基于plc的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

年4月19日基于plc的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔僅供參考，不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正?；赑LC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)摘要隨著微電子和計(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，它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，其在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成機(jī)械角位移的一種裝置，每個(gè)脈沖使轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖成正比，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。步進(jìn)電機(jī)的控制方式簡(jiǎn)單，屬于開(kāi)環(huán)控制，且無(wú)累積定位誤差，有較高的定位精度，而PLC作為一種工業(yè)控制微機(jī)，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)一體化的有力工具，因此基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)已廣泛用于數(shù)字定位控制中。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其中，硬件設(shè)計(jì)主要包括步進(jìn)電機(jī)的工作原理、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、PLC的輸入輸出特性、PLC的外圍電路設(shè)計(jì)以及PLC與步進(jìn)電機(jī)的連接與匹配等問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序以及各個(gè)模塊的控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制。本系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用性及可靠性的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)、PLC、轉(zhuǎn)速控制、方向控制SteppingmotorcontrolsystembasedonPLC AbstractWiththedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,thesteppermotorisincreasingdemanded,whichiswidelyusedinprinters,electrictoysandotherconsumerproducts,andCNCmachinetools,industrialrobots,medicalequipmentandotherelectricalmachineryproducts,andisappliedinthenationaleconomyinvariousfields.Researchingofsteppermotorcontrolsystemtoimprovethecontrolaccuracyandresponsespeed,energyconservationissoimportant.SteppermotorisadevicewhichwilltransformelectricalpulsesintomechanicalangulardisplacementsothatShaftofeachpulsetoastepanglesteppingincrement,SOoutputangulardisplacementisproportionaltotheinputpulses,speedisproportionaltotheinputpulsespeedandspeedisproportionaltoinputpulsefrequency.Steppermotorcontrolissimple,isopen-loopcontrol,andnoaccumulationofpositioningerror,ahighpositioningaccuracy,andthePLCasanindustrialcontrolcomputer,isapowerfultoolfortheintegrationofthemotor,Therefore,thesteppermotorcontrolbasedonPLCtechnologyhasbeenwidelyusedfordigitalpositioningcontrol.Thecontrolsystemconsistsofhardwareandsoftwaredesignoftwoparts.Amongthem,thehardwaredesignincludestheworkingprincipleofsteppermotor,steppermotordrivecircuitdesign,PLCinputandoutputcharacteristics,PLCandPLCexternalcircuitconnectionwiththesteppermotorandmatchingProblem.Softwaredesign,includingthemainprogramandeachmoduleofthecontrolprogram,ultimatelyrealizesonthesteppermotorrotationdirectionandrotationspeedcontrolThissystemhastheintelligence,practicalityandreliabilityfeatures.Keywords：Steppermotor,PLC,speedcontrol,directioncontrol目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) I第1章緒論 11.1課題背景 11.2問(wèn)題的提出 21.3設(shè)計(jì)目的及系統(tǒng)功能 2第2章PLC及步進(jìn)電機(jī)的概述 42.1PLC的基本概念 42.2PLC的基本結(jié)構(gòu) 42.3PLC的特點(diǎn) 52.4步進(jìn)電機(jī)的特性 72.5步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi) 72.6反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的控制 82.7本設(shè)計(jì)所用步進(jìn)電機(jī) 12第3章硬件電路設(shè)計(jì) 143.1硬件設(shè)計(jì)思路 143.2總設(shè)計(jì)圖框 143.3外圍電路設(shè)計(jì)及分析 153.4LED數(shù)碼顯示器電路 233.5步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖 25第4章軟件的設(shè)計(jì) 274.1可編程序控制器的工作原理 274.2存儲(chǔ)空間的計(jì)算 28第5章PLC控制程序設(shè)計(jì) 295.1PLC提供的編程語(yǔ)言 295.2PLC實(shí)用驅(qū)動(dòng)電源控制環(huán)節(jié) 31結(jié)論 35致謝 37參考文獻(xiàn) 38附錄 39緒論課題背景在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無(wú)論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是在日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制變得越來(lái)越重要了。