三相步进电机的PLC控制课程设计..

电气控制与可编程控制器技术电气控制与可编程控制器技术 A 课程设计报告课程设计报告 题 目 三相步进电机的模拟控制 院 系 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 2014 年 6 月 3 日至 2014 年 6 月 13 日 华中科技大学武昌分校制华中科技大学武昌分校制 电气控制与可编程控制器技术电气控制与可编程控制器技术 A A 课程设计任务书课程设计任务书 1 1 设计 调查报告 设计 调查报告 论文 题目论文 题目 三相步进电机的模拟控制 2 2 设计 调查报告 设计 调查报告 论文 主要内容论文 主要内容 1 控制要求 控制要求 本设计要求利用 PLC 构成三相步进电机控制系统 完成主电路的接线 并编写三 拍 六拍 单步和连续控制的程序并调试 2 设计要求设计要求 当钮子开关拨到单步时 必须每按一次起动 电机才能旋转一个角度 当钮子开关拨到连续时 按一次起动 电机旋转 直到按停止 当钮子开关拨到三拍时 旋转的角度为 3 度 当钮子开关拨到六拍时 旋转的角度为 1 5 度 当钮子开关拨到正转时 旋转按顺时针旋转 当钮子开关拨到反转时 旋转按逆时针旋转 当单步要转到连续 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当连续要单步连续 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当三拍要转到六拍 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当六拍要转到三拍 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当正转要转到反转 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当反转要转到正转 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 3 3 撰写说明书撰写说明书 系统的 I O 分配表 含软件设计 程序及必要的说明 调试及调试结果 以及在调试过程中出现的问题及解决办法 三 原始资料三 原始资料 1 三相步进电机的资料 2 GX developer 仿真软件的资料 四 要求的设计 调查四 要求的设计 调查 论文 成果论文 成果 1 了解三相步进电机的工作原理 掌握步进电机的三相三拍 三相六拍的控 制方式 对实验室提供的三相步进电机实验设备进行硬件连接及调试 2 掌握集成开发环境 GX developer 的使用 并能在这个开发环境下编写三 相步进电机控制系统的梯形图程序 3 利用实验室设备进行运行调试 4 撰写课程设计说明书 课程设计报告内容包括 设计方案 课程设计过程和设计思想 方法 原理 系统的 I O 分配表及程序的详细说明 参考资料 参考书及参考手册 其他需要说明的问题 例如操作说明 程序的调试过程 遇到的问题及解决方 法 对课程设计的认识和建议等 用电脑编排打印 报告格式按照 华中科技大学武昌分校课程设计管理办法 执行 课程设计报告要求内容正确完整 图表清晰 叙述简明 语句通顺 字数不得 少于 2000 汉字 课程设计报告按封面 任务书 设计说明书 图纸 实物照片贴页 实物照片贴 在 A4 复印纸上 成绩评定表的顺序装订 5 总结调试过程中出现的问题及解决办法 以上设计课题完成后 均要总结设计结果 提交专业课程设计说明书并进行设计 答辩 五 进程安排五 进程安排 内容时间 下达课程设计任务书 讲解课程设计的任务与要求 进度安排 指导时间 注意事项 提供参考资料 学生到 实验室熟悉设备 1 天 搜集资料 方案论证 初步设计 1 天 系统设计 绘制系统控制原理图 接线图及软件编程 2 天 利用实验室设备完成控制系统的硬件接线工作 运行控 制程序 进行运行调试 3 天 方案优化 总结完善 整理资料 撰写课程设计报告2 天 答辩 课程设计总结 1 天 共计10 天 2 周 六 主要参考资料六 主要参考资料 1 马小军 可编程控制器及其应用 南京 东南大学出版社 2007 2 姚锡禄 变频器技术应用 北京 电子工业出版社 2009 3 巫莉 电气控制与 PLC 应用 北京 中国电力出版社 2008 4 王兆义 小型可编程控制器实用技术 北京 机械工业出版社 2013 指导教师 签名 指导教师 签名 2020 年年 月月 日日 目 录 1 三相步进电机的 PLC 控制与要 求 1 1 1 控制要 求 1 1 2 设计要 求 1 2 步进电机及 PLC 的工作原 理 2 2 1 步进电机简 介 2 2 2 步进电机的分 类 2 2 3 步进电机的基本参 数 3 2 4 步进电机主要特 点 4 2 5 反应式步进电机原理 4 2 6 PLC 的工作原 理 5 2 7 GX Developer 简 介 7 3 设计方案及实验调 试 9 3 1 步进电机 I O 口分配 表 9 3 2 I O 口端子接线 图 9 3 3 设计流 程 9 3 4 设计梯形图 11 3 5 调试过程及问题分 析 13 课程设计总结 14 参考文献 15 1 1 三相步进电机的 PLC 控制与要求 1 1 控制要求 本设计要求利用 PLC 构成三相步进电机控制系统 完成主电路的接线 并 编写三拍 六拍 单步和连续控制的程序并调试 1 2 设计要求 当钮子开关拨到单步时 必须每按一次起动 电机才能旋转一个角度 当钮子开关拨到连续时 按一次起动 电机旋转 直到按停止 当钮子开关拨到三拍时 旋转的角度为 3 度 当钮子开关拨到六拍时 旋转的角度为 1 5 度 当钮子开关拨到正转时 旋转按顺时针旋转 当钮子开关拨到反转时 旋转按逆时针旋转 