电气控制与PLC原理、应用实践三菱电机FX5U系列课件 第2、3章 典型电气控制电路、PLC基础知识

第二章第2章典型电气控制电路第二章2.1电气控制电路绘制原则及标准电气控制电路是将被控对象、控制器、开关按钮等元器件按一定的要求采用导线连接，并实现某种特定控制功能的电路。为了将生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图正确表达，便于工程技术人员的安装、调试、使用和维修，依据一定的规则将电气控制系统中各电气元器件及其电路用图形表达出来，即是电气控制系统图。电气控制系统图通常有三类：电器布置图、电气原理图和电气安装接线图。在各类图形中，采用标准图形符号表示各种电气元器件，用标准文字符号说明图形符号所代表的电器元器件的基本名称、用途、主要特征及编号等。依据电气元器件的布置位置和实际接线，用规定的图形符号绘制的图称作电气安装图。依据电路工作原理，采用规定的图形符号和文字符号绘制的图称作电气原理图。电气原理图必须清楚地表达电路功能，便于分析电气控制系统的工作原理。三种图均有其不同的用途和规定画法，应采用国家标准统一规定的图形符号、文字符号和标准画法绘制。第二章2.1.1图形符号、文字符号及接线端子电气原理图中电气元器件的图形符号和文字符号必须符合国家标准规定。通常情况，国家标准是在参照国际电工委员会(IEC)和国际标准化组织(ISO)所颁布的标准基础上制定的，但是并不是完全一致。现行的与电气制图有关的主要国家标准有：1)GB/T4728——2018《电气简图用图形符号》。2)GB/T54651——

2009《电气设备用图形符号》。3)GB/T20063——2006《简图用图形符号》。4)GB/T5094.1——

2018《工业系统、装置与设备以及工业产品-结构原则与参照代号》。5)GB/T20939——2007《技术产品及技术产品文件结构原则字母代码-按项目用途和任务划分的主类和子类》。6)GB/T6988——2008《电气技术用文件的编制》。电气元器件的文字符号一般由1-2个字母组成。第一个字母在GB/T5094.22003中的“项目的分类与分类码”中给出；而第二个字母在GB/T209392007中给出。此外，GB/T5094.22003和GB/T209392007中给出的文字符号也适用于机械、液压等领域。该教材采用最新的文字符号来标注各电气元器件。电气元器件的第一个字母，即GB/T5094.22003的“项目的分类与分类码”见表2-1所列。第二章2.1.1图形符号、文字符号及接线端子表2-1GB/T5094.2-2018中项目的字母代码（主类）代码项目的用途或任务A两种或两种以上的用途或任务B把某一输入变量（物理性质、条件或事件）转换为更进一步处理的信号C材料、能量或信息的储存D为将来标准化备用（备用）E提供辐射或热能G启动能量流或材料流，产生用做信息载体或参考源的信号H产生新类型材料或产品F直接防止（自动）能量流、信息流、人身或设备发生危险的或意外的情况，包括用于防护的设备和系统J为将来标准化备用（备用）K处理（接收、加工和提供）信号或信息（用于保护目的的项目除外，见F类）L为将来标准化备用（备用）M提供用于驱动的机械能量（旋转或线性机械运动）第二章2.1.1图形符号、文字符号及接线端子表2-1GB/T5094.2-2018中项目的字母代码（主类）代码项目的用途或任务N为将来标准化备用（备用）P信息表述Q受控切换或改能量流、信息流或材料流（对于控制电路中的开关信号，见K类或S类）R限制或稳定能量、信息或材料的运动或流动S把手动操作改变为进一步处理的特定信号T保持能量性质不变的能量变换，已建立的信号保持信息内容不变的变换，材料形态或形状的变换U保持物体在指定位置V材料或产品的处理（包括预处理后处理）W从一地到另一地引导或输送能量、信号、材料或产品X连接物Y为将来标准化准备（备用）Z为将来标准化准备（备用）第二章2.1.2电气元器件布置图电气元器件布置图主要用于表达各种电气元器件的实际安装位置，为机电设备的安装、维护提供必要的参考。