電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)化。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常見(jiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其原理是經(jīng)過(guò)對(duì)它每相線圈中的電流和順序切換來(lái)使電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路由脈沖信號(hào)來(lái)控制，因此調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通俗地說(shuō):當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(及步進(jìn)角)。經(jīng)過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)即能夠控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)經(jīng)過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，現(xiàn)在比較常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM),混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.50;反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.50，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)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(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8“而五相步進(jìn)角一般為0.720。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。問(wèn)題的提出二十一世紀(jì)的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。步進(jìn)電機(jī)是最常見(jiàn)的一種控制電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。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)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的。能夠經(jīng)過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)能夠經(jīng)過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)能夠作為一種控制用的特種電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便。特別是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累的特點(diǎn)，給實(shí)際的應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便。它廣泛用于消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品（打印機(jī)、照相機(jī)）、工業(yè)控制（數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人）、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中。研究步進(jìn)電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的高效控制。設(shè)計(jì)目的及系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的目的是以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用FX2N系列PLC作為控制單元，經(jīng)過(guò)鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，而且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。經(jīng)過(guò)本課題，一方面我們?cè)诓殚嗁Y料的基礎(chǔ)上，了解FX2N系列PLC控制的一些基本技術(shù)，掌握其控制系統(tǒng)的分析方法與實(shí)現(xiàn)方法,能對(duì)PLC外圍電路設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)與掌握；另一方面，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，控制程序和相應(yīng)的電路圖，以此培養(yǎng)自己的自學(xué)和動(dòng)手能力，從而為今后參加工作或進(jìn)一步深造打下良好的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有以下功能：1.步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂?．步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制3.步進(jìn)電機(jī)的加速控制4.步進(jìn)電機(jī)的減速控制5.步進(jìn)電機(jī)通電方式改變的控制PLC及步進(jìn)電機(jī)的概述PLC的基本概念可編程控制器(ProgrammableController)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡(jiǎn)稱PLC，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC?？墒菫榱吮苊馀c個(gè)人計(jì)算機(jī)(PersonalComputer)的簡(jiǎn)稱混淆，因此將可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC。PLC即可編程控制器（ProgrammablelogicController，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國(guó)際電工委員會(huì)（InternationalElectricalCommittee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義：“PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用能夠編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能經(jīng)過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)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(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！