步進(jìn)電機的三菱PLC控制

摘要:設(shè)計一種基于PLC的步進(jìn)電機控制系統(tǒng),通過微型變速箱將步進(jìn)電機角位移轉(zhuǎn)化為直線位移,進(jìn)而帶動直線伸縮機構(gòu)運行。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟價值和使用效果突出,能夠滿足毫米級精確位移的使用需求。關(guān)鍵詞:PLC;步進(jìn)電機;驅(qū)動器;脈沖；方向。目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論11.1設(shè)計背景11.2系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)31.3本章小結(jié)3第2章步進(jìn)電機及PLC簡介42.1步進(jìn)電機簡介42.2PLC的開展概述82.3PLC技術(shù)在步進(jìn)電機控制中的應(yīng)用82.4本章小結(jié)10第3章PLC控制步進(jìn)電機工作方式的選擇113.1常見的步進(jìn)電機的工作方式113.2步進(jìn)電機控制原理123.3PLC控制步進(jìn)電機的方法123.4PLC控制步進(jìn)電機的設(shè)計思路133.5本章小結(jié)15第4章FX2N控制步進(jìn)電機硬件設(shè)計164.1三菱FX2nPLC的介紹164.2步進(jìn)電機的選擇184.3步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計204.4PLC驅(qū)動步進(jìn)電機214.5步進(jìn)電機驅(qū)動器的使用說明224.6I/O接線圖244.7本章小結(jié)25第5章控制系統(tǒng)的程序設(shè)計265.0本設(shè)計相關(guān)指令介紹26結(jié)論30參考文獻(xiàn)31致謝32附錄33第1章緒論1.1設(shè)計背景步進(jìn)電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機，傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M(jìn)入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，開展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動機。步進(jìn)電動機的開展與計算機工業(yè)密切相關(guān)。自從步進(jìn)電動機在計算機外圍設(shè)備中取代小型直流電動機以后，使其設(shè)備的性能提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動機的開展。另一方面，微型計算機和數(shù)字控制技術(shù)的開展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動機推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學(xué)和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，根本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程。現(xiàn)在，步進(jìn)電動機的開展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類。爪極電機價格廉價，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進(jìn)電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動機，步距角1.8°／0.9°〔全步／半步〕；還有五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進(jìn)電動機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。到目前，工業(yè)興旺國家的磁阻式步進(jìn)電動機已極少見[1]。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、SANYODENKI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。現(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，德國也是世界上步進(jìn)電動機生產(chǎn)大國。德國B.L.公司1994年五相混合式步進(jìn)電動機專利期滿后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動機系列，為定子6極轉(zhuǎn)子50齒結(jié)構(gòu)，配套電流型驅(qū)動器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動機的分辨率，還可以在此根底上再10細(xì)分，分辨率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運用了電流型驅(qū)動技術(shù)的功能，讓三相電動機同時具有二相和五相電動機的性能。與此同時，日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進(jìn)電動機。該公司阪正文博士研制了三種不同的永磁式三相步進(jìn)電動機，即HB型〔混合式〕、RM性〔定子和混合式相似，轉(zhuǎn)子那么同永磁式環(huán)形磁鐵相似〕和爪極PM型。將三相步進(jìn)電動機同二相步進(jìn)電動機進(jìn)行比擬后得出：1〕在獲得小步距角方面，三相電動機比二相電動機要好。2〕三相電動機的兩相勵磁最大保持力矩為3T1〔T1為單相勵磁轉(zhuǎn)矩〕，而二相電動機為2T1，所以三相電動機的合成力矩大。3〕三相電動機的轉(zhuǎn)矩波動比二相電動機要小。4〕三相電動機連續(xù)2步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動機的要小。5〕三相電動機繞組可以星形連接，三個終端驅(qū)動，勵磁電路晶體管6個；而二相電動機是8個。6〕連續(xù)運轉(zhuǎn)時，由于三相步進(jìn)電動機結(jié)構(gòu)原因，磁通和電流的三次諧波被消除了，所以三相電動機的振動力矩比二相電動機的要小.結(jié)論是顯而易見的[2]。另外的結(jié)論是HB型電動機更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途；RM型適用于平穩(wěn)運行以及轉(zhuǎn)速大于1000r/min的用途；而PM型本錢低，在低轉(zhuǎn)速時的振動和高轉(zhuǎn)速時的大轉(zhuǎn)矩方面，三相PM型電動機比兩相電動機的性能要好。因此，當(dāng)前最有開展前景的當(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開展：開展趨勢一，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。開展趨勢之二，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％開展趨勢之三，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。開展趨勢之四，向五相和三相電動機方向開展。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復(fù)雜，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些。我國的情況有所不同，直到20世紀(jì)80年代，一直是磁阻式步進(jìn)電動機占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電動機是80年代后期才開始開展，至今仍然是二種結(jié)構(gòu)類型同時并存。盡管新的混合式步進(jìn)電動機完全可能替代磁阻式電動機，但磁阻式電動機的整機獲得了長期應(yīng)用，對于它的技術(shù)也較為熟悉，特別是典型的混合式步進(jìn)電動機的步距角〔0.9°/1.8°〕與典型的磁阻式電動機的步距角〔0.75°/1.5°〕不一樣，用戶改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的，這就使得兩種機型并存的局面難以在較短時間內(nèi)改變。這種現(xiàn)狀對步進(jìn)電動機的開展是不利的。1.2系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)步進(jìn)電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)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)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，已成為運動控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。