基于PLC-FX2N系列的三相步进电动机控制系统.doc

“cettic全国可编程控制器（plc）程序设计师”职业培训认证结业设计“cettic 全国可编程控制器（plc）程序设计”职业培训认证结业设计 基于plc-fx2n系列的三相步进电动机 控制系统 指导教师： 学生姓名： 完成日期：2007年12月25日摘要 作为“cettic全国可编程控制器（plc）程序设计师”职业培训认证考试实践环节的结业设计，本文阐述了三菱公司生产的具有高性能价格比的微型可编程控制器三菱fx系列plc，设计实现三相步进电动机正反转、加速、减速以及步数的控制系统。该系统充分利用了培训中讲述的可编程控制器（plc）的多方面设计知识和方法，使得该系统可靠稳定，使其应用范围得到扩展。关键词 可编程控制器 plc 三相步进电机系统目 录第一章 plc简介-51.1 plc的发展历程-61.2 plc的构成-71.3 cpu的构成-71.4 i/o模块-81.5 电源模块-91.6 底板或机架-91.7 plc系统的其它设备-91.8 plc的通信联网-9第二章 三相步进电动机的基础知识-102.1 选题背景-102.2 三相步进电机简介-11 2.2.1 三相异步电动机的机械特性-15 2.2.2 三相异步电动机的正反转控制原理-17 2.2.3 三相异步电动机的调速-19第三章 用plc实现三相步进电机控制-203.1 控制要求-203.2 怎样实现控制要求-20 3.2.1 转速控制-20 3.2.2 正反转控制-20 3.2.3 步数控制-20 3.3 plc硬件的实现-20 3.3.1 i/o的分配-20 3.3.2 i/o的外部接线-213.4 plc软件的实现-21第四章 系统整体调试-28 4.1 硬件安装-28 4.2 软件调试-28第五章 结束语-29第六章 参考文献-30第一章 plc 简介在自动化控制领域，plc是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种plc产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。可编程控制器，英文称programmable logic controler，简称plc。plc是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于plc内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。 plc基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了。而plc则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。 实现控制要点： 输入输出信息变换、可靠物理实现，可以说是plc实现控制的两个基本要点。 输入输出信息变换靠运行存储于plc内存中的程序实现。plc程序既有生产厂家的系统程序(不可更改)，又有用户自行开发的应用（用户）程序。系统程序提供运行平台，同时，还为plc程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。 可靠物理实现主要靠输人（input）及输出（output）电路。plc的i/o电路，都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。 i/o电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个i或o电路。plc有多i/o用点，一般也就有多少个i/o用电路。但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。 输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。 输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。输出锁存器与输出点也是一一对应的 这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是plc处理器i/o口的寄存器。它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。把输人暂存器的信息读到plc的内存中，称输入刷新。plc内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。 输出锁存器与plc内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器。这个映射也称输出刷新。输出刷新主要也是靠运行系统程序实现的。这样，用户所要编的程序只是，内存中输入映射区到输出映射区的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。这是一个数据及逻辑处理问题。由于plc有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的，而且也是较为容易的。在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国gm（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称programmablecontroller（pc）。个人计算机（简称pc）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为programmablelogiccontroller（plc），现在，仍常常将plc简称pc1.1 plc的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国gm（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称programmable controller（pc）。个人计算机（简称pc）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为programmable logic controller（plc），现在，仍常常将plc简称pc。plc的定义有许多种。国际电工委员会（iec）对plc的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪80年代至90年代中期，是plc发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，plc在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，plc逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的dcs系统。plc具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。