基于158GA1现代电气控制系统装置的步进电机运动小车控制应用案例的设计（三菱）

浙江工贸职业技术学院毕业设计(论文)基于158GA1现代电气控制系统装置的步进电机运动小车控制应用案例的设计（三菱）张程皓浙江工贸职业技术学院电子工程系, 班级：电信1502摘要：随着社会主义市场经济的繁华和发展，各个工厂开始采用步进电机与伺服电机控制生产线。各企业为了达到对控制某个部位的控制目的，而其中伺服电机过于昂贵，所以为了节省成本常采用步进电机来进行控制(如自动售货机，打印机，3D打印机，学校教学等)。目前市面上常用的步进电机有二相、三相、四相、五相步进电机，步进电机走的步数，正反转以及工作频率等等均可以使用PLC（可编程控制器）通过共阴极、共阳极接法来驱动步进电机驱动器来进行控制（步进电机驱动器本身有正反转、细分、节流、脱机使能等）。使用PLC控制步进电机的原因在于它有专业的脉冲寄存器可对步进电机发送的脉冲数进行监控实时反馈步进电机的位置等，且电平相对一般控制器来说相对稳定，并且在工控领域内PLC相较于单片机具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。关键词：可编程控制器；步进电机；编码器 一、课题研究的意义步进电机的本质是无刷电机的进一步优化，步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。本质上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电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。广泛应用民用领域(如自动售货机，打印机，3D打印机，学校教学，智能家居等)与工控领域（自动化生产线），三相步进电机的角距大概为1.5度，人们可通过对PWM的调节来改变定子上的磁力致使步进电机的角度做更进一步的细分让它可以做出更小的角度二设计流程（一）步进电机运动小车控制的控制要求第一步系统通过“触摸屏”设置小车的运行距离及运行周期，注意此处小车的运行单位为毫米，在设置完成前面两部后按下启动按钮进入自动运行，小车开始从初始位置1（电涡流传感器1）开始向右快速运行到达位置2（电涡流传感器2），到达位置后小车暂停3s。第二步3s后再以低速运行向右进给至设置距离，暂停2s(期间若到达位置3（电涡流传感器3）则停止工作并报警“越程”)。第三步在距离位置25mm与设置距离位置区域反复运行3个周期。期间若到达位置3（电涡流传感器3）则不会发生报警。但若碰触到轨道的最大极限（左右两个限位开关）时小车停止工作。第四步完成后暂停5s，最后自动返回初始位置1（电涡流传感器1）。第五步返回站点1后，小车运行周期若是没到达设置的运行周期那么小车重复上一个周期的运动直至小车运行周期达到设置周期。第六步在此期间通过触摸屏上的数据令我们知道小车的运行距离。第七步若小车在运行状态下按下停止按钮（触摸屏上设置），小车无论运行到何处立即停止。第八步在小车停止的状态下或工作状态下按下复位按钮小车则立即返回站点1（电涡流传感器1）并停止工作。小车示意图如图1所示。图1 小车示意图（二）设计流程在本次的毕业设计中我们先后经历了理解题目，确定所需零部件，构思框架，设置好I/O，调整工艺（因为在工作时我们缺少扎带所以并未安装）向老师索要触摸屏，步进电机资料，驱动器接线图，三菱FX3U32MT系列的PLC等一系列的毕业设计所需的硬件后开始执行任务。设计构思流程图如图2所示，小车工作流程图如图3所示。图2 构思流程图图3 小车工作流程图三、硬件设计（一）元器件简介1. 小车小车的机构由两个滑动导轨以及一个丝杆滑块组成，以丝杆滑块的左右平移模拟成小车运动的样子，再由步进电机通过连键器连接，经由步进电机的旋转制成小车的动力机构。小车结构如图4所示。图4 小车结构图2. 步进电机本次设计采用步科牌的三相六线制步进电机，他的步距角在1.2，相比较于两相步进电机精准了不少，且步科步进驱动系统作为中德合作的结晶，在产品设计上秉承了德国专业制造的理念，高品质、高可靠性、高稳定性是其重要特点。3.MCGS触摸屏根据题目要求，我们在触摸屏上设定小车启动、停止和复位按钮。然后放置两个输入框用于设定小车的设置距离以及运行周期次数。为了让小车的运行状态更加直观的突出，再用两个输入框读取小车的运行距离，以及小车现在的运行周期次数。最后为了方便监控小车，设置滚动条来记录小车运行的轨迹，组态屏布局如图5所示。