【电气工程及其自动化】基于三菱fx-2n plc的具有人机界面的步进电机控制器

本科生毕业设计（论文）基于三菱FX2NPLC的具有人机界面的步进电机控制器二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111设计背景112步进电机控制方法的研究2121步进电机几种常用的控制电路2122几种控制方式的比较313人机界面的现状及发展趋势314设计研究内容和实现功能4141控制要求4142人机界面设计内容42系统硬件的选型521控制系统的总体设计522PLC的选型523触摸屏的概述及选型624驱动器的概述及选型625步进电机的概述及选型93硬件的设计1031控制系统接线图1032硬件配置104系统软件的设计1141控制系统程序框图1142系统实现功能及PLC程序1243触摸屏程序的设计145程序调试166系统仿真17结论18参考文献19附录20附录A指令表20附录B梯形图22基于三菱FX2NPLC的具有人机界面的步进电机控制器摘要本设计是使用三菱FX2NPLC和触摸屏，实现对步进电机的控制，包括控制选择步进电机的工作方式、转向、速度控制等功能，介绍了控制系统方案及软硬件结构的设计思路。关键词人机界面；三菱FX2N系列PLC；步进电机；步进电机控制器STEPMOTORCONTROLLERBASEDONPLC,MANMACHINEINTERFACEABSTRACTTHISDESIGNISTOUSEMITSUBISHIFX2NPLCANDMANMACHINEINTERFACETOREALIZETHECONTROLOFTHESTEPPERMOTORITINCLUDESFUNCTIONSOFTHESELECTIONOFSTEPPERMOTORSWORKINGWAYANDTHECONTROLOFSTEERINGANDSPEED,ANDINTRODUCESTHEDESIGNIDEASOFTHECONTROLSYSTEMSCHEMEANDHARDWAREANDSOFTWARESTRUCTUREKEYWORDSINTERFACEMELSOFTFX2NPLCSTEPMOTORSTEPMOTORCONTROLLER1绪论11设计背景步进电动机是直流电动机的一类电动机，传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件之一。1步进电机的特点现在，传统电机分类的界线是越来越不清楚，这主要是受到电子技术以及自动控制技术还有电动机本体发展的影响。就传统的步进电机而言，步进电机可定义为从主控制器接收到一个脉冲就改变一次励磁状态同时改变一个位置状态，假如励磁状态不改变则电机位置状态不变，也就保持静止。从广义上讲，步进电机也是一种无刷直流电机，只不过其受制于脉冲信号而已，另外说步进电机是同步电机，是因为其转速和脉冲频率是同步的。步进电机的特色，归纳如下（1）整个系统简单、廉价，能够用数字信号直接进行开环控制。（2）使用方便，可以直接获取数字信号，不需要进行数模转换。（3）步距角的误差不会长期累加，既可以进行简单的控制，也能够达到较高精度的控制要求。（4）电动机本体部件少，使其使用时可靠性更高。（5）响应性较好，便于启停以及制动控制。（6）有自锁功能。（7）步距角能够从很小的角度到180度的大范围内选择。在步距角较小的情况下也可以不通过减速器直接驱动负载工作。（8）多台步进电机不仅可以被一台控制进行同步控制，其速度还可以在速度可以在较大范围内变动。（9不能够直接使用普通的交流电源对其进行驱动控制。12步进电机控制方法的研究121步进电机几种常用的控制电路（1）基于电子电路的控制此种控制电路设计简单，但功能不全，操作不方便，价格比较昂贵，仅实现一般步进电机的细分任务。其中脉冲信号发生器、脉冲信号分配器、功率放大驱动电路这三者是系统的主要部分,如图1所示图1电子电路控制系统图（2）基于PLC的控制PLC（PROGRAMMABLELOGICALCONTROLLER）通常称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单、具有丰富的输入/输出接口、并且具有较强的驱动能力、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱之一。2PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。（3）基于单片机的控制随着大规模集成电路的出现，电气传动已经到了以微处理器为核心的领域，当然这归功于微电子以及计算机技术的快速发展。