毕业设计—基于plc的步进电机控制系统设计.doc

大学毕业设计 基于 PLC 步进电机控制系统 摘 要 随着微电子和计算机技术的发展 步进电机的需求量与日俱增 它广泛用 于打印机 电动玩具等消费类产品以及数控机床 工业机器人 医疗器械等机 电产品中 其在各个国民经济领域都有应用 研究步进电机的控制系统 对提 高控制精度和响应速度 节约能源等都具有重要意义 步进电机是将电脉冲信号变换成机械角位移的一种装置 每个脉冲使转轴 步进一个步距角增量 输出角位移与输入脉冲数成正比 转速与输入脉冲成正 比 转速与输入脉冲频率成正比 步进电机的控制方式简单 属于开环控制 且无累积定位误差 有较高的定位精度 而 PLC 作为一种工业控制微机 是实 现电机一体化的有力工具 因此基于 PLC 的步进电机控制技术已广泛用于数字 定位控制中 本控制系统的设计 由硬件设计和软件设计两部分组成 其中 硬件设计 主要包括步进电机的工作原理 步进电机的驱动电路设计 PLC 的输入输出特 性 PLC 的外围电路设计以及 PLC 与步进电机的连接与匹配等问题的实现 软 件设计包括主程序以及各个模块的控制程序 最终实现对步进电机转动方向及 转动速度的控制 本系统具有智能性 实用性及可靠性的特点 关键词 步进电机 PLC 转速控制 方向控制 大学毕业设计 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 大学毕业设计 大学毕业设计 目录 1 绪论 1 1 2 问题的提出 3 1 3 设计目的及系统功能 4 2 PLC 控制步进电机系统简介 5 2 1 PLC 控制系统 5 2 1 1 PLC 概述 5 2 1 2 PLC 系统的其它设备 9 2 1 3 PLC 的通信联网 9 2 1 4 PLC 控制系统的设计基本原则 9 2 1 5 PLC 软件系统及常用编程语言 9 2 1 6 PLC 的特点 10 2 1 7 PLC 的应用领域 11 2 1 8 PLC 未来展望 12 2 2 步进电机 13 2 2 1 步进电机概述 13 2 2 2 步进电机的特性 13 2 2 3 与直流电机的比较 14 2 2 4 步进电机的种类 16 2 2 5 反应式步进电机的控制 17 2 3 本设计所用步进电机 20 3 硬件电路设计 22 3 1 硬件设计思路 22 3 2 总体设计框图 22 3 3 外围电路设计及分析 23 3 3 1 键盘控制电路 23 3 3 2 步进电动机驱动电路 25 2 6 3 LED 数码显示电路 29 3 4 步进电机控制系统电路图 32 4 软件设计 33 4 1 可编程控制器软件设计原理 33 4 1 1 可编程序控制器的工作原理 33 4 1 2 扫描周期 34 4 2 PLC 的选型 35 4 2 1 输入输出 I O 点数的估算 35 4 2 2 存储器容量的估算 35 4 2 3 控制功能的选择 35 4 2 4 机型的选择 37 4 3 FX2N可编程序控制器简介 38 4 4 PLC 控制程序设计 39 大学毕业设计 4 4 1 PLC 控制系统的设计基本原则 39 4 4 2 PLC 编程步骤 39 4 4 3 PLC 提供的编程语言 39 4 5 1 启动停止控制环节 41 4 5 2 PLC 实用驱动电源控制环节 42 结 论 46 致 谢 47 参 考 文 献 48 附录 49 大学毕业设计 第 1 页 共 61 页 1 绪论 1 1 技术概述 在电气时代的今天 电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的 作用 无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器 都大量地使用着各 种各样的电动机 因此对电动机的控制变得越来越重要了 电动机的控制技术 的发展得力于微电子技术 电力电子技术 传感器技术 永磁材料技术 自动 控制技术 微机应用技术的最新发展成就 正是这些技术的进步使电动机控制 技术化 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构 其原理是通过对它每相线圈 中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转 驱动电路由脉冲信号来控制 所 以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速 通俗地说 当步进驱动器接收 到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 及步进 角 通过控制脉冲个数即可以控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时 通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 现 在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 VR 永磁式步进电机 PM 混合 式步进电机 HB 和单相式步进电机等 永磁式步进电机一般为两相 转矩和体 积较小 步进角一般为 7 50 反应式步进电机一般为三相 可实现大转矩输出 步进角一般为 1 50 但噪声和振动都很大 反应式步进电机的转子磁路由软磁 材料制成 定子上有多相励磁绕组 利用磁导的变化产生转矩 混合式步进电 机是指混合了永磁式和反应式的优点 它又分为两相和五相 两相步进角一般为 1 8 而五相步进角一般为 0 720 这种步进电机的应用最为广泛 步进电机的一些基本参数 电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号 电机所转动的角 度 电机出厂时给出了一个步距角的值 如 86BYG250A 型电机给出的值为 0 90 1 80 表示半步工作时为 0 90 整步工作时为 1 80 这个步距角可以称之为 电机固有步距角 它不一定是电机实际工作时的真正步距角 真正的步距 