电磁铁推拉力测试系统——控制部分设计说明书

1 目录 第一章 引言 . 1 1.1 电磁铁概述 . 1 1.2 课题背景及意义 . 1 1.3 国内外基本研究情况 . 1 1.4 课题的主要研究内容 . 1 第二章 理论知识介绍 . 3 2.1 PLC 简介 . 3 2.1.1 PLC 的结构及各部分的作用 . 4 2.1.2 PLC 的工作原理 . 5 2.1.3 PLC 编程语言 . 5 2.2 步进电机及其发展 . 6 2.3 步进电机的结构和工作原理 . 7 2.4 步进电机的特点 . 8 第三章 元器件选择及 I/O 分配 . 10 3.1 系统基本框图的确定 . 10 3.1.1 元器件的选择 . 11 3.1.2 雷赛 ND1182 步进驱动器 . 11 3.1.3 雷赛 110HS20 两相混合式步进电机 . 15 3.2 系统控制过程 . 17 3.3 控制系统的 I/O 点及地址分配 . 17 第四章 系统控制过程设计 . 18 结束语 . 26 参考文献 . 27 1 第一章 引言 1.1 电磁铁概述 电磁铁在我们的日常生活中到处可见，应用非常广泛，生活中我们越来越离不开它。电 磁铁是一种电器，它被广泛应用于机床、起重机等大型机电设备中。电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。当电源断开时，电磁铁的磁性随之消失，衔铁或其他零件即被释放。 电磁铁在生产中的应用极为普遍，工业上常用来制动机床和起重机的电动机。当接通电源时，电磁铁动作而拉开弹簧，把抱闸提起，于是放开装在电动机轴上的制动轮，这时电动机便可自由转动。当电源断开时，电磁铁的衔铁落下，弹簧便把抱闸压在制动轮上，电动机就被制动。在起重机中采用这种方法，可以避免由于工作过程中的断电而使重物滑下造成的事故。 随着机械工业的发展，在机床中也常用电磁铁操纵气动或液压传和控制变速机构。电磁吸盘和电磁离合器也都是电磁铁的具体应用 此外，现代物流业的集装流程中，也使用电磁铁进行起重提放钢材等。不论是机床 、起重机，还是物流装卸的电磁继电器和接触器，电磁铁的任务是开闭电路，起到一个开关的作用 。 1.2 课题背景及意义 电磁铁是一种基于电磁系统产生电磁力，使衔铁做机械运动，从而对外做功的电-机转换器，因此，电磁铁力特性成为表征其主要性能的基本特性。作为一个转换元件，电磁铁的静态力特性直接影响到由它所构成的元件及装置的整体性能，国内外有许多机构、学者都曾做过电磁铁的推拉力测试，可以测试量电磁铁的静动态力和位移特性。有的结构复杂，精度不高，且难以测量出双向电磁铁的静动态力特性。因此，对电磁铁进行推拉力的测试是非常必 要的。 1.3 国内外基本研究情况 电磁铁被广泛应用于工业生产和日常生活之中，其作用不容忽视。电磁铁的特性中力的特性是很重要的一部分，因此对电磁铁进行推拉力测试具有非常的实际意义。国内外已经有很多学者和机构对其进行研究和探讨过。此次，本人在前人的基础上，基于 PLC 控制步进电机和滚珠丝杆组成的机构，应用力传感器技术，再一次尝试对电磁铁的推拉力测试进行学习研究，以更好的学习掌握所学的相关内容。 1.4 课题的主要研究内容 电磁铁推拉力测试系统 控制部分设计，其主要工作内容是： 1）确定电磁铁测力系统的方案及系 统的各组成部件 首先拟定一个大致方案，初步确定各组成部件的型号。再分析了解各组成部分的 2 功能用途，掌握各部件的使用方法和工作原理。最后讨论系统的可行性、连续性、完整性，不断修正系统，确保系统能正常、稳定的工作。握 PLC 基本指定和程序设计的方法。要弄清步进电机、驱动器的工作原理和其参数特性以及他们之间的接线问题。最终学会如何用 PLC 对步进电机实现精确的速度控制、正转、反转等。 2）对电磁铁测力系统的控制部分进行学习和研究 为实现 PLC 对步进电机的精确控制，一定要掌握 PLC 应用技术的核心内容，如各种控制线路图、功 能图、梯形图、时序图、语句表等，掌握 PLC 的基本指定和程序设计的方法；要弄清楚步进电机、驱动器的工作原理和参数特性以及他们之间的接线问题，最终学会如何用 PLC 对步进电机实现精确地速度控制、正转、反转等。 3）其他工作 要知道力传感器、位移传感器、滚珠丝杠和显示终端的工作原理和特征参数，最终得到不同距离时电磁铁推拉力的大小 对本课题的研究，预期要达到能用 PLC 实现对步进电机的精确速度控制、正转、反转等，熟悉步进电机、驱动器、滚珠丝杠、推拉力传感器、位移传感器、电磁铁的工作原理和特征参数，最终得到电磁铁在每 隔 0.2mm 时所对应的推拉力大小的目标。其中关键的理论和技术是 PLC 应用技术在工程实现 .中程序设计的方法，技术指标要达到精确的控制。其使用的方案是用电磁铁 、位移传感器、力传感器、滚珠丝杠、显示终端、步进电机、驱动器、电源所组成的系统进行电磁铁的推拉力测试。 