为了达到实时控制的目的，微机控制需要在初始阶段在外围配置大量接口。这样迫使一些公司在一块芯片上直接集成了很多外围接口，使之满足这种需要，这样就成为所谓的单片机了。3步进电动机的单片机控制步进实现了硬件的控制方法还实现了软件的控制方法。单片机的脉冲分配可分为软件法和硬件法。软件控制法就是用软件来达到脉冲分配的目的，从而实现步进电机的良好控制。如图2步进电机A、B、C三相的脉冲输入信号直接由单片机8051的三个I/O口控制。这种系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路，但此种方法占用大量CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作。图2软件脉冲分配示意图122几种控制方式的比较基于电子电路的控制既可以采用闭环控制也可以采用开环控制，但在运用时需要一些大规模集成电路的配合，电路复杂，成本高，功能单一，灵活性不高。基于PLC的控制，PLC集成度高，内置模块，并且还以外接扩展模块来达到控制要求，可以通过编程很灵活的控制步进电机，且基于PLC的控制相对其它的控制方式更可靠。基于单片机的控制，单片机的使用和PLC一样灵活可靠，但其编程复杂，可靠性差，容易死机。综上所述，本设计采用PLC来对步进电机进行控制。13人机界面的现状及发展趋势人机界面（HUMANMACHINEINTERFACE，简称HMI）一般指用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。各主要的控制设备生产厂商，例如西门子、AB、施耐德、三菱和欧姆龙等公司，均有它们的人机界面系列产品，此外还有一些专门生产人机界面的厂家。人机界面其主要应用之一就是触摸屏，触摸屏是一种直观的操作设备，可以由用户在触摸屏的画面上设置具有明确意义和提示信息的触摸式按键和用于输入数字的输入域。只要用手指触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作，人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然，达到了完美的统一。使用触摸屏后，能明确告知操作员机器设备目前的状况，给出操作的提示，使操作变得简单生动，可以减少操作失误，即使是新手也可以很轻松地学会操作整个机器设备。触摸屏还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少PLC控制器所需的I/O点数，降低生产的成本。与大量使用薄膜按键的操作员面板相比，触摸屏具有直观和节省空间等优点，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值和提高工作效率。触摸屏是人机界面发展的主流方向，几乎成了较高级的人机界面的代名词。3近年来，随着计算机硬件的发展，新一代的计算机用户，在应用软件的可操作性以及软件操作的舒适性等方面对应用软件提出了更高的要求，除期望所用的软件拥有强大的功能外，更期望应用软件尽可能的为他们提供一个轻松、愉快、感觉良好的操作环境，因而人机界面已变得相当重要，而人机界面设计也逐渐盛行和受人们欢迎。14设计研究内容和实现功能141控制要求（1）能对三相步进电机的转速进行控制。（2）可实现对三相步进电机的正、反转的控制。（3）可对三相步进电机的步数进行控制。（4）能实现自动/单步/定步控制。142人机界面设计内容（1）进入主界面需要密码，确保操作安全。（2）实现控制要求的内容，并能有转速显示，方便直观。（3）有报警显示功能。2系统硬件的选型21控制系统的总体设计系统整体硬件结构如图4所示，整体上分为4个部份（1）PLC主控负责输出转速信号和方向电平，接收触摸屏发出的控制信号及步进电机反馈的报警信号。（2）触摸屏负责控制步进电机的工作状态及工作方式，显示当前工作及报警内容。（3）驱动模块主要负责控制脉冲信号，并将信号放大驱动步进电机。（4）步进电机实现系统的设计功能。图3系统整体结构图22PLC的选型本设计就最常用的大众品牌三菱PLC来展开设计。因为本设计中PLC主要用于控制步进电机运转，需要有脉冲输出，所以PLC的输出通道必须是晶体管性的，且至少带一路高速脉冲输出通道。又因为需要用到速度反馈，故PLC的输入接口要支持高速脉冲输入，至少需要用到6路输出通道和6路输入通道。综合以上因素，本设计所选用的PLC为FX2N24MT，带两路高速脉冲输出，最高输出频率可达100K；六路高速计数器输入，可同时检测两路AB相编码器；一组RS232和一组R422通信接口，RS485通信接口支持MODBUSRTU协议和三菱RS无协议通信。