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

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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于PLC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)的控制方式簡單，屬于開環(huán)控制，且無累積定位誤差，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?。翰竭M(jìn)電機(jī)、PLC、轉(zhuǎn)速控制、方向控制 Stepping motor control system based on PLC Abstract With the development of microelectronics and computer technology, the stepper motor is increasing demanded, which is widely used in printers, electric toys and other consumer products, and CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and other electrical machinery products, and is applied in the national economy in various fields. Researching of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is so important. Stepper motor is a device which will transform electrical pulses into mechanical angular displacement so that Shaft of each pulse to a step angle stepping increment, SO output angular displacement is proportional to the input pulses, speed is proportional to the input pulse speed and speed is proportional to input pulse frequency. Stepper motor control is simple, is open-loop control, and no accumulation of positioning error, a high positioning accuracy,and the PLC as an industrial control computer, is a powerful tool for the integration of the motor, Therefore, the stepper motor control based on PLC technology has been widely used for digital positioning control. The control system consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design includes the working principle of stepper motor, stepper motor drive circuit design, PLC input and output characteristics, PLC and PLC external circuit connection with the stepper motor and matching Problem. Software design, including the main program and each module of the control program, ultimately realizes on the stepper motor rotation direction and rotation speed control This system has the intelligence, practicality and reliability features. Keywords?。?Stepper motor, PLC, speed control, direction control 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 - II - 目錄 摘要 I Abstract II 基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) I 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 問題的提出 2 1.3 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 4 2.1 PLC的基本概念 4 2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) 4 2.3 PLC的特點(diǎn) 5 2.4 步進(jìn)電機(jī)的特性 7 2.5 步進(jìn)電機(jī)的種類 7 2.6 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的控制 8 2.7 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) 14 3.1 硬件設(shè)計(jì)思路 14 3.2 總設(shè)計(jì)圖框 14 3.3 外圍電路設(shè)計(jì)及分析 15 3.4 LED數(shù)碼顯示器電路 23 3.5 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) 27 4.1 可編程序控制器的工作原理 27 4.2 存儲空間的計(jì)算 28 第5章 PLC控制程序設(shè)計(jì) 29 5.1 PLC提供的編程語言 29 5.2 PLC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 千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - III - 第1章 緒論 1.1 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)。因此對電動(dòng)機(jī)的控制變得越來越重要了。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)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其原理是通過對它每相線圈中的電流和順序切換來使電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路由脈沖信號來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通俗地說:當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，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)。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(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。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?；旌鲜讲竭M(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。 1.2 問題的提出 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，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。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(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)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、控制方便。尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會長期積累的特點(diǎn)，給實(shí)際的應(yīng)用帶來了很大的方便。它廣泛用于消費(fèi)類產(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)的控制和測量方法，對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)，可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的高效控制。 1.3 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，通過鍵盤實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。 通過本課題，一方面我們在查閱資料的基礎(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，通過設(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? 2．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 第2章 PLC及步進(jìn)電機(jī)的概述 2.1 PLC的基本概念 可編程控制器(Programmable Controller)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(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(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，簡稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。 PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，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年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義： “PLC是一種專門為在工業(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。它采用可以編制程序的存儲器，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，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。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)?！? 2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu) PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(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(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(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(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(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 　　b、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。 　　C、電源 　　PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(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)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。 2.3 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平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，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。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，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)用者還可以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。 ⑵ 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?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。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。 ⑶ 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，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(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)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 ⑷ 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。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。 ⑸ 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。 2.4 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，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從20世紀(jì)80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅(qū)動(dòng)電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的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，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)： ⑴ 不需要反饋，控制簡單。 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)比較簡單。 3．沒有角累積誤差。 4．停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。 5．沒有轉(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)。但是，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．在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。 11．超過負(fù)載時(shí)會破壞同步，高速工作時(shí)會發(fā)出振動(dòng)和噪聲。 2.5 步進(jìn)電機(jī)的種類 目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類： 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)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對較差。 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)備中多用此類電機(jī)。 2.6 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)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(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。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。市場上一般以二、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，徑向相對的兩個(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)極距所對的轉(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，由于磁通力圖通過磁阻最小路徑，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)極距所對的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為，不是整數(shù)，因此當(dāng)A-A’極下的定、轉(zhuǎn)子齒軸線對齊時(shí)，相鄰的兩對磁極B-B’和D-D’極下的齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯(cuò)開1/4齒距角，即。這時(shí)，各相磁極的定子齒與轉(zhuǎn)子齒的相對位置如圖2-3 所示。 如果斷開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)針方向轉(zhuǎn)過，是轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極B-B’下的齒軸線對齊。這時(shí)，A-A’和C-C’極下的齒與轉(zhuǎn)子齒又錯(cuò)開。以此類推，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)針方向一步一步連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)起來。沒換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/4齒距角。 0 圖2-3 A相通電時(shí)定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置 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)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)起來，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，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，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)可直接采用開環(huán)，簡化控制系統(tǒng)。 2.7 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…,不斷接通與斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)起來，每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過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 第3章 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 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，有小到大分別接于PLC的X3、X4、X5和X6端口，實(shí)現(xiàn)對步進(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極數(shù)碼管來動(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，PLC的Y7-Y10端口控制數(shù)碼管的位選信號。 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，通過接收PLC發(fā)出的脈沖信號來控制步進(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。 3.2 總設(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 說明如下： 1.PLC接受鍵盤信息，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。 2.PLC輸出脈沖信號，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。 3.3 外圍電路設(shè)計(jì)及分析 鍵盤在單片機(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。鍵盤實(shí)質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。 機(jī)械開關(guān)應(yīng)接到PLC的開關(guān)量輸入接口進(jìn)行開關(guān)控制，PLC的開關(guān)量輸入接口的作用是把現(xiàn)場的開關(guān)量信號變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。開關(guān)量輸入接口按可接納的外信號電源的類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 從圖中可以看出，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)信號的作用。圖中輸入口的電源部分都畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，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)電壓信號在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程中，都會產(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。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，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，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，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)通常采用硬件、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，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時(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，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很多。按照電流流過的方向是單向還是雙向的，可以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。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)電路的功率器件可以選用功率晶體管、功率場效應(yīng)管（MOSFET）或IGBT，還可以選用集成功率驅(qū)動(dòng)模塊。 ⑴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，所以這個(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)。 ⑵雙電壓驅(qū)動(dòng) 用提高電壓的方法可以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，控制脈沖通過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。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，使控制脈沖通過T2使繞組得到高壓脈沖電源。 這種驅(qū)動(dòng)方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單壓驅(qū)動(dòng)的弱點(diǎn)，在限流電阻R上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。 ②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，在繞組通電的開始用高壓供電，是繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。 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 高壓開關(guān)管T1的輸入脈沖uH與低壓開關(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)，高壓開關(guān)管T1截止，高電壓被切斷，使電壓VL通過二極管D2為繞組繼續(xù)供電，由于繞組電阻小，回路中又沒有串聯(lián)電阻，所以低電壓只需數(shù)伏就可以為繞組提供提供較大電流。 高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普遍應(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、目前使用較多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其基本思想是：無論電機(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，所以這個(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)超過給定電壓Ua的值時(shí)，比較器的輸出低電平，使與門輸出低電平，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，與門也輸出高電平，VT1重新導(dǎo)通，電源又開始向繞組供電。如此反復(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。 控制脈沖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，所以這種驅(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，可以有效的防止能量積聚。