五相十拍步进电机.doc

机机电电传传动动与与控控制制综综合合 课课程程设设计计 设设计计说说明明书书 设计题目设计题目 五相十拍 五相十拍 2 32 3 步进电机 步进电机 控制程序设计控制程序设计 院系名称 院系名称 机电工程学院机电工程学院 专业班级 专业班级 机制机制 F09F09 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 2009480520094805 指导教师 指导教师 王宗才王宗才 2012 年年 12 月月 05 日日 内容摘要内容摘要 本文主要是介绍采用可编程控制器 PLC 对五相十拍步进电机进行控制的设计原 理及方法进行分析 其中步进电动机具有快速起停 精确步进和定位等特点 是一种 控制精度极高的电机 常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件 可编程控制器是工 业自动化设备的主导产品 具有控制功能强 可靠性高 适用于不同控制要求的各种 控制对象等优点 本文详细的介绍了用 PLC 控制步进电机系统的原理 及硬件和软件设计方法 其 内容主要包括 I O 地址分配 PIC 外部接线图 控制流程图 主电路图 梯形图 元件 清单以及语句表 本文设计过程中使用了十六位移位寄存器 大大简化了程序的设计 使程序更间凑 方便了设计 在实际应用中表明此设计是合理有效的 关键词关键词 PLC 梯形图 元件清单 五相十拍步进电机 1 目目 录录 第第 1 1 章章 引言引言 1 第第 2 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 2 1 程序设计的基本思路 2 2 2 五相步进电动机的控制要求 2 2 3 方案原理分析 2 第第 3 3 章章 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 4 3 1 设计流程分析 4 3 1 1 控制流程图 4 3 1 2 电机工作过程图 5 3 2 I O 地址分配表 5 3 3 PLC 外部接线图 6 3 4 主电路 7 3 5 元件清单 8 3 6 程序设计 8 3 6 1 步进控制设计 8 3 6 2 梯形图设计 10 3 7 调试说明 11 第第 4 4 章章 设计总结设计总结 12 致致 谢谢 13 参考文献参考文献 14 附附 录录 15 附录一 程序梯形图 15 附录二 程序语句表 20 1 第第1 1章章 引言引言 步进电机作为执行元件 是电气自动化的关键产品之一 广泛应用在各种自动化 控制系统和精密机械等领域 步进电动机具有快速起停 精确步进和定位等特点 所 以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件 目前 比较典型的控制方法是用单片 机产生脉冲序列来控制步进电机 但采用单片机控制 不仅要设计复杂的控制程序和 I O 接口电路 实现比较麻烦 基于 PLC 控制的步进电动机具有设计简单 实现方便 参数设计置灵活等优点 步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中 如机器人 打印机 软盘驱动器 绘图仪 机械阀门控制器等 矩角特性是步进电机 运行时一个很重要的参数 矩角特性好 步进电机启动转矩就大 运行不易失步 改 善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现 对五相十拍步进电机的控制 主要分为两个方面 五相绕组的接通与断开顺序控 制 正转顺序 ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB 反转顺序 ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB 以及每个步距角的行进速 度 围绕这两个主要方面 可提出具体的控制要求如下 1 可正转或反转 2 运行过程中 步进三种速度可分为高速 0 05S 中速 0 3S 低速 0 5S 三档 并可随时手控变速 由于 CPU 对程序的串行扫描工作方式 会造成输入输出的滞后 而由扫描方式引 起的滞后时间 最长可达两个扫描周期 程序越长 这种滞后越明显 则控制精度就 越低 因此 在实现控制要求的基础上 应使程序尽量简洁 紧凑 另一方面 同一 控制对象 根据生产的工艺流程不同 控制要求或控制时序会发生变化 此时 要求 程序修改方便 简单 即要求程序有较好的柔性 以移位寄存器指令为步进控制的主 体进行程序设计 可较好的满足上述设计要求 下面介绍一种基于 PLC 的步进电机控制的方法 2 第第2 2章章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 12 1 程序设计的基本思路程序设计的基本思路 由于 CPU 对程序的串行扫描工作方式 会造成输入输出的滞后 而由扫描方式引 起的滞后时间 最长可达两个扫描周期 程序越长 这种滞后越明显 则控制精度就 越低 因此 在实现控制要求的基础上 应使程序尽量简洁 紧凑 另一方面 同一 控制对象 根据生产的工艺流程不同 控制要求或控制时序会发生变化 