它的基本指令执行速度高达008S每条指令，用户存储器容量扩展到16K步，有2路模拟量输入模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS232C/RS422/RS485串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。423触摸屏的概述及选型根据控制要求，预计触摸屏上要放的键统计如表1表1功能控制键统计运行方式控制工作方式的选择转向选择连续运行定步运行单步运行单三拍双三拍单双六拍正转反转其他输入启动停止步数输入左点动右点动加速减速模拟报警其他输出及显示A相B相C相步数显示步速显示运行方式工作方式报警基于控制系统对步进电机的控制功能的考虑，设计用到的按钮不多，所要求的屏幕不大，而且所用的功能都是基本功能，所以本设计所选用触摸屏得的型号为GT1150QBBDC。触摸屏的具体参数图4所示图4触摸屏具体参数24驱动器的概述与选择现在通用于步进电机的驱动电路有很多种，下面将介绍几种常用的驱动电路，并选择一种最合适本设计的。（1）单电压驱动电压驱动就是指只有一个方向的电压给步进电机绕组供电，从前面推动级接收信号IN，并且作用在三极管的基极，晶体管的集电极连接步进电动机的一相绕组，而绕组的另一端连接电源电压。那么当晶体管接通时，电压均作用在电机的绕组上。单电压驱动的一些特点线路简单，成本低；低频时响应较好；有共振区；在高频下转动时带动负载能力迅速降低。适合驱动小功率的步进电动机，运行频率不高的场合（2）斩波恒流驱动恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不轮在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。T1是一个高频开关管。T2管的发射极接一个电流取样小电阻R。比较器一端接给定电压UI,另一端接R上的压降。控制脉冲UI为低电平时,T1和T2均截止。当UI为高电平时,T1和T2均导通,电源向电机供电。由于绕组电感的作用,R上电压逐渐升高,当超过给定电压UC,比较器输出低电平,与门因此输出低电平,T1截止,电源被切断,绕组电感放电。当取样电阻上的电压小于给定电压时,比较器又输出高电平,与门输出高电平,T1又导通,电源又开始向绕组供电,这样反复循环,直到UI又为低电平。因此T2每导通一次,T1导通多次,绕组的电流波形为锯齿形,在T2导通的时间里电源是脉冲式供电，所以提高了电源效率,而且还能有效抑制共振。这种功率接口的特点是高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。5（3）细分步进驱动器的步进系统驱动步进电机作为电磁机械装置，其进给的分辨率取决于细分驱动技术。采用软件细分驱动方式，由于编程的灵活性、通用性，使得步进细分驱动的成本低、效率高，要修改方案也易办到。同时，还可解决步进电机在低速时易出现的低频振动和运行中的噪声等。细分驱动原理步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按ABC的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。而按AACCCBBBAA的顺序通电，则步进电机为半步工作。以AB为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，IAB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由B变为05B，从而也就实现了2步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。在三相步进电机的A相与B相之间插入合成向量AB，则实现了2步细分。要再实现4步细分，只需在A与AB之间插入3个向量I1、I2、I3，使得合成磁势的转动角度1234，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于I1、I2、I33个向量的插入是对电流向量IB的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂。在三相步进电机整步工作时，实现2步细分合成磁势转动过程为IAIABIB；实现4步细分转动过程为IAI2IAB；而实现8步细分则转动过程为IAI1I2I3IAB。