基于PLC的步進(jìn)電動機(jī)的控制系統(tǒng)畢業(yè)論文.doc

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1、基于PLC的步進(jìn)電動機(jī)的控制系統(tǒng)學(xué) 院：繼續(xù)教育學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及自動化考 號：010613117228學(xué) 生 姓 名： 吳延?xùn)|指 導(dǎo) 教 師： 張輝2014 年 8 月畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯成績評定專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）第 答辯委員會于 年 月 日審定了 班級 學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計（論文）。 設(shè)計（論文）題目： 設(shè)計（論文）共 頁。畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會意見： 成 績： 專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會主任委員 （簽字）摘 要本課題使用PLC為西門子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY。其基本情況為：CPU224XPCN，24VDC電源，24VDC輸入，24

2、VDC輸出，6ES7 214-2AD23-0XB8，集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點(diǎn)，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點(diǎn)，可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或38路模擬量I/O點(diǎn)。22K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨(dú)立的高速計數(shù)器(100KHz)，2個100KHz的高速脈沖輸出，4個上升沿和4個下降沿邊沿中斷，2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機(jī)還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量I/O，位控特性，自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等，是具有模擬量I/O和強(qiáng)大控制能力的新型CPU，用于控制步

3、進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動機(jī) PLC 正反轉(zhuǎn)與加減速控制 目 錄第1章 引言11.1 PLC的介紹11.2步進(jìn)電機(jī)的介紹1第2章 步進(jìn)電機(jī)22.1步進(jìn)電機(jī)工作原理22.1.1步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)22.1.2旋轉(zhuǎn)過程42.1.3力矩52.1.4步進(jìn)電機(jī)的分類53.2 步進(jìn)電機(jī)控制方式及運(yùn)行方式63.3 脈沖和角度的關(guān)系7第3章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計83.1步進(jìn)電機(jī)模擬控制83.1.1控制流程分析83.1.2 I/O 分配表93.2步進(jìn)電機(jī)流程圖103.3步進(jìn)電機(jī)接線圖113.4梯形圖的設(shè)計12第4章 結(jié) 論23參 考 文 獻(xiàn)24致 謝25 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 引

4、言1.1 PLC的介紹 可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時、計算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計階段選用可編程控制器，在實(shí)施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看

5、，在制造階段不需要根據(jù)用戶的訂貨要求專門設(shè)計控制器，適合批量生產(chǎn)。由于這些特點(diǎn)，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2步進(jìn)電機(jī)的介紹 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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(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。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積

6、累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進(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。 第2章 步進(jìn)電機(jī)2.1步進(jìn)電機(jī)工作原理2.1.1步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)A步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3.1所示。CDB定子勵磁線圈轉(zhuǎn)子圖3.1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著40個小齒，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相與齒1相對齊，B相與齒2向右錯開1/3，C相與齒3向右錯開2/3，A與齒5相對齊，(A就是A，齒5就是齒1)，定轉(zhuǎn)子的展開

7、圖如圖3.2所示。T54321ABAC圖3.2 定轉(zhuǎn)子的展開圖2.1.2旋轉(zhuǎn)過程如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。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(jī)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(jī)就每步(每脈沖)1/3，向右旋轉(zhuǎn)。如按A、C

8、、B、A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其通電狀態(tài)如圖3.3所示。C相通電B相通電A相通電圖3.3 通電狀態(tài)圖由此可見，電機(jī)的位置和速度由通電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由通電順序決定。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)，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(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機(jī)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(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。2.1.3力矩電機(jī)一旦

9、通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(磁通量)當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與(d/d)成正比，其磁通量=Br*S，Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積，F(xiàn)與L*D*Br成正比，L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑，R為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比(只考慮線性狀態(tài))。因此，電機(jī)有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。2.1.4步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)分為永磁式(PM)、反應(yīng)式(VR)、混合式(HR)三種。永磁式一般為二相，轉(zhuǎn)矩和體積都很小，步距角一般為7.5或15；反應(yīng)式一般為三相，實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步距角為1.5；混合式兼具永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，分二相和五相，

10、二相步距角為1.8，無相步距角為0.72。3.2 步進(jìn)電機(jī)控制方式及運(yùn)行方式36BF003型步進(jìn)電動機(jī)的三個繞組分別用A、B、C表示。三拍運(yùn)行時，正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳BCA，反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)镃BAC；或正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳BBCCAAB，反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳CCBBAAC。六拍運(yùn)行時，正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA；反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳ACCCBBBAA。36BF003型步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如表3.1所示。表3.1 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)單步三拍六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)啟動停止連續(xù)三拍六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)啟動停止3.3 脈沖和角度的關(guān)系(1) 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示， =360度/M*Z*K 式中，

11、M為定子繞組相數(shù)；Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K為通電方式系數(shù)，當(dāng)M相M拍通電時，K=1，當(dāng)M相2M拍通電時，K=2。本課題所用為三相電機(jī)，由參數(shù)表可以推算出它的齒數(shù)J3=360度/3*3 =40個或J6=360度/6*1.5 =40個(2) 頻率關(guān)系和轉(zhuǎn)速的關(guān)系 n=60f/M*Z*K 式中，M、Z、K同上；n為每分鐘轉(zhuǎn)速 r/min；當(dāng)M相M拍通電時，K=1，當(dāng)M相2M拍通電時，K=2。第3章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計3.1步進(jìn)電機(jī)模擬控制3.1.1控制流程分析控制要求：當(dāng)按鈕開關(guān)撥到單步時，必須每按一次起動，電機(jī)才能旋轉(zhuǎn)一個角度；當(dāng)按鈕開關(guān)撥到連續(xù)時，按一次起動，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到按停止；當(dāng)按鈕開關(guān)撥到三拍時