隨著微電子和計算機技術(shù)的開展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個行業(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)控制計算機，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、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)計是采用是FX2N-32MT控制三相六拍的反響步式步進(jìn)電機，通過軟件設(shè)計脈沖頻率來控制步進(jìn)電機的運行速度，通過加減頻率來控制步進(jìn)動機的轉(zhuǎn)速。圍繞這兩個主要方面，可提出具體的控制要求如下:1〕可正轉(zhuǎn)運行或反轉(zhuǎn)運行；2〕系統(tǒng)上電后，賦一個初始速度值；3〕步進(jìn)速度可手動變速；1.3本章小結(jié)本章闡述了此次設(shè)計的背景，即步進(jìn)電機的開展?fàn)顩r，和步進(jìn)電機在工業(yè)自動化生產(chǎn)中的重大作用。提出了本次設(shè)計的設(shè)計任務(wù)，用PLC控制步進(jìn)電機以不同的方式運行。第2章步進(jìn)電機及PLC簡介2.1步進(jìn)電機簡介步進(jìn)電動機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個大的開展階段后，目前其開展趨于平緩。然而，由于電動機的工作原理和其它電動機有很大的差異，具有其它電動機所沒有的特性。因此，沿著小型、高效、低價的方向開展。步進(jìn)電動機由此而得名。步進(jìn)電動機的運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)電動機動態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，只要改變輸入脈沖的順序，就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。這些特點使得步進(jìn)電動機與其它電動機有很大的差異。因此，步進(jìn)電動機的上述特點，使得由它和驅(qū)動控制器組成的開環(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)電動機經(jīng)歷過一個大的開展階段[3]。2.1.1步進(jìn)電機的分類1〕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。2〕反響式步進(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。3〕混合式步進(jìn)電機是指混合了永磁式和反響式的優(yōu)點，它又分為兩相和五相。兩相步進(jìn)角一般分為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。三相反響式步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)如下圖。定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對極上都繞有一對繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為A、B、C相。圖2-1三相反響式步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)圖在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng)A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對應(yīng)時，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開1/3齒距，C相那么錯開2/3齒距。如下圖：圖2-2A相通電定轉(zhuǎn)子錯開示意圖電機的位置和速度由繞組通電次數(shù)〔脈沖數(shù)〕和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。2.1.2步進(jìn)電機的根本參數(shù)1.電機固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。2.步進(jìn)電機的相數(shù)步進(jìn)電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為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)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，那么“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(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)電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機最重要的參數(shù)之一。比方，當(dāng)人們說2Nm的步進(jìn)電機，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。4.鉗制轉(zhuǎn)矩鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反響式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有鉗制轉(zhuǎn)矩。2.1.3步進(jìn)電機主要特點1〕一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2〕步進(jìn)電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點，步進(jìn)電機溫度過高時會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3〕步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率〔或速度〕的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4〕步進(jìn)電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但假設(shè)高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機到達(dá)高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻[4]。2.1.4反響式步進(jìn)電機原理2.1.4.1結(jié)構(gòu)電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，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與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3，C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〕如圖：圖2-3定轉(zhuǎn)子的展開圖2.1.4.2旋轉(zhuǎn)三相如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)。由此可見，電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)〔脈沖數(shù)〕和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)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)，所以本設(shè)計采用三相六拍。這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細(xì)分驅(qū)動的根本理論依據(jù)[5]。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——這是步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機，出于本錢等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。