盤(pán)LC的基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)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)相同，如圖所示：a.中央處理單元(CPU)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以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)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(chǎng)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(guò)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)寄存器內(nèi)。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)或輸出寄存器內(nèi)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(lái)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。b、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。C、電源PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，能夠不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。PLC的特點(diǎn)(1)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)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)30萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。另外，PLC帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還能夠編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。=2\*GB2⑵配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。能夠用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)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(qiáng)及人機(jī)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。=3\*GB2⑶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(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表示方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就能夠方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。=4\*GB2⑷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC用存儲(chǔ)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(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。=5\*GB2⑸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(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。步進(jìn)電機(jī)的特性步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用的是脈沖信號(hào)，而脈沖是數(shù)字信號(hào)，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長(zhǎng)處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)用的IC驅(qū)動(dòng)電路，今天，在打印機(jī)、磁盤(pán)器等的OA裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：=1\*GB2⑴不需要反饋，控制簡(jiǎn)單。2．與微機(jī)的連接、速度控制（啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。3．沒(méi)有角累積誤差。4．停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。5．沒(méi)有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。6．即使沒(méi)有傳感器，也能精確定位。7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)?？墒?，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)。8．難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩9、不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng)10．在體積重量方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低。11．超過(guò)負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi)當(dāng)前常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)有三類(lèi)：1、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）。采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角能夠做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。2、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）。轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是7.50。它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。3、混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）。