可见，选择不同的细分步数，就要插入不同的电流合成向量。该系统采用了步进电机专用驱动器来给步进电机分配控制脉冲。本设计所采用的细分步进电机驱动器型号为YK3605SA，是一款专业的三相步进电机驱动。可实现正反转控制，设有8档等角度恒力矩细分，最高分辨率为步进电机有效分辨率10000步；同时，细分数越高，输入步进电机的电流波形和步进电机转动角的波形就越接近正弦波，即转子运转越加平滑，有效地降低了步进电机的震荡程度。故能很大限度地提高了步进电机的控制精度。另外，该步进驱动器的驱动电流从15A/相到59A/相16无极可调，所以不需要再加入功率放大电路。能达到低振动、小噪声、高精度的驱动效果。控制系统图如下图5所示。图5使用步进驱动器的步进系统电路图步进驱动器有三路输入信号，分别是步进脉冲信号CP、CP；方向电平信号DIR、DIR；使能信号EN、EN。输入信号有共阴极和共阳极两种接法，这里使用共阴极接法。PLC输出接口分配为Y0发出脉冲，Y1控制方向，Y2控制使能信号。另外，为使本设计系统更具实用性，这里使用了步进电机带丝杆滑台导轨，在导轨架上安装上4个光电感应器（所用的光电传感器为光敏二极管）用以控制行程，分别接到PLC的四个输入端口。25步进电机的概述与选择步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。步进电机有三大种类，分别是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，步距角可以做得很小，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750。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。综合考虑运转性能和性价比，本设计采用混合式步进电机。型号为863HB69583低压型三相混合式步进电机。图6863HB69583低压型三相混合式步进电机技术参数图3硬件的设计31控制系统接线图图7外部接线图32硬件配置表2硬件配置表设备制造商数量PLC（FX2N24MT）MITSUBISHI1台GROUP触摸屏（GT1150QBBDC）MITSUBISHIGROUP1台步进电机（863HB69583）1台步进电机驱动器（YK3605SA）1台RS232电缆1条传输控制信号的电缆若干4系统软件的设计41控制系统程序框图图8控制系统程序框图（总图）图9控制系统程序框图（详图）42系统实现功能及PLC程序（1）能对步进电机的转速进行控制通过更改寄存器D10的值，改变定时器的定时时间，从而改变每步的时间，实现对步进电机转速的控制；（2）有选择步进电机运行方式的功能通过中间继电器M104，M105，M106分别控制连续定步单步的运行方式。（3）有选择工作方式的选择通过中间继电器M8，M9，M10分别控制单三拍双三拍单双六拍的工作方式。6（4）有正反转控制、有速度显示正反转控制通过改变对寄存器D0的值的加减，再用解码指令把D0的值换到M0到M7中，从而驱动Y0到Y2线圈。43触摸屏程序的设计（1）首页设计首页的设计要简洁，具有基本功能即可。另要有维修电话，方便如果仪器出现故障能联系维修。（2）操作页设计操作页是用来选择运行方式的，包括连续工作、定步工作和单步工作，还有显示当前工作状态，另外要有停止和返回首页按钮。（3）运行页面连续工作页连续工作页包括工作方式选择按钮，启停按钮和转向按钮，还有转速显示和工作状态显示。为了方便仿真和观察仿真现象，还加放了输出信号灯Y0Y2，同时还有限位输入和报警信号输入。7定步工作页面和单步工作页面内容和连续工作页面类似，下面将不再一一阐述。定步工作页面单步工作页（4）报警页面报警功能有操作错误报警及硬件故障报警。操作错误报警未选择工作方式；未选择转向；未选择运行方式。硬件故障报警电机过热、过载报警5程序调试PLC程序和触摸屏程序写完后，进入程序调试阶段，在这过程中遇到下列的一些问题（1）启动按钮不能启动，停止按钮不能停止。原因编写程序是出现触点竞争，启动的线圈触点和中间继电触点配合不合理。解决办法通过和老师讨论和结合课本内容，把启动和停止支路分开，采用多触点开头分离。（2）左右限位开关不能自动往返原因左右限位都用了同一个定时器T0，出现双线圈问题。解决办法把其中一个定时器改为T1。（3）仿真的时候有时按下触摸屏上的键时，没有反应，检查PLC程序和触摸的程序都没错。原因经上网查询及阅读一些有关资料，确定是电脑硬件的问题，有时因为电脑的反应速度与仿真软件的读取速度不同步，导致有时按下按钮的时候PLC读取不了该动作。