角和驱动器有关 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数 目前常用的有二相 三相 四 相 五相步进电机 电机相数不同 其步距角也不同 一般二相电机的步距角 为 0 90 1 80 三相的为 0 750 1 50 五相的为 0 360 0 720 在没有细分驱动器时 大学毕业设计 第 2 页 共 61 页 用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求 如果使用细分 驱动器 则 相数 将变得没有意义 用户只需在驱动器上改变细分数 就可 以改变步距角 保持转矩 是指步进电机通电但没有转动时 定子锁住转子的力矩 它是 步进电机最重要的参数之一 通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩 由 于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减 输出功率也随速度的增大而 变化 所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一 比如 当人们说 2 N m 的步进电机 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2 N m 的步进电AA 机 步进电机的一些特点 a 一般步进电机的精度为步进角的 3 5 且不累积 b 步进电机外表允许的最高温度 c 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁 从而导致力矩下降乃 于失步 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点 一 般来讲 磁性材料的退磁点都在 130 C 以上 有的甚至高达 200 C 以上 所 以步进电机外表温度 80 C 90 C 完全正常 d 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 e 当步进电机转动时 电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 频率越 高 反向电动势越大 在它的作用下 电机随频率 或速度 的增大而相电流减 小 从而导致力矩下降 f 步进电机低速时可以正常运转 但若高于一定速度就无法启动 并伴有啸 叫声 介绍步进电机的一个技术参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下 能够正常启动的脉冲频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能 发生丢步或堵转 在有负载的情况下 启动频率应更低 如果要使电机达到高 速转动 脉冲频率应该有加速过程 即启动频率较低 然后按一定加速度升到 所希望的高频 电机转速从低速升到高速 g 步进电动机以其显著的特点 在数字化制造时代发挥着重大的用途 伴 随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高 步进电机将会在 更多的领域得到应用 PLC 全称可编程控制器 是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出 来的 并逐渐发展成为以微机处理器为核心 把自动化技术 计算机技术 通 大学毕业设计 第 3 页 共 61 页 信技术融为一体的新型工业控制装置 目前 PLC 已被广泛应用于各种生产机 械和生产过程的自动控制中 成为一种最重要 最普及 应用场合最多的工业 控制装置 被公认为现代工业自动化的三大支柱 PLC 机器人 CAD CAM 之一 从近年的统计数据看 在世界范围内 PLC 产品的产量 销量 用量高居工 业控制装置榜首 而且市场需求量一直以每年 15 的比率上升 我国的 PLC 研 兰云芳 294404413 2 制 生产 和应用也发展的很快 尤其在应用方面更为突 出 PLC 技术之所以高速发展 除了工业自动化的客观需要之外 主要是因为 它具有很多独特的优点 较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠 安全 灵 活 经济问题 PLC 可靠性高 抗干扰能力强 其平均无故障时间可达几十万 个小时 之所以有这么高的可靠性 是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗 干扰措施 其次 PLC 编程简单 使用方便 目前大多数 PLC 采用的编程语言 是梯形图语言 梯形图与电器控制线路相似 形象 直观 不需要掌握计算机 知识 很容易被广大工程技术人员掌握 然后 PLC 功能完善 通用性强 设计 安装简单 维护方便 最后 PLC 采用了集成电路 其结构紧凑 体积小 能 耗低 是实现机电一体化的理想控制设备 因此 目前 PLC 已广泛的应用于冶金 石油 化工 建材 机械制造 电 力 汽车 轻工 环保及文化娱乐等各个行业 随着 PLC 性价比的不断提高 其应用领域还将不断扩大 为此本文主要研究基于 PLC 的步进电机控制系统 实现 PLC 与步进电机的一体化问题 1 2 问题的提出 二十一世纪的今天 电动机在工农业生产 人们日常生活中起着十分重要 的作用 步进电机是最常见的一种控制电机 在各领域中得到广泛应用 步进 电机作为执行元件 是机电一体化的关键产品之一 广泛应用在各种自动化控 制系统中 随着微电子和计算机技术的发展 步进电机的需求量与日俱增 在各个国 民经济领域都有应用 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 当 步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固 定的角度 称为 步距角 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的 