plc在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。1.2 plc的构成 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、内存块、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。1.3 cpu的构成cpu是plc的核心，起神经中枢的作用，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，从用户程序存贮器中逐条读取指令，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。cpu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。内存主要用于存储程序及数据，是plc不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析cpu的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。cpu的控制器控制cpu工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。cpu速度和内存容量是plc的重要参数，它们决定着plc的工作速度，io数量及软件容量等，因此限制着控制规模。1.4 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分为开关量输入（di），开关量输出（do），模拟量输入（ai），模拟量输出（ao）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的i/o分类如下：开关量：按电压水平分，有220vac、110vac、24vdc，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20ma,0-20ma）、电压型（0-10v,0-5v,-10-10v）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用io外，还有特殊io模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按i/o点数确定模块规格及数量，i/o模块可多可少，但其最大数受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。1.5 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）。1.6 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。1.7 plc系统的其它设备 1、编程设备：编程器是plc开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控plc及plc所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器plc一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 3、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如eprom、eeprom写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。1.8 plc的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。plc具有通信联网的功能，它使plc与plc 之间、plc与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数plc具有rs-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。plc的通信，还未实现互操作性，iec规定了多种现场总线标准，plc各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先，网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。第二章 三相步进电动机的基础知识2.1 选题背景随着plc技术的发展，其功能越来越多，集成度越来越高，网络功能越来越强，plc与上位pc机联网形成的plc及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，plc集三电与一体，具有良好的控制精度和高可靠性，使得plc成为现代工业自动化的支柱。plc在三相异步电机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、灵活性强等优点，生产机械往往要求运动部件可以实现正反两个方向的起动，这就要求拖动电动机能作正、反向旋转。由电机原理可知，改变电动机三相电源的相序，就能改变电动机的转向。按下正转启动按钮sb1，电动机正转运行，且km1,kmy接通。2s后kmy断开，km 接通，即完成正转启动。按下停止按钮sb2，电动机停止运行。按下反转启动按钮sb3，电动机反转运行，且km2,kmy接通。2s后kmy断开，km 接通，即完成反转启动。三相异步电动机由于具有结构简单，价格低廉，坚固耐用，使用和维护方便等优点，在各种机床、起重机械、水泵、风机、各种生产机械、电力排灌、农副产品加工设备中广泛应用。三项步进电动机约占电机总容量的85%。 2.2 三相步进电机简介步进电机又称脉冲电机，是一种数字控制的执行元件，也是随着计算机控制系统发展而发展起来的。它利用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或者线位移。步进电机可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速。快速起停、正反转控制及制动，实现精确定位等，这是步进电动机最突出的优点。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密控制技术于一体。改善控制器可显著地提高步进电机的位置控制和速度控制的可靠性、稳定性。1）基本结构 三相异步电动机由定子和转子两大部分组成。定子包括定子铁心、定子绕组和机座等，转子包括转子铁心、转子绕组和转轴等。转子绕组又分为笼型和绕线转子型两类。在钉定子和转子之间具有一定的气隙，此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。如图所示：1-轴承，2-前端盖，3-转轴，4-接线盒，5-吊环，6-定子铁芯7-转子，8-定子绕组，9-机座，10-后端盖，11-风罩，12-风扇定子部分：定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。（1）外壳：三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。 