但是，由于電流波形為鋸齒形，這種驅(qū)動(dòng)方式會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。 3.4 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）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時(shí)公共陽極接+5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。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)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極端輸入高電平時(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)中所采用的是共陽極LED數(shù)碼顯示器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-12所示： 圖3-10 LED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)碼顯示電路通過采用共陽極數(shù)碼管來動(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，PLC的Y6-Y9端口控制數(shù)碼管的位選信號。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 3.5 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖 通過上述對步進(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 第4章 軟件的設(shè)計(jì) 4.1 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)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(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，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(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)系來看，處理過程似乎是同時(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（見右圖），圖中僅畫出了與用戶程序執(zhí)行過程有關(guān)的3個(gè)階段。 4.2 存儲空間的計(jì)算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(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。 第5章 PLC控制程序設(shè)計(jì) 5.1 PLC提供的編程語言 標(biāo)準(zhǔn)語言梯形圖語言也是我們最常用的一種語言，它有以下特點(diǎn)； A.它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點(diǎn)、線圈、串聯(lián)等術(shù)語和一些圖形符號構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。 B.梯形圖中接點(diǎn)（觸點(diǎn)）只有常開和常閉，接點(diǎn)可以是PLC輸入點(diǎn)接的開關(guān)也可以是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)可以任意串、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)暫存器中所以輸出點(diǎn)的值在用戶程序中可以當(dāng)條件使用。 ⑵語句表語言，類似于匯編語言。 ⑶邏輯功能圖語言，沿用半導(dǎo)體邏輯框圖來表達(dá)，一般一個(gè)運(yùn)算框表示一個(gè)功能，左邊畫輸入、右邊畫輸出。 圖4.2 PLC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、處理鍵盤、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是通過CPU循環(huán)掃描的工作方式來完成其控制任務(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。 5.2 PLC實(shí)用驅(qū)動(dòng)電源控制環(huán)節(jié) ⑴ 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, 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)行要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 ⑵ 用功能指令構(gòu)建控制程序的有關(guān)問題 FX2系列PLC較豐富的編程指令,除基本語句指令外，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)合基本指令編寫程序可解決各種復(fù)雜的控制。但是，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FX2系列PLC功能指令的分析研究：圍繞“絕對值凸輪順控ABSD”指令（下稱“ABSD” 指令）構(gòu)建控制程序?！癆B SD”指令的工作原理可用下圖4-4說明： 圖 4-4 ABSD 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[n]個(gè)目標(biāo)元件[D]的通斷點(diǎn)，[S2]存儲變化的數(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“AB SD”指令有輸出一組波形的功能。 ⑶ PLC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)寫入偶數(shù)元件，下降沿?cái)?shù)據(jù)寫入奇數(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。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，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*]的第二個(gè)四位為選通信號，順序顯示由[S*]經(jīng)[D*]的第一個(gè)四位或[D*]得第三個(gè)四位輸出地值。本設(shè)計(jì)中只用四位顯示如上圖4-5所示。 千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。 - 40 - 結(jié)論 畢業(yè)設(shè)計(jì)是專科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會，通過這次比較完整的設(shè)計(jì)出電梯PLC控制，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)。通過實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合，鍛煉了我綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。通過PLC控制電梯，實(shí)現(xiàn)電梯的運(yùn)行速度、反映時(shí)間和停層的準(zhǔn)確度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，而對電梯的速度、運(yùn)行狀態(tài)、安全、可靠、消防等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。綜合考慮電梯PLC控制系統(tǒng)，能夠達(dá)到“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的要求，這就要求我們的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)密、可靠。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高了我的意志力和品質(zhì)力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎樣緩解壓力，學(xué)會了獨(dú)立思考、邏輯思維、提出問題、分析問題、解決問題的方法。這是我們希望看到的，也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。 雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，過程繁瑣，但我的收獲卻更加豐富。通過與羅老師的溝通和交流，我了解到此系統(tǒng)的適用條件，此設(shè)備的選用標(biāo)準(zhǔn)，以及各種器件適用性。我的能力也得到了提高，提高是有限的但提高也是全面的，正是這一次設(shè)計(jì)讓我積累了無數(shù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，使我的頭腦更好的被知識武裝了起來，也必然會讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強(qiáng)的溝通力和理解力。最終按質(zhì)按量完成本次設(shè)計(jì)。我的收獲是很難用語言來描述的。非常感謝各位老師的指導(dǎo)與幫助。 順利如期的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時(shí)也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心。無論P(yáng)LC控制電梯系統(tǒng)怎么復(fù)雜，我都采用了一些新的技術(shù)和設(shè)備。它們有著很多的優(yōu)越性，但也存在一定的不足，這些不足在一定程度上限制了我們的創(chuàng)造力。比如我的設(shè)計(jì)在怎么能夠更大限度的滿足乘客乘坐時(shí)的舒適感方面處理得不是很理想，這讓我感到很遺憾。發(fā)現(xiàn)問題，面對問題，才有可能解決問題。不足和遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關(guān)注新技術(shù)新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進(jìn)的知識，更好的為社會做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，為祖國的四化服務(wù)。 致謝 本文主要闡述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)的過程，我對PLC控制產(chǎn)生了濃厚的興趣。 本論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個(gè)人智慧的產(chǎn)品，沒有導(dǎo)師的指引和幫助，沒有父母和朋友的幫助和支持，我在大學(xué)的學(xué)術(shù)成長肯定會大打折扣。當(dāng)我打完畢業(yè)論文的最后一個(gè)字符，涌上心頭的不是長途跋涉后抵達(dá)終點(diǎn)的欣喜，而是源自心底的誠摯謝意。我首先要感謝我的導(dǎo)師，對我的構(gòu)思以及論文的內(nèi)容不厭其煩的進(jìn)行多次指導(dǎo)和悉心指點(diǎn)，羅老師多次詢問進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。羅老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時(shí)三載，卻給以終生受益無窮之道。對羅老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的，使我在完成論文的同時(shí)也深受啟發(fā)和教育。 再次由衷感謝答辯組的各位老師對學(xué)生的指導(dǎo)和教誨，我也在努力的積蓄著力量，盡自己的微薄之力回報(bào)母校的培育之情，爭取使自己的人生對社會產(chǎn)生些許積極的價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 「1」李秧耕，何喬治，何峰峰編著．電梯基本原理及安裝維修全書.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 「2」張百令，袁克文主編．電梯安裝維修工.北京：中國勞動(dòng)社會保障出版社，2002 「3」顧戰(zhàn)松、陳鐵年編著.可編程控制器原理與應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，1996 「4」廖常初主編.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù).重慶：重慶大學(xué)出版社，2005 「5」陳遠(yuǎn)齡主編．機(jī)床與電氣自動(dòng)控制.重慶：重慶大學(xué)出版社，2006 「6」曹承志主編.電機(jī)、拖動(dòng)與控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001 「7」唐介主編.電機(jī)拖動(dòng)與控制基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,2002 「8」張勇主編.電機(jī)拖動(dòng)與控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001 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