以数控车床为例，其各电气元器件的安装位置是由机床的结构和工作要求决定的，例如，各轴伺服驱动器一般安装于电气控制柜，行程开关安装于各轴行程末端，操作按钮配置在操作面板等操作方便的地方，一般电气元器件应配置在控制柜内。电气元器件布置图主要有机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图、操作台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成，但并非所有机电设备都需要绘制以上全部的布置图。图2-1所示为某型普通车床控制柜电气元器件布置图。图2-1某型普通车床电气元器件布置图第二章2.1.3电气原理图电气原理图需要根据控制系统工作原理绘制，要求结构简单、层次分明，便于研究和分析电气控制系统工作原理。电气原理图描述电气元器件的导电部件以及接线端之间的相互关系，器件的排布以及位置与实际接线情况无关，且不反映电气元器件的大小。现以图2-2所示典型普通车床的电气原理图为例，说明电气原理图绘制基本规则和注意事项。图2-2典型普通车床电气原理图第二章1.绘制电气原理图的基本规则（1）电气原理图一般可分为主电路和辅助电路两部分。主电路指大电流通过的路径。例如，电源到电动机、电源经伺服驱动器到伺服电机等。辅助电路包括控制电路、信号电路、照明电路及保护电路等，通常由继电器的线圈和触点，接触器的线圈和辅助触点、照明灯、按钮等电气元器件构成。通常主电路用粗实线表示，画在图幅的左边；辅助电路用细实线表示，画在图幅的右边；电气原理图简单的情况下，可将主电路和辅助电路绘制在一张图中。复杂的电气原理图，主电路和辅助电路都有可能有若干页。现今机电系统规模及复杂程度越来越高，其原理图的规模和复杂程度越来越高，例如具有PLC控制器的机电设备，电气原理图可细分为电源电路、主控电路、接口电路等等。（2）原理图中元器件不必绘制实际外形图，而采用国家标准规定的统一标准图形符号，文字符号同样采用国家标准。属于同一元器件的线圈和触点，采用同一文字符号表示。对同类型的电器，在同一电路中表达时，可在文字符号后加注阿拉伯数字序号实现区分。（3）各元器件在控制电路中的布置，应根据便于阅读的原则安排，同一元器件的各部件根据需要可以不布置在一起，但文字符号及序号要一致。（例如图中接触器QA1的线圈、主触点及常开触点可以分布在不同位置）（4）所有电器的触点状态，都应按没有通电或没有外力作用时的初始开、关状态绘图。例如中间继电器的触点，按照线圈不通电时的状态绘制；按钮开关触点按照不受外力作用时的状态绘制等。（5）主电路或者控制电路中，各电气元器件要求按照执行动作顺序，从上到下，从左到右依次排列。（6）有直接连接的交叉导线连接点，用黑实心圆点表示；无直接连接的交叉导线，交叉处不能画黑实心圆点。第二章2.图面区域的划分电气原理图上方的1、2、3、4、5…数字是图区编号，是为了便于检索电气电路，方便阅读分析，避免遗漏而设置的。一般CAD图样图区编号在下方也可配置。图区编号下方的“开关电源及保护……”等文字，表明对应区域下方元器件或电路的功能，使读者能迅速了解某个元器件或某部分电路的功能。3.符号位置的索引符号位置的索引用图号、页次和图区编号的组合索引法，索引代号的组成如下：当某图号仅有1页图样时，只写图号和图区的行、列号；在只有1个图号多页图样时，则图号可省略；而元器件的相关触点只出现在一张图样上时，只标出图区号。第二章2.1.4电气安装接线图4.电气原理图中技术数据的标注电气元器件的技术数据可以在电气元器件明细表（技术文档）中标注，也可用小号字体标注在其图形符号的旁边。安装接线图是检查和维修电路不可缺少的技术文件。根据表达对象和用途的不同，接线图有单元接线图、互连接线图和端子接线图等。