端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。 轴承盖：也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。 接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。 吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。（2） 定子铁心： 异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35mm0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。 （3）定子绕组：定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为u1, v1, w1 ，末端分别标为u2, v2, w2 。这六个出线端在接线盒里的排列如图所示，可以接成星形或三角形。转子部分： （1）转子铁心：是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。（2）转子绕组：异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机其他部分：包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为0.2mm1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。2）基本工作原理 对称三相定子绕组中通入三相正弦交流电，便产生旋转磁场。旋转磁场切割转子导体，便产生感应电动势和感应电流。感应电流一旦产生便受到旋转磁场的作用，形成电磁转矩，转子便沿着旋转磁场的转向转动起来。三相交流电机的旋转磁场三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。如图所示，u1u2, v1v2, w1w2为三相定子绕组，在空间彼此相隔120，接成y形。三相绕组的首端u1, v1, w1接在三相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。设电源的相序为u, v, w, 的初相角为零，如图波形图所示三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n=60f/p 。旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极n下为南极s。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用表示；在下半部则由外向里，用表示原理：定子旋转磁场以速度n0切割转子导体产生电动势，在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n0方向旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。(n不能等于n0)特点：电动机内必须有一个以n0旋转的磁场。实现能量转换的前提；电动运行时n恒不等于n0（异步）必要条件nn0；建立转矩的电流由感应产生感应名称的来源。流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用，力f的方向可用左手定则确定。电磁力作用于转子导体上，对转轴形成电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向旋转起来，转速为n。三相电动机的转子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n1。因为只有这样，转绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。由此可见n1n ，且nn1 ，是异步电动机工作的必要条件，“异步”的名称也由此而来。 三相异步电动机是根据其工作在额定电压、额定功率以及额定磁通下进行设计的，其磁通m选在了铁心磁化曲线的接近饱和处。m的大小关系到电动机的电磁转矩，并与电动机的工作电流成正比。、2.2.1 三相异步电动机的机械特性：当加在电动机上的电压u为额定电压时，电动机的电磁转矩t转子转速n之间的关系称为电动机的机械特性，即 n=f（t）1)启动转矩tst在n=0(s=1),t=tst点，这点的转矩成为启动转矩tst，也称为堵转转矩。当电动机的负载转矩大于tst时，电动机将不能启动2）额定转矩tn在n=nn(s=sn),t=tn点，这点的转矩称为tn.当电动机工作在额定转矩tn时，sn通常在0.020.06之间，转速在很小的范围内变化时，转矩即可在很大的范围内变化，即工作于额定转矩tn时，电动机具有很硬的机械特性。3）最大转矩tm在n=nl(s=sl),t=tm点，这点的转矩称为最大转矩tm。tm的大小象征着电动机的过载能力，用过载倍数x表示，x=tm/tn。在任何情况下，电动机的负载转矩都不能大于tm，否则电动机转速将急剧下降，致使电动机堵转停止，因此，这一点称为临界转速点。临界转速nl的大小决定了l点的上下位置，从而反映了机械特性的硬度。三相异步电动机的机械特性曲线2.2.2 三相异步电动机的正反转控制要求当按下正转按钮，电动机正转，此时反转按钮不起作用；按下停止按钮，电机断开电源，按下反转按钮，电机连续反转，此时正传不起作用。三相异步电动机正反转梯形图：三相异步电动机指令表：三相步进电机正反转原理图三相异步电机的y启动要求启动时电机接成y型，经过一段时间自动转化为型运行，要求y型断开后，型才能启动，防止y型未断型启动造成电源短路。下图是三项异步电动机y启动控制原理图：2.2.3 三相异步电机的调速1）变极调速三相异步电机的变极调速是有级调速，通过改变磁极对数p，可以得到2：1调速、3：2调速、4：3调速及三速电机等，调速的级数很少，由于磁极对数p取决于定子绕组的结构，而且笼型转子的极数能自动地保持于定子极数相等。所以此调速子适用于特制的笼型异步电动机，这种电动机结构复杂，成本高。2）变转差率调速变转差率调速一般使用于绕线型异步电动机或转差电动机，具体的实现方法很多。比如：转子串电阻的串级调速、调压调速、电磁转差离合器调速等。随着s的增大，电动机的机械特性变软，效率降低。3）变频率调速变频调速具有调速范围宽，调速平滑性好，调速前后不改变机械特性硬度，调速的动态特性好等优点。 第三章 三相步进电机的控制3.1 控制要求(1) 能对三相步进电动机的转速进行控制。 (2) 可实现对三相步进电动机的正、反转控制。 (3) 能对三相步进电动机的步数进行控制。3.2 怎样实现控制要求3.2.1 转速控制 由脉冲发生器产生不同周期 t 的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过三相六拍环行分配器使三个输出继电器 y0 、 y1 和 y2 按照单双六拍的通电方式接通。3.2.2 正反转控制 通过正、反转驱动环节（调换相序），改变 y