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圖3.1所示,整體上分為3個(gè)部分:1.西門子S7-200主控:負(fù)責(zé)輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)和方向電平。2.PMM8713脈沖分配模塊:負(fù)責(zé)對(duì)PLC發(fā)出的脈沖進(jìn)行整形。3.驅(qū)動(dòng)模塊:主要負(fù)責(zé)接受控制脈沖信號(hào),將數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)進(jìn)行放大。圖3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖(二)控制系統(tǒng)的工作原理本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的PLC控制進(jìn)行研究。采用西門子S7-200作為主控制器,并且能夠達(dá)到了軟件與硬件相結(jié)合控制的目的。PLC的脈沖分配可分為軟件法和硬件法。軟件控制法是采用軟件編程取代脈沖分配器來(lái)達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。而硬件控制法是用專用脈沖分配芯片來(lái)控制脈沖的。用PLC控制步進(jìn)電機(jī),需實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制,位置控制和加減速控制。1、電路組成和工作原理電路主要由西門子S7-200PLC、PMM8713環(huán)形分配、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、光電編碼器構(gòu)成。主處理器PLC通過I/O端口與PMM8713相連,將運(yùn)動(dòng)控制命令發(fā)送給PMM8713,并通過編程對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度、位置、加減速進(jìn)行設(shè)定,由PMM8713對(duì)功率放大電路發(fā)出信號(hào)穿給步進(jìn)電機(jī),增量編碼器提供一個(gè)反饋回路給PLC,從而構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)。2、運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)1.速度控制步進(jìn)電機(jī)的速度控制通過PLC發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn),從圖3.2可以看出,受到步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖的周期改變的影響,然而脈沖變化的快慢也最終使電機(jī)的轉(zhuǎn)速也跟著變化。因而要想改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度就只需要改變輸入電機(jī)的脈沖周期就可以了。由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=(其中轉(zhuǎn)子齒數(shù)=50,我這邊是42BYG4503混合步進(jìn)電機(jī);運(yùn)行拍數(shù)m=8)及轉(zhuǎn)速的控制要求最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速,這些都對(duì)應(yīng)著脈沖頻率的變化,從何實(shí)現(xiàn)速度的控制。圖3.2脈沖分配波形圖2.加減速控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)時(shí),都是由加速、恒速和減速這三個(gè)過程組成。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)需要有加速過程;步進(jìn)電機(jī)的停止需要有減速過程。原因就在于假如步進(jìn)電機(jī)接收到的信號(hào)變化太快,就會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)或是失步現(xiàn)象,而出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象就是因?yàn)樾盘?hào)變化太快產(chǎn)生的慣性的作用而使步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作跟不上信號(hào)的變化頻率,從而出現(xiàn)位置精度降低的影響。為了達(dá)到加速或是減速控制的要求,并且任何的加減速不過程都是會(huì)滿足一定的曲線關(guān)系的,直線、曲線、指數(shù)函數(shù)等等,如圖3.3是兩種比較常見的加減速運(yùn)行曲線。之所以需要選定某種加減速曲線是因?yàn)楫?dāng)選擇了最佳的曲線后,可以使步進(jìn)電機(jī)的加減速過程不至于出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、失步、過沖等不良現(xiàn)象,就可以充分利用現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩,能夠快速響應(yīng),縮短加減速時(shí)間。比較簡(jiǎn)單的,且容易編寫程序的加減速曲線就是如圖3.3(a)所示的勻加速或是勻減速曲線。由于在采用直線加速時(shí),加速度不變,就要求轉(zhuǎn)矩也是非線性關(guān)系。這就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的提高使轉(zhuǎn)矩降低。因此,按照這種直線進(jìn)行加速會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)矩的不足而出現(xiàn)不良現(xiàn)象。采用如REF_Ref68282845\h圖3.3(b)所示的按照實(shí)際加減速工程擬合的曲線可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳的控制,原因就在用于電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是接近指數(shù)形式的關(guān)系。圖3.3加減速運(yùn)行曲線3.位置控制步進(jìn)電機(jī)從一個(gè)位置精確運(yùn)行到另一個(gè)位置的過程就是步進(jìn)電機(jī)的位置控制。步進(jìn)電機(jī)每前進(jìn)一步都是因?yàn)榻邮盏搅艘粋€(gè)脈沖信號(hào),原因在于步進(jìn)電機(jī)的角度位移是與其所接受的脈沖個(gè)數(shù)成正比的。這樣步進(jìn)電機(jī)的角位移以及脈沖個(gè)數(shù)之間的正推導(dǎo)或是反推導(dǎo)就很簡(jiǎn)單了,并且還實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)控制。