3 第二章 理论知识介绍 2.1 PLC 简介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller， PLC）取代传统继电器控制装置以来， PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时， PLC 的功能也不 断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高， PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品， PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20% 30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。综合相关资 料， 2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入 PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。 PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序 运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为 END 指令），然后再返回起始步循环运算。 PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。 PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理， 16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。 相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大约能省 40%左右）。PLC 没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS 要低很多。一个 PLC 的控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达 8000 多个 I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用 PLC 较为合适。 PLC 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用 PLC 进行控制， PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断 提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头。 4 通用 PLC 应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但 PLC 相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用 PLC 或定制 PLC 取代嵌入式控制器。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合 批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。 2.1.1 PLC 的结构及各部分的作用 可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（ CPU）、存储器（ RAM、 ROM）、输入输出单元（ I/O）、电源和编程器等几个部分组成。 （一）中央处理单元（ CPU） CPU 作为整个 PLC 的核心，起着总指挥的作用。 CPU 一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这 些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。 CPU 通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。 CPU 的功能有以下一些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。 （二）存储器 存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。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；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有 RAM、 EPROM 和 EEPROM。 RAM 是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在 RAM 中的用户程序 可方便地修改。 RAM 存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。 EPROM、 EEPROM 都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。 （三）输入输出单元（ I/O 单元） I/O 单元实际上是 PLC 与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。 I/O 单元有良好的电隔离和滤波作用。