电气工程及其自动化专业毕业论文16110

本科生毕业设计题目：PLC控制步进电运行 摘 要PLC（即可编程控制器）在工业控制领域内得到十分广泛地应用。PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。步进电机作为一个驱动执行单元，广泛地使用于工业领域和民用领域。 关键词：步进电机；PLC；可编程序的存储器；位置控制ABSTRACTAbstract: PLC ( Programmable controller ) in the field of industrial control has been very widely used. PLC is based on a digital computer technology, specifically for the industrial application environment and the design of the electronic control device, it uses a programmable memory, used to store a users instruction, through digital or analog input / output, complete a series of logic, sequence, timing, counting, operations and other defining features, to control various types of mechanical and electrical equipment and integrated production process. Stepping motor as a driving execution unit, is used widely in industry and civil fields.Keywords: Stepping motor；PLC；Programmable memory；Position control13目 录第一章 设计系统11.1.1步进电机与步进电机驱动器的接线图11.1.2 PLC接线图11.1.3按带驱动器的PLC接线图的方式编写PLC程序21.2采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程例子21.2.1 三相六拍、三相三拍2第二章 可编程的产生和发展52.1 PLC简介52.2可编程控制器的工作原理7第三章：步进式电动机83.1步进电机的简介83.2 步进电动机的分类93.2.1按工作原理分类：93.2.2 按输出转矩的大小分类：103.3 步进电动机的结构与原理10参考文献11致 谢12绪 论步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。可编程控制器(Programmable Logic Controller,通常称PLC)是一种工业控制计算机,具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能,能充分适应工业环境,简单易懂,操作方便,可靠性高,是目前广泛应用的控制装置之一1,2。PLC对步进电机也具有良好的控制能力,利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能,即可实现对步进电机的控制。利用PLC控制步进电机,其脉冲分配可以由软件实现,也可由硬件组成。第一章 设计系统1.1.1步进电机与步进电机驱动器的接线图步进电机驱动器与PLC连接，SH-2H042Ma步进电机驱动器的输入信号为CP+、CP-和DIR+、DIR-，其连接方式有三种： 共阳极方式：把CP+和DIR+接在一起作为共阳端OPTO（接外部系统的+5V），脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端；共阴极方式：把CP-和DIR-接在一起作为共阴端（接外部系统的GND），脉冲信号接入CP+端，方向信号接入DIR+端；差动方式：直接连接。 1.1.2 PLC接线图 PLC接线图（带驱动器）PLC接线图（不带驱动器，输出电源电压应与步进电动机额定电压匹配）SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，SB3为加速按钮，SB4为减速按钮。1.1.3按带驱动器的PLC接线图的方式编写PLC程序1.2采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程例子1.2.1 三相六拍、三相三拍电路说明：输出： A相加电压：Q0.0B相加电压：Q0.1 C相加电压：Q0.2 启动指示灯：Q0.3三相单三拍运行方式：Q0.4三相双三拍运行方式：Q0.5三相单六拍运行方式：Q0.6输出脉冲显示灯： Q0.7三相单三拍运行方式三相双三拍运行方式三相单六拍运行方式编程方法： 使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求：使用定器产生不同工作方式下的工作脉冲，然后按照控制开关状态输出到各相对应的输出点控制步进电机。 M0.0作为总控制状态位，控制脉冲发生指令是否启动。一旦启动，采用T0、T1、T2以及它们的组合可以得到三相单三拍和三相双三拍的两种工作方式下，各相的脉冲信号。如T0的状态为三相单三拍工作状态下A相的脉冲。同理可使用类似程序得到三相单六拍时各相所需的脉冲信号。2使用移位指令实现各相所需的脉冲信号。例如在MW10中进行移位，每次移位的时间为1秒钟。如图为三相单六拍正向时序流程图，三相单三拍可利用相同的流程图，从M11.1开始移位，每次移两位，而三相双三拍从M11.2开始，每次移两位。 程序段2：三相单三拍或三相单六拍工作方式，此时均从M11.0开始移位，两种工作方式均为M11.6为“1”时返回。程序段3：三相双三拍工作方式，此时从M11.1开始因为，而在M11.7时返回。程序段4：若按下停止按钮或没有选择工作方式时，MW10中的内容为“0”，则不会有输出。程序段5：三相单三拍或三相双六拍，每次应移动2位。程序段6：三相单六拍，每次应移动一位。程序段7为移位指令，由于T1的周期为1秒钟，因此每间隔1秒钟，移位指令左移指定的位数。再将MW10中对应的位控制相应的输出，可实现步进电机的控制。步进电机的反向控制可根据相同的办法来实现。1.2.2正反转控制 步进电机的正反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，三相六拍步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A时电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时电机反转。因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环形分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。即通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0、Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转控制。