2.1.5步進(jìn)電機在工業(yè)控制領(lǐng)域的主要應(yīng)用步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種家電產(chǎn)品中，例如打印機、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、機械手臂和錄像機等。另外步進(jìn)電機也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中。由于通過控制脈沖個數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過的角位移，且步進(jìn)電機的誤差不積累，可以到達(dá)準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過控制頻率很方便的改變步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速和加速度，到達(dá)任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機可以廣泛的應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中[6]。2.2PLC的開展概述可編程控制器(簡稱PLC)是種數(shù)字運算操作的電子系統(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器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴充其功能的原那么設(shè)計的。PLC自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速開展和廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。產(chǎn)生和開展過程現(xiàn)代社會要求生產(chǎn)廠家對市場的需求做出迅速的反響，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低本錢和高質(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實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)根本上與微型計算機相同: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從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，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)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)存放器內(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)或輸出存放器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對大型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CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。2〕存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器[7]。2.3PLC技術(shù)在步進(jìn)電機控制中的應(yīng)用隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的開展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的開展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向開展。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。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。向五相和三相電動機方向開展，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復(fù)雜，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些[8]。目前利用可編程序控制器〔即PLC技術(shù)〕可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實現(xiàn)。用PLC對步進(jìn)電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，現(xiàn)對步進(jìn)電機的控制[9]。步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對其施加一個電脈沖時，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進(jìn)電機的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)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)電機的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向[10]。PLC直接控制步進(jìn)電機系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機組成，PLC具有實時刷新技術(shù)，輸出信號的頻率可以到達(dá)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)電機的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(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)電機各相繞組數(shù)10V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅(qū)動要求[11]。有以上步進(jìn)電機的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。三菱PLC本身帶有高速脈沖計數(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)電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實時刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號的頻率可以到達(dá)數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(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)電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求[12]。如下列圖所示：PLCPLC步進(jìn)電機輸入信號圖2-4步進(jìn)電機的PLC直接控制2.4本章小結(jié)本章闡述了步進(jìn)電機的主要特點與工作原理，并介紹了PLC的開展?fàn)顩r以及PLC技術(shù)在步進(jìn)電機控制中所發(fā)揮的巨大作用。第3章PLC控制步進(jìn)電機工作方式的選擇3.1常見的步進(jìn)電機的工作方式常見的步進(jìn)電機的工作方式有以下三種：1.三相單三拍：A->B->C->A圖3-1三相單三拍工作方式時序圖2.三相雙三拍：AB->BC->CA->AB圖3-2三相雙三拍工作方式時序圖3.三相六拍：A->AB->B->BC->C->CA->A圖3-3三相六拍工作方式時序圖3.2步進(jìn)電機控制原理3.2.1控制步進(jìn)電機換向順序通電換向這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機的三相三拍工作方式，其各相通電順序為A-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。3.2.2控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，那么電機就反轉(zhuǎn)。3.2.3控制步進(jìn)電機的速度如果給步進(jìn)電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機進(jìn)行調(diào)速。3.3PLC控制步進(jìn)電機的方法在本設(shè)計中直接使用PLC控制步進(jìn)電機，可使用PLC產(chǎn)生控制步進(jìn)電機所需要的各種時序的脈沖。三相步進(jìn)電機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:電機繞組的通電、放電時間不同。工作方式是單三拍時通電時間最短，雙三拍時允許放電時間最短，六拍時通電時間和放電時間最長。