可以 大学毕业设计 第 4 页 共 61 页 通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达到准确定位的目的 同时可以通过 控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电 机可以作为一种控制用的特种电机 其优点是结构简单 运行可靠 控制方便 尤其是步距值不受电压 温度的变化的影响 误差不会长期积累的特点 给实 际的应用带来了很大的方便 它广泛用于消费类产品 打印机 照相机 工业 控制 数控机床 工业机器人 医疗器械等机电产品中 研究步进电机的控制 和测量方法 对提高控制精度和响应速度 节约能源等都具有重要意义 为此 本文设计了一个基于 PLC 的步进电机控制系统 可以实现对步进电机转动速度 和转动方向的高效控制 1 3 设计目的及系统功能 本设计的目的是以单片机为核心设计出一个步进电机控制系统 本系统采 用 FX2N 系列 PLC 作为控制单元 通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度 的控制 并且将步进电机的转动速度动态显示在 LED 数码管上 通过本课题 一方面我们在查阅资料的基础上 了解 FX2N 系列 PLC 控制的 一些基本技术 掌握其控制系统的分析方法与实现方法 能对 PLC 外围电路设计 进行系统学习与掌握 另一方面 通过设计步进电机控制系统的硬件电路 控 制程序和相应的电路图 以此培养自己的自学和动手能力 从而为今后参加工 作或进一步深造打下良好的基础 设计的步进电机控制系统有以下功能 1 步进电机的启停控制 2 步进电机的正反转控制 3 步进电机的加速控制 4 步进电机的减速控制 5 步进电机通电方式改变的控制 大学毕业设计 第 5 页 共 61 页 2 PLC 控制步进电机系统简介 2 1 PLC 控制系统 2 1 12 1 1 PLPLC C 概述概述 1 PLC 的基本概念 可编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是 为工业控制应用而设计制造的 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 它主要用来代替继电器实 现逻辑控制 随着技术的发展 这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的 范围 因此 今天这种装置称作可编程控制器 简称PC 但是为了避免与 个人计算机 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程控制器简称 PLC PLC 即可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算机技 术为基础的新型工业控制装置 在 1987 年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工 业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 2 PLC 的基本结构 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机 其硬件结构基本上与微型计 算机相同 如图所示 a 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是 PLC 的控制中枢 它按照 PLC 系统程序赋予的功 能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O 大学毕业设计 第 6 页 共 61 页 以及警戒定时器的状态 并能诊断用户程序中的语法错误 当PLC 投入运 行时 首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据 并分别存入 I O 映象区 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序 经过命令解释后 按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I O 映象区或数据寄存器内 等所有的用户程序执行完毕之后 最后将I O 映象区的各输出状态或输出 寄存器内的数据传送到相应的输出装置 如此循环运行 直到停止运行 为了进一步提高 PLC 的可靠性 近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成 冗余系统 或采用三 CPU 的表决式系统 这样 即使某个 CPU 出现故障 整个系统仍能正常运行 b 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器 C 电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用 如果没有一个良好的 可靠的电源系统是无法正常工作的 因此PLC 的制造商对电源的设计和制 造也十分重视 一般交流电压波动在 10 15 范围内 可以不采取其它 措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去 3 PLC 的工作原理 一 扫描技术 当 PLC 投入运行后 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户 程序执行和输出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一个扫描周期 在整 个运行期间 PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段 一 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有 输入状态和数据 并将它们存入 I O 