《GB/T18135——2008电气制图国家标准》详细规定了安装接线图的编制规则。主要有下面几项：1)在接线图中，要求标出各部件的相对位置、部件代号、端子间的电连接关系、端子号、导线类型、截面积等。2)同一控制盘的电气元器件可直接连接，但盘内元器件与外部元器件连接时必须通过接线端子排。3)接线图中各电气元器件图形符号与文字符号均应以原理图为准，并保持一致。4)互连接线图中的互连关系可采用连续线、中断线或线束表示，连接导线需注明导线根数，导线截面积等参数。接线图不表示导线实际走线途径，施工时由施工人员根据实际情况选择最佳走线方式。图2-3所示为某型普通车床电气互连接线图。图2-3某型普通车床电气互连接线图第二章2.2电气控制电路的基本环节2.2.1启动和停止控制1．单向全压启动控制电路图2-4是一个常用电动机控制电路。主电路由断路器、接触器的主触点、热继电器的热元器件与电动机MA构成；控制回路由启动按钮、停止按钮、接触器的线圈及其常开辅助触点、热继电器的常闭触点等几部分构成。正常启动时，合上，电路通入三相电源，按下启动按钮，交流接触器线圈通电，接触器主触点闭合，电动机接通电源直接启动运转。同时，与并联的常开辅助触点也闭合，当手松开，自动复位时，接触器的线圈仍可通过辅助触点使接触器线圈继续通电，从而保持电动机的连续运行。这个交流接触器的辅助触点起着自保持或自锁的作用。这种由接触器（继电器）自身的常开触点来使其线圈长期保持通电的环节叫“自锁”环节。图2-4单向全压启动控制电路按下停止按钮，控制电路被切断，接触器线圈断电，其主触点断开，将三相电源断开，电动机自由停车。同时的辅助常开触点也断开，“自锁”解除，因而当手松开停止按钮后，在复位弹簧的作用下，恢复到原来的常闭状态，但接触器线圈已经不能再依靠自锁环节通电了。第二章2．电动机的点动控制电路生产机械在安装初调或维修时，一般均需要试车或调整，常常需要执行点动控制。点动控制是指按下启动按钮时，常开触点接通电动机启动控制回路，电动机通电转动；松开按钮后，由于按钮自动复位，常开触点断开，切断了电动机控制回路，电动机断电停转。点动起、停的时间由操作者手动控制。图2-5中列出了实现点动的几种控制电路。(a)(b)(c)(d)（a）最基本的点动控制电路(b)带旋转开关的点动控制电路(c)利用中间继电器实现点动的控制电路(d)用复合按钮实现点动的控制电路图2-5实现点动的几种控制电路第二章2．电动机的点动控制电路图2-5(a)是最基本的点动控制电路。当按下点动启动按钮时，接触器线圈得电，主触点闭合，电动机电源接通，启动运转。当松开按钮时，接触器线圈断电，继而主触点断开，电动机被切断电源而停止运转。图2-5(b)是带旋转开关的点动控制电路。当需要点动操作时，将旋转开关转到断开位置，使自锁回路无效，按下按钮时，接触器线圈得电，继而主触点闭合，电动机接通电源，启动运转；当手松开按钮时，接触器线圈失电，继而主触点断开，电动机电源被切断而停止，从而实现点动控制。当需要连续工作时，将旋转开关转到闭合位置，自锁回路有效，即可实现连续控制。图2-5(c)是利用中间继电器实现点动的控制电路。利用连续启动按钮控制中间继电器，的常开触点并联在两端，控制接触器，再控制电动机实现连续运转；当需要停转时，按下按钮即可。当需要点动运转时，按下按钮即可。这种方案的特点是在电路中单独设置一个点动回路，适用于电动机功率较大并需经常点动控制操作的场合。图2-5(d)是采用一个复合按钮实现点动的控制电路。需要点动控制时，按下点动按钮，其常闭触点先断开自锁电路，常开触点后闭合，接通启动控制电路，接触器线圈通电，主触点闭合，电动机得电启动旋转。松开，接触器线圈失电，主触点断开，电动机失电后自由停车。若需要电动机连续运转，则按启动按钮，停机时按下停止按钮即可。这种方案适用于需经常点动控制操作的场合。第二章2.2.2可逆控制与互锁生产机械常常要求具有上下、左右往返等相反方向的运动，如起重机吊钩的上升与下降、机床工作台的前进与后退等运动的控制，要求电动机能够实现正反向运行。