這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類(lèi)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類(lèi)電機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的控制反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，是一種傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)，由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯經(jīng)過(guò)與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相的反應(yīng)式步進(jìn)機(jī)居多。應(yīng)用領(lǐng)域：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置、閥門(mén)控制、核反應(yīng)堆、銀行終端、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繞線機(jī)、電子鐘表及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中。圖2-2四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2-2是一臺(tái)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。定子鐵心由硅鋼片疊成，定子上有8個(gè)均勻分布的磁極，每個(gè)磁極上又有若干小齒（本例為5個(gè)）。各個(gè)磁極上套有線圈，徑向相正確兩個(gè)磁極上的線圈是一相。轉(zhuǎn)子也是由硅鋼片疊成的，若干小齒（本例為50個(gè)）在圓周上均勻分布，但轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組。根據(jù)工作要求，定子小齒的齒距必須等于轉(zhuǎn)子小齒的齒距，且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定限制。定義每個(gè)小齒所占有的角度為齒距角：………………（2-1）式中為齒距角。為轉(zhuǎn)子小齒數(shù)。定子一個(gè)極距所正確轉(zhuǎn)子小齒數(shù)為：……………………（2-2）式中m為相數(shù)。設(shè)電機(jī)為四相四拍通電方式。當(dāng)A相控制繞組通電時(shí)，產(chǎn)生了沿A-A’極軸方向的磁通，由于磁通力圖經(jīng)過(guò)磁阻最小路徑，使轉(zhuǎn)子的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)子磁軸線和定子磁極A-A’上的磁軸線對(duì)齊為止。因?yàn)檗D(zhuǎn)子共有50個(gè)齒極，每個(gè)齒距角，定子一個(gè)極距所正確轉(zhuǎn)子齒數(shù)為，不是整數(shù)，因此當(dāng)A-A’極下的定、轉(zhuǎn)子齒軸線對(duì)齊時(shí)，相鄰的兩對(duì)磁極B-B’和D-D’極下的齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯(cuò)開(kāi)1/4齒距角，即。這時(shí)，各相磁極的定子齒與轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置如圖2-3所示。如果斷開(kāi)A相而接通B相，產(chǎn)生沿B-B’極軸線方向的磁通，同樣在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)，是轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極B-B’下的齒軸線對(duì)齊。這時(shí)，A-A’和C-C’極下的齒與轉(zhuǎn)子齒又錯(cuò)開(kāi)。以此類(lèi)推，控制繞組按A→B→C→D→A…的順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊竭B續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。沒(méi)換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1/4齒距角。0圖2-3A相通電時(shí)定、轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置顯然，如果要使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，只要改變通電順序，即按A→D→C→B→A…的順序循環(huán)通電時(shí)，則轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，步距角同樣為1/4齒距角，即。如果運(yùn)行方式改為四相八拍，通電方式為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…，即單相通電和兩相通電相間時(shí)，步距角為四相四拍運(yùn)行時(shí)的一半，即。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式為四相雙四拍時(shí)，當(dāng)AB→BC→CD→DA→AB…方式通電時(shí)，步距角與四相單四拍運(yùn)行時(shí)一樣，為1/4齒距角，即。由此可見(jiàn)，步進(jìn)電機(jī)的步距角由轉(zhuǎn)子齒數(shù)、定子相數(shù)m和通電方式所決定，即：……………（2-3）式中C——狀態(tài)系數(shù)，采用單雙通電方式時(shí)C=2,采用單或雙通電方式時(shí)C=1。N——拍數(shù)。既然每個(gè)控制脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)，電機(jī)實(shí)際角位移應(yīng)為：式中N’——控制脈沖的個(gè)數(shù)。若步進(jìn)電機(jī)所加的通電脈沖頻率為f，則其轉(zhuǎn)速為：……………………（2-4）由于在一個(gè)通電循環(huán)內(nèi)控制脈沖的個(gè)數(shù)為N（拍數(shù)），而每相繞組的供電脈沖個(gè)數(shù)卻只有一個(gè)，因此定子相繞組的供電頻率為：可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不失步、不丟步的前提下，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角與電壓、負(fù)載、濕度等因素?zé)o關(guān)，因而步進(jìn)電機(jī)可直接采用開(kāi)環(huán)，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)所用步進(jìn)電機(jī)本設(shè)計(jì)中所用的是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其工作原理與上述四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相同。其轉(zhuǎn)子小齒為80個(gè)，因此齒距角。其采用三種運(yùn)行方式，分別為“三相單三拍”、“三相單雙六拍”和“三相雙三拍”。三相單三拍的通電順序?yàn)锳→B→C→A…,不斷接通與斷開(kāi)控制繞組，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)1/3齒距角，即。如果要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，只要改變通電順序，即按A→C→B→A…順序循環(huán)通電。