映象区中的相应得单元内 输入采样 结束后 转入用户程序执行和输出刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入状 态和数据发生变化 I O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变 因 此 如果输入是脉冲信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期 才 能保证在任何情况下 该输入均能被读入 二 用户程序执行阶段 大学毕业设计 第 7 页 共 61 页 在用户程序执行阶段 PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构 成的控制线路 并按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进 行逻辑运算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储 区中对应位的状态 或者刷新该输出线圈在I O 映象区中对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令 即在用户程序执行过程中 只有输入点在I O 映象区内的状态和数据 不会发生变化 而其他输出点和软设备在I O 映象区或系统 RAM 存储区内 的状态和数据都有可能发生变化 而且排在上面的梯形图 其程序执行结果 会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用 相反 排在下面 的梯形图 其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对 排在其上面的程序起作用 三 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC 就进入输出刷新阶段 在此期间 CPU 按 照 I O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路 驱动相应的外设 这时 才是 PLC 的真正输出 4 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 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 大学毕业设计 第 8 页 共 61 页 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 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 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 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 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 24VDC 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 大学毕业设计 第 9 页 共 61 页 2 1 2 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 也就是我们系统的上位机 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 2 1 3 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 通信现在主要采用通过多点接口 MPI 的数据通讯 PROFIBUS 或工业以太网 进行联网 2 1 4 PLC 控制系统的设计基本原则 最大限度的满足被控对象的控制要求 在满足控制要求的前提下 力求使控制系统简单 经济 使用和维护方便 保证控制系统安全可靠 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择 PLC 容量时应适当留有余量 2 1 5 PLC 软件系统及常用编程语言 PLC 软件系统由系统程序和用户程序两部分组成 系统程序包括监控程序 编译程序 诊断程序等 主要用于管理全机 将程序语言翻译成机器语言 诊 大学毕业设计 第 10 页 共 61 页 断机器故障 系统软件由 PLC 厂家提供并已固化在 EPROM 中 不能直接存取和 干预 用户程序是用户根据现场控制要求 用 PLC 的程序语言编制的应用程序 也就是逻辑控制 用来实现各种控制 STEP7 是用于 SIMATIC 可编程逻辑控 制器组态和编程的标准软件包 也就是用户程序 我们就是使用 STEP7 来进行 硬件组态和逻辑程序编制 以及逻辑程序执行结果的在线监视 1 1 PLC 提供的编程语言 标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言 它 有以下特点 1 它是一种图形语言 沿用传统控制图中的继电器触点 线圈 串联等术语和 一些图形符号构成 左右的竖线称为左右母线 2 梯形图中接点 触点 只有常开和常闭 接点可以是 PLC 输入点接的开关也 可以是 PLC 内部继电器的接点或内部寄存器 计数器等的状态 3 梯形图中的接点可以任意串 并联 但线圈只能并联不能串联 4 内部继电器 计数器 寄存器等均不能直接控制外部负载 只能做中间结果 供 CPU 内部使用 5 PLC 是按循环扫描事件 沿梯形图先后顺序执行 在同一扫描周期中的结果 留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用 2 2 语句表语言 类似于汇编语言 3 3 逻辑功能图语言 沿用半导体逻辑框图来表达 一般一个运算框表示一个功 能左边画输入 右边画输出 2 1 6 PLC 的特点 