接到 PLC 输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。 PLC 的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型 。 （四）电源 PLC 电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。 PLC 内有一个稳压电源用于对 PLC 的 CPU 单元和 I/O 单元供电。 5 （五）编程器 编程器是 PLC 的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入 PLC 的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视 PLC 的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对 PLC 编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。 2.1.2 PLC 的工作原理 PLC 采用循环扫描的工作方式，在 PLC 中 用户程序按先后顺序存放， CPU 从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。 PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当 PLC 处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在 PLC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 （一）输入处理 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输 入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。 （二）程序执行 根据 PLC 梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时， PLC 从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存 器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 （三）输出处理 程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的 Y 寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 2.1.3 PLC 编程语言 （一）梯形图编程语言 梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，它是在电器控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的，形象、直观、实用。 梯形图的设计应注意以下三点： 6 (1)梯形图按从左到右、从 上到下的顺序排列。每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈与右母线相联。 (2)梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。 (3)输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由 PLC 内部其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接 口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出继电器的触点可供内部编程使用。 （二）语句表编程语言 指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，但比汇编语言易懂易学。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。 （三）控制系统流程图编程图 控制系统流程图是一种较新的编程方法。它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程，目前国际电工协会 (IEC)正在实施发展这种新式的编程标准。 2.2 步进电机及其发展 步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，是一种将电脉冲信号转变为角位移或直线位移的电磁元件 ，从能量的转换角度看，它和普通电机无异。国外一般称为 Stepmotor或 Stepping motor， Pulse motor， Stepper servo， Stepper 等等。 步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电机。步进电机的工作过程为，每输入一个脉冲信号，则改变一次励磁状态使转子转过一定角度，若没有脉冲信号输入，则转子保持在某一位置静止不动。 