當(dāng)運(yùn)行方式改為三相單雙六拍時(shí)，通電方式為A→AB→B→BC→C→CA→A…,即單相通電與兩相通電相間，步距角為三相單三相運(yùn)行時(shí)的一半，即。其三相繞組的波形圖如2-4所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，其通電方式應(yīng)該為A→AC→C→CB→B→BA→A…,其步進(jìn)角與正轉(zhuǎn)相同。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)再改為三相雙三拍運(yùn)行時(shí)，其通電方式為AB→BC→CA→AB…，步距角與三相單三拍時(shí)一樣，為1/3齒距角，即。當(dāng)其反轉(zhuǎn)時(shí)，通電方式改變?yōu)锳B→AC→CB→BA…。圖2-4步進(jìn)電機(jī)兩相繞組的電流脈沖波形硬件電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)思路步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)共分為三個(gè)模塊：按鍵控制模塊、數(shù)碼顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。鍵盤(pán)控制模塊包括啟動(dòng)鍵、停止鍵、點(diǎn)動(dòng)控制鍵、速度控制鍵、方向控制鍵和步進(jìn)電機(jī)通電方式改變的控制。其中啟動(dòng)鍵接于PLC的X0端口；鍵接于PLC的X1端口；點(diǎn)動(dòng)控制鍵接于PLC的X2端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制；而速度控制鍵分為4個(gè)不同的速度等級(jí)，有小到大分別接于PLC的X3、X4、X5和X6端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的控制要求；方向控制鍵接于PLC的X7端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制；通電方式改變按鈕接于PLC的X8端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)通電方式改變的控制。數(shù)碼顯示模塊采用共陽(yáng)極數(shù)碼管來(lái)動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度。利用三極管為數(shù)碼管的com端提供高電平。PLC的Y3-Y6端口提供數(shù)碼管的段選信號(hào)，PLC的Y7-Y10端口控制數(shù)碼管的位選信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用恒頻斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)接收PLC發(fā)出的脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)完成各種操作。由于本設(shè)計(jì)中采用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，因此需要采用三支完全相同的驅(qū)動(dòng)電路分別控制電機(jī)兩相繞組的電流，而由PLC的Y0、Y1和Y3端口分別提供控制兩相繞組的脈沖信號(hào)?？傇O(shè)計(jì)圖框總設(shè)計(jì)圖如圖2-1所示。圖3-1總體設(shè)計(jì)框圖說(shuō)明如下：1.PLC接受鍵盤(pán)信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。2.PLC輸出脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。3.PLC根據(jù)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)值，控制數(shù)碼管顯示。外圍電路設(shè)計(jì)及分析鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向PLC輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合。鍵盤(pán)所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。機(jī)械開(kāi)關(guān)應(yīng)接到PLC的開(kāi)關(guān)量輸入接口進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，PLC的開(kāi)關(guān)量輸入接口的作用是把現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸入接口按可接納的外信號(hào)電源的類(lèi)型不同可分為直流輸入單元和交流輸入單元，如圖2-5、圖2-6所示。圖3-2直流輸入單元圖3-3交流輸入單元從圖中能夠看出，輸入接口中都有濾波電路及耦合電路。濾波有抗干擾的作用，耦合有抗干擾及產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的作用。圖中輸入口的電源部分都畫(huà)在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫(huà)法，在一般單元式可編程控制器中，輸入口都使用可編程本機(jī)的直流電源供電，不再需要外接電源。本設(shè)計(jì)中采用的是直流輸入單元，即如圖2-8所示。一個(gè)電壓信號(hào)在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般為5—10ms；兩次抖動(dòng)之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時(shí)間由按鍵動(dòng)作所決定；第一次抖動(dòng)前和第二次抖動(dòng)后為斷開(kāi)狀態(tài)。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。經(jīng)過(guò)對(duì)輸出電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計(jì)中，高電平表示按鍵斷開(kāi)，低電平表示按鍵閉合狀體。而且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個(gè)按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開(kāi)時(shí)，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。為了確保單片機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。消除按鍵抖動(dòng)一般采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡(jiǎn)單。其原理是在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后在確認(rèn)該鍵電平是否仍圖3-4按鍵接線圖保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。