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路 技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很 高的可靠性 例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来 说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及 开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有 硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 在应用软件中 应 大学毕业设计 第 11 页 共 61 页 用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除 PLC 以外的电路及设 备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用 于各种规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具有完善 的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 PLC 的功能单元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC 通信 能力的增强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电 器电路图相当接近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继 电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计 算机从事工业控制打开了方便之门 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制 系统设计及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同 一设备经过改变程序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产 场合 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理 想控制设备 2 1 7 PLC 的应用领域 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制 造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可归 纳为如下几类 开关量的逻辑控制 大学毕业设计 第 12 页 共 61 页 这是 PLC 最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻 辑控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流 水线 如注塑机 印刷机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流 水线等 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位 和速度等都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字量 Digital 之间的 A D 转换及 D A 转换 PLC 厂家都生产 配套的 A D 和 D A 转换模块 使可编程控制器用于模拟量控制 运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直 接用于开关量 I O 模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动 控制模块 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上 各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机 器人 电梯等场合 过程控制 过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计 算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID 调节是一般闭 环控制系统中用得较多的调节方法 大中型 PLC 都有 PID 模块 目前许多小型 PLC 也具有此功能模块 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序 过程控制在冶 金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 数据处理 现代 PLC 具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较 完成一定的控制操作 也可以 利用通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制表 数据处理一般用于大 型控制系统 如无人控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信 随着计算机控 制的发展 工厂自动化网络发展得很快 各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功 大学毕业设计 第 13 页 共 61 页 能 纷纷推出各自的网络系统 新近生产的 PLC 都具有通信接口 通信非常方 便 2 1 8 PLC 未来展望 21 世纪 PLC 会有更大的发展 从技术上看 计算机技术的新成果会更多 地应用于可编程控制器的设计和制造上 