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DZ168西门子PLC的步进电机直接控制,毕业设计
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信电系论文文献综述 1 浙江工业大学浙西分校 毕业设计 (论文 )文献综述 课题名称： 西门子 PLC 步进电机的直接控制 学生姓名： 唐玉铖 系 （部）： 信息与电子工程系 专业班级： 04 工自 (1)班 指导教师： 黄云龙、朱秋琴、廖东进 职 称： 副教授、 助教、 助教 日 期： 2007.06.5 nts信电系论文文献综述 1 文献综述 一、 引言 传统的 步进电机控制方式由控制器产生控制指令，环形分配器根据指令将输入的单一脉冲串，按土作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。这种方式的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力和劳动。接口信号的匹配以及儿器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。现代控制系统中， PLC 作为一种广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多 PLC 都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制 。这种控制方式的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由 PLC 和步进电机组成。 PLC 具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且， PLC 有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数 10V 级脉冲电压、 1A 级脉冲电流的驱动要求。 二、 PLC 直接控制步进电机技术的发展现状 1、 PLC 技术现状： 可编程控制器 (简称 PLC) 是种数字运算操作 的电子系统 ,是在 20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器 ,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令 ,并通过数字的、模拟的输入和输出 ,控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 ,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。 PLC 自产生至今只有 30 多年的历史 ,却得到了迅速发展和广泛应用 ,成为当代工业自动化的主要支柱之一。 产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应 ,生产出小批量、 多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求 ,迫使人们去寻找一种新的控nts信电系论文文献综述 2 制装置取而代之。 2、 PLC 在控制步进电机技术中的发展状况： 随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器 , 减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起 , 这样使其能方便地组成一个闭环系统 , 因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。 目前利用可编程序控制器（即 P L C 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现 。 三、 PLC 直接控制步进电机的原理 1、步进电动机的工作原理及工作方 式： 步进电机作为一种常用的电气执行元件 ,广泛应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备一个专门的驱动电源 ,驱动电源的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度 ,这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度 ,脉冲的频率决定了旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个传动速比确定的具体设备而言 ,无需距离、速度信号反馈环 ,只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度 ;而方向信号可控制移动的方向。因此 ,对于那些控制精度要求不是很高的应用场合 ,用开环方式 控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。另外 ,步进电机的细分运转方式非常实用 ,尽管其步距角受到机械制造的限制 ,不能制作得很小 ,但可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来的每个整步分成m 个小步来完成 ,以提高设备运行的精度和平稳性。控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统 ,但对于一些在运行过程中移动距离和速度均确定的具nts信电系论文文献综述 3 体设备 ,采用 PLC(可编程控制器 )是一种理想的技术方案。 电动机其角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。工作方式最常见的有 : (1)、 三相单三拍工作方式 各相的通电顺序为 A B C,各相通电的电压波形如图所示。 图 1 三相单三拍工作方式 (2)、 三相双三拍工作方式 双三拍工作方式各相的通电顺序为 AB BC CA。各相通电的电压波形如图所示。 图 2 三相双三拍工作方式 (3)、 三相六拍工作方式 在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为 A AB B BC C CA。各相通电的电压波形如图 4 所示。 图 3 三相六拍工作方式 nts信电系论文文献综述 4 (4)、 其它工作方式（和步进电机本身结构相关） :如二相四拍、二相八拍以及四相四拍和四相八拍等，其工作时电压波形图基本类似，不再赘述。 2、西门子 PLC 控制步进电机： 由 以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出： 控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子 PLC 本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为 10KHz，能够满足步进电动机的要求，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对 PLC提出两个特性要求。一是在此应用的 PLC最好是具有实时刷新技术的 PLC,使输出信号的 频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度 ,充分利用步进电机的速度响应能力 ,提高整个系统的快速性。二是PLC 本身的输出端口应该采用大功率晶体管 ,以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示 ： 图 4 步进电机的 PLC 直接控制 环形分配程序通过输出端口 A、 B、 C 进行环形脉冲分配 ,从而控制接到步进电机三相绕组的 48V 直流电源的依次通、断 ,形成旋转磁场 ,使步进电机转动。步进电机的转动，由于步进电机是电 感性负载 ,直流电阻很小 ,故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏， PLC 端口 ,即 A、 B、 C 所对应的大功率晶体管。当 A、 B、 C 所对应的大功率晶体管按 : A AB B BC C CA A次导通、断开时 ,步进电机正转。按 : A AC C CB B BA A依次导通、断开时 ,步进电机反转，即步进电机可以按三相六拍工作。每当步进电机走一步 ,环形脉冲分配程序的步数减一 ,当步数减为零时 ,停止环形脉冲分配 ,等待下一次的脉冲输入。如下图所示 PLC 步进电机 输入信号 nts信电系论文文献综述 5 图 5 步进电机基本图 3、 软件编程 在软件编程前，必须根据实际控制系统与工艺要 求进行步进电机的“启动频率”和“停止频率”的标定，步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高频率。步进电机在起动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳。所以，步进电机工作时一般要经历这样一个变化过程：加速恒速 (高速 ) 减速 低速停止。其中步进电动机在运行过程中一般采用如下运行曲线，主要要考虑步进电动机的起动时必须有个加速缓冲的过程，对步进电动机起保护作用。 图 6 步进电动机在运行过程 使步进 电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。囚此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器 ;对于频率较低的控制脉冲，可以利用 PLC 中的定时器构成，如图 1 所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器 C10。当脉冲数达到设定值时，计数器 C10 动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。步进电机无脉冲输入时便停止运转。当步进电机位移速度要求较高时，可以用 PLC 中的高速nts信电系论文文献综述 6 脉冲发生器。不同的 PLC 其高速脉冲的频率可达到 40006000HZ。控制系统中 PLC用来产生控 制脉冲 ;通过 PLC 编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角同时通过编程控制脉冲频率，环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组， PLC 控制的步进电机可以采用软件环行分配器。 图 7 PLC 控制的步进电机软件环行分配器 四、结论 本论文的研究主要完成了以下内容 :通过对 PLC 控制步进电机 系统的工作原理和控制原理的分析，用西门子 PLC 程序结合硬件电路，设计出以 PLC 软件控制为核心的步进电机控制器，使得控制步进电机更加方便快捷。 采用 PLC 直接控制步进电机的误差补偿系 统功能完善、灵活性大、可靠性高。该生产线己获得国家科技进步奖。特别强调的是采用 PLC 直接控制步进电机的方法，减少了系统设计的工作量、能大大缩短开发研制周期，在一定范围内，有较高的推广和实用价值。 参考文献 I李金钟 .机电与电气控制技术 .苏州 :苏州人学出版 社， 2004 2廖常初 .PLC 编程及应 用 .工业出版 社 ， 2004 3胡志平 .PLC 控制系统的设计应 . 2安永林 .九道拐水电溢洪逆弧形闸门启闭机设计 .办水利发电， 2005， 5 3杨宁 .散控制系统及现场总线 . 4宣财鑫 .PLC 脉冲控制步 进电机技术 .计算机应用 nts信电系论文文献综述 7 5中长考 .于可编程控制器的西河闸监 .控系统 .自 化技术与应用 6机 一体化技术手册编
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