步进电机原始模型起源于 1830 年至 1860 年间，工作的机理是基于最基本的电磁铁作用，步进电机的控制是 从 1870 年前后开始的，应用于氢弧灯的电极输送机构中，这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。 随着永磁材料的发展，在 20 世纪 60 年代后期，各种实用性步进电机应运而生，半导体技术的发展又推动了步进电机在众多领域的应用。在近 30 年间，步进电机迅速发展并成熟起来。步进电机已经能与直流电机、异步电机，以及同步电机并列，从而成为电动机的一种基本类型。 上世纪 50 年代后期，我国开始进行步进电机的研究及制造。从 50 年代后期到60 年代后期 ，主要是科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以 7 多段结构三相反应式步进电机为主。 70 年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。主要在驱动器设计方面和反应式步进电机本体设计研究方面。 70 年代中期至 80 年代中期为产品发展阶段，主要是新品种高性能电机不断被开发。自 80 年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及其驱动器作为产品广泛利用。 步进电机分三种：永磁式（ PM） ，反应式（ VR）和混合式（ HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度 ；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进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 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 2.3 步进电机的结构和工作原理 步进电机是机电一体化的关键部件之一，被广泛应用于需要精确定位、同步、行程控制等场合。 一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。若每旋转一圈以 200 个励磁信号来计 算，则每个励磁信号前进 1.8 度，其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。 二、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁 ,其中全步励磁又有 1 相励磁及 2 相励磁之分，而半步励磁又称 1-2 相励磁。图为步进电动机的控制等效电路，适应控制 A、 B、 /A、 /B 的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断送出脉冲信号，即可步进电动机连续转动。 分述如下： A、 1 相励磁法：在每一瞬间只有一个线圈导通。消耗电力小，精确度良好，但转矩小，振动较大，每送一个励 磁信号可走 1.8 度。若欲以 1 相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图 2-1 所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。 图 2-1 1 相励磁法 B、 2 相励磁法：在每一瞬间会有二个线圈同时导通。因其转矩大，振动小，故为目前用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走 1.8 度。若以 2 相励磁法控制步进 8 电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转 图 2-2 2 相励磁法 C、 1-2 相 励磁法：为 1 相与 2 相轮流交替导通。因分辨率提高，且运转平滑，每送一励磁信号可走 0.9 度，故亦广泛被采用。若以 1 相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图 2-3 所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。 图 2-3 1-2 相励磁法 步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当速度快至其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间。 2.4 步进电机的特点 步进电机由于它的运行原理、驱动原理及控制方式的特殊性， 使其具有如下特点： (1)步进电机只能在一定脉冲电源供电下才能运行。 (2)采用脉冲供电方式，即励磁绕组上施加的不是一个恒定的直流或交流电压，而是采用电子开关断续加以直流电压。 (3)电机的转速与脉冲频率保持严格的同步关系。 (4)定位能力高，具有自锁能力。 (5)具有较大的加速转矩，其性能的提高与控制方式、驱动电路的参数等有密切关系。 (6)正反转及变速响应性好，易于启动、停止。 (7)电机本体部件少，无刷，可靠性高； (8)步距角选择范围大，可在几十角分至 180 范围内选择，在小步距角情况下，通常可以在超 低速下高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。 9 (9)同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行。速度可在相当宽范围内平滑调节。 (10)步进电机带惯性负载的能力较差。 (11)由于存在失步和共振，因此步进电机的加速、减速方法根据利用状态不同而复杂化。 (12)不能直接使用普通的交流电源驱动。 10 第三章 元器件选择 及 I/O分配 3.1 系统基本框图的确定 电磁铁推拉力测试系统的基本框图 如图 3-1 所示 图 3-1 系统基本框图 系统 测 试原理 如图 3-2 所示 1-力传感器安装座 2-测试台 3-步进电机 4-滚珠丝杆副 5-移动工作台 6-力传感器 7-被测电磁铁 8-工件安装座 9-工件安装工作台 图 3-2 系统测试原理图 11 3.1.1 元器件的选择 PLC 选用西门子 S7-200 CPU222 PLC 系列，无需扩展。 步进电机选用雷赛公司 110HS20 两相混合式步进电机。 驱动器选用与步进电机相配套的雷赛 ND1182 步进驱动器。 滚珠丝杆型号为 2504-4，导程角 4mm。 力传感器为 上海天沐 NS-WL1 型拉压力传感器 。 离合器型号 为 天津市首达永恒离合器厂 DLY0-20A。 显示终端选用 国光 CJ6812 系列液晶显示终端 3.1.2 雷赛 ND1182 步进驱动器 驱动器接口和接线介绍 P1 端口控制信号接口描述 如图 3-3 所示 图 3-3 P1 端口控制信号接口 P2 端口强电接口描述 如图 3-4 所示 图 3-4 P2 端口强电接口 输入接口电路 输入接口电路（共阳极接法）控制器集电极开路输出 如图 3-5所示 12 图 3-5 输入接口电路（共阳极接法）控制器集电极开路输出 西门子 PLC 系统和驱动器共阳极的连接 如图 3-6 所示 图 3-6 西门子 PLC 系统和驱动器共阳极 连接 控制信号时序图 为了避免一些误动作和偏差， PUL、 DIR 和 ENA 应满足一定要求，如 图 3-7 所示： 13 图 3-7 控制信号时序图 注释： （ 1） t1： ENA（使能信号）应提前 DIR 至少 5 s，确 定为高。一般情况下建议 ENA+和 ENA-悬空即可。 （ 2） t2： DIR 至少提前 PUL 下降沿 5 s 确定其状态高或低。 （ 3） t3：脉冲宽度至少不小于 1.2 s。 （ 4） t4：低电平宽度不小于 1.2 s。 ND1182 两相步进电机的典型接线如图 3-8 所示 14 图 3-8 ND1182 两相步进电机的典型接线 工作（动态）电流设定 四位拨码开关 SW5-SW8 一共可设定 16 个电流级别，参见下表 3-1。 表 3-1 ND1182 驱动器 工作（动态）电流设定 输出峰值电流 输出均值电流 SW5 SW6 SW7 SW8 0.7A 0.5A off off off off 1.2A 0.86A off off off on 1.72A 1.23A off off on off 2.2A 1.57A off off on on 2.75A 1.96A off on off off 3.28A 2.34A off on off on 3.75A 2.68A off on on off 15 4.22A 3.01A off on on on 4.72A 3.37A On off off off 5.2A 3.71A On off off on 5.78A 4.13A On off on off 6.25A 4.46A On off on on 6.78A 4.84A On on off off 7.31A 5.22A On on off on 7.81A 5.58A On on on off 8.2A 5.86A On on on on 细分设定 细分精度由 SW1-SW4 四位拨码开关设定，参 见 表 3-2 所示 。 表 3-2 ND1182 驱动器细分设定 步数 /转 SW1 SW2 SW3 SW4 200 on on on on 400 off on on on 800 on off on on 1600 off off on on 3200 on on off on 6400 off on off on 12800 on off off on 25600 off off off on 1000 on on on off 2000 off on on off 4000 on off on off 5000 off off on off 8000 on on off off 10000 off on off off 20000 on off off off 25000 off off off off 3.1.3 雷赛 110HS20 两相混合式步进电机 技术规格 如图 3-9 所示 图 3-9 雷赛 110HS20 两相混合式步进电机 技术规格 16 外形尺寸 如图 3-10 所示 图 3-10 雷赛 110HS20 两相混合式步进电机 外形尺寸 接线图 如图 3-11 所示 图 3-11 雷赛 110HS20 两相混合式步进电机 接线图 17 3.2 系统控制过程 电磁铁推拉力测力系统的控制过程： 步进电机的步进角是 1.8 度，步进电机每转一圈需要 200 个脉冲，滚珠丝杠每转一圈前进 4mm。