因此，同一脈沖頻率時，六拍的工作方式出力最大。而且，電機是三拍的工作方式時，其分辨率為3度，六拍的工作方式時，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，在這種控制方式下工作，步進(jìn)電機的運行特性好，步進(jìn)電機分辨率最高?？筛鶕?jù)步進(jìn)電機的工作方式，以及所要求的頻率〔步進(jìn)電機的速度〕，畫出A、B、C各相的時序圖。并使用PLC產(chǎn)生各種時序的脈沖。例如：本設(shè)計采用三菱FX2n-32MTPLC控制三相步進(jìn)電機的過程。圖3-4三相單六拍正向時序圖3.4PLC控制步進(jìn)電機的設(shè)計思路3.4.1步進(jìn)電機控制方式典型的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)如下圖：圖3-5典型的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)步進(jìn)電動機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個大的開展階段后，日前其開展趨向平緩。然而，其根本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對其施加一個電脈沖時，其輸出轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進(jìn)電機的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)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、頻率及電機繞組通電的順序，便可控制步進(jìn)電機的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機的機理是基于最根本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長度，假設(shè)不改變勵磁狀態(tài)那么保持一定位置而靜止的電動機:從廣義上講，步進(jìn)電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動機。步進(jìn)電機的控制和驅(qū)動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通集成電路控制、單片機控制、工業(yè)控制機控制、可編程控制器控制等幾種；按照控制結(jié)構(gòu)可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu)(硬-硬結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-軟結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-硬結(jié)構(gòu))。1．硬——硬結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，這種步進(jìn)電機的控制驅(qū)動系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動器組成。這種控制驅(qū)動方式運行速度比擬快，但是電路復(fù)雜，功能單一。2．軟——軟結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，這種步進(jìn)電機的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過編程實現(xiàn)。用單片機、工業(yè)控制機、普通個人計算機、可編程序控制器控制步進(jìn)電機一般均可采用這種結(jié)構(gòu)。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，但是占用CPU時間多，給微處理器運行其他工作造成困難。3．軟——硬結(jié)構(gòu)如圖3.8所示，這種步進(jìn)電機的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅(qū)動器組成。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片(如8713芯片)來實現(xiàn)通電換相控制的。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，同時占用CPU時間較少，用可編程控制器全部實現(xiàn)了控制器和驅(qū)動器的功能。在PLC中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對步進(jìn)電機進(jìn)行并行控制，并且由PLC輸出端口直接驅(qū)動步進(jìn)電機。如圖3.7所示，這是一種軟-軟結(jié)構(gòu)，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序?qū)崿F(xiàn)。圖3-6硬硬結(jié)構(gòu)控制圖3-7軟軟結(jié)構(gòu)控制圖3-8軟硬結(jié)構(gòu)控制3.4.2三菱PLC控制步進(jìn)電機由以上步進(jìn)電機的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。三菱PLC本身帶有高速脈沖計數(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)電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實時刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號的頻率可以到達(dá)數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(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)電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。對輸入電機的相關(guān)脈沖控制，從而到達(dá)對步進(jìn)電機三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動。3.5本章小結(jié)本章說明了三相步進(jìn)電機幾種常見的工作方式，即三相單三拍，三相雙三拍和三相六拍。闡述了步進(jìn)電機的控制原理，以及PLC控制步進(jìn)電機運行的方法。第4章FX2N控制步進(jìn)電機硬件設(shè)計4.1三菱FX2nPLC的介紹1〕FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。2〕為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能。開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要模擬I/O，高速計數(shù)器。定位控制到達(dá)16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達(dá)8個特殊功能模塊。3〕網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信：連接到世界上最流行的開放式網(wǎng)絡(luò)CC-Link，ProfibusDp和DeviceNet或者采用傳感器層次的網(wǎng)絡(luò)解決您的通信需要。4〕其它功能：內(nèi)置式24V直流電源24V、400mA直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件。快速斷開端子塊因為采用了優(yōu)良的可維護(hù)性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時鐘功能和小時表功能在所有的FX2NPLC中都有實時時鐘標(biāo)準(zhǔn)。時間設(shè)置和比擬指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機器維護(hù)提供了有價值的信息。5〕持續(xù)掃描功能：為應(yīng)用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。61〕輸入濾波器調(diào)節(jié)功能：可以用輸入濾波器平整輸入信號〔在根本單元中x000到x017〕。7〕注解記錄功能：元件注解可以記錄在程序存放器中。8〕在線程序編輯：在線改變程序不會損失工作時間或停止生產(chǎn)運轉(zhuǎn)。9〕RUN/STOP開關(guān)面板上運行/停止開關(guān)易于操作。10〕遠(yuǎn)程維護(hù)：遠(yuǎn)處的編程軟件可以通過調(diào)制解調(diào)器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數(shù)據(jù)11〕密碼保護(hù)：使用一個八位數(shù)字密碼保護(hù)您的程序。