(tài)反響等?？删幊炭刂破鬟M(jìn)行循環(huán)掃描，在每個(gè)掃描的周期，除過(guò)要完成以上的三個(gè)根本步驟，還要對(duì)來(lái)自?xún)?nèi)部的故障進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)和診斷。并且完成可編程控制器的故障輸出和報(bào)警。在每次掃描開(kāi)始，可編程控制器就要診斷每個(gè)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。存儲(chǔ)器和CPU具有內(nèi)部自診斷的程序。通常通過(guò)檢測(cè)自身每個(gè)局部的當(dāng)前狀態(tài)，并且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比擬選擇，如果錯(cuò)誤的話，此時(shí)PLC立即開(kāi)始關(guān)機(jī)過(guò)程，保持當(dāng)前工作狀態(tài)，關(guān)閉所有輸出點(diǎn)，然后關(guān)機(jī)。如果診斷后，設(shè)備或者可編程控制器自身沒(méi)有故障報(bào)警，就可以繼續(xù)進(jìn)行掃描循環(huán)運(yùn)行程序，在掃描循環(huán)程序的過(guò)程中，繼續(xù)檢查外部的通信請(qǐng)求，進(jìn)行程序處理。比方，外部的編程單元，外部的邏輯狀態(tài)，以及顯示錯(cuò)誤消息的編程軟件等。通過(guò)設(shè)定好的邏輯控制條件和運(yùn)算條件進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出?？删幊炭刂破髟趻呙柚芷趦?nèi)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)不間斷的控制，一直到外部發(fā)布停止或者急停指令，或者外部發(fā)生故障等情況下，停止執(zhí)行工作?？删幊炭刂破鞲镜脑O(shè)計(jì)原那么,任何種類(lèi)的電氣控制系統(tǒng)是為了到達(dá)工藝要求，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，保證設(shè)備的質(zhì)量。在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循的一般原那么是：〔1〕要選擇的可編程控制器必須符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且有良好的技術(shù)支持。〔2〕滿(mǎn)足要控制的控制對(duì)象的要求。設(shè)計(jì)之前，應(yīng)深入研究進(jìn)行調(diào)查，收集資料，并與設(shè)計(jì)師和機(jī)械操作者緊密合作，從而進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，最大限度的處理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題?！?〕在工業(yè)工程控制的條件下，必須滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單，方便，而且到達(dá)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求和效果，便于維護(hù)。也要到達(dá)系統(tǒng)符合工業(yè)設(shè)計(jì)要求，降低研發(fā)本錢(qián)?！?〕控制系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須確保平安，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能必須可靠。正確的程序調(diào)試，充分考慮到惡劣的環(huán)境條件，本文對(duì)這個(gè)方面進(jìn)行充分分析后，最終使用了可靠性相對(duì)較高的PLC，以此不定時(shí)的對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)以及檢查?！?〕考慮到生產(chǎn)和工藝改良及開(kāi)發(fā)，在可編程控制器設(shè)計(jì)時(shí)，必須要對(duì)以后的研發(fā)和改良留夠一定的空間，針對(duì)不同的設(shè)備，重點(diǎn)將不同的要求，設(shè)計(jì)原那么也應(yīng)有所不同，如果為了提高對(duì)所控制產(chǎn)品的質(zhì)量和平安性，應(yīng)該集中在系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，及時(shí)考慮冗余控制系統(tǒng);如果需要的話，要提高信息管理系統(tǒng)。西門(mén)子S7-200系列可編程控制器產(chǎn)品性?xún)r(jià)比高，強(qiáng)大的功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行，還是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)遇到的各種各樣的控制任務(wù)都能很好的解決。此類(lèi)型產(chǎn)品具有非常強(qiáng)大的功能，小到能夠替代繼電器，大到控制整個(gè)系統(tǒng)等，都能夠很好的實(shí)現(xiàn)。在對(duì)多種控制器的根本性能進(jìn)行比照分析后，發(fā)現(xiàn)S7-200類(lèi)型的控制器具有體積小，功能強(qiáng)大等多種功能，下面對(duì)此類(lèi)型產(chǎn)品的根本特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，價(jià)格低廉，性?xún)r(jià)比擬高，很適合研發(fā)普通的小型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它使用超級(jí)電容器存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保護(hù)，消除了對(duì)鋰電池的需求，該系統(tǒng)是小，但可以處理模擬〔12點(diǎn)模擬輸入/4點(diǎn)模擬輸出〕。西門(mén)子S7-200系列PLC多達(dá)四個(gè)中斷控制輸入，每個(gè)中斷輸入相應(yīng)的時(shí)間都很小，只有0.2ms左右。可編程控制器還有日期和時(shí)間的中斷控制功能。根據(jù)本系統(tǒng)控制要求和在對(duì)多種類(lèi)型控制器進(jìn)行性能等多方面的比照分析后，文中最終決定使用CPU222作為控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可編程控制器。2電氣控制系統(tǒng)方案的選擇及硬件設(shè)計(jì)2.1可編程控制器的原理可編程控制器結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制理論，通信技術(shù)等，是一種基于微處理器的工業(yè)控制產(chǎn)品[4]。另外對(duì)于可編程控制器，其具有的結(jié)構(gòu)相對(duì)而言較簡(jiǎn)單，并且對(duì)應(yīng)具有的性能也非常的優(yōu)越，可靠性能也比擬高并且維護(hù)比擬方便。所以可編程控制器應(yīng)用非常廣泛，幾乎每個(gè)行業(yè)都有可編程控制器的身影。可編程控制器已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的主導(dǎo)者。并且有著非常廣闊的前景和市場(chǎng)空間。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，將采取可編程控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性高，維護(hù)方便。關(guān)于PLC選擇問(wèn)題，還要考慮PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能，價(jià)格因素。