会有运算速度更快 存储容量更大 智能更强的品种出现 从产品规模上看 会进一步向超小型及超大型方向发展 从产品的配套性上看 产品的品种会更丰富 规格更齐全 完美的人机界面 完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求 从市场上看 各国各 自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破 会出现少数几个品牌 垄断国际市场的局面 会出现国际通用的编程语言 从网络的发展情况来看 可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器 技术的发展方向 目前的计算机集散控制系统 DCS Distributed Control System 中已有大量的可编程控制器应用 伴随着计算机网络的发展 可编程 控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分 将在工业及工业 以外的众多领域发挥越来越大的作用 2 2 步进电机 2 2 1 步进电机概述 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件 它 实际上是一种单相或多相同步电动机 单相步进电动机有单路电脉冲驱动 输 出功率一般很小 其用途为微小功率驱动 多相步进电动机有多相方波脉冲驱 动 用途很广 使用多相步进电动机时 单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相 脉冲信号 在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组 每输入一个脉冲到 脉冲分配器 电动机各相的通电状态就发生变化 转子会转过一定的角度 称 为步距角 正常情况下 步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比 连续输入一 定频率的脉冲时 电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系 不受 电压波动和负载变化的影响 由于步进电动机能直接接收数字量的输入 所以 大学毕业设计 第 14 页 共 61 页 特别适合于微机控制 2 2 2 步进电机的特性 步进电机转动使用的是脉冲信号 而脉冲是数字信号 这恰是计算机所擅 长处理的数据类型 从 20 世纪 80 年代开始开发出了专用的 IC 驱动电路 今天 在打印机 磁盘器等的 OA 装置的位置控制中 步进电机都是不可缺少的组成部 分之一 总体上说 步进电机有如下优点 不需要反馈 控制简单 2 与微机的连接 速度控制 启动 停止和反转 及驱动电路的设计比较 简单 3 没有角累积误差 4 停止时也可保持转距 5 没有转向器等机械部分 不需要保养 故造价较低 6 即使没有传感器 也能精确定位 7 根椐给定的脉冲周期 能够以任意速度转动 但是 这种电机也有自身 的缺点 8 难以获得较大的转矩 9 不宜用作高速转动 10 在体积重量方面没有优势 能源利用率低 11 超过负载时会破坏同步 高速工作时会发出振动和噪声 2 2 3 与直流电机的比较 输出或输入为直流电能的旋转电机 称为直流电机 它是能实现直流电能 和机械能互相转换的 当它作电动机运行时是直流电动机 将电能转换为机械 能 作发电机运行时是直流发电机 将机械能转换为电能 在此我们只讨论直 流电动机 1 直流电动机的分类 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电 产生励磁磁通势而建立主 磁场的问题 根据励磁方式的不同 直流电机可分为下列几种类型 a 他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系 而由其他直流电源对励磁绕组供电的直 大学毕业设计 第 15 页 共 61 页 流电机称为他励直流电机 永磁直流电机也可看作他励直流电机 b 并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联 作为并励发电机来说 是电 机本身发出来的端电压为励磁绕组供电 作为并励电动机来说 励磁绕组与电 枢共用同一电源 从性能上讲与他励直流电动机相同 c 串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后 再接于直流电源 这种直流 电机的励磁电流就是电枢电流 d 复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组 若串励绕组产生的磁通势与并 励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励 若两个磁通势方向相反 则称为差 复励 直流电动机的特点 a 调速性能好 所谓 调速性能 是指电动机在一定负载的条件下 根据需要 人为地改 变电动机的转速 直流电动机可以在重负载条件下 实现均匀 平滑的无级调 速 而且调速范围较宽 b 起动力矩大 可以均匀而经济地实现转速调节 因此 凡是在重负载下起动或要求均匀 调节转速的机械 例如大型可逆轧钢机 卷扬机 电力机车 电车等 都用直 流电动机拖动 c 可逆运行 当直流电动机驱动电枢绕组在主磁极 N S 之间旋转时 电枢绕组上感生出 电动势 经电刷 换向器装置整流为直流后 引向外部负载 或电网 对外供 电 此时直流电动机可作为直流发电机运行 直流电动机的工作原理 大致应用了 通电导体在磁场中受力的作用 的原理 励磁线圈两个端线 同有相反方向的电流 使整个线圈产生绕轴的扭力 使线圈转动 要使电枢受到一个方向不变的电转矩 关键在于 当线圈边在不同极性的 磁极下 如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换 即进行所谓 换向 为此必须增添一个叫做换向器的装置 换向器配合电刷可保证每个极下线圈边 大学毕业设计 第 16 页 共 61 