四、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)(一)PLC的選型西門子PLC型號(hào)多樣,本文中應(yīng)用的西門子S7-200系列PLC可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制要求。適用于單機(jī)控制或小型系統(tǒng)控制,由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格及強(qiáng)大的指令系統(tǒng),S7-200可以幾乎完美的滿足小規(guī)模的控制要求。由于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的輸入輸出點(diǎn)數(shù)較少,故直接選用CPU224DC/DC/DC系列PLC,訂貨號(hào)為:6ES7214-2AD23-0XB8,該P(yáng)LC自身集成了14個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)和10個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn),CPU224DC/DC/DC系列PLC帶有兩路高速脈沖輸出通道,能夠直接控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制的要求。選型入下REF_Ref71302001\h表4.1所示:表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11電氣元件選型清單序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量品牌1CPU224DC/DC/DC6ES7214-2AD23-0XB81西門子2微型斷路器NXB-632PC102正泰3開關(guān)電源S-150-241臺(tái)灣明偉4按鈕NP2-BA312正泰5旋鈕(二擋)NP2-BD211正泰(二)I/O地址分配表4.2I/O分配表符號(hào)輸入地址符號(hào)輸出地址自動(dòng)啟動(dòng)按鈕I0.0步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出Q0.0自動(dòng)停止按鈕I0.1Q0.1方向選擇I0.2步進(jìn)電機(jī)方向輸出Q0.2輸入啟動(dòng)停止單步連續(xù)三拍六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)I0.0I0.1I0.6I0.7I0.4I0.5I0.2I0.3輸出A1B1C1A2B2C2+24V(主機(jī))Q0.2Q0.3Q0.4(三)I/O接線圖根據(jù)I/O分配表繪制I/O端子接線圖4.1圖4.1I/0端子接線圖(四)S7-200電氣接線圖該電氣接線圖進(jìn)線電源220V,通過斷路器接電源開關(guān),PLC和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器供電都是DC24V。PLC的脈沖和方向接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖和方向口,步進(jìn)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)是A+A-B+B-連接,輸入的開關(guān)指令直接接PLC的輸入。如圖4.2所示。圖4.2電氣接線圖(五)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖4.3驅(qū)動(dòng)電路圖表4.342BYG4503混合式步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)型號(hào)42BYG4503步距角0.9°/1.8°相數(shù)4相驅(qū)動(dòng)電壓24V相電流1.5A保持轉(zhuǎn)矩0.48N.M空載起動(dòng)頻率1200步/秒空載運(yùn)行頻率≥20千步/秒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.04Kg.cm2相電感2.3mH相電阻1.9Ω電阻和電容的取值1.濾波器件R1和C1:取R1=10KΩ,C1=0.001μF。2.取樣電阻R2:大了影響電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性;小了采樣精度不高且損耗過大一般取0.4Ω,故其上面的電壓為1V。3.續(xù)流電阻R4:太大,電流變化率小,導(dǎo)致放電慢,太小容易發(fā)熱,故取R4=10KΩ。4.并接電容C2:其目的是為了改善注入電流脈沖前沿,當(dāng)大功率管導(dǎo)通瞬間,就有一個(gè)沖擊電流進(jìn)入電動(dòng)機(jī)繞組,因此將明顯地提高電動(dòng)機(jī)的高頻特性,節(jié)省能量,取C2=0.47μF。(六)光電耦合器的設(shè)計(jì)光電耦合器是把像發(fā)光二極管之類的發(fā)光器件和光敏三極管之類的光敏器件組裝在一起的,其實(shí)現(xiàn)耦合的方式是通過光線,從而構(gòu)成了從光到電,再?gòu)碾姷焦獾霓D(zhuǎn)換。光電耦合器有很多種,如圖4.4是常用的一種,在本系統(tǒng)中選用東芝公司的TLP521-2(如圖4.5所示)光電耦合器。圖4.4光電耦合器簡(jiǎn)圖圖4.5TLP521-2實(shí)物圖(七)環(huán)形分配器的選型在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的PLC控制系統(tǒng)中,由PLC產(chǎn)生控制信號(hào),控制功率驅(qū)動(dòng)電路按照一定的順序開通或關(guān)斷。PLC完成控制脈沖分配、控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等功能。軟件法和硬件法是實(shí)現(xiàn)脈沖分配的兩種常用方法,兩種方法的簡(jiǎn)介如下:1.通過軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配其過程如下:在內(nèi)存ROM去開辟一個(gè)存儲(chǔ)空間來(lái)存放不同通電方式下的幾種輸出狀態(tài)(控制字),系統(tǒng)軟件按照電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的要求,按正、反順序依次將這幾個(gè)控制字的內(nèi)容取出來(lái)并送至PLC的輸出口,步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一個(gè)步距角(即實(shí)現(xiàn)一拍)就是因?yàn)榻邮樟艘粋€(gè)控制字。2.通過硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配硬件法實(shí)際上就是使用環(huán)形分配器來(lái)進(jìn)行脈沖分配,PLC只需要將步進(jìn)脈沖和方向的電平信號(hào)發(fā)送給脈沖分配器就好了。而現(xiàn)在市場(chǎng)的脈沖分配器也有很多種,我這里使用8713集成電路芯片。對(duì)于8713芯片而言,單時(shí)鐘輸入即加方向信號(hào)或是雙時(shí)鐘輸入即正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)時(shí)鐘都是可以選擇的;并且8713芯片可以控制正反轉(zhuǎn),其還具有初始化復(fù)位和輸入脈沖監(jiān)視等許多實(shí)用功能;為了提高抗干擾能力,其內(nèi)部輸入端都設(shè)有斯密特整形電路;使用大小為4V~18V的直流電源,相輸出驅(qū)動(dòng)能力為±20mA。8713還采用DIP16封裝。本系統(tǒng)通過硬件法實(shí)現(xiàn)脈沖分配且使用單時(shí)鐘輸入脈沖,8713的引腳為步進(jìn)脈沖輸入端,4引腳為轉(zhuǎn)向電平控制端,這兩個(gè)引腳的輸入均由PLC提供和控制。