当单步要转到连续 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当连续要单步连续 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当三拍要转到六拍 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当六拍要转到三拍 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当正转要转到反转 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 当反转要转到正转 可以通过停止也可以直接转换 通过编程 2 2 步进电机及 PLC 的工作原理 2 1 步进电机简介 步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转 换元件 在经历了一个大的发展阶段后 目前其发展趋于平缓 然而 由于电 动机的工作原理和其它电动机有很大的差别 具有其它电动机所没有的特性 因此 沿着小型 高效 低价的方向发展 步进电动机由此而得名 步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进 行的 其转子走过的步数 或者说转子的角位移量 与输入脉冲数严格成正比 另外 步进电动机动态响应快 控制性能好 只要改变输入脉冲的顺序 就能 方便地改变其旋转方向 这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别 因此 步进电动机的上述特点 使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统 既具有较高的控制精度 良好的控制性能 又能稳定可靠地工作 因此 在数 字控制系统出现之初 步进电动机经历过一个大的发展阶段 3 2 2 步进电机的分类 1 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 5 度或 15 度 2 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 5 度 但噪声和振动都很大 3 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 两相步进角一般分为 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 三相反应式步进电机的结构如图所示 定子 转子是用硅钢片或其他软磁 材料制成的 定子的每对极上都绕有一对绕组 构成一相绕组 共三相称为 A B C 相 图 2 1 三相反应式步进电机的结构图 3 在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿 采用适当的齿数配合 当 A 相磁极的小齿与转子小齿一一对应时 B 相磁极的小齿与转子小齿相互错开 1 3 齿距 C 相则错开 2 3 齿距 如图所示 图 2 2 A 相通电定转子错开示意图 电机的位置和速度由绕组通电次数 脉冲数 和频率成一一对应关系 而 方向由绕组通电的顺序决定 2 3 步进电机的基本参数 1 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 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 2 步进电机的相数 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 9 1 8 三相的为 0 75 1 5 五相的为 0 36 0 72 在没有细分 驱动器时 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 3 保持转矩 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了衡量步进电机最重要的参数之一 比如 当人们说 2Nm 的步进电机 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2Nm 的步进电机 4 钳制转矩 4 钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下 定子锁住转子的力矩 由于反 应式步进电机的转子不是永磁材料 所以它没有钳制转矩 2 4 步进电机主要特点 1 一般步进电机的精度为步进角的 3 5 且不累积 2 步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点 步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁 从而导致力矩下降乃至于失步 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摄氏 130 度以上 有的甚至高达摄氏 200 度以上 所以 步进电机外表温度在摄氏 80 90 度完全正常 3 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 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 4 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 步进电机有一个技术参数 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 