页 中电流始终是一个方向 就可以使电动机能连续的旋转 这就是直流电动机的工 作原理 直流电动机的控制 a 转动方向控制 转动方向控制有两种方法 1 改变磁场方向 2 改变电流方向 即改变 电源的正负极 b 转速控制 直流电动机转速 n U IR K 其中 U 为电枢端电压 I 为电枢电流 R 为电枢电路总电阻 为每极磁通量 K 为电动机结构参数 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法 励磁控制法是控 制磁通 其控制功率小 低速时受到磁饱和限制 高速时受到换向火花和换向 器结构强度的限制 而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差 所以这种控制 方法用得很少 大多数应用场合都使用电枢电压控制法 随着电力电子技术的 进步 改变电枢电压可通过多种途径实现 其中 PWM 脉宽调制 便是常用的改 变电枢电压的一种调速方法 PWM 调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源 并根据需 要改变一个周期内接通和断开的时间比 占空比 来改变直流电机电枢上电压的 占空比 从而改变平均电压 控制电机的转速 在脉宽调速系统中 当电机通 电时其速度增加 电机断电时其速度减低 只要按照一定的规律改变通 断电 的时间 即可控制电机转速 而且采用 PWM 技术构成的无级调速系统 启停时 对直流系统无冲击 并且具有启动功耗小 运行稳定的特点 设电机始终接通 电源时 电机转速最大为 Vmax 且设占空比为 D t T 则电机的平均速度 Vd 为 Vd VmaxD 由公式可知 当改变占空比 D t T 时 就可以得到不同的电机平均速度 Vd 从而达到调速的目的 严格地讲 平均速度与占空比 D 并不是严格的线性 关系 在一般的应用中 可将其近似地看成线性关系 在直流电机驱动控制电 路中 PWM 信号由外部控制电路提供 并经高速光电隔离电路 电机驱动逻辑 与放大电路后 驱动 H 桥下臂 MOSFET 的开关来改变直流电机电枢上平均电压 从而控制电机的转速 实现直流电机 PWM 调速 大学毕业设计 第 17 页 共 61 页 2 2 4 步进电机的种类 目前常用的步进电机有三类 1 反应式步进电动机 VR 采用高导磁材料构成齿状转子和定子 其结构简单 生产成本低 步距角 可以做的相当小 但动态性能相对较差 2 永磁式步进电动机 PM 转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁 在其外侧配置齿状定子 用转子和定 子之间的吸引和排斥力产生转动 转动步的角度一般是 7 50 它的出力大 动 态性能好 但步距角一般比较大 3 混合步进电动机 HB 这是 PM 和 VR 的复合产品 其转子采用齿状的稀土永磁材料 定子则为齿 状的突起结构 此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点 步距角小 出力 大 动态性能好 是性能较好的一类步进电动机 在计算机相关的设备中多用 此类电机 2 2 5 反应式步进电机的控制 反应式步进电机 是一种传统的步进电机 由磁性转子铁芯通过与由定 子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动 反应式步进电机工作原理比较简单 转子上均匀分布着很多小齿 定子 齿有三个励磁绕阻 其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开 电机的位置和 速度由导电次数 脉冲数 和频率成一一对应关系 而方向由导电顺序决定 市场上一般以二 三 四 五相的反应式步进机居多 大学毕业设计 第 18 页 共 61 页 应用领域 反应式步进电机主要应用于计算机外部设备 摄影系统 光 电组合装置 阀门控制 核反应堆 银行终端 数控机床 自动绕线机 电 子钟表及医疗设备等领域中 图 2 2 四相反应式步进电动机的结构 图 2 2 是一台四相反应式步进电机的结构示意图 定子铁心由硅钢片叠 成 定子上有 8 个均匀分布的磁极 每个磁极上又有若干小齿 本例为5 个 各个磁极上套有线圈 径向 相对的两个磁极上的线圈是一相 转子也 是由硅钢片叠成的 若干小齿 本例为50 个 在圆周上均匀分布 但转子 上没有绕组 根据工作要求 定子小齿的齿距必须等于转子小齿的齿距 且 转子的齿数有一定限制 定义每个小齿所占有的角度为齿距角 2 r t Z 360 1 式中 为齿距角 为转子小齿数 t r Z 定子一个极距所对的转子小齿数为 大学毕业设计 第 19 页 共 61 页 2 m Z q r 2 2 式中 m 为相数 设电机为四相四拍通电方式 当 A 相控制绕组通电时 产生了沿 A A 极轴 方向的磁通 由于磁通力图通过磁阻最小路径 使转子的作用而转动 直到转 子磁轴线和定子磁极 A A 上的磁轴线对齐为止 因为转子共有 50 个齿极 每 个齿距角 定子一个极距所对的转子齿数为 不是整数 因 2 7 t 1 6 4 q 此当 A A 极下的定 转子齿轴线对齐时 相邻的两对磁极 B B 和 D D 极下的 齿和转子齿必然错开 1 4 齿距角 即 这时 各相磁极的定子齿与 8 1 b 转子齿的相对位置如图 2 3 所示 如果断开 A 相而接通 B 相 产生沿 B B 极轴线方向的磁通 同样在反应 转矩的作用下 转子按顺时针方向转过 是转子齿轴线和定子磁极 B B 下 8 1 的齿轴线对齐 这时 A A 和 C C 极下的齿与转子齿又错开 以此类推 8 1 控制绕组按 A B C D A 的顺序循环通电时 转子就按顺时针方向一步一 步连续地转动起来 没换接一次绕组 转子转过 1 4 齿距角 0 1 4 t 大学毕业设计 第 20 页 共 61 页 1 2 t 1 4 t 图 2 3 A 相通电时定 转子齿的相对位置 显然 如果要使步进电机反转 只要改变通电顺序 即按 A D C B A 的顺序循环通电时 则转子便按逆时针方向一步一步