此时 要求 程序修改方便 简单 即要求程序有较好的柔性 以移位寄存器指令为步进控制的主 体进行程序设计 可较好的满足上述设计要求 2 22 2 五相步进电动机的控制要求五相步进电动机的控制要求 1 五相步进电动机有五个绕组 A B C D E 正转顺序 ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB 反转顺序 ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB 2 用五个开关控制其工作 1 号开关控制其运行 启 停 2 号开关控制其低速运行 转过一个步距角需 0 5 秒 3 号开关控制其中速运行 转过一个步距角需 0 1 秒 4 号开关控制其低速运行 转过一个步距角需 0 03 秒 5 号开关控制其转向 ON 为正转 OFF 为反转 2 32 3 方案原理分析方案原理分析 在对五相十拍步进电机的控制中 主要分为两个方面 五相绕组的接通与断开顺 序控制以及正反向调节和调速功能 正转顺序 ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB 反转顺序 ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB 五相步进电动机有五个绕组 A B C D E 控制步进电动机五相十拍的时序图 如图2 1所示 3 a 步进电动机五相十拍正转时序图 b 步进电动机五相十拍反转时序图 图2 1 控制步进电动机五相十拍的时序图 2 4 1 方案一 每种速度调节均利用十个定时器实现其绕组延时通断 从而实现步进电动机的步 进要求 在换向时 同样计时器可以完成相应的计时工作 以满足设计要求 2 4 2 方案二 利用移位寄存器进行脉冲输入控制 利用计数器和移位寄存器进行相应的计时 以满足不同的步进速度 从而实现速度可调的要求 通过不同的通电顺序控制 实现 电动机的正反转控制 在实现控制要求的基础上 应使程序尽量简洁 紧凑 另一方面 同一控制对象 根据生产的工艺流程不同 控制要求或控制时序会发生变化 此时 要求程序修改方 便 简单 即要求程序有较好的柔性 经分析和指导老师的建议最终决定选择方案二 计时更加方便 所用的原件数大大减少 使控制更加可靠安全 4 第第3 3章章 PLCPLC 控制系统设计控制系统设计 3 13 1 设计流程分析设计流程分析 3 1 13 1 1 控制流程图控制流程图 图 3 1 控制流程图 Y 按下停止按钮 首次选择步进速度 启 停 正转或反转 位移寄存器赋初值 低速中 速 高速 发出位移脉冲 执行位移 位移输出控制电机步进 十拍计数 开始 5 由于上述具体控制要求 可作出步进电机在运行时的程序框图 如图3 1所示 以工作框图为基本依据 结合考虑控制的具体要求 首先可将梯形图程序分为4个模块 进行编程 即模块1 步进速度选择 模块2 起动 停止 模块3 正转 反转 模块 4 移位控制功能模块 模块 5 A B C D E 五相绕组对象控制 然后 将各模 块进行连接 最后经过调试 完善 实现控制要求 3 1 23 1 2电机工作过程图电机工作过程图 五台电动机采用五相十拍作顺序循环控制 电机的工作过程如下图所示 图 3 2 电机工作过程图 3 23 2 I OI O 地址分配表地址分配表 表 3 1 I O 地址分配表 控制信号控制信号信号名称信号名称元件名称元件名称元件符号元件符号地址编码地址编码 启 停控制常开按钮 SB1I0 0 低速调速常开按钮 SB2I0 1 中速调速常开按钮 SB3I0 2 高速调速常开按钮 SB4I0 3 输 入 信 号 正 反转控制单刀双制开关 QSI0 4 输出端子A 端子 AQ0 0 输出端子B 端子 BQ0 1 输出端子C 端子 CQ0 2 输出端子D 端子 DQ0 3 输 出 信 号 输出端子E 端子 EQ0 4 6 3 33 3 PLCPLC 外部接线图外部接线图 PLC 外部接线图的输入输出设备 负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求 来设定 根据上图的 I O 分配表通过查阅手册选择 S7 200 CPU222基本单元 8入 6出 1台步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如下图所示 图 3 3 外部接线图 7 3 43 4 主电路主电路 主电路中通过交流接触器实现换向功能 分别闭合主触电 KM1 KM2实现正反转换 向 当然 对于步进电动机通过通电顺序的不同可以实现其正反转控制 图3 4 步进电机正反转控制主电路 8 3 53 5 元件清单元件清单 表3 2 元件清单 序号符号名称型号单位数量 1CPU222XPPLC6ES7214 2BD23 0XB8 台 1 2M 步进电机 86BYGH5430 台 1 3FU 熔断器 rm10 个 2 4SB 按钮开关 la19 11d 个 5 5QS 刀开关 HD11F 100A 38 个 1 6KM 交流接触器 CJX2 0901 个 2 7KT 时间继电器 H3Y 2 个 4 8FR 断路器 5SJ6320 7CC20 个 1 3 