由交流电动机工作原理可知，将三相交流异步电动机的三相电源进线中的任意两相互换，即可实现电动机逆向旋转。因此，需要对单向运行的控制电路做相应的补充，即在主电路中设置两组接触器主触点，从而实现三相电源相序的切换；在控制电路中对两个接触器线圈进行控制，这种可控制电动机正反转的控制电路称为可逆控制电路。图2-6所示三相交流异步电动机的可逆控制电路。图2-6(a)为主电路，其中接触器和所控制的接入电源相序相反，因此可使电动机可逆向运行。如图26(b)所示的控制电路中，要使电动机正转，按下正转启动按钮,线圈得电，其主触点闭合，电动机正转，同时由其辅助常开触点构成的自锁环节可保证电动机连续运行；按下停止按钮，可使线圈失电，其主触点断开，电动机停止运行。要使电动机反转，按下反转启动按钮，线圈得电，其主触点闭合，电动机反转，同时由其辅助常开触点构成的自锁环节可保证电动机连续运行；按下停止按钮，可使线圈失电，其主触点断开，电动机停止运行。第二章2.2.2可逆控制与互锁（a）主电路

(b)无互锁的控制电路

(c)电互锁控制电路

(d)采用复合按钮的双重互锁控制电路图2-6三相交流异步电动机可逆控制电路第二章2.2.3顺序及多地控制1.顺序控制电路多机拖动系统中，各电动机工作任务不同，经常需按一定的顺序启动，才能保证操作过程的合理性和工作的安全可靠。例如某型普通铣床要求主轴电动机启动后，进给电动机才可启动。这类要求一台电动机启动后另一台电动机方能启动的控制逻辑称为电动机的顺序控制。如图2-7所示为几种典型电动机顺序控制电路。(a)主电路(b)控制电路之一(c)控制电路之二(d)控制电路之三图2-7电动机的顺序控制电路第二章2．多地控制电路能在两地或多地分别控制同一台电动机的控制逻辑称为电动机的多地控制。例如某型机床在操作台的正面及侧面均能对铣床进行急停操作控制。如图2-8所示为电动机两地控制的典型控制电路。其中、为安装在甲地的启动按钮和停止按钮，、为安装在乙地的启动按钮和停止按钮。多地控制的电路特点是两地启动按钮并联在一起，如图2-8所示中和停止按钮并联在一起，如图2-8中和的串联，因此，在甲地、乙地可以起、停同一台电动机，达到多地控制的目的。图2-8两地控制电路第二章2.3三相交流异步电动机控制电路2.3.1三相交流异步电动机启动控制电路1.直接启动控制电路直接启动电动机的单向运行和可逆运行控制电路见图2-4～图2-6，运行逻辑已分析，这里不做重述。2.降压启动控制电路常见的降压启动方式有定子串电阻降压启动、星形-三角形（-△）降压启动、串自耦变压器降压启动、软启动（固态降压启动器）。（1）定子串电阻降压启动控制电路定子串电阻降压启动是在电动机启动时，在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，启动过程结束后再将电阻短接，电动机全压运行。显然，这种方法会消耗大量的电能且装置成本较高，一般仅适用于大功率绕线式交流电动机的一些特殊应用场合。第二章（1）定子串电阻降压启动控制电路（读者选择掌握）图2-9所示为定子串电阻降压启动控制电路。其工作过程如下：闭合断路器→按下→线圈得电→主触点闭合，电动机MA1串电阻启动。↓辅助常开触点闭合，自锁。线圈得电开始延时→延时时间到→延时闭合→得电→主触点闭合→将定子串接的电阻短接，使电动机在全压下进入稳定运行状态。时间继电器在电动机启动后，仍一直通电，处于动作状态(这是不必要的)，可以调整控制电路，使得电动机启动完成后，由接触器、线圈得电使之正常运行。定子串电阻降压启动的优点是按时间原则切除电阻，动作可靠，电路结构简单；缺点是电阻上损耗无用功大。启动电阻一般采用由电阻丝绕制的板式电阻。为降低电功率损耗，可采用电抗器代替电阻。（a)主电路(b)控制电路图2-9定子串电阻降压启动控制电路第二章20（2）星形一三角形降压启动控制电路正常运行时，定子绕组串接成三角形的笼型异步电动机，可采用星形一三角形(-△)降压启动方法来实现电动机降压启动。