正转： 反转：第二章 可编程的产生和发展2.1 PLC简介虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三各阶段：早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这是的PLC多少由电继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上 以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置种的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置（如图1）图1PLC的基本结（1）CPU的构成及功能-CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 （2）I/O模块- PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。（3）电源模块-PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 （4）底板或机架-大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。（5）扩展接口当PLC主机（基本单元）的点数不够用时，可以通过扩展I/O接口连接扩展机（扩展单元），以增加输入和输出点数。（6）编程器和其他外设PLC需要通过编程器输入、检查、修改、完善和调试程序，也需要它在线监控PLC的工作情况，编程器是PLC最主要的外围设备。PLC也可以配置其他设备，如打印机、显示器、EPROM写入器和盒式磁 2.2可编程控制器的工作原理与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。 PLC的基本工作过程（1）输入现场信息：在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点，读入各输入点的状态。 （2）执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算。 （3）输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器（锁存器）向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。 每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描 图2 PLC扫描流程图第三章：步进式电动机3.1步进电机的简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非 超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 根据机电能量转换原理，步进电动机与通常的的交流或直流电动机无异，是将电能变成机械能的电磁元件。但它的运行原理等方面存在特殊性。所以我们在使用前必须先了解其原理，才能在设计时灵活运用。 3.2 步进电动机的分类3.2.1按工作原理分类：激磁式（电磁式） 步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子动。反应式（磁阻式）图3 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。永磁式 图4 转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。混合式（永磁感应式）图3图43.2.2 按输出转矩的大小分类： 1快速步进电动机 电动机的输出转矩一般为0。074Nm，可以控制小型精密机床的工作台，例如线切割机床。2功率步进电动机 电动机的输出转矩一般为540Nm，可直接驱动机床的移动部件。此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向（多段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式。3.3 步进电动机的结构与原理 结构特点:步进电动机由定子和转子两大部分组成。我们以三相步进电动机为例。三相反应式步进电动机的结构简图（如图3.2）所示，定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组 ，转子上有均布的四个齿。 图3.2 工作原理 步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，当U相通电，V、W相不通电，如图3所示，1、3齿与U相对齐；当V相通电，U、W相不通电，如图3所示，2、4齿与V相对齐；当W相通电，U、V相不通电，如图3所示，1、3齿与W相对齐。由此可见，当通电顺序为UV WU V 时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的角度称为步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为90度）当改变通电顺序时，将改变转子的转向。通电方式单相轮流通电方式每次切换前后只有一相绕组通电。在这种通电方式下，电动机工作的 稳定性较差，容易失步。上述例子即为单向轮流通电方式，称为三相单三拍通电。单双相轮流通电方式 上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U UV V VWW WU U 称为三相六拍通电，如图-6所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。图-6参考文献1高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例M.北京：人民邮电出版社，2004.2陈建军主编.电气控制与PLC应用M.北京：电子工业出版社，2007.3柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用M.北京：机械工业出版社，2006.4高勤主编.可编程控制器原理及应用M.北京：电子工业出版社，2006.5王永华主编.现代电气控制及PLC应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6何衍庆，黎冰，黄海燕.可编程控制器编程语言及应用M.北京：电子工业出版社，2006.7 张碧泉.普通车床的数字化改造J.机械工程师，1999，20（11）：2630.8 万文.经济型数控车床中步进电机的选择J.南昌航空工业学院学报：自然科学版，2003，17（4）：8085.致 谢通过这次设计，我对PLC有了深刻的认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故而知新。但在设计的过程中，遇到了很多的问题，我和同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，所以在这里非常感谢帮助我的同学。在此要感谢我的指导老师曹吉花，感谢老师给我这样的机会锻炼。在整个毕业设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。