3 6 6 程序设计程序设计 3 6 13 6 1 步进控制设计步进控制设计 采用移位指令进行步进控制 首先指定移位寄存器 MW0 按照五相十拍的步进顺 序 移位寄存器的初值见表 3 3 表 3 3 移位寄存器初值 M1 1 M1 0 M0 7 M0 6 M0 5 M0 4 M0 3 M0 2 M0 1 M0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 每右移 1 位 电机前进一个布局角 一拍 完成十拍后重新赋初值 其中 M1 2 M1 3 M1 4 M1 5 M1 6 和 M1 7 始终为 0 据此 可作出移位寄存器输 出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表 如表 3 4 3 5 所示 从而得出五相绕组 的控制逻辑关系式 9 正转时 A 相 Q0 0 M1 1 M0 3 M0 2 M0 1 M0 0 B 相 Q0 1 M1 1 M1 0 M0 7 M0 1 M0 0 C 相 Q0 2 M1 1 M1 0 M0 7 M0 6 M0 5 D 相 Q0 3 M0 7 M0 6 M0 5 M0 4 M0 3 E 相 Q0 4 M0 5 M0 4 M0 3 M0 2 M0 1 反转时 A 相 Q0 0 M1 1 M1 0 M0 7 M0 6 M0 0 B 相 Q0 1 M1 1 M1 0 M0 2 M0 1 M0 0 C 相 Q0 2 M0 4 M0 3 M0 2 M0 1 M0 0 D 相 Q0 3 M0 6 M0 5 M0 4 M0 3 M0 2 E 相 Q0 4 M1 0 M0 7 M0 6 M0 5 M0 4 表 3 4 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表 正转 移位寄存器 MW0正转 M1 1M1 0M0 7M0 6M0 5M0 4M0 3M0 2M0 1M0 0ABCDE 100000000011100 010000000001100 001000000001110 000100000000110 000010000000111 000001000000011 000000100010011 000000010010001 000000001011001 000000000111000 10 表 3 5 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表 反转 3 6 23 6 2 梯形图设计梯形图设计 启停使用单按钮控制 梯形图设计如下 首先 按 SB2 SB3或 SB4 初次选择一种 步进速度 五相步进电动机的速度由定时器 T33控制 把三个值50 10 3分别送到 VW100可得到低速 中速 高速三种速度 再按 SB1 I0 0 M2 0得电 移位寄存器赋 初值 电机开始转动 且定时器开始计时 到设定值时 T33得电动作 移位寄存器值 右移一位 C1计数一次 然后 T33重新计时 计数十次后动作 C1使移位寄存器重新赋 值 依次循环 QS 控制正反转 ON 时 I0 4得电 五相步进电动机正转 OFF 时 I0 4 失电五相步进电动机为反转 再按一下 SB1 C0动作 M2 0失电 C1复位电机停止转动 梯形图是 PLC 编程的高级语言 所有 PLC 厂家的 PLC 产品均支持梯形图语言编程 利用梯形图编程器可以建立与电气原理图相类似的程序 具有梯级或网络段结构 有利 于程序的阅读理解 运行调试和修正很容易被 PLC 编程人员和维护人员接受和掌握 鉴于这个原因 在此次课程设计中选择用 PLC 梯形图语言进行程序编写 使可视化程 度更好 具体程序梯形图见附录一 虽然梯形图易于掌握 结构简便 但梯形图不能被 PLC 识别 无法在 PLC 中直接 运行 把梯形图通过人工编译的方式转换为语句表又较为复杂 而在 STEP7 移位寄存器 MW0反转 M1 1M1 0M0 7M0 6M0 5M0 4M0 3M0 2M0 1M0 0ABCDE 100000000011000 010000000011001 001000000010001 000100000010011 000010000000011 000001000000111 000000100000110 000000010001110 000000001001100 000000000111100 11 MICRO WINSP4系统中可以直接将梯形图识别 编译成 PLC 直接识别的指令序列 具体 生成的程序语句表见附录二 12 3 73 7 调试说明调试说明 在电脑上安装 STEP7 Micro WIN32 软件 将程序输入 STEP7 Micro WIN32 软件中 在电脑上进行语法检查 初步仿真调试 在检查无误后 导出程序 打开老师给的离 线模拟软件 选择合适的 CPU 并载入已经到处的程序段进行仿真模拟运行 仿真界面 如下图 3 5 所示 图 3 5 模拟程序运行图 然后老师组织大家去实验室 将 PLC 程序传入程序控制器中 对各个输入 I O 口 给信号处理 看各个输出口是否有相应的输出 如果没有按照设计要求输出 对程序 进行更改 直到各输出口有相应的输出 