-△降压启动方法是指启动时将电动机定子绕组接成形，此刻加载到电动机每相绕组上的电压为电源电压额定值的，从而其启动转矩为△接法时直接启动转矩的1/3，启动电流也降为1/3，减小了启动电流对电网稳定性的影响。待电动机启动后，按预先设定的时间再将定子绕组切换成△接法，使电动机在额定电压下正常运转。星形一三角形降压启动控制电路如图2-10所示。在电路中，在启动时得电，处于工作状态；启动结束后，处于断电状态。与其他降压启动方法相比，-△降压启动方法的启动电流小、电路简单，但启动转矩小，转矩特性较差。因此该方法常常用于小容量电动机及轻负载状态下中大容量电动机启动，且只运用于在正常运行时定子绕组转接成三角形的三相异步电动机。（a）主电路(b)控制电路接图2-10星形-三角形降压启动控制电路第二章（3）自耦变压器降压启动控制电路在自耦变压器降压启动控制电路中，电动机启动电流的控制是通过自耦变压器的降压作用实现。电动机启动时，定子绕组上的电压是自耦变压器的二次侧电压；启动完成后，自耦变压器被切除，定子绕组重新接上额定电压，电动机在全电压下稳定运行。图2-11为自耦变压器降压启动的控制电路。其启动过程分析如下：闭合→按下→线圈得电→主触点闭合→MA定子绕组自耦变压器降压启动。得电→瞬动触点闭合→自锁开始延时→时间到→延时常闭触点断开→线圈失电→①延时常开触点闭合→线圈得电→②①→主触点断开→变压器断开。②→主触点闭合→MA全压运行。与串电阻降压启动相比较，要求同样的启动转矩时，自耦变压器降压启动对电网的电流影响不大，损耗功率小；但结构相对较为复杂、且不允许频繁启停。因此，该方法主要用于启动较大容量的电动机，启动转矩可以通过改变自耦变压器二次侧线圈抽头的连接位置实现。(a)主电路(b)控制电路图2-11自耦变压器降压启动控制电路第二章（4）固态降压启动器固态降压启动器是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电动机控制装置。该装置可以实现交流异步电动机的软启动、软停止功能，同时还具有过载、缺相、欠压、过热等多项保护功能，是传统串电阻降压启动、-△启动、自耦变压器降压启动措施最理想的替代产品。固态降压启动器由电动机启停控制装置和软启动控制器组成。其核心部件是软启动控制器，它是由半导体功率器件及其他电子元器件组成的。软启动控制器的主体结构是一组串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其控制电路，利用晶闸管移相控制原理，控制三相反并联晶闸管的导通角，控制电动机的输入电压，以此实现不同的启动功能。启动时，控制晶闸管的导通角从零开始，逐渐前移，电动机的端电压从零开始，按预设函数逐渐增大，直至达到启动转矩要求而使电动机顺利启动，最后再使电动机全电压运行。软启动控制器原理结构图如图2-12所示。图2-12启动器原理结构图第二章（4）固态降压启动器图2-13为某型软启动器的实物图，该装置采用微电脑控制技术，运用于为多种规格的三相异步电动机软启动和软停止。广泛应用于石化、冶金、石油、矿山等工业领域的电动机传动设备。图2-14为该型软启动器引脚示意图。图2-15是该型软启动器控制电动机的典型电路。图2-14某型软启动器引脚示意图图2-15软启动器电动机控制电路图图2-13某型软启动器的实物图第二章3.变频器启动控制电路2.3.2三相交流异步电动机制动控制电路交流异步电动机定子绕组切断电源后，因惯性作用，转子需经一段时间才能自由停止转动，这种状态一般不能满足生产机械的工艺要求，造成运动部件停位不当。因此，必须采取有效的制动措施，使电动机停止。制动是指使电动机脱离正常工作电源后迅速停转的措施。交流异步电动机的制动方法有机械制动和电气制动两种。机械制动是利用机械装置使电动机迅速停转。