因此本設(shè)計(jì)中采用了這種方式來(lái)消除抖動(dòng)，其原理將在下一章軟件設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來(lái)，其硬件原理圖如圖2-7所示：其中SB0是啟動(dòng)按鈕，SB1為關(guān)閉按鈕，SB2為低速點(diǎn)動(dòng)控制按鈕，SB3為低速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)控制按鈕，SB4為中速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)控制按鈕，SB5為高速運(yùn)轉(zhuǎn)控制按鈕，SB6為超高速運(yùn)轉(zhuǎn)控制按鈕.SB7為正反轉(zhuǎn)切換按鈕，SB8為控制步進(jìn)電機(jī)通電方式在三相單拍、三相單雙拍和三相三拍之間切換。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)的功率放大電路的種類(lèi)很多。按照電流流過(guò)的方向是單向還是雙向的，能夠把功率放大電路分為雙極性驅(qū)動(dòng)電路和單極性驅(qū)動(dòng)電路兩類(lèi)。單極性驅(qū)動(dòng)電路適用于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，而雙極性驅(qū)動(dòng)電路適用于永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路的功率器件能夠選用功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）或IGBT，還能夠選用集成功率驅(qū)動(dòng)模塊。=1\*GB2⑴單電壓驅(qū)動(dòng)但電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電。單電壓驅(qū)動(dòng)如圖2-8所示圖3-5單電壓驅(qū)動(dòng)電路功率晶體管T用作開(kāi)頭，L是電機(jī)一相繞組的電感，電源電壓一般選擇在10V-100V左右。限流電阻R1決定了時(shí)間常數(shù)，R1在工作中要消耗一定的能量，因此這個(gè)電路損耗大、放率低，一般只用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。=2\*GB2⑵雙電壓驅(qū)動(dòng)

用提高電壓的方法能夠使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動(dòng)。雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩種方式：雙電壓法和高低壓法=1\*GB3①雙電壓法雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動(dòng)。其電路原理如圖2-9所示。圖3-6雙電壓驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在低頻時(shí)，給T1低電平，使T1關(guān)斷。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的繞組由低電壓VL供電，控制脈沖經(jīng)過(guò)T2使繞組得到低壓脈沖電源。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在高頻時(shí)，給T1高電平，使T1打開(kāi)。這時(shí)二極管D2反響截止，切斷低電壓電源VL，電動(dòng)機(jī)繞組由高電壓VH供電，使控制脈沖經(jīng)過(guò)T2使繞組得到高壓脈沖電源。這種驅(qū)動(dòng)方法保證了低頻段依然具有單電壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒(méi)擺脫單壓驅(qū)動(dòng)的弱點(diǎn)，在限流電阻R上依然會(huì)產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。=2\*GB3②高低壓法高低壓法的基本思路是：不論電動(dòng)機(jī)工作的頻率如何，在繞組通電的開(kāi)始用高壓供電，是繞組中電流迅速上升，而后用低壓來(lái)維持繞組中的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)電路的原理如圖2-10所示，盡管看起來(lái)與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大差別。圖3-7高低壓驅(qū)動(dòng)電路高壓開(kāi)關(guān)管T1的輸入脈沖uH與低壓開(kāi)關(guān)管T2的輸入脈沖uL同時(shí)起步，但脈寬要窄得多。兩個(gè)脈沖同時(shí)使開(kāi)關(guān)管T1、T2導(dǎo)通，使高電壓VH為電動(dòng)機(jī)繞組供電。這使得繞組中電流i快速上升，電流波形的前沿很陡，如圖9-7所示電流波形。當(dāng)脈沖UH降為低電平時(shí)，高壓開(kāi)關(guān)管T1截止，高電壓被切斷，使電壓VL經(jīng)過(guò)二極管D2為繞組繼續(xù)供電，由于繞組電阻小，回路中又沒(méi)有串聯(lián)電阻，因此低電壓只需數(shù)伏就能夠?yàn)槔@組提供提供較大電流。高低壓驅(qū)動(dòng)法是當(dāng)前普遍應(yīng)用的一種方法。由于這種驅(qū)動(dòng)在低頻時(shí)電流有較大的上沖，電動(dòng)機(jī)低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時(shí)要注意。本設(shè)計(jì)中采用的驅(qū)動(dòng)電路是斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路，斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路時(shí)性能較好的、當(dāng)前使用較多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其基本思想是：無(wú)論電機(jī)是在鎖定狀態(tài)還是在低頻段或高頻段運(yùn)行，均使導(dǎo)通相的繞組的電流保持額定值。圖2-11是斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。相繞組的通斷由開(kāi)關(guān)管VT1和VT2共同控制，VT2的發(fā)射極接一個(gè)小電阻R，電動(dòng)機(jī)繞組的電流經(jīng)這個(gè)電阻到地，小電阻的壓降與電動(dòng)機(jī)繞組的電流成正比，因此這個(gè)電阻式電流采樣電阻。當(dāng)Ui為高電平時(shí)，VT1和VT2兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均導(dǎo)通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過(guò)給定電壓Ua的值時(shí)，比較器的輸出低電平，使與門(mén)輸出低電平，VT1截止，電源被切斷，繞組電流經(jīng)VT2、R、VD2續(xù)流，采樣電阻R的端電壓隨之下降。當(dāng)采樣電阻R上的電壓小于給定電壓Ua時(shí)，比較器輸出高電平，與門(mén)也輸出高電平，VT1重新導(dǎo)通，電源又開(kāi)始向繞組供電。如此重復(fù)，繞組的電流叫穩(wěn)定在由給定電壓所決定的數(shù)值上。當(dāng)控制脈沖Ui變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，VT1和VT2兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均截止，繞組中的電流經(jīng)二極管VD1、電源和二極管VD2放電，電流迅速下降?？刂泼}沖Ui、VT1的基極電位Ub1及繞組電流Id餓波形如圖2-11所示。