4.1.1三菱PLC應(yīng)用中需要注意的問題1〕溫度：PLC要求環(huán)境溫度在0℃～55℃，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。2〕濕度：為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應(yīng)小于85%(無露珠)。3〕震動：應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強烈的震動源，防止振動頻率為10Hz～55Hz的頻繁或連續(xù)振動。當(dāng)使用環(huán)境不可防止震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等。4〕空氣：防止有腐蝕和易燃的氣體，如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。5〕電源：PLC對于電源線帶來的干擾具有一定的抵抗能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。一般PLC都有直流24V輸出提供應(yīng)輸入端，當(dāng)輸入端使用外接直流電源時，應(yīng)選用直流穩(wěn)壓電源。普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。4.1.2控制系統(tǒng)中干擾及其來源影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場，對設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；磁場改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波，電磁波對其具有強烈的干擾。1〕強電干擾。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，電網(wǎng)受到空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，刀開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。2〕柜內(nèi)干擾。控制柜內(nèi)的高壓電器，大的電感性負(fù)載，混亂的布線都容易對PLC造成一定程度的干擾。3〕來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴(yán)重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。4〕來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。5〕變頻器干擾。一是變頻器啟動及運行過程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出會產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備的正常工作。4.1.3主要抗干擾措施1〕合理處理電源以抑制電網(wǎng)引入的干擾對于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1∶1的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。2〕合理安裝與布線動力線、控制線以及PLC的電源線和RS485網(wǎng)線應(yīng)分別配線，各走各的橋架或線槽。PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強干擾源，柜內(nèi)PLC應(yīng)遠(yuǎn)離動力線(二者之間距離應(yīng)大于200mm)，與PLC裝在同一個柜子內(nèi)的電感性負(fù)載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地，接地電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1/10。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動力線，防止并行。4.1.4正確選擇接地點以完善接地系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。1〕平安地或電源接地：將電源線接地端和柜體連線接地為平安接地。2〕系統(tǒng)接地：PLC控制器為了與所控的各個設(shè)備同電位而接地，叫系統(tǒng)接地。接地電阻值不得大于4Ω，一般需將PLC設(shè)備系統(tǒng)地和控制柜內(nèi)開關(guān)電源負(fù)端接在一起，作為控制系統(tǒng)地。3〕信號與屏蔽接地：一般要求信號線必須要有唯一的參考地。4.2步進(jìn)電機的選擇本設(shè)計選用45BF008。相數(shù)是三相、步距角1.5/3度。電壓24V、相電流0.2A、保持轉(zhuǎn)距0.118NM(1.2kg)、空載啟動頻率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4-245BF三相反響式步進(jìn)電機實物圖圖4-345BF三相反響式步進(jìn)電機尺寸4.3步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計4.3.1驅(qū)動電路下列圖為步進(jìn)電機的驅(qū)動電路。圖中僅為一相的驅(qū)動電路，其余兩相與之相同。在圖中三極管T1起開關(guān)作用。當(dāng)三極管截止時，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，流過的集電極電流最大，開關(guān)相當(dāng)于閉合，該開關(guān)“動作”可由加于基極的電流來控制。由T2、T3兩個三極管組成達(dá)林頓式功放電路，驅(qū)動步進(jìn)電機的3個繞組，使電機繞組的靜態(tài)電流到達(dá)近2A。電路中使用光電耦合器將控制和驅(qū)動信號隔離。當(dāng)控制輸入信號為低電平時，T1截止，輸出高電平，那么紅外發(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)輸入信號為高電平時，T1飽和導(dǎo)通，于是紅外發(fā)光二極管被點亮，使光敏三極管導(dǎo)通，向功率驅(qū)動級晶體管提供基極電流，使其導(dǎo)通，繞組被通以電流。圖4-4步進(jìn)電機驅(qū)動電路4.3.2驅(qū)動電路接口圖4-5驅(qū)動器接口4.4PLC驅(qū)動步進(jìn)電機三菱PLC本身帶有高速脈沖計數(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)電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實時刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號的頻率可以到達(dá)數(shù)千赫芝或更高。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)電機的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(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)電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。如下列圖所示：圖4-6PLC直接驅(qū)動電機環(huán)形分配程序?qū)Σ竭M(jìn)電機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)電機轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動，由于步進(jìn)電機是電感性負(fù)載，直流電阻很小，故接限流電阻以免脈沖電流過大損壞，當(dāng)步進(jìn)電機各相繞組的通電順序按：…A—AB—B—BC—C—CA—A…導(dǎo)通斷開時，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)。按A—AC—C—CB—B—BA—A…依次導(dǎo)通、斷開時，步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，即步進(jìn)電機可以按三相六拍工作。每當(dāng)步進(jìn)電機走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，當(dāng)步數(shù)減為零時，停止環(huán)形脈沖分配，等待下一次的脈沖輸入。4.5步進(jìn)電機驅(qū)動器的使用說明本驅(qū)動器為M415B細(xì)分驅(qū)動器，適合驅(qū)動中小型的任何1.5A相電流以下的兩相或四相混合式步進(jìn)電機