正转、反转行程是 30mm，所以一个单行程需要 1500 个脉冲。 现 拟定让 步进电机正转，用 100 个高速脉冲让步进电机的速度从 0 到一个稳速，然后稳速运行 1300 个脉冲，再用 100 个脉冲让步进电机从稳速到 0。 再让步进电机反转，整个反转过程同正转一样，步进电机正转，反转各一次 ，用高速计数器实时记录脉冲个数值。 3.3 控制系统的 I/O 点及地址分配 控制系统的 I/O 点及地址分配如图 3-12 图 3-12 控制系统的 I/O 点及地址分配 18 第四章 系统控制过程设计 主程序网络 1 如图 4-1。 图 4-1 主程序网络 1 主程序网络 1 中 SM0.1 是首次扫描接通，用于初始化，也就是说 PLC 启动后第一次扫描置位 Q0.1，即给步进驱动器方向端子高电平，步进处于正转状态。 S 就是置位指令，就是将此 置为 1。下面的 R 就是复位指令，将位置为 0 主程序网络 2 如图 4-2。 图 4-2 主程序网络 2 主程序网络 2 中， SM0.1 还是初次扫描接通，即 PLC 接通瞬间第一次扫描周期调用高速输出子程序，至于为什么用 SM0.1 调用，这是因为西门子 PLC 中高速输出的程序调用必须用脉冲调用，也就是说子程序不能处于一直调用状态。而复位 Q0.0 这是高速输出子程序的格式，防止 Q0.0 处于高电平而不能进行高速输出。因为除了正转调用高速输出外，在正转结束后电机还要反转，也就是需要二次调用高速输出 子程序，因为 SM0.1 只有 PLC 初次扫描时接通 ，以后都处于关闭状态，所以二次调用需要用到另外一个中间位，这里本人 用了 M0.0（也可以是其他中间位），前面说过，高速输出子程序的调用必须是脉冲调用，所以 M0.0 不能一直接通，而是接通瞬间又要关闭，故后面加一个上升沿 |P|复位掉 M0.0，这样 M0.0 接通时调用高速输出，然后又断开，这样就形成了一个脉冲来调用高速输出子程序， M0.0 的置位是在后面做的，后面再讲。 19 如图 4-3 所示的主程序网络 3 中， 由于还要对当前输出的脉冲进行实施观测，所以还需要对脉冲进行高速计数，这 里就是调用高速计数的子程序，至于为什么用SM0.1，解释同高速输出，这个子程序的调用也必须是脉冲调用 。 图 4-3 主程序网络 3 高速输出子程序中网络 1 中 （如图 4-4 所示 ） ， SM0.0 是 PLC 中一个特殊寄存器，就是一直接通的一个开关。 MOV 就是写数据的指令，就是将数据写入地址。这是对脉冲三段输出的轮廓表格式字写入，因为 PTO 脉冲输出是有一个加速段，一个匀速段，一个减速段，一共三段，所以要对这三段的参数进行设置。西门子 PLC 脉冲输出 PTO三段输出的参数设置格式就 是这个样子的。这是西门子 PLC 规定的。 VB500（首地址，这个首地址也可以是其他地址），这里写入的是一个字节，固定为 3，意思就是三段输出； VW501，下一个地址 ，这里是写入的一个字，写入的是初始周期，本人 这里写入的是 300 微秒， VW503 是加速段平均变化周期，写入 -2 意思是每个脉冲周期大小减 2，周期减小，脉冲输出频率就会增加，步进速度 加快； VD505，这里写入的是一个双字，是加速段的脉冲数，按照设计要求是 100 个脉冲，写入 100；VW509 是匀速段的脉冲输出周期，这里写入 100 微秒， VW511 是匀速段平 均变化周期，但是因为匀速段周期是不变的，所以这里固定写入 0； VD513 是匀速段的脉冲个数，按设计要求是 1300 个脉冲，写入 1300； VW517 是减速段的初始周期，也就是匀速段的周期， 100 微秒； VW519 是减速段平均变化周期，写入 2，即每个脉冲周期加 2，这样脉冲频率就会慢慢降低，电机速度就会 下降； VD521 是减速段的脉冲数，按设计要求是 100 个，写入 100。 20 21 图 4-4 高速输出子程序 中网络 （接上一页） 图 4-5 高速输出子程序网络 2 高速输出子程序网络 2 中 （如图 4-5）， SMB67 是高速 PTO 脉冲输出的控制字，控制字各个位的意思如图 4-6 所示 ： 图 4-6 高速 脉冲输出控制字 由于用的是 Q0.0 作为脉冲输出，所以要用到 SMB67，而不是 SMB77， SMB67 是一个字节，有 8 个位组成，分别是 SM67.0SM67.7，每个位的意思如上图所示。这里写入的是 2#10100000，这是一个二进制数，也就是只有 SM67.7 和 SM67.5 为 1，其他几个位都是 0，这个意思就是启用 PTO/PWM 高速脉冲输出（ SM67.7 为 1），选择 PTO 模式（ SM67.6 为 0），多段操作（ SM67.5 为 1），异步更新（ SM67.4 为 0，这个参数一般不常用，影响不大），周期单位选择为微秒（ SM67.3 为 0），脉冲计数无更新（ SM67.2 22 为 0.