5,6腳對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行方式控制,通過9腳控制復(fù)位,如圖4.6是PMM8713的示意圖。圖4.6PMM8713引腳圖由于采用了脈沖分配器幫PLC完成了脈沖整形的工作,使得PLC只需完成速度和轉(zhuǎn)向電平控制即可。因此,CPU的負(fù)擔(dān)減輕許多。五、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)(一)步進(jìn)電機(jī)模擬控制流程分析控制要求:當(dāng)按鈕開關(guān)撥到單步時(shí),必須每按一次起動(dòng),電機(jī)才能旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度;當(dāng)按鈕開關(guān)撥到連續(xù)時(shí),按一次起動(dòng),電機(jī)旋轉(zhuǎn),直到按停止;當(dāng)按鈕開關(guān)撥到三拍時(shí),旋轉(zhuǎn)的角度為3度;當(dāng)按鈕開關(guān)撥到六拍時(shí),旋轉(zhuǎn)角度為1.5度;當(dāng)按鈕開關(guān)撥到正轉(zhuǎn)時(shí),旋轉(zhuǎn)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn);當(dāng)按鈕開關(guān)撥到反轉(zhuǎn)時(shí),旋轉(zhuǎn)按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);當(dāng)單步要轉(zhuǎn)到連續(xù)或連續(xù)轉(zhuǎn)到單步,可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換;(通過編程)當(dāng)三拍要轉(zhuǎn)到六拍或六拍要轉(zhuǎn)到三拍,可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換;(通過編程)當(dāng)正轉(zhuǎn)要轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)要轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn),可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換(通過編程)。如圖5.1步進(jìn)電機(jī)控制流程圖所示。圖5.1步進(jìn)電機(jī)控制流程圖而本課題使用PLC為西門子S7-200CN系列PLC可以直接輸出脈沖驅(qū)動(dòng)42BYG4503混合型電機(jī)運(yùn)行,指令可通過程序代替,而“變頻信號(hào)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(xiàng)功能的驅(qū)動(dòng)器,使得控制十分簡(jiǎn)單,所以本課題的控制框圖可簡(jiǎn)單用圖5.2表示。圖5.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖(二)程序梯形圖設(shè)計(jì)
結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)的了解,通過查閱相關(guān)資料,設(shè)計(jì)了PLC控制步進(jìn)電機(jī)的控制方法。通過對(duì)PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制的方法研究,通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證實(shí)現(xiàn),當(dāng)在控制三相步進(jìn)電機(jī)時(shí),可以選擇手動(dòng)開關(guān)和自動(dòng)開關(guān),實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)在單步和連續(xù)工作方式的情況下的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行切換,同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)三拍和六拍的步進(jìn)時(shí)序。在設(shè)計(jì)過程中,遇到了很多阻力,知識(shí)的匱乏,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,自己在查閱書籍資料同時(shí)也向老師同學(xué)請(qǐng)教,這些問題最終才得以解決。通過PLC發(fā)出脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的方式,在工業(yè)生產(chǎn)等很多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的采用,比如磁頭定位系統(tǒng),數(shù)控機(jī)床,線切割機(jī)等領(lǐng)域。利用步進(jìn)電機(jī)較準(zhǔn)確的定位和能輸出一定大小的力矩的特點(diǎn),已成為位置定位控制系統(tǒng)中首選的控制手段。隨著電力電子、DSP及計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的細(xì)分功能、節(jié)能功能的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用,使得PLC控制步進(jìn)電機(jī)這一控制方式不斷完善和發(fā)展。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題為基于PLC的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),對(duì)于一名電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來(lái)說,這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目還是比較適合我的。此課題可以對(duì)我之前所學(xué)各門課程的知識(shí)進(jìn)行一個(gè)總結(jié),以提高我的綜合素質(zhì),對(duì)于我日后的工作將會(huì)有很大的幫助。參考文獻(xiàn)[1]劉志永.淺析步進(jìn)電機(jī)的PLC控制技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)[J].科技資訊,2006(27).[2]王麗.二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究[D].西安:西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005,1.[3]丁偉雄,楊定安,宋曉光.步進(jìn)電機(jī)的控制原理及其單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械,2005,6:127-129.[4]劉興輝,畢國(guó)玲.步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)研制[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(bào),2007
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