系統(tǒng)可靠性也是一個(gè)重要的考慮因素。在對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題進(jìn)行充分分析后研究后發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的順序開(kāi)關(guān)，它是由多種因素共同決定的，并且對(duì)應(yīng)當(dāng)今社會(huì)中控制器的主要功能均是由電氣設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而造成設(shè)備種類(lèi)繁多，體積較大，工作可靠性性對(duì)較低等多種缺點(diǎn)。為此為了最大限度的改變這種局面，美國(guó)的通用公司針對(duì)性的進(jìn)行了大量的研究與開(kāi)發(fā)，成功的研究出了第一代可編程控制器，其根本上可以滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的需求，并命名為可編程控制程序，在當(dāng)時(shí)此款產(chǎn)品主要是應(yīng)用在電腦的開(kāi)發(fā)中，為了方便，還為了反映功能特性的可編程控制，PLC稱(chēng)為可編程序邏輯控制器?？删幊炭刂破鞯母驹砣缦拢?現(xiàn)場(chǎng)信息輸入；在可編程控制器循環(huán)掃描中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的輸入信息情況進(jìn)行逐個(gè)掃描。2按照既定程序執(zhí)行命令：可編程控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行識(shí)別后，按照設(shè)定好的邏輯控制條件和運(yùn)算條件進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出[8]。3對(duì)程序處理后的結(jié)果進(jìn)行邏輯或模擬量輸出：PLC將通過(guò)內(nèi)部的邏輯程序或者計(jì)算程序?qū)?duì)條件進(jìn)行處理，并且將計(jì)算的結(jié)果輸出值外部端子，進(jìn)而可靠的控制所設(shè)計(jì)系統(tǒng)外部的電動(dòng)機(jī)以及電磁閥和對(duì)應(yīng)指示燈。在工程應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)備的工作工藝過(guò)程可以分為順序控制的操作，也就是重復(fù)某種工藝的操作?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髂Ｊ綖檠h(huán)掃描控制，和工程應(yīng)用的過(guò)程根本一致，所以可編程控制器和設(shè)備的工藝流程動(dòng)作互相對(duì)應(yīng)，編程簡(jiǎn)單直觀，不易出錯(cuò)，而且易于修改，這樣就可以降低工程研發(fā)的周期和本錢(qián)[9]。2.2可編程控制器的選型根據(jù)可編程控制器選型的多種要求，要選擇的可編程控制器必須符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且有良好的技術(shù)支持。滿(mǎn)足要控制的控制對(duì)象的要求。設(shè)計(jì)之前，應(yīng)深入研究進(jìn)行調(diào)查，收集資料，并與設(shè)計(jì)師和機(jī)械操作者，電控緊密合作，從而進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，進(jìn)而最大限度的處理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。在工業(yè)工程控制的條件下，必須滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的要求，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單，方便，而且到達(dá)經(jīng)濟(jì)使用的要求和效果，便于維護(hù)。要到達(dá)系統(tǒng)符合工業(yè)設(shè)計(jì)要求，降低研發(fā)本錢(qián)?？刂葡到y(tǒng)在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須確保平安，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能必須可靠。正確的程序調(diào)試，要充分考慮到惡劣的環(huán)境條件。考慮到生產(chǎn)和工藝改良及開(kāi)發(fā)，在可編程控制器設(shè)計(jì)時(shí)，必須要對(duì)以后的研發(fā)和改良留夠一定的空間，針對(duì)不同的設(shè)備，重點(diǎn)將不同的要求，設(shè)計(jì)原那么也應(yīng)有所不同，如果為了提高對(duì)靶產(chǎn)品質(zhì)量和平安性要求，應(yīng)該集中在系統(tǒng)的可靠性的設(shè)計(jì)，及時(shí)考慮冗余控制系統(tǒng)，提高信息管理系統(tǒng)。由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊還有編程器來(lái)構(gòu)成PLC，根本原理如如圖2-1所示。圖2-1PLC控制系統(tǒng)CPU模塊的構(gòu)成主要是微處理器和存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶(hù)程序存儲(chǔ)器兩種，其系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器為ROM。I/O模塊由輸入模塊和輸出模構(gòu)成，其相對(duì)應(yīng)的輸入輸出電路如圖2-2、2-3所示。圖2-2PLC的輸入電路圖2-3PLC的輸出電路2.3控制方式的選擇方案一在開(kāi)環(huán)控制下，步進(jìn)電機(jī)是由給定時(shí)間間隔的脈沖序列所控制，在控制系統(tǒng)中，并不需要反響傳感器和相應(yīng)的電子線路。開(kāi)環(huán)控制電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、還具有費(fèi)用低等其他優(yōu)點(diǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。圖2-4步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制框圖方案二閉環(huán)控制是對(duì)轉(zhuǎn)子的位置還有速度進(jìn)行不斷地檢測(cè)，檢測(cè)后再經(jīng)過(guò)反響和相應(yīng)處理，形成脈沖鏈，使得步進(jìn)電機(jī)每一次都是在控制信號(hào)的指令下運(yùn)行。在這樣閉環(huán)控制作用下，在運(yùn)作運(yùn)作過(guò)程中不容易出現(xiàn)失步。圖2-5步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制框圖對(duì)于上面兩種方案的比擬，很容易發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的最明顯的特點(diǎn)是在沒(méi)有位置反響信號(hào)的作用下，依然可以做出精確的位置控制。通過(guò)開(kāi)環(huán)控制的方式很好降低本錢(qián)，因?yàn)樵陂_(kāi)環(huán)控制中不需要價(jià)格貴重的位置傳感器件，只要對(duì)傳輸來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以確定步進(jìn)電機(jī)的位置。在實(shí)際生活中，多用開(kāi)環(huán)控制。因此，此次設(shè)計(jì)選擇開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。