圖3-8斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路的原理圖圖3-9斬波恒流控制的電流波形在VT2導(dǎo)通期間內(nèi)，電源以脈沖式供電，因此這種驅(qū)動(dòng)電路具有較高的效率。由于在斬波驅(qū)動(dòng)下繞組電流恒定，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩均勻。這種驅(qū)動(dòng)電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地抑制共振，因?yàn)殡姍C(jī)共振的基本原因是能量過(guò)剩，而斬波恒流驅(qū)動(dòng)的輸入能量是隨著繞組電流的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)的，能夠有效的防止能量積聚?？墒?，由于電流波形為鋸齒形，這種驅(qū)動(dòng)方式會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。LED數(shù)碼顯示器電路發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類(lèi)似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。LED數(shù)碼顯示器是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個(gè)LED發(fā)光二極管，其中7個(gè)用于顯示字符，1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：（1）共陽(yáng)極接法。把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極，使用時(shí)公共陽(yáng)極接+5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極經(jīng)過(guò)電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入高電平時(shí)則不點(diǎn)亮。（2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極接地。每個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極經(jīng)過(guò)電阻與輸入端相連。當(dāng)陽(yáng)極端輸入高電平時(shí)，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而輸入低電平時(shí)則不點(diǎn)亮。在本設(shè)計(jì)中所采用的是共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-12所示：圖3-10LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖可編程控制器的晶體管輸出電路有漏極輸出和源極輸出兩種，圖2-13(a)為負(fù)邏輯，圖2-13（b）為正邏輯，7段顯示器的數(shù)據(jù)輸入和選通信號(hào)也有正負(fù)邏輯之分。若數(shù)據(jù)的輸入以高電平為“1”，則為正邏輯；反之為負(fù)邏輯。選通信號(hào)在高電平時(shí)鎖存數(shù)據(jù)，則為正邏輯；反之為負(fù)邏輯。（a）（b）圖3-11集電極輸出與反射極輸出在本設(shè)計(jì)中，數(shù)碼顯示電路經(jīng)過(guò)采用共陽(yáng)極數(shù)碼管來(lái)動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度，利用三極管為數(shù)碼管的com端提供高電平。PLC的Y2-Y5端口提供數(shù)碼管的段選信號(hào)，PLC的Y6-Y9端口控制數(shù)碼管的位選信號(hào)。PLC的晶體管輸出電路采用源極輸出，其原理圖如圖2-14：圖3-12數(shù)碼顯示電路步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖經(jīng)過(guò)上述對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路如圖2-14所示：圖3-13步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路圖軟件的設(shè)計(jì)可編程序控制器的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器經(jīng)過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是重復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī)或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過(guò)程中，可編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段（見(jiàn)左上圖）?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來(lái)看，處理過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破魈幱冢≧UN）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外3個(gè)階段的操作（見(jiàn)右圖），圖中僅畫(huà)出了與用戶程序執(zhí)行過(guò)程有關(guān)的3個(gè)階段。存儲(chǔ)空間的計(jì)算存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，一般采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大致上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。PLC控制程序設(shè)計(jì)PLC提供的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言梯形圖語(yǔ)言也是我們最常見(jiàn)的一種語(yǔ)言，它有以下特點(diǎn)；A.它是一種圖形語(yǔ)言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點(diǎn)、線圈、串聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和一些圖形符號(hào)構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。B.梯形圖中接點(diǎn)（觸點(diǎn)）只有常開(kāi)和常閉，接點(diǎn)能夠是PLC輸入點(diǎn)接的開(kāi)關(guān)也能夠是PLC內(nèi)部繼電器的接點(diǎn)或內(nèi)部寄存器、計(jì)數(shù)器等的狀態(tài)。C.梯形圖中的接點(diǎn)能夠任意串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。內(nèi)部繼電器、計(jì)數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負(fù)載，只能做中間結(jié)果供CPU內(nèi)部使用。D.PLC是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結(jié)果留在輸出狀態(tài)暫存器中因此輸出點(diǎn)的值在用戶程序中能夠當(dāng)條件使用。