解决办法暂时还没找到有效的解决办法，只有在仿真的时候，对着PLC时序图来按键，如果发现有问题，就多按一次。6系统仿真在GXDEVELOPER打开PLC程序，点击“梯形图逻辑测试起动”按钮，进入PLC程序仿真，再打开GTSIMULATOR，打开触摸屏程序，入系统调试仿真，观察并记录现象，如图10。图10是连续运行单三拍工作方式左转的工作状态图10仿真图结论本次毕业设计通过对步进电机结构、工作原理以及控制系统和驱动的了解，通过查阅相关资料，设计了通过解触摸屏和PLC控制步进电机的控制方法。设计的步进电机控制器能对步进电机的运行方式，工作方式和正反转进行控制，而且在触摸屏上能有转速，工作状态和报警信息的提示，功能比较齐全。在编写程序过程中遇到不少问题，通过自己的努力和在老师的帮助下，都已得到解决，自己从中学到不少知识，对PLC编程细节也有一定的认知。由于个人知识欠缺和时间的限制，触摸屏中的报警功能比较单一，这对步进电机控制器在使用中出现故障时给操作者带来不便。此次毕业设计的课题为基于FX2NPLC人机界面的步进电动机控制器，对于一名电气工程专业的学生来说，这次毕业设计的题目还是比较适合我的。此课题可以对我之前所学各门课程的知识进行一个总结，以提高我的综合素质，对于我日后的工作将会有很大的帮助。参考文献1坂本正文,王自强步进电机应用技术M北京科学出版社,2010，792三菱PLC与变频器触摸屏综合培训教程盖超会,阳胜峰编著北京中国电力出版社，2011，1923赵丹,等人机界面、位控模块在对中性测量仪中的应用J机械与电子,2005,972754刘军PLC在工业中的应用N电子报,200609285阮友德，电气控制与PLC实训教程M北京人民邮电出版社，2006,67896高钦和，PLC应用开发案例精选第二版M北京人民邮电出版社,2008,56667GT15使用说明书附录附录A指令表LDM80021MOVK50D106RSTD09LDM2310ORM2411ANIM2012ANIM3813ANIM3914ANIC015ANIM4016OUTM2417LDPM2019ORM3620ORM3721ORC022ZRSTM0M1027ZRSTM100M10632MOVK50D1037ZRSTD0D242RSTC044LDPM1146ANIM1247ANIM1348ANIM949ANIM1050SETM851LDPM1253ANIM1154ANIM1355ANIM856ANIM1057SETM958LDPM1360ANIM1161ANIM1262ANIM863ANIM964SETM1065LDPM4167ORM10468ANIM10569ANIM10670ANIM2071OUTM10472MOVK2D277LDPM4279ORM10580ANIM10481ANIM10682ANIM2083OUTM10584MOVK4D289LDPM4391ORM10692ANIM10493ANIM10594ANIM2095OUTM10696MOVK8D2101LDPM14103ALTPM100106LDPM15108ALTPM101111LDPM30113ORM34114ANIM100115ANIM101116ANIT0117OUTM34118OUTT0K30121LDPM30123ORM36124ANIM100125ANDM101126ANIT2127OUTM36128OUTT2K50131LDPM16133ORM102134ORT0135ANIM35136ANIM36137ANIM38138ANIM103139ANIM20140ANIM100141OUTM102142LDPM31144ORM35145ANIM100146ANIM101147ANIT1148OUTM35149OUTT1K30152LDPM31154ORM37155ANIM100156ANDM101157ANIT3158OUTM37159OUTT3K50162LDPM17164ORM103165ORT1166ANIM34167ANIM37168ANIM38169ANIM102170ANIM20171ANIM100172OUTM103173LDM24174ANIM8175ANIM9176ANIM10177ORM38178ANIT4179OUTM38180OUTT4K20183LDPM38185SETM60186LDFM38188RSTM60189LDIM102190ANIM103191ANIM106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