，因为 脉冲数都在多段轮廓表里规定过了，所以不需要更新），脉宽无更新（ SM67.1 为 0， PTO 输出的脉宽是不变的，占空比一直都是 50%，所以这个参数只针对 PWM 模式才有效），周期无更新（ SM67.0 为 0，周期值轮廓表已规定，这里不需要更新）。 SMW168 这里要写入前面我们三段轮廓表的首地址，首地址是 VB500，所以这里写入数据 500，至于为什么写到 SMW168 里面，这是西门子 PLC 规定的。 ATCH 这是连接中断， INT0 是进入中断子程序 INT0， 19 是中断号， 19 号中断就是 PTO0 输出完成。这个指令的意思就是 Q0.0 的 PTO 脉冲输出完成后程序就进入中断子程序 INT0 进行一周期的扫描。 PLS 是脉冲输出的指令，在前面对各种参数设置完成后就要调用这个指令开始 脉冲输出了。 图 4-7 高速计数子程序 高速计数子程序 如图 4-7 所示 ，用 SM0.1 调用，这是西门子 PLC 高速计数的格式，规定是 SM0.1 调用， SMB37，这个地址里是写入高速计数的控制字，如图 4-8 所示 。 23 一般 采用的是计数器 HSC0，所以控制字是 SMB37，同上面讲到的高速输出控制字，这个控制字也是一个字节，由 8 位组成，为 SM37.0-SM37.7。 这里写入的数据是 16#F8，这是一个十六进制数，换成二进制就是 2#11111000，意思就是启用 HSC，更新当前计数值（因为下面要想当前计数值里写入数据 0，所以要更新），更新预设值（理由同计数值），更新方向（因为我们这里只是计数当前输出脉冲，并不管脉冲的方向，所以这里无所谓），向上计数（就是增计数，每给驱动器一个脉冲，计数值就加 1），其他三个位用不到 。 图 4-8 高速计数的控制字 HDEF 是定义高速计数器的模式，参数 HSC 为 0 的意思就是使用高速计数器 HSC0，参数 MODE 是 9 的意思就是采用模式 9，模式的意思如图 4-9。模式 9 是 A/B 相正交计数器，因为有 AB 两相，所以采用了模式 9，这样 A 相就接 I0.0， B 相就接 I0.1。 24 图 4-9 （接上一页） SMD38 这个地址里放的是当前计数值，因为计数从 0 开始计数，所以写入 0。 SMD42这个地址放的是预设值，这个一般用于高速计数中断，因为用不到高速计数中断，所以这里的预设值只需要大于前面输出脉冲个数的最大值就可以了。 HSC 就是调用高速计数了，在各种参数都写入规定好后就要调用了。 图 4-10 中断子程序 INTO 网络 1 中断子程序 INT0 网络 1 如上图 4-10 所示 ，前面说过这个中断子程序是 PTO 高速输出完成后所要扫描的程序，网络 1 的意思就是在 PTO 高速输出完成后，也就是正转完成后，复位掉方向输出 Q0.1，即这时驱动器的方向控制端子为低电平，电机进入反转状态，因为反转也需要脉冲驱动，并且也是加速、匀速、减速三个阶段，并且加减速的各种参数以及脉冲数都和正转是相同，所以需要二次调用高速脉冲输出，所以这里置位 M0.0、 M0.0 置位后，在主程序网络 2 中高速输出子程序的前面又 接通了，所以就实现了二次调用。至于为什么在置位 M0.0 前面加上一个 Q0.1 的常开点，这是因为如果不加这个常开点在反转脉冲输出结束后程序再次进入中断子程序，再次置位M0.0，这样就会出现三次调用高速输出，电机就会在反转结束后再次转动，与要求不符，所以加个 Q0.1 的常开点，这样在第一次正转结束后进入中断时，因为此时是正转 状态方向 Q0.1 是 1（在主程序网络 1 中初始化置位），所以这个时候 Q0.1 的常开点是接通的，就能成功置位 M0.0 实现高速输出子程序的二次调用，而在反转脉冲输出完成后进入中断时，这是是反转状态， Q0.1 是 0， Q0.1 的常开点是断开的，所以这时就不能置位 M0.0，就不会出现三次调用。 25 图 4-11 中断子程序 INT0 网络 2 中断子程序 INTO 网络 2 如上图 4-11 所示 ，在正转脉冲输出完成后进入中断，然后就将 0 写入 SMD38，前面说过 SMD38 这个地址的数据是高速计数的当前值，所以正转结束进入中断后就清零当前值，为下次反转做准备；同样反转结束后也是清零，为下次使用电机正传的计数做准备。 SMB37 是 16#C0，这是高速计数的控制字， 各个位的意思前面已经介绍过， 16#C0换算成二进制数就是 2#11000000，即启用高速计数，更新当前值。因为 要重新清零当前值，所以要对当前值更新的这个位置 1。下面就是调用 HSC0，前面对当前值的更改只有在调用这个 HSC 指令后才能生效。 至此整个设计过程结束。 符号表见图 3-12 26 结束语 本次毕业论文设计是基于 PLC 控制步进电机，借助于力传感器技术实现对电磁铁推拉力测试，是在指导老师的指导和严格监督下完成的。通过这次设计， 本人 对所学的知识在实际应用中有了更感性的认识和全新的体会。本次论文设计让我学会了怎样 实现 PLC 对步进电机的控制。对 PLC、步进电机、电磁铁等有了更深刻了解。学会了用 PLC 编程、 PLC 的基本指令及其功能指令。理解了步进电机、驱动器、电磁铁等的工作原理和使用方法。 这次毕业设计不仅增强了我的专业方面的能力，在与小组成员的合作中， 也学会了沟通和合作，学会共同解决问题，互帮互助。对于各自的 问 题也有更深的理解。也