最终使整个系统能准确 可靠的工作 13 第第4 4章章 设计总结设计总结 机电控制技术是一门侧重应用方向的学科 所以要多一点实践 不要看不起小的 项目 在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法 总结中不断进步 在学完 PLC 理论课程后我们做了课程设计 此次设计以分组的方式进行 每组有 一个题目 由于平时大家都是学理论 没有过实际开发设计的经验 拿到的时候都不 知道怎么做 但通过各方面的查资料并学习 我们基本学会了 PLC 设计的步聚和基本 方法 分组工作的方式给了我与同学合作的机会 提高了与人合作的意识与能力 通过这次设计实践 我学会了 PLC 的基本编程方法 对 PLC 的工作原理和使用方 法也有了更深刻的理解 在对理论的运用中 提高了我们的工程素质 在没有做实践 设计以前 我们对知道的撑握都是思想上的 对一些细节不加重视 在课程设计过程 中我了解到 PLC 并不是一门单一的编程技术 它是一门系统专业课程 PLC 可以广义 的认为是一台背嵌入操作系统的高可靠性 PC 机 首先需要精深 PLC 本身的编程语言梯 形图 语句表语言 达到这个水平你只能读懂编好的程序 并可以设计一些工程需要 程序 在一些大型程序中还需要用到数据库的知识 LC 入门很快但要不断进取努力 通过合作 我们的合作意识得到加强 合作能力得到提高 上大学后 很多同学 都没有过深入的交流 在设计的过程中 我们用了分工与合作的方式 每个人互责一 定的部分 同时在一定的阶段共同讨论 以解决分工中个人不能解决的问题 在交流 中大家积极发言 和提出意见 同时我们还向别的同学请教 在此过程中 每个人都 想自己的方案得到实现 积极向同学说明自己的想法 能过比较选出最好的方案 在 这过程也提高了我们的表过能力 在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见 在学习的过程中 不是每一个 问题都能自己解决 向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法 不是有句话叫做思 而不学者殆 做事要学思结合 14 致致 谢谢 设计过程中我的指导老师给予了我很大的指导和帮助 在此我首先表示感谢 本课题在选题及研究过程中王宗才老师多次询问研究进程 并为我指点迷津 帮助 我开拓研究思路 精心点拨 热忱鼓励 老师以其严谨求实的治学态度 高度的敬业 精神 兢兢业业 孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响 他 渊博的知识 开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪 在他的引导下 我认识了 有了设计的思路 极大的开拓了我的学术视野 也为本篇设计打下了理论基础 在这次设计中王老师又给我提出了许多宝贵的意见 虽然我遇到了许多困难 但是 我及时的和老师讨论这些问题 最终问题都迎刃而解了 减少了我在这次设计中的困 惑和完成时间 在论文撰写方面更是给予了方向性的指导和建设性的意见和建议 最后感谢在大学三年半期间 传授我知识的老师们 感谢在学习和生活上给予我帮 助的同学们 没有他们的帮助就没有我今天的成绩 经过两周的学习 本次课程设计 已经接近尾声 作为一个在校学生 由于经验的匮乏 难免有许多考虑不周全的地方 毕竟这次设计是我第一次进行电气全面和系统的设计 疏漏和不足之处在所难免 可 能存在许多细节未做到及时处理 请老师指正 以帮助我不断提高 不断进步 我相 信通过这次全面系统的设计以及在这个过程中各位老师的不断点拨 在今后的工作中 我一定会做到更好 15 参考文献参考文献 1 张万忠 刘明芹 电气与 plc 控制技术 北京 化学工业出版社 2003 2 程子华 PLC 原理与实例分析 北京 国防工业出版社 2006 3 廖常初 PLC 编程及应用 北京 机械工业出版社 2005 4 高钦和 可编程控制器应用技术及其设计实例 北京 高等教育出版社 2004 5 李缓 PLC 原理与应用 北京 北京邮电大学出版社 2005 6 林明星 电气控制及可编程序控制器 M 北京 机械工业出版社 2004 7 周淑珍 高鸿斌 PLC 分析与设计应用 北京 电子工业出版社 2004 8 张万忠 电器与 PLC 控制技术第二版 北京 化学工业出版社 2007 9 肖清 王忠峰编 西门子 PLC 课程设计指导书 江西理工大学应用科学学院 10 肖清 王忠峰 电器与 PLC 控制技术实验指导书 江西理工大学应用科学学院 11 易泓可主编 电气控制系统实际基础与范例 北京 机械工业出版社 2005 12 李道霖 电气控制与 PLC 原理及应用 M 北京 电子工业出版社 2004 16 附附 录录 附录一附录一 程序梯形图程序梯形图 17 18 19 20 21 附录二附录二 程序语句表程序语句表 TITLE PROGRAM COMMENTS Network 1 Network Title 定义开关按钮 LD I0 0 O M2 0 A C0 M2 0 Network 2 定义开关按钮 LD I0 0 LD C0 CTU C0 2 Network 3 选择低速 LD I0 1