2.4五相步進(jìn)電機(jī)的幾種運(yùn)行方式單五拍運(yùn)行方式1)正轉(zhuǎn)首先A相先通電，此時(shí)B,C,D,E四相均不通電，產(chǎn)生A-A’方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)A,A’就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，那么轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著B(niǎo)相通電，此時(shí)A,C,D,E均不通電，產(chǎn)生B-B’方向上的磁場(chǎng)，那么同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是C,D,E相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈A’→BB’→CC’→DD’→EE’→AA’2)反轉(zhuǎn)首先A相先通電，此時(shí)B,C,D,E四相均不通電，產(chǎn)生A-A’方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)A,A’就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，那么轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著E相通電，此時(shí)A,B,C,D均不通電，產(chǎn)生E-E’方向上的磁場(chǎng)，那么同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是D,C,B,相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈A’→EE’→DD’→CC’→BB’→AA’十拍運(yùn)行方式1)正轉(zhuǎn)首先A,B,C相先通電，此時(shí),D,E兩相均不通電，產(chǎn)生B-B’方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)B,B’就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，那么轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著B(niǎo),C相通電，此時(shí)A,D,E均不通電，產(chǎn)生BC-B’C’方向上的磁場(chǎng)，那么同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是BCD,CD,CDE,DE,DEA,EA,EAB,AB相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈BC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB→ABC2)正轉(zhuǎn)首先A,B,相先通電，此時(shí),D,C,E兩相均不通電，產(chǎn)生AB-A’B’方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)AB,A’B’就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，那么轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著E,A,B相通電，此時(shí)C,D均不通電，產(chǎn)生A-A’方向上的磁場(chǎng)，那么同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是EA,DEA,DE,CDE,CD,BCD,BC,ABC相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈B→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC→AB雙五拍運(yùn)行方式1)正轉(zhuǎn)首先A,B相先通電，此時(shí)C,D,E三相均不通電，產(chǎn)生AB-A’B’方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)AB,A’B’就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，那么轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著B(niǎo),C相通電，此時(shí)A,D,E均不通電，產(chǎn)生BC-B’C’方向上的磁場(chǎng)，那么同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是CD,DE,EA相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈B→BC→CD→DE→EA→AB2)反轉(zhuǎn)首先A,B相先通電，此時(shí)C,D,E三相均不通電，產(chǎn)生AB-A’B’方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)AB,A’B’就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，那么轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著E,A相通電，此時(shí)B,C,D均不通電，產(chǎn)生EA-E’A’方向上的磁場(chǎng)，那么同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是DE,CD,BC,相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈B→EA→DE→CD→BC→AB相比擬而言五相十拍運(yùn)行在轉(zhuǎn)子極數(shù)相同的情況下，步距角更小，控制精度更高，所以本次設(shè)計(jì)采用五相十拍的運(yùn)行方式。2.5控制分析功能要求1)對(duì)于五相步進(jìn)電機(jī)控制，主要是五相繞組的接通、斷開(kāi)的順序和每個(gè)步距腳的行進(jìn)速度這兩個(gè)方面進(jìn)行控制。下面將介紹十拍運(yùn)行時(shí)五相十拍步進(jìn)電機(jī)的正傳順序和反轉(zhuǎn)順序。正轉(zhuǎn)順序：ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反轉(zhuǎn)順序：AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC圍繞這兩個(gè)主要方面，對(duì)此我們做出以下的控制要求：在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；2)用五個(gè)開(kāi)關(guān)控制其工作：1號(hào)開(kāi)關(guān)控制其運(yùn)行(啟/停)。2號(hào)開(kāi)關(guān)控制其低速運(yùn)行(轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需0.5秒)。3號(hào)開(kāi)關(guān)控制其中速運(yùn)行(轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需0.1秒)。4號(hào)開(kāi)關(guān)控制其高速運(yùn)行(轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需0.03秒)。5號(hào)開(kāi)關(guān)控制轉(zhuǎn)向(ON為正轉(zhuǎn)，OFF為反轉(zhuǎn))。2.5.2I/O地址分配表表2-7I/O地址分配表控制信號(hào)信號(hào)名稱(chēng)元件名稱(chēng) 元件符號(hào)地址編碼輸入信號(hào)啟/?？