12、，旋轉(zhuǎn)的角度為3度；當(dāng)按鈕開關(guān)撥到六拍時，旋轉(zhuǎn)角度為1.5度；當(dāng)按鈕開關(guān)撥到正轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)按順時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)按鈕開關(guān)撥到反轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)按逆時針旋轉(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)。此設(shè)計使用開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。步進(jìn)電機(jī)脈沖放大器脈沖分配 器變頻信號源指令工作機(jī)構(gòu)圖3.1 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖而本課題使用PLC為西門子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY

13、，可以直接輸出脈沖驅(qū)動36BF003型電機(jī)運(yùn)行，指令可通過程序代替，而“變頻信號源”、“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)動器，使得控制十分簡單，所以本課題的控制框圖可簡單用圖3.2表示。S7-200CN系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY24V直流電源步進(jìn)電機(jī)工作機(jī)構(gòu) 圖3.2 基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖3.1.2 I/O 分配表I/O分配表如表3.1.2所示。表3.1.2 I/O分配表輸入啟動停止單步連續(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)

14、)Q0.2Q0.3Q0.43.2步進(jìn)電機(jī)流程圖開始系統(tǒng)上電撥到連續(xù)檔位撥到單步檔位按三拍按六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)按三拍按六拍反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)三拍正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)三拍反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)六拍正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)六拍反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)單拍三拍正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)單拍三拍反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)單拍六拍正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)單拍六拍反轉(zhuǎn)圖3.2 三相步進(jìn)電機(jī)控制流程圖3.3步進(jìn)電機(jī)接線圖圖3.3 步進(jìn)電機(jī)實(shí)時接線圖3.4梯形圖的設(shè)計 第4章 結(jié) 論通過PLC控制三相、五相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在本課題實(shí)驗(yàn)中得以實(shí)現(xiàn)，其中控制三相步進(jìn)電機(jī)時，可以選擇手動開關(guān)和自動開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在單步和連續(xù)工作方式的情況下正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，其中也可以實(shí)現(xiàn)三拍和六拍的步進(jìn)時序。在設(shè)計過程中，遇到了較多

15、困難，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，不僅自己查閱書籍資料，而且還向老師同學(xué)請教，最終這些問題得以解決。當(dāng)今通過PLC發(fā)脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，這種方式在工業(yè)生產(chǎn)多個領(lǐng)域廣泛的應(yīng)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等特點(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及計算機(jī)等多種技術(shù)的發(fā)展，目前在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中有細(xì)分功能、節(jié)能功能的驅(qū)動器技術(shù)得以廣泛的使用，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。參 考 文 獻(xiàn)1 陳建明. 電氣控制與PLC應(yīng)用M. 北京：電子工業(yè)出版社，2006

16、.2 廖常初. PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.3 劉保錄. 電機(jī)拖到與控制M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.4 西門子公司編. SIMATIC S7-200系統(tǒng)手冊M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.5 李美珠. PLC編程及應(yīng)用M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.6 張海根. 機(jī)電傳動控制M. 北京：高等教育出版社，2001.7 鄧星鐘. 機(jī)電傳動控制M. 第三版，武漢：華中科技大學(xué)出版社2001.8 袁順平，孫志承. 西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.9 廖常初. PLC編程及應(yīng)用M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.1

17、0 周萬珍，高鴻斌. PLC分析與設(shè)計應(yīng)用M. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.11 張萬忠，劉明芹. 電器與PLC控制技術(shù)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.12 殷洪義. 可編程序控制器選擇設(shè)計與維護(hù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.13 楊青杰. 三菱FX系列PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計指南M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.14 王永華. 現(xiàn)代電氣及可編程控制技術(shù)M. 北京：北京航空航天大學(xué)，2002.15 吳中俊. 可編程控制器原理及應(yīng)用M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.16 馬小軍. 可編程控制器及應(yīng)用M. 南京：東南大學(xué)出版社，2007.17 謝克明，夏路易. 可編程控制器原理與程序設(shè)計M. 北京：電子工業(yè)出版社，2002.致 謝隨著秋天的到來，畢業(yè)設(shè)計也即將劃上一個圓滿的句號，在這近一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計期間，我經(jīng)歷了很多，有苦惱也有歡樂，在對課題的研究過程中我付出了許多辛勤的汗水，同時也學(xué)到了許多知識，收獲了一筆可貴的人生財富，這些都使我受益匪淺。感謝我的指導(dǎo)老師張老師，本課題是在張老師的諄諄教導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的。在畢業(yè)設(shè)計期間，張老師傳授了許多的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和方法，給予了大量的富于啟發(fā)性與建設(shè)性的建議。張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高度的責(zé)任心、崇高的品格、淵博的知識以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都使我受益匪淺。在此，謹(jǐn)向張老師致以最誠摯的謝意。25