常用的机械制动装置是电磁抱闸，抱闸装置由制动电磁铁和闸瓦制动器组成，又分为断电制动型和通电制动型两种。机械制动动作时，将制动电磁铁的线圈电源切断或接通，通过机械抱闸制动电动机；而电气制动是在电动机上构造一个与原转子转动方向相反的制动转矩，使电动机迅速停转。电气制动常见有反接制动、能耗制动及发电制动等。第二章1.反接制动控制电路反接制动通过改变异步电动机定子绕组中三相电源的相序，形成与转子惯性转动方向相反的反向转矩，实现制动。反接制动时，由于转子与旋转磁场的相对转速接近2倍的同步转速，所以定子绕组中流过的反接制动电流接近全压启动时启动电流的2倍，冲击电流很大。为减小冲击电流，需要在电动机主电路中串接电阻，该电阻称为反接制动电阻。当反接制动使电动机转速下降近零时，须及时切断反相序电源，以防电动机反向启动。反接制动的核心在于改变电动机电源相序，当转速下降至近零时，能自动将反相电源分断。为此，反接制动控制电路有必要采用速度继电器检测电动机的速度变化。当转速在150～3000r/min范围内时，速度继电器触点动作，当转速低于100r/min左右时，其触点恢复原位，分断反相电源。如图2-16所示为单向反接制动控制电路。图中为正常工作时使用的接触器，为反接制动接触器，为速度继电器，为反接制动电阻，为热继电器。图2-16单向反接制动控制电路第二章2．能耗制动控制能耗制动是指三相异步电动机断开电源后，迅速给定子绕组接入直流电流而产生恒定磁场，利用转子感应电流与恒定磁场的互相作用达到制动目的。能耗制动控制既可以按时间原则，由时间继电器控制；也可以按速度原则，由速度继电器控制。典型的单向运行能耗制动控制电路分析如下。（a）单向运行能耗制动主电路(b）时间原则能耗制动控制电路。(c）速度原则能耗制动控制电路图2-17单向运行能耗制动控制电路第二章2.4步进电动机控制电路2.4.1步进电动机及步进驱动器1．步进电动机（1）简介步进电动机受脉冲信号控制，并把脉冲信号转化成与之相对应的角位移或直线位移；开环控制时，步进电动机的角位移量与输入脉冲的个数严格成正比，速度与脉冲频率成正比，时间上与脉冲同步，因而只要控制绕组通电的相序、输入脉冲的数量和频率就可以得到期望的电机转动方向、角位移（或直线位移）及转动频率。按其工作原理，步进电动机分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三种，其中混合式应用最广泛，该类型的步进电动机吸取了永磁式和反应式的优点，既具有反应式步进电动机的高分辨率特点，又具有永磁式步进电动机的高效率、绕组电感小的特点。第二章28（2）步进电动机的结构步进电动机主要由定子、转子、机座和端盖组成的。图2-18为步进电动机的实物图。图2-19为两相混合式步进电动机的结构图。由图2-19可见，其定子铁心上有4个凸出的极，称为定子凸极，也称4个大齿，每个大齿上有若干个距离相等的小齿。每个凸极上套有一个绕组，相对两极的绕组串联构成一相。转子为一个永磁铁心，转子上没有绕组。在面向气隙的转子铁心表面有若干个齿距相等的小齿。定子固定在机座上，而转子则通过轴承由左、右两端的端盖支撑在定子的中间。上述结构也可以用如图2-20所示的结构示意图来表示。图2-18步进电动机的实物图图2-19步进电动机结构示意图图2-20步进电动机的结构图第二章（3）步进电动机的工作原理混合式步进电动机根据在磁场中磁通总是沿磁阻最小的路径进行闭合产生磁拉力而形成转矩的原理使转子产生转动。根据图2-21所示的三相混合式步进电动机工作原理图进行解说。三相步进电动机有6个定子凸极，每个凸极上都套有绕组，相对的凸极绕组串联成一相绕组，一共三相绕组A、B、C。为便于说明，设转子仅有4个齿，如图中1、2、3、4所示。若给定子绕组轮流通电，通电顺序为A-B-C-A-B。其时序如图2-22所示。图2-21三相步进电动机的工作原理图第二章（3）步进电动机的工作原理第一步,对A相绕组进行通电，因磁通要沿最小路径闭合，将使转子的1、3齿与A相绕组的凸极对齐，如图2-21(a)所示。