刂瞥ｉ_(kāi)按鈕SB1I0.0低速調(diào)速常開(kāi)按鈕SB2I0.1中速調(diào)速常開(kāi)按鈕SB3I0.2高速調(diào)速常開(kāi)按鈕SB4I0.3正/反轉(zhuǎn)控制單刀雙制開(kāi)關(guān)QSI0.4輸出信號(hào)輸出端子A端子AQ0.0輸出端子B端子BQ0.1輸出端子C端子CQ0.2輸出端子D端子DQ0.3輸出端子E端子EQ0.42.6PLC外部接線圖PLC外部接線圖設(shè)備、負(fù)載電源種類(lèi)等的設(shè)計(jì)就依據(jù)系統(tǒng)的要求。由上面的I/O分配表，查閱手冊(cè)選擇S7-200CPU222根本單元〔8入/6出〕1臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其五相十拍外部接線圖如下：圖2-8外部接線圖2.7步進(jìn)電機(jī)時(shí)序圖〔a〕步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)序圖〔b〕步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)序圖圖2-9步進(jìn)電機(jī)時(shí)序圖3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇3.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的分類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源有很多種，它的分類(lèi)方法也有很多。如果按照相應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)容量大小來(lái)區(qū)分，那么有功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源還有伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源兩種。假設(shè)按照輸出的脈沖極性來(lái)區(qū)分的話，那就有單向脈沖電源還有正、負(fù)雙極性脈沖電源兩種，后面的是作為永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)源。如果按電脈沖的功率元件分類(lèi)，有晶體管驅(qū)動(dòng)電源、高頻晶閘管驅(qū)動(dòng)電源還有可關(guān)斷晶閘管驅(qū)動(dòng)電源。如果按照脈沖的供電方式來(lái)區(qū)分，有單一電壓型的電源還有高、低壓切換型的電源；斬波恒流驅(qū)動(dòng)電源和細(xì)分電路電源等。單一電壓電源是最為簡(jiǎn)單電源，其原理圖如3-1。信號(hào)脈沖輸入，隨后晶體管導(dǎo)通，電容在起始時(shí)等同于將電阻R短接，隨后控制繞組的電流會(huì)上升的很迅速。當(dāng)電流到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，串聯(lián)的電阻R就會(huì)起到限流功能。在這個(gè)完整的工作過(guò)程中只有一種電源為其供電。這種線路的結(jié)構(gòu)比擬簡(jiǎn)單，而且電阻還有控制繞組串聯(lián)，這樣能夠減小回路時(shí)間的常數(shù)，但是由于電阻R上要消耗功率，會(huì)讓電源的效率變得很低，所以當(dāng)這種電源供電時(shí)它的起動(dòng)和運(yùn)行頻率都很低。圖3-1單一電壓型驅(qū)動(dòng)電源圖3-2高、低壓切換型驅(qū)動(dòng)電源高、低壓切換型電源原理如圖3-2。步進(jìn)電機(jī)的每相繞組是由兩只功率元件串聯(lián)形成的，它的供電方式有高壓和低壓兩種。高壓供電可以提高電流上升的速度，電流波形的前沿也會(huì)得到緩和，穩(wěn)定那么用低壓。低壓電源之所以串聯(lián)一個(gè)較小的電阻R，目的是為了控制繞組電流值，才能夠使各相電流趨于穩(wěn)定。這樣電源效率變高，起始和運(yùn)行時(shí)的頻率比單一電壓型電源更高，然而這種驅(qū)動(dòng)電路在低頻運(yùn)行時(shí)通電的時(shí)間太長(zhǎng)，低頻時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的噪聲就會(huì)較大，而且會(huì)伴隨共振現(xiàn)象的存在。斬波恒流驅(qū)動(dòng)電源是目前使用比擬多的一種驅(qū)動(dòng)方法。根本理論在于電機(jī)是否處于鎖定狀態(tài)，導(dǎo)通相繞組電流需要穩(wěn)定在額定值。圖3-3是斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。開(kāi)關(guān)管VT1和VT2控制繞組的關(guān)斷與導(dǎo)通，VT2發(fā)射極連接一個(gè)小電阻R，繞組電流經(jīng)過(guò)這個(gè)電阻接地，壓降跟電機(jī)繞組的電流是正比例的關(guān)系，電阻就是電流采樣電阻。當(dāng)為高電平時(shí)，VT1和VT2導(dǎo)通，電源供電。由于電感作用，電阻上電壓逐漸升高，一旦超過(guò)，比擬器就會(huì)輸出低電平，然后與門(mén)也輸出低電平，VT1關(guān)斷，電源關(guān)斷，繞組電流經(jīng)過(guò)VT2、R、VD2繼續(xù)續(xù)流，采樣電阻R的端電壓跟著下降。當(dāng)采樣電阻R上的電壓低于給定電壓之后，比擬器輸出的就是高電平，而后與門(mén)輸出的也是高電平，VT再一次導(dǎo)通，電源繼續(xù)供電，如此反復(fù)。當(dāng)變成低電平時(shí)，VT1和VT2兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通，繞組的電流經(jīng)過(guò)二極管VD1、電源，二極管VD2放電，迅速下降。、VT1的基極電位和繞組電流波形如圖3-4。VT2導(dǎo)電期間，電源以脈沖的形式提供電源。在斬波的作用下，繞組的電流保持不變，具有相同的輸出轉(zhuǎn)矩。它另一個(gè)好處就是共振會(huì)減小，因?yàn)殡姍C(jī)共振的內(nèi)因是能量積累過(guò)多，斬波恒流驅(qū)動(dòng)輸入的能量隨著繞組電流變化自動(dòng)改變，可以不使能量產(chǎn)生堆積?？墒牵?dāng)電流的形狀為鋸齒形的時(shí)候，這種驅(qū)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生比擬大的電磁噪聲。圖3-3斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路的原理圖圖3-4斬波恒流控制的電流波形圖3-5階梯波形電流圖細(xì)分驅(qū)動(dòng)又叫微步距控制，是步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制的新技術(shù)之一，可以到達(dá)極高的精度并提高穩(wěn)定性，來(lái)讓運(yùn)動(dòng)近似的變?yōu)閯蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)就像伺服電動(dòng)機(jī)一樣。要減小步距角，只是從電機(jī)本身來(lái)解決有一定局限性，所以要從電源方面解決。將以前供電的脈沖電流變成階梯波形，如圖3-5，輸入電流的每一階梯，偏轉(zhuǎn)角減小，能夠改善電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)噪音等其它影響，能夠提高運(yùn)行的平滑性，所以細(xì)分電路驅(qū)動(dòng)是較為理想的驅(qū)動(dòng)方式。在圖3-5中，給電機(jī)電流由零經(jīng)過(guò)五個(gè)階梯上升。下降時(shí)，經(jīng)過(guò)同樣過(guò)程到0。這樣使電機(jī)成為一個(gè)連續(xù)磁場(chǎng)，使得電動(dòng)機(jī)平滑運(yùn)動(dòng)。細(xì)分電路電源，就是用順序脈沖形成器使各脈沖一個(gè)個(gè)放大，這些脈沖電流在繞組中疊加成為階梯波形電流,順序脈沖形成器一般可用移位形式的環(huán)形脈沖分配器做到。3.2.