图5组态屏布局图（二）FX3U PLC简介可编程序控制器采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。作为自动控制装置的核心，它具有功能强，可靠性高等诸多优点,PLC实验装置采用的是模块化结构，主要模块有可编程序控制器、编程器模块，九种实验模块，按钮、开关输入模块和继电器输出模块，以及四层电梯模型。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动控制，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（Programmable Logic Controller）。可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。PLC更多地具有计算机功能，不仅用逻辑编程取代硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。目前在世界先进工业国家PLC已成为工业控制的标准设备，它的应用几乎覆盖了所有工业，作为工业自动化的三大支柱（PLC技术、机器人、计算机辅助设计和制造）之一的PLC技术，将会跃居主导地位。所以说PLC是现今必不可少的一种工业用的可编程控制器。并且在诸多领域，包括我们的日常生活中都有极其广泛的应用而且在工业的环境中有很好的发展前景。本次选取的是FX3U-32MT型号的PLC，首先我们考虑到我们的步进电机需要脉冲的问题，所以选用FX3U-32MR(继电器型PLC)就不那么合适，只有FX3U-32MT型号的PLC能够满足我们的要求。FX3U-32MT它拥有Y0与Y1两个高速脉冲输出口及21个共三组高速计数器。而且相对于其他系列的PLC（如西门子，欧姆龙等）它具有价格低廉，处理速度快，最高能达到0.065us/基本指令，内置64K大容量存储器，大幅增加了内部软元件的数量，且其编程软件GX developed更是内置SFC、梯形图、指令语句表三种变成语言大大的增加了PLC编程的多样性、可选择性，还有交叉引用，软元件查找/替换等功能提高了编程的简易度。（三）所需器件及材料本设计所需器件及材料见表1。表1材料清单材料个数材料个数步科牌步进电机1导线若干步进电机驱动器1压线端子10024v开关电源1MCGS触摸屏11k电阻2FX3U PLC1小车架子1电涡流传感器3限位开关2端子连接器2光纤数据线1连键器1（四）I/O接线图 PLC的I/O接线图如图7所示。图6 步进电机运动小车控制I/O接线图四、软件设计（一）编程方法SFC简介顺序功能图（SequeentialFunctionChart）是一种新颖、按工艺流程图进行编程的图形化编程语言，也是一种符合国际电工委员会（IEC）标准，被首选推荐用于可编程控制器的通用编程语言，在PLC应用领域中应用广泛及推广。采用SFC进行PLC应用编程的优点如下：在程序中可以直观地看到设备的动作顺序。SFC程序是按照设备（或工艺）的动作顺序而编写，所以程序的规律性较强，容易读懂，具有一定的可视性。在设备发生故障时能很容易的找出故障所在位置。梯形图程序与SFC程序可以分成两块来写，大大减小了程序的冲突。SFC程序可以随时转换成梯形图程序。不需要复杂的互锁电路，更容易设计和维护系统。（二）程序流程图本次程序采用SFC顺序功能图，描述了小车工作的流程。其中PLC的初始化程序应用于计算与启动，完整的梯形图见附录一。顺序功能图如图7所示，具体步进程序见附录二。图7 PLC顺序功能程序图（二）I/O分配表 步进电机运动小车控制I /O分配表见表2。表2 步进电机运动小车控制I/O分配表X0编码器AX1编码器BX2站点三限位X3站点一限位X4站点二限位X7左限位X10右限位Y0步进电机脉冲Y2步进电机方向（三）程序分析1.启动停止与复位分析程序里的M0、M1、M2是辅助继电器，按下启动按钮M0，他会自锁M10运行，若按下M1或者碰到X006/X010（左右限位）以及M44(站点三报警)则会停止运行，按下M2则是回到复位（回到站点一），启动、停止与复位梯形图如图8所示。图8启动、停止和复位梯形图2.站点一至站点二分析开机运行M0，则M10（运行标志位）自锁，若小车在X003（站点1）处，且运行周期大于1（M6自锁，运行周期大于1才能工作）则M20（站点1至站点2运行标志位）工作，经过定时器T1一秒延时小车方向位Y2置1，输送1KHZ的（k0在PLSY的指令中代表的是无穷大）脉冲给小车并在站点二（X004）时停止工作，在延时三秒后T0清空M8140（脉冲监控寄存器）并跳入S10。