此时转子的2、4齿与B相（或C相）绕组的凸极错开一个30°的角。第二步,使A相断电且B相通电时，同样磁通要沿最小路径闭合，将会产生磁拉力，将转子的2、4齿转动与B相绕组的凸极拖到至对齐才停止转动，如图2-21(b)所示。相当于将转子逆时针方向转动了30°。1个脉冲使步进电动机转动的角度称为步距角。转子继续转动后，转子的1、3极与C相或A相绕组的凸极又错开30°。第三步，B相断电、C相通电时，转子继续沿逆时针方向转动1个步距角，如此循环执行，不断按A-B-C-A顺序通电，转子便按照一定方向转动起来。步进电动机的转速取决于绕组通断切换的频率,用脉冲控制绕组电源的接通和断开，那么只要控制脉冲的频率即可控制电动机的转速。定子绕组每改变一次通电方式称为一拍，前述通电方式称为三相单三拍。单指每次只有一个绕组通电，三拍指经过三次通电切换为一个循环。三相步进电动机三相单三拍时序图如图2-22所示。图2-22电动机三相单三拍时序图第二章（3）步进电动机的工作原理在实际应用中，单三拍在切换时，一相绕组断电后另一相绕组开始通电，容易造成失步；此外，由于是一相绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生振荡，故运行稳定性较差，所以很少采用。常用方法是调整为“双三拍”或“单、双六拍”通电方式。“双三拍”的通电方式为AB-BC-CA-AB或AC-CB-BA-AC，其时序图如图2-23所示。“单、双六拍”的通电方式为A-AC-C-CB-B-BA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A，其时序图如图2-24所示。采用三相双三拍通电方式时，切换过程中总有一相绕组处于通电状态，转子的齿极受到定子磁场的控制，不易失步和振荡，三相“双三拍”方式的步距角也是30°，而三相“单、双六拍”通电方式的步距角为15°。无论是30°或者15°，其步距角都太大，不能做到精确定位。为减小步距角，往往将定子凸极和转子做成多齿结构，转子上开有数目较多的齿极，而定子的每个凸极上又开有若干个小齿极，如图2-19所示。定子凸极和转子的小齿齿宽和齿距都相同，这时转子转动的步距角与转子的齿数有关，齿数越多，步距角越小。但若通电方式不同，其步距角在同样结构下也不相同。因此，同一台步进电动机通常会给出两个步距角，如1.5°/3°，0.75°/1.5°等。图2-23三相步进电动机三相双三拍时序图图2-24三相步进电动机三相单、双六拍时序图

第二章（4）步进电动机的性能参数与选用1）步进电动机性能参数①相数与拍数。步进电动机的相数指步进电动机的定子绕组数，常用的有二相、三相、四相和五相步进电动机。步进电动机的拍数是指步进电动机完成一个磁场周期性变化所需要的脉冲数，也就是步进电动机运行1圈所需的脉冲数。步进电动机按其通电方式的不同有单拍运行，双拍运行和单、双拍运行三种方式。其运行方式不同，电动机的拍数也不一样。②步距角。步进电动机步距角是指每次向步进电动机输入一个电脉冲信号时，电动机转子转动的角度。该参数表示步进电动机的分辨率。步距角越小，步进电动机的分辨率越高，定位精度也越高。步距角的大小与电动机的相数有密切关系，相数越多，步距角就越小。例如，常用的二、四相电动机的步距角为/，三相电动机为/，五相电动机为/等。早期，如希望改进步距角的大小或改善低频时的振动及噪声时，通常是选择五相式步进电动机来解决;但是,当出现细分驱动器之后，利用细分驱动技术既可将步距角变小又可改善振动和噪声，使得“相数”的选择不再有意义。步距角精度是指步进电动机转过1个步距角时其实际值与理论值的误差，以误差值除以步距角的百分比来表示。不同的步距角其值也不同，一般在3%～5%之内。由子步进电动机在不失步的情况下其步距角的误差是不会积累的，因此当用步进电动机实现定位控制时，无论行程大小，其误差始终被控制在1个步距角范围。