細(xì)分電路的分析和選擇步進(jìn)電機(jī)是對(duì)傳輸來(lái)的電脈沖信號(hào)的分析和轉(zhuǎn)換而進(jìn)行相應(yīng)的角位移和線位移。原理就電磁鐵吸引轉(zhuǎn)子然后產(chǎn)生轉(zhuǎn)距來(lái)作用，電機(jī)依據(jù)各相定子依次通電使它轉(zhuǎn)動(dòng)，然后電磁轉(zhuǎn)化為角位移。定子繞組從一相導(dǎo)通轉(zhuǎn)化為另一相導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)一角度，即步距角。細(xì)分就是在繞組換相時(shí)，不讓它導(dǎo)通或者斷開(kāi)。我們以某種電機(jī)來(lái)說(shuō)明步距角二細(xì)分,如圖3-6。當(dāng)電機(jī)在A相通電的時(shí)候，轉(zhuǎn)子在A-A’之間，當(dāng)A相通電變?yōu)锳、B兩相通電后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角,停A、B兩相中間①處，轉(zhuǎn)距與繞組電流成正比，B相繞組電流不是由0直接上升至額定電流，先到中間位置，轉(zhuǎn)子不是轉(zhuǎn)到位置①，而停在②處；同樣，當(dāng)A、B兩相通電變?yōu)锽相通電，如果A相電流并不是由額定電流降到0，那么轉(zhuǎn)子將不會(huì)轉(zhuǎn)到位置B－B’，而是轉(zhuǎn)到位置③，精度從而提高，這就是步進(jìn)電機(jī)二細(xì)分理論。綜上所述，定子繞組電流并不是由0變到額定值，或由額定值變?yōu)?，而分十級(jí)一步一步完成，即B相繞組用一樣的間隔通電0－0.1Ie－0.2Ie……0.9Ie－Ie，A相以同樣的時(shí)間按下過(guò)程減小電流Ie－0.9Ie……0.2Ie－0.1Ie－0，如此，步進(jìn)電機(jī)就完成了十細(xì)分。我們可以看到，細(xì)分就是使電機(jī)各相電流有序升級(jí)，降級(jí)，來(lái)提高精度。圖3-6步進(jìn)電機(jī)步矩角細(xì)分示意圖我們選擇恒頻斬波細(xì)分控制，它就是斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路的進(jìn)一步改良。在驅(qū)動(dòng)電路里，繞組電流的大小是由比擬器給定的電壓值決定的，實(shí)際上這個(gè)給定的電壓是一個(gè)固定值?，F(xiàn)在給定的電壓值用階梯電壓來(lái)替換，我們就會(huì)得到階梯電流波。該電路驅(qū)動(dòng)如下3-7，單片機(jī)為主體，經(jīng)過(guò)T0輸出20kHz方波，送給D觸發(fā)器，當(dāng)作信號(hào)。單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)送到到D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)作控制信號(hào)。階梯電壓每一次變化都會(huì)使轉(zhuǎn)子走步。恒頻斬波細(xì)分原理就在于D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓不確定時(shí)，恒頻信號(hào)上升沿會(huì)使D觸發(fā)器動(dòng)作，使其輸出的電平為高電平，開(kāi)關(guān)管VT1、VT2開(kāi)始動(dòng)作，繞組電流自然上升，取樣電阻R2的壓降提高，壓降大于，比擬器就會(huì)輸出低的電平，然后D觸發(fā)器輸出低電平，VT1、VT2斷開(kāi)，繞組電流降低。當(dāng)R2壓降小于，比擬器輸出的就是高電平，然后D觸發(fā)器輸出的電平也為高電平，VT1、VT2通電，繞組的電流就會(huì)上升。然后反復(fù)操作，使電流波形為鋸齒波。CLK脈沖頻率比擬高，鋸齒形波紋較小。CLK、階梯波確定電壓，VT1控制電壓還有繞組電流波形如下3-8所示。圖3-7恒頻斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路圖3-8恒頻斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)的電流波形]4系統(tǒng)設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)通過(guò)西門(mén)子的編程軟件STEP7-Micro/WIN32來(lái)實(shí)現(xiàn)。前面我們已經(jīng)詳細(xì)講解和介紹步進(jìn)電機(jī)的控制方案設(shè)計(jì)，本章我們開(kāi)始對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行詳細(xì)的講解。對(duì)于系統(tǒng)軟件的介紹有利于我們更好的理解程序的編寫(xiě)和程序的進(jìn)程。這一章節(jié)主要講解該系統(tǒng)操作步驟的相關(guān)程序，同時(shí)對(duì)這些程序進(jìn)行了具體的注解，以便于理解。詳細(xì)的PLC程序查閱論文末尾附錄。4.1步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)及分析程序控制圖如下圖4-1控制流程圖因?yàn)樯厦娴囊?，我們能夠給出電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程圖，如圖4-1。我們以框圖作為依據(jù)，思考控制更多的要求，我們先將程序分為4塊進(jìn)行編程，即模塊1：步進(jìn)速度選擇；模塊2：起動(dòng)、停止；模塊3：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；模塊4：移位控制功能模塊；模塊:5：A、B、C、D、E五相繞組對(duì)象控制。第二步，連接模塊，然后進(jìn)行調(diào)試、處理、滿(mǎn)足要求。4.2PLC程序設(shè)計(jì)4.2.1步進(jìn)控制設(shè)計(jì)對(duì)采用移位指令進(jìn)行步進(jìn)控制。第一是確定移位存放器MW0，依據(jù)五相十拍的規(guī)律，移位存放器初值如下。表4-3移位存放器初值M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4

M0.3M0.2M0.1M0.010000

00000每次右移，電機(jī)就前進(jìn)一拍，十拍以后再?gòu)男麻_(kāi)始。其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始終為“0〞。所以，我們能給出移位存放器輸出狀態(tài)還有電機(jī)繞組狀態(tài)的真值表，下列圖所示。這樣我們能得出繞組的關(guān)系式：正轉(zhuǎn)時(shí):A相Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0B相Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0C相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5D相Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3E相Q0.4=M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1反轉(zhuǎn)時(shí):A相Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0B相Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0C相Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0D相Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2E相Q0.4=M1.0+M0.7+M0.6+M0.5+M0.4表4-4移位存放器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表〔正轉(zhuǎn)〕移位存放器MW0正轉(zhuǎn)M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE100000000011100010000000001100001000000001110000100000000110000010000000111000001000000011000000100010011000000010010001000000001011001000000000111000表4-5移位存放器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表〔反轉(zhuǎn)〕移位存放器MW0反轉(zhuǎn)M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE1000000000110000100000000110010010000000100010001000000100110000100000000110000010000001110000001000001100000000100011100000000010011000000000001111004.2.2梯形圖設(shè)計(jì)啟停用單按鈕來(lái)控制。