2 5 反应式步进电机原理 1 反应式步进电机结构 电机转子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 0 1 3 2 3 相邻两转子齿轴线间的距离为齿距 以表示 即 A 与齿 1 相对齐 B 与齿 2 向右错开 1 3 C 与齿 3 向右错开 2 3 A 与齿 5 相对齐 A 就是 A 齿 5 就是齿 1 如图 图 2 3 定转子的展开图 2 反应式步进电机的旋转 三相如 A 相通电 B C 相不通电时 由于磁场作用 齿 1 与 A 对齐 转 5 子不受任何力 以下均同 如 B 相通电 A C 相不通电时 齿 2 应与 B 对齐 此时转子向右移过 1 3 此时齿 3 与 C 偏移为 1 3 齿 4 与 A 偏移 1 3 2 3 如 C 相通电 A B 相不通电 齿 3 应与 C 对齐 此时转子又 向右移过 1 3 此时齿 4 与 A 偏移为 1 3对齐 如 A 相通电 B C 相不通 电 齿 4 与 A 对齐 转子又向右移过 1 3这样经过 A B C A 分别通电状 态 齿 4 即齿 1 前一齿 移到 A 相 电机转子向右转过一个齿距 如果不断 地按 A B C A 通电 电机就每步 每脉冲 1 3 向右旋转 如按 A C B A 通电 电机就反转 由此可见 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 不过 出于对力矩 平稳 噪音及减少角度等方 面考虑 往往采用 A AB B BC C CA A 这种导电状态 所以本设计采用三相 六拍 这样将原来每步 1 3改变为 1 6 甚至于通过二相电流不同的组合 使其 1 3变为 1 12 1 24 这就是电机细分驱动的基本理论依据 5 不难推出 电机定子上有 m 相励磁绕阻 其轴线分别与转子齿轴线偏移 1 m 2 m m 1 m 1 并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 这是步进电机旋转的物理条件 只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相 的步进电机 出于成本等多方面考虑 市场上一般以二 三 四 五相为多 3 步进电机在工业控制领域的主要应用 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 家电产品中 例如打印机 磁盘驱动器 玩具 雨刷 机械手臂和录像机等 另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中 由于通过控制脉冲个数可 以很方便的控制步进电机转过的角位移 且步进电机的误差不积累 可以达到 准确定位的目的 还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度 达到任意速的目的 因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中 2 6 PLC 的工作原理 可编程控制器有两种基本的工作状态 即运行 RUN 状态与停止 STOP 状态 在运行状态中 可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的 控制要求 为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号 用户程序不仅仅执行一次 而是反复不断地重复执行 直到可编程控制器停机 或切换到 STOP 工作状态 下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程 图 2 4 a 所示的 PLC 的输入输出接线图 起动按钮 SB1 和停止按钮 SB2 的常开 触点分加别接在编号为 X000 和 X001 的可编程控制器的输入端 接触器 KM 的线 圈接在编号为 YO00 的可编程控制器的输出端 图 b 是这 3 个输入 输出变量对 应的 I O 映像寄存器 图 c 是可编程控制器的梯形图 它与图 2 4 所示的继 6 电器电路的功能相同 但是应注意 梯形图是一种程序 是可编程控制图形化 的程序 图中的 X000 等是梯形图中的编程元件 XO00 与 X001 是输入继电器 Y000 是输出继电器 编程元件 X000 与接在输入端子 XO00 的 SB1 的常开触点和 输入映像寄存器 XO00 相对应 编程元件 Y000 与输出映像寄存器 Y000 和接在输 出端子 Y000 的可编程控制器内部的输出电路相对应 a b c d 图 2 4 PLC 的外部接线图与梯形图 梯形图以指令的形成储存在可编程控制器的用户程序存储器中 梯形图与 下面的 4 条指令对应 之后是该指令的注解 LD X000 接在左侧母线上的 X000 的常开触点 OR Y000 与 X00O 的常开触点并联的 Y000 的常开触点 ANI X001 与并联电路串联的 X001 的常闭触点 OUT Y000 Y000 的线圈 在输入处理阶段 CPU 将 SB1 SB2 的常开触点的状态读入相应的输入映像 寄存器 外部触点接通时存入寄存器的是二进制数 1 反之存入 0 执行第一条指令时 从输入映像寄存器 X000 中取出二进制数并存入运算结 果寄存器 执行第二条指令时 从输出映像寄存器 Y000 中取出二进制数 并与运算结 果寄存器中的二进制数相 或 触点的并联对应 或 结算 然后存入运 算结果寄存器 执行第三条指令时 取出输入映像寄存器 X001 中的二进制数 因为是常闭 触点 取反后与前面的运算结果相 与 电路的串联对应 与 运算 然 后存入运算结果寄存器 在输出处理阶段 CPU 