=2\*GB2⑵語(yǔ)句表語(yǔ)言，類(lèi)似于匯編語(yǔ)言。=3\*GB2⑶邏輯功能圖語(yǔ)言，沿用半導(dǎo)體邏輯框圖來(lái)表示，一般一個(gè)運(yùn)算框表示一個(gè)功能，左邊畫(huà)輸入、右邊畫(huà)輸出。圖4.2PLC編程步驟步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件需要同時(shí)完成讀取鍵盤(pán)、處理鍵盤(pán)、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、控制數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示等任務(wù)。PLC是經(jīng)過(guò)CPU循環(huán)掃描的工作方式來(lái)完成其控制任務(wù)的。PLC運(yùn)行時(shí)，CPU執(zhí)行用戶程序從應(yīng)用程序的第一條指令開(kāi)始取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令執(zhí)行結(jié)束，因此在一定的硬件與軟件基礎(chǔ)上的用戶程序決定了控制系統(tǒng)的運(yùn)行功能。PLC實(shí)用驅(qū)動(dòng)電源控制環(huán)節(jié)=1\*GB2⑴驅(qū)動(dòng)電源的特殊性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性,由輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的接通次序決定,故需提供不同形式的脈沖電源。針對(duì)兩相單、雙四拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源,由PLC輸出脈沖控制信號(hào),控制A、B兩相繞組按A→AB→B→BC→C→CA→A…(正轉(zhuǎn))或者按A→AC→C→CB→B→BA→A(反轉(zhuǎn))通電方式(每切換一次電流稱一拍)循環(huán)通電。若任意改變兩相繞組的通電順序，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向改變。因此，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源控制裝置時(shí)，要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)通電方式，繞組接通次序、脈沖頻率和運(yùn)行要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。=2\*GB2⑵用功能指令構(gòu)建控制程序的有關(guān)問(wèn)題FX2系列PLC較豐富的編程指令,除基本語(yǔ)句指令外，還有近100條的功能指令。功能指令的出現(xiàn)大大拓寬了PLC的應(yīng)用范圍，結(jié)合基本指令編寫(xiě)程序可解決各種復(fù)雜的控制?？墒?，由于每條功能指令屬一段子程序又具有特定的功能，應(yīng)用時(shí)有一定的局限性、復(fù)雜性和技巧性。因此，用功能指令編程前要認(rèn)真思考和篩選，選取合適的功能指令編輯。筆者經(jīng)過(guò)FX2系列PLC功能指令的分析研究：圍繞“絕對(duì)值凸輪順控ABSD”指令（下稱“ABSD”指令）構(gòu)建控制程序?！癆BSD”指令的工作原理可用下圖4-4說(shuō)明：圖4-4ABSD功能指令運(yùn)用“ABSD”指令需4個(gè)操作數(shù)，源操作數(shù)[S1]存儲(chǔ)[n]個(gè)目標(biāo)元件[D]的通斷點(diǎn)，[S2]存儲(chǔ)變化的數(shù)據(jù)。當(dāng)XO接通時(shí)，將[S1]數(shù)據(jù)表內(nèi)的數(shù)據(jù)相比較，決定[n]個(gè)目標(biāo)元件的輸出波形。因此，在滿足執(zhí)行條件的前提下“ABSD”指令有輸出一組波形的功能。=3\*GB2⑶PLC實(shí)用驅(qū)動(dòng)電源控制梯形圖和I/O分配表PLC實(shí)用梯形圖如圖2所示。該梯形圖用功能指令“MOV、ABSD、ZRST、CJ”及基本指令編寫(xiě)而成。根據(jù)梯形圖各部分的功能和作用，控制程序可歸納由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：圖4-5部分程序圖a)脈沖波形上下沿?cái)?shù)據(jù)表：如主程序圖中6-45行所示，數(shù)據(jù)表由D300-D305構(gòu)成。數(shù)據(jù)中波形上下沿?cái)?shù)據(jù)根據(jù)某一通電方式下繞組內(nèi)的電流波形確定，并用“MOV”功能指令將數(shù)據(jù)送入D300～305數(shù)據(jù)寄存器。波形上升沿?cái)?shù)據(jù)寫(xiě)入偶數(shù)元件，下降沿?cái)?shù)據(jù)寫(xiě)入奇數(shù)元件。b)驅(qū)動(dòng)電源控制脈沖；如主程序圖中所示用“ABSD”功能指令產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電源脈沖控制信號(hào)。在執(zhí)行條件滿足時(shí)，“ABSD”功能指令將CO中的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)表(D300～D305)內(nèi)相比較，結(jié)果決定MO～M2的通斷狀態(tài)并輸出。例如：(C0)=(D300)，則M0導(dǎo)通，A相繞組通電，(CO)=(D301)，MO斷開(kāi)，A相繞組斷電。圖3表示MO～M2通斷狀態(tài)與電機(jī)各繞組接通順序之間的關(guān)系。c)運(yùn)轉(zhuǎn)控制環(huán)節(jié)：由訐數(shù)脈沖的產(chǎn)生及控制、環(huán)形分配器等部分組成。1)計(jì)數(shù)脈沖的產(chǎn)生與控制；主要由C1、M20、T200、T201、T246、M21等元件依一定關(guān)系“連接”而成。T200、T201、T246、M21向C1提供計(jì)數(shù)脈沖，定時(shí)器T的設(shè)定值K△△及繼電器M21通斷速度決定C1的計(jì)數(shù)頻率。T的元件數(shù)取決步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分級(jí)數(shù)，控制C1計(jì)數(shù)頻率用X3、X4、X5、X6切換。2)環(huán)形分配器；環(huán)形分配是將MO～M2產(chǎn)生的電源控制脈沖信號(hào)經(jīng)由YO～Y2，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的通電方式運(yùn)轉(zhuǎn)。由程序分析可知：D300～D305決定步進(jìn)電機(jī)的通電方式，要改變通電方式，只需改變其中的數(shù)據(jù)即可。程序中，X1、X3、X4直接意義是控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速用，若在三者的梯形支路中加入開(kāi)環(huán)控制元件或閉環(huán)控制元件。使能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)向控制用X7，控制程序由跳轉(zhuǎn)指令CJ實(shí)現(xiàn)。d)LED顯示環(huán)節(jié)：本設(shè)計(jì)中用PLC的帶鎖存的7段顯示指令SEGL，其格式為:SEGL[S*][D*]n指令用12個(gè)掃描周期顯示一組或兩組4位數(shù)據(jù)，由[D*]的第