梯形圖如下，第一步，按SB2(SB3或SB4)首次選擇一種速度，電機(jī)速度由定時(shí)器T33把握，把50、10、3分別輸入VW100可得到低速、中速、高速三種不一樣的速度。然后按下SB1(I0.0)，M2.0導(dǎo)通，移位存放器賦初值，然后電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，并且定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定值的時(shí)候，T33得電，移位存放器的值右移，而后C1計(jì)數(shù)一次，再然后T33重新計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)十次后C1讓讓移位存放器重新開(kāi)始，再次作用。QS用來(lái)管正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，ON時(shí)I0.4導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，OFF時(shí)I0.4斷開(kāi)電機(jī)反轉(zhuǎn)。按下SB1，C0作用，M2.0斷開(kāi)，C1復(fù)位。梯形圖是PLC編程語(yǔ)言,PLC生產(chǎn)廠產(chǎn)品均可以用梯形圖語(yǔ)言寫(xiě)。用梯形圖編程器建立程序,擁有梯級(jí)或者網(wǎng)絡(luò)段的結(jié)構(gòu),利于程序觀察、運(yùn)行和改正。所以，在論文中用PLC梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)。〔具體程序梯形圖見(jiàn)附錄A〕梯形圖易于理解，觀察，可是并不能被PLC識(shí)別，無(wú)法直接的使用，所以要人工編譯來(lái)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)句表。在STEP7-MICRO/WINSP4系統(tǒng)里可將圖識(shí)別、編譯成指令的序列。具體生成的程序語(yǔ)句表見(jiàn)附錄B。5組態(tài)軟件監(jiān)控設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行5.1組態(tài)軟件仿真實(shí)現(xiàn)的意義工控組態(tài)軟件在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中較為常見(jiàn)的軟件，它的主要是作為工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集、整理和過(guò)程控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，它的優(yōu)點(diǎn)很多，其中它具有良好的組態(tài)方式，這樣可以很好的對(duì)自控系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)察和控制。這種組態(tài)軟件使用的通信協(xié)議能夠支持很多種類(lèi)的外部設(shè)備，同時(shí)該協(xié)議還能將聯(lián)網(wǎng)控制、分布式信息傳送給我們。在這種組態(tài)控制軟件使用前，在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化控制方便，一般由專(zhuān)門(mén)的程序編程人員進(jìn)行編程控制或者將這局部作為一個(gè)工程外包出去，編程出人機(jī)界面上位機(jī)程序，以這樣的方式開(kāi)發(fā)出人機(jī)自動(dòng)化界面；另一種方式是通過(guò)對(duì)工控廠家出售機(jī)械時(shí)相應(yīng)的工控系統(tǒng)的購(gòu)置，但是這種系統(tǒng)通常是工控廠家編寫(xiě)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是批量產(chǎn)生的，該系統(tǒng)沒(méi)有針對(duì)性。這也很好的解釋了該系統(tǒng)不能和工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)很好的匹配的原因，同時(shí)對(duì)于該系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)時(shí)，是非常艱難的，對(duì)該系統(tǒng)不適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的局部進(jìn)行修改也是很困難。在組態(tài)控制軟件出現(xiàn)之后，我們可以通過(guò)使用組態(tài)軟件和它的功能，很輕易編寫(xiě)出我們所需要的人機(jī)界面。組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)通過(guò)中文界面顯示，相應(yīng)的操作可以通過(guò)漢語(yǔ)提示和講解，從而使得該系統(tǒng)的操作方式容易上手，同時(shí)命令指令和語(yǔ)言都很容易學(xué)會(huì)。參數(shù)輸入和輸出，修改方式很靈活，控制能力比擬靠前，能進(jìn)行屢次仿真運(yùn)行，這些交互設(shè)計(jì)能力很強(qiáng)，這樣可以讓它在自控系統(tǒng)的檢測(cè)和檢驗(yàn)的工作中能夠發(fā)揮出很好的效果。5.2組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)步驟對(duì)于組態(tài)軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在它設(shè)計(jì)之前，我們需要建立一個(gè)工程，在這個(gè)工程里進(jìn)行設(shè)計(jì)具體的內(nèi)容。對(duì)于組態(tài)工程的創(chuàng)立，通常步驟為：定義裝置，對(duì)圖形進(jìn)行繪制，建立變量，變量和圖形相關(guān)聯(lián)，調(diào)試再運(yùn)行。通常包括下面三個(gè)局部：圖形畫(huà)面：我們通過(guò)工藝流程圖來(lái)呈現(xiàn)出在工業(yè)生產(chǎn)中的工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工業(yè)控制所需要的設(shè)備，對(duì)工控現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)大大小小環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行有效的顯示，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控顯示的畫(huà)面進(jìn)行很好的設(shè)計(jì)，對(duì)監(jiān)控設(shè)備的進(jìn)行時(shí)刻觀察，時(shí)刻觀察它的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫(kù)：通過(guò)對(duì)工作狀況的變量表的創(chuàng)立，它是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行創(chuàng)立的，它的目的是為了反映工控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)有效的顯示出相應(yīng)的參數(shù)，比方：液位、溫度、壓力等。