将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块 并锁存起来 如果输出映像寄存器 Y000 中存放的是二进制数 1 外接的 KM 线圈将通电 反之将断电 X000 X001 和 Y000 的波形如图 2 11 D 所示 高电平表示按下按钮或 KM 线 圈通电 当 T T1 时 读入输入映像寄存器 X000 和 X001 的均为二进制数 0 此 时输出映像寄存器 Y000 中存入的亦为 0 在程序执行阶段 经过上述逻辑运算 过程之后 运算结果仍为 Y000 0 所以 KM 的线圈处于断电状态 在 T T1 区间 虽 7 然输入 输出信号的状态没有变化 用户程序确在一直反复不断地执行着 T T1 时按下起动按钮 SB1 X0 变为 1 状态 经逻辑运算后 Y000 变为 1 状态 在输出处理阶段 将 Y000 对应的输出映像寄存器中的 1 送到输出模块 将 可编程控制器内 Y000 对应的物理继电器的常开触点接通 使接触器 KM 的线圈 通电 2 7 GX Developer 简介 GX Developer 是三菱 PLC 的编程软件 适用于 Q QnU QS QnA AnS AnA FX 等全系列可编程控制器 支持梯形图 指令 表 SFC ST 及 FB Label 语言程序设计 网络参数设定 可进行程序的线上 更改 监控及调试 具有异地读写 PLC 程序功能 GX Developer 特点 1 软件的共通化 GX Developer 能够制作 Q 系列 QnA 系列 A 系列 包括运动控制 SCPU FX 系列的数据 能够转换成 GPPQ GPPA 格式的文档 此外 选择 FX 系列的情况下 还能变换成 FXGP DOS FXGP WIN 格式的文档 2 利用 Windows 的优越性 使操作性飞跃上升能够将 Excel Word 等 作成的说明数据进行复制 粘贴 并有效利用 3 程序的标准化 标号编程 用标号编程制作可编程控制器程序的话 就不需要认识软元件 的号码而能够根据标示制作成标准程序 用标号编程做成的程序能够依据汇编 从而作为实际的程序来使用 2 功能块 以下 略称作 FB FB 是以提高顺序程序的开发效率为 目的而开发的一种功能 把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化 使得顺序程序的开发变得容易 此外 零件化后 能够防止将其运用到别的顺 序程序时的顺序输入错误 3 宏 只要在任意的回路模式上加上名字 宏定义名 登录 宏登录 到文档 然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式 变更软元件就能 够灵活利用了 4 能够简单设定和其他站点的链接 由于连接对象的指定被图形化而 构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定 5 能够用各种方法和可编程控制器 CPU 连接 经由串行通讯口 经由 USB 经由 MELSECNET 10 H 计算机插板 经由 MELSECNET 计算机插板 8 经由 CC Link 计算机插板 经由 Ethernet 计算机插板 经由 CPU 计算机插板 经由 AF 计算机插板 6 丰富的调试功能 由于运用了梯形图逻辑测试功能 能够更加简单的进行调试作业 没有 必要再和可编程控制器连接 没有必要制作条使用的顺序程序 在帮助中有 CPU 错误 特殊继电器 特殊寄存器的说明 所以对于在线中 发生错误 或者是程序制作中想知道特殊继电器 特殊寄存器的内容的情况下提 供非常大的便利 数据制作中发生错误况时 会显示是什么原因或是显示消息 所以数据 制作的时间能够大幅度缩短 9 3 设计方案及实验调试 3 1 步进电机 I O 口分配 表 3 1 步进电机 I O 口分配表 输入功能输出功能 X0 启动 Y1 控制 A 相 X1 停止 Y2 控制 B 相 X2 正转 Y3 控制 C 相 X3 反转 X4 三拍 X5 六拍 X6 连续 X7 单步 3 2 I O 口端子接线 图 3 1 I O 口端子接线图 3 3 设计流程 三拍正转通电顺序为 A B C 10 三拍反转通电顺序为 A C B 六拍正转通电顺序为 A AB B BC C CA 六拍反转通电顺序为 A CA C BC B AB 按下启动后输出 A2 使其通电 经过延时后判断是否按下停止 若按下停止 则返回初始未启动状态 若未按下停止则判断是否为单步 若为单步则按下启 动后接着判断正 反转 三拍还是六拍 进而使相应的相通电 如三拍正转输 出 B2 而连续则不需按启动直接判断输出 每一步输出后都有是否停止判断 若按下停止则返回初始未启动状态 每个停止判断后都有单步 连续判断 决定 下一步输出是否需要按下启动 所有相输出完毕后回到 A 相进行下一轮输出 大致流程如下图 11 图 3 2 设计流程图 3 4 设计梯形图 12 13 14 图 3 3 设计梯形图 3 5 调试过程及问题分析 将 PLC 的 I O 口与步进电机三相和各个状态开关连接起来 程序写入 PLC 开始执行后可以看到 按下启动步进电机按照设定的方式开始转动 如果 设定为单步则每按一次启动步进电机转动一次 连续则一直转动 其中六拍转 动的步距角为三拍的一半 在转动过程中拨动状态开关电机转动方式改变 若 按下停止则电机停转 调试过程中曾遇到设置为单步时 按下启动步进电机不转动或错误转动的 问题 这是由于设定的延时时间与硬件反应时间不匹配造成的 通过多次调整 实验 我们将延时时间改为 0 5S 电机转动正常 15 课程设计总结 我们这次的课题是应用 PLC 对三相步进电机进行控制 刚拿到题目时有些 无从下手 毕竟从来没有学过步进电机 后来在查阅辅导书和老师的讲解下我 基本明白了它的工作原理