站点一至站点二梯形图如图9所示。图9站点一至站点二梯形图3.站点二至设定距离分析通过T0跳入S10，M10在此作为总开关且位置未在站点3，M21（站点二至设定距离运行标志位）启动，M21控制Y0输送300KHZ的x（设定值D10）的脉冲数给步进电机做慢速运动，并设定工作方向为向右运动（把Y002置1），当这里的M8140（脉冲监控寄存器）等于D10（设定距离值）时T2定时器延时等待2000毫秒，M23(到达运行标志位)立即启动，M21断开，步进电机立即停止工作，T2延时时间到达清空M8140为下次监控脉冲数做准备并跳至S11。站点二至设定距离梯形图如图10所示。在尚未到达设定距离的工作期间如果超过范围到达X002（站点3限位），M44(报警标志位)运行，而后M10（运行标志位）断开，步进电机立即停止工作触摸屏报警指示灯报警。图10站点二至设定距离梯形图4.设定距离至25mm进给分析M10运行标志位通则M24(25mm运行标志位)通，M24控制Y000输出1KHZ的6250（25mm换算）的脉冲给步进电机做进给运动，并设定工作方向为向右运动（Y002置1），当M8140检测到Y000发送完毕了6250个脉冲时，T4（电机正反转保护）延时200ms，接通M26，清空M8140数据，为下次监控脉冲数做准备，并跳入S13。设定距离至25mm梯形图如图11所示。图11设定距离至25mm梯形图M10运行标志位通则M25(回到设定距离标志位)通，M25控制Y000输出1KHZ的6250（25mm换算）的脉冲，方向向左（Y002复位），当M8140检测到Y000发出了6250个脉冲时，T3（电机正反转保护）延时200ms，接通M27，清空M8140数据，跳入S11。C2次数加1，当C2通时跳入S14,C2不通则跳入S11继续执行三周期运动，直至结束。设定距离至25mm进给梯形图如图12 所示。图12设定距离至25mm进给梯形图5.返回站点1分析M10运行标志位通则复位C2（三周期循环标志位），T10延时5秒，T10通控制Y000向左运动（K0代表无穷）直至站点1X003（电涡流传感器1）停止，期间M43控制C2（运行周期标志位），要是周期未到达设定周期数（也就是C2计数器条件为满足）从S0开始重复执行直至周期结束。C2计数器的值由D40数据寄存器提供，D40来源于触摸屏的设置周期框设置，且D40必须大于1。返回站点1梯形图如图13所示。图13返回站点1梯形图五、调试与完善在调试期间为了让脉冲数与编码器及要求的毫米有所联系，又因触摸屏计算数据泰国麻烦，我们采用了PLC进行计算距离的公式，其中D0作为PLC的设定距离要测量出毫米的距离十分之困难，我们只能退而求其次先计算厘米的大概值，在经过调整计算与正常的数值的误差，得到一个误差在2mm内的计算公式,而且在调试过程中步进电机还会因频率过快而失步与频率过慢抖动声过大等一系列的问题，所幸在老师的帮助下这些问题得到了解决。计算方式见表3所示。表3 PLC与触摸屏计算方式数据寄存器作用PLC关联来源计算D0触摸屏的设定距离D10触摸屏写入D10=D0*250D40触摸屏的设定周期C5触摸屏写入D80触摸屏的监控距离D150PLC 编码器输出D80=D150/250D50触摸屏的监控运行周期C5PLC输出六、结束语经过这次的进一步的增强，加深了对PLC它们的理解，并对PLC产生了浓厚的兴趣，但是我也深深的知道自己的不足之处，比如说对应用指令的不熟悉，加深了我在书写程序是的难度，在学习过程中的种种困难通过对老师的提问与上网的搜索得到了解决，扎实的理论功底且具有相当实践能力的人才必不可少。在这次的课程中，我发现PLC在工业控制中的作用很大，它能使人的控制转变成电脑的控制，大大地降低了产品的成本，很大地提高生产效率。学习的过程是痛苦的，但是收获成功的喜悦更是让人激动的。相信通过这次课程设计它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。参考文献1廖常初.S7-200PLC基础教程M.北京：机械工业出版社，2006.72赵相宾.可编程控制器技术与应用系统设计M.机械工业出版社，2002.23廖常初.PLC编程及应用M.机械工业出版社，2005.84胡学林.可编程