動(dòng)畫(huà)連接：通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面對(duì)運(yùn)行的圖素進(jìn)行監(jiān)控，而這些圖素對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬。這樣能很好的檢測(cè)到工作人員操作時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。以下將講解設(shè)計(jì)的具體步驟：1)新建一個(gè)工程：首先開(kāi)啟工程管理器，在開(kāi)啟的界面中單擊“新建〞按鍵，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)“新建工程向?qū)Ж暤捻?yè)面，這個(gè)窗口詳細(xì)的對(duì)工程建立進(jìn)行詳細(xì)的描述〔比方：詳細(xì)講解如何對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)〕，我們?cè)賹⑿陆üこ瘫４嬖陔娔X本地硬盤(pán)里。圖5-1新建工程向?qū)?2)定義設(shè)備由PLC、儀表、模塊、板卡和變頻器等做成外部設(shè)備，在使用組態(tài)王前，必須對(duì)它進(jìn)行定義。本篇論文是采用西門(mén)子S7-200PLC和組態(tài)王通信完成設(shè)計(jì)。如下圖，我們?cè)谖鏖T(mén)子下面的系列中選擇PLCS7-200，在通訊方式的選擇時(shí)，我們選擇的是PCPPI通信，最后所有選項(xiàng)都設(shè)定完時(shí)，再點(diǎn)擊“確定〞按鈕。圖5-2設(shè)備配置向?qū)?)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)這個(gè)頁(yè)面，我們可以對(duì)所需要的每個(gè)變量進(jìn)行定義，而且可以對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行修改，同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)變量的管理燈進(jìn)行操作。如下列圖所示。圖5-3步進(jìn)電機(jī)控制變量定義4)建立步進(jìn)電機(jī)控制畫(huà)面及動(dòng)畫(huà)連接我們新建的畫(huà)面對(duì)話框，并將它命名為“步進(jìn)電機(jī)控制〞。同時(shí)我們將在這個(gè)畫(huà)面上放置一個(gè)矩形方框，放入一個(gè)文本框，將文本框命名為“啟動(dòng)〞，此時(shí)我們對(duì)“啟動(dòng)〞按鈕進(jìn)行雙擊，完成相應(yīng)的動(dòng)作。如下列圖所示。圖5-4新建畫(huà)面5.3系統(tǒng)的仿真運(yùn)行我們通過(guò)組態(tài)王使用，在該開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，通過(guò)點(diǎn)擊“文件〞選項(xiàng)按鈕，在菜單中選中“\切換到View〞按鍵，我們?cè)購(gòu)摹斑x擇畫(huà)面〞選擇“五相步進(jìn)電機(jī)監(jiān)控〞，其系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖見(jiàn)附錄C?？偨Y(jié)本篇論文是通過(guò)PLC對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)PLC設(shè)計(jì)出步進(jìn)電機(jī)的控制裝置，該裝置是通過(guò)可編程控制器與傳感器二者綜合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)镻LC很容易對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，因此PLC在對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)的控制方面展現(xiàn)出很好效果，展現(xiàn)出PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的自控能力和調(diào)節(jié)能力。該控制系統(tǒng)不僅利用了PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制，而且采用上位機(jī)組態(tài)王相應(yīng)的組態(tài)監(jiān)察和控制，具有良好的操作性。當(dāng)我一開(kāi)始看到論文課題是關(guān)于五相步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)的時(shí)候，當(dāng)時(shí)一片茫然。因?yàn)閷?duì)于五相步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)的操作、仿真和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程還不清楚，不知道從何下手。因此到圖書(shū)館和電子閱覽室等地方開(kāi)始查找相關(guān)資料，其中包含有關(guān)于五相步進(jìn)電機(jī)控制相關(guān)的概述，在國(guó)內(nèi)外有關(guān)于五相步進(jìn)電機(jī)控制的開(kāi)展情況，同時(shí)也開(kāi)始關(guān)注五相步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)的工作流程等。通過(guò)一段時(shí)間的努力，對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)控制相關(guān)的知識(shí)有了些認(rèn)知。因?yàn)轭}目中講到通過(guò)PLC進(jìn)行控制的，所以在圖書(shū)館也對(duì)關(guān)于西門(mén)子PLC相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行查找和研究。在這期間，詳細(xì)的研究了西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)中關(guān)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟和過(guò)程，這些知識(shí)為我們很好的理解和研究西門(mén)子PLC控制設(shè)計(jì)和編程，同時(shí)也為可編程控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制打下基石。在這一次西門(mén)子PLC控制設(shè)計(jì)中，我們要先開(kāi)始對(duì)西門(mén)子PLC各個(gè)系統(tǒng)和控制設(shè)計(jì)進(jìn)行比照，從中選出可靠性好，控制系統(tǒng)相比其他的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單和方便，并完成PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)，同時(shí)我們還需要通過(guò)組態(tài)王完成上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，該監(jiān)控設(shè)計(jì)能夠很好的對(duì)PLC五相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行檢查和控制。畢業(yè)設(shè)計(jì)是將自己這些年學(xué)到知識(shí)點(diǎn)綜合起來(lái)，然后靈活運(yùn)用。在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，讓我們能夠有效的、真實(shí)的和全面的理解學(xué)習(xí)過(guò)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并且從新復(fù)習(xí)和研究這些知識(shí)點(diǎn)，再講它們有效結(jié)合起來(lái)，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程中，對(duì)于曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的專(zhuān)業(yè)進(jìn)行總結(jié)，在總結(jié)的過(guò)程中，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納和整理，同時(shí)也對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)的查閱和查研究。在西門(mén)子PLC學(xué)習(xí)中，對(duì)于它的工作原理，操作步驟和不斷的模擬實(shí)驗(yàn)，漸漸的掌握PLC知識(shí)和操作。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們通過(guò)理論知識(shí)也實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)在學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過(guò)程中，懂得了怎么發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如何解決問(wèn)題，不把問(wèn)題拖到最后解決，這個(gè)我第一次進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這個(gè)產(chǎn)品中有些缺乏之處，望老師指點(diǎn)和批評(píng)。致謝在本論文寫(xiě)作和完成的過(guò)程中獲得指導(dǎo)老師的熱心的幫助和關(guān)心，從一開(kāi)始什么都不懂，不知道從何做起，在老師的指導(dǎo)和幫助下，慢慢了解了研究的方向和論文寫(xiě)作的大綱。指導(dǎo)老師是一位熱心、工作態(tài)度認(rèn)真、性格開(kāi)朗的老師。在論文寫(xiě)作過(guò)程中，離不開(kāi)老師的細(xì)心教導(dǎo)和耐心的批評(píng)，想讓我對(duì)這個(gè)課題研究的更加全面，在一開(kāi)始研究的時(shí)候，就主動(dòng)和指導(dǎo)老師交流，將一些不懂或者不理解的知識(shí)點(diǎn)整理出來(lái)，再向指導(dǎo)老師和專(zhuān)業(yè)老師請(qǐng)教，在老師們的幫助下，漸漸完成了論文。感謝各位老師、同學(xué)和朋友的的熱心的幫助。在這個(gè)幾年的大學(xué)生活中，感謝這些教我課程的各位老師，在你們的教導(dǎo)和保護(hù)下，我得到了良好的成長(zhǎng)，各位老師通過(guò)各種手段和方式將本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)由淺到深的教授給我們，在你們的教導(dǎo)下，我們的本領(lǐng)不斷變強(qiáng)，我們的思維模式在不斷的變化著，最重要的是我們專(zhuān)業(yè)知識(shí)在不斷增加。同時(shí)我還要感謝學(xué)校這么多年來(lái)給我們提高良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和根底設(shè)施，包括實(shí)驗(yàn)室、圖書(shū)館等。實(shí)驗(yàn)室為我們提供良好探索真理的環(huán)境，通過(guò)不斷的動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)來(lái)穩(wěn)固從課本學(xué)來(lái)的知識(shí)，同時(shí)也能更好的和靈活的應(yīng)用這些知識(shí)；圖書(shū)館是為我們提供良好的學(xué)習(xí)和查閱資料的環(huán)境。在這樣安安靜靜且充滿(mǎn)學(xué)習(xí)氣氛的環(huán)境中，我們都被這樣的氣氛渲染了，都能夠瞬間靜下心學(xué)習(xí)和研究。我還想感謝這篇論文中引用到知識(shí)和相關(guān)文獻(xiàn)的編寫(xiě)者，在這個(gè)知識(shí)和文獻(xiàn)的幫助下，我慢慢對(duì)論文的主心骨知識(shí)點(diǎn)從了解到明白再到熟知。在現(xiàn)實(shí)生活中，你們沒(méi)有直接教導(dǎo)我，但是通過(guò)書(shū)本和其他途徑間接的接收到你們傳授。如果沒(méi)有這些資料和文獻(xiàn)，我很難按時(shí)完成論文，謝謝你們的成果，感謝你們。這幾年的大學(xué)生活，有在歡笑中度過(guò)，有在風(fēng)雨中度過(guò)，感謝這幾年和我做伴的同學(xué)和朋友。感謝室友這么多年的日夜相守，在你們的幫助下，我走過(guò)一個(gè)個(gè)困難。在這還要謝謝父母，同時(shí)他們給了我學(xué)習(xí)的條件和時(shí)機(jī)。不管我是否在你們的身邊，總會(huì)在我的耳邊響起你們關(guān)系和鼓勵(lì)的話，你們總是默默地在我背后支持我。本論文和產(chǎn)品設(shè)計(jì)能及時(shí)完成，這要感謝在論文編寫(xiě)期間指導(dǎo)和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)，在你們的幫助下，我從不了解慢慢到熟知。在這個(gè)過(guò)程中，我在老師耐心的教導(dǎo)下，不僅學(xué)會(huì)了這個(gè)設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)，而且明白了怎么發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和如何解決問(wèn)題思路。再次感謝指導(dǎo)老師的關(guān)心和幫助。參考文獻(xiàn)[1]凌云.PS7219顯示驅(qū)動(dòng)器及其在PLC中的應(yīng)用.湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院報(bào)，2007[2]張桂苓.淺談現(xiàn)代PLC的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn).電子技術(shù)，2007[3]劉曉燕.自動(dòng)控制原理課程教改探索[J]．重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006[4]張桂苓.淺談現(xiàn)代PLC的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn).電子技術(shù)，2023[5]張鳳珊.電器控制及可編程控制器.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社.2023[6]王兆義.可編程控制器使用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007[7]陳在平.可編程序控制器技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006[8]王紅.可編程控制器使用教程．北京：電子工業(yè)出版社，2023[9]宋德玉主編.可編程序控制器原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).