这也是步进电动机定位控制系统虽然是开环控制也能获得很高精度的原因。第二章（4）步进电动机的性能参数与选用③额定电压与额定电流。额定电流是指步进电动机静止时每相定子绕组所允许输入的最大电流，也即输入脉冲电流在高电平时的电流值，而能够用电流表检测到的数值是脉冲电流的平均值，比额定电流小。配套步进驱动器的输出电流应大于或等于电动机的额定电流。额定电压是指驱动电源提供的直流电压，一般有6V、12V、24V、48V、60V、80V等。但并非是加在绕组两端的电压，而是供给驱动器电源端。④启动频率。启动频率又称实跳频率、起跳频率等。该参数指步进电动机在不丢步情况下启动的最高频率，是步进电动机的一项重要指标。启动频率又分为空载启动频率和负载启动频率，空载启动频率在各产品说明书中有描述，而负载启动频率比空载启动频率低。为了避免电动机在低频时发生共振，启动频率要高于电动机的共振频率。另外，启动频率又不宜太高，因为步进电动机在启动时不仅要克服负载转矩，同时还需要使转子加速运行，当启动频率过高时，转子的转动速度可能会跟不上定子磁场的切换速度，而发生丢步和振荡。启动频率一般为几百赫兹到几千赫兹之间，三菱电机FXPLC的定位指令中所讲的基底速度即指步进电动机的启动频率，规定基底速度必须小于最大允许运行速度的1/10。此外，启动频率还与负载转矩大小有关，它们之间的关系称为启动矩频特性。由矩频特性可知，负载转矩越大，启动频率就越低。另外，当负载转矩一定时，转动惯量越大，启动频率也越低。第二章（4）步进电动机的性能参数与选用图2-25YK42型二相步进电动机（三种不同转子惯量）矩频特性⑤运行频率。运行频率指步进电动机启动后在频率逐步加大时能维持运行且不发生丢步的最高频率。当电动机带动负载运行时，运行频率与负载转矩大小有关，两者的关系称为运行矩频特性，通常以表格或曲线形式给出。如图2-25所示为某品牌步进电动机矩频特性。运行频率通常比启动频率高得多，在短时间里加速到运行频率，有可能发生丢步。因比，在实际使用时通常通过加速使频率逐渐上升到运行频率后连续运行。⑥保持转矩保持转矩是在通电情况下，步进电动机没有接到运动指令时，定子能够锁住转子的能力。该参数是步进电动机的一项重要性能指标。通常表述的步进电动机额定转矩为多少N·m，即是保持转矩。第二章（5）步进电动机的转速、失步与过冲1)转速步进电动机转子（出轴）转动一圈所需的脉冲数量:pls=360°/θ（θ步距角）设步进电动机每秒输入的脉冲数为f(Hz)，那么电动机的转速为n=f/pls(r/s)=fθ×60/360°(r/min)2)步进电动机的丢步与过冲。当步进电动机以开环的方式运行时，其负载对象的真实位置没有反馈回控制系统，所以步进电动机就必须精确响应每次换相时的励磁变化（转子的角位移跟上定子线圈绕阻换相）。如果励磁频率选择不当，则步进电动机可能无法准确移动到指定位置，即发生丢步或过冲现象。丢步就是漏掉了脉冲，没有移动到指定位置；过冲与失步的现象相反，即移动超过指定的位置。因此，在步进电动机开环控制系统中，如何防止失步和过冲是需要认真考虑的。（6）步进电动机的选用2）转速选择，由步进电动机的矩频特性可知，电动机的转矩与转速有密切关系。转速升高，转矩下降。一般情况下，驱动电压越高，转矩下降越慢；相电流越大，同时转矩下降越慢。生产中，转速对于提高生产节拍意义重大，但转速提高，转矩下降很快，所以转矩和转速的选择是矛盾的。如图2-25所示的YK42HB60型两相步进电动机，其步距角为，由图中可以看出，当频率大于390Hz时，转矩快速下降，因此实际应用时，应注意电机的运行频率。步进电动机首先确定转矩，再确定转速，然后根据这两个参数去观察步进电动机的矩频特性，选出符合这两个参数的电动机。如果找不到，则必须考虑加配减速装置，或降低转速期望值。3）驱动器选择，原则上说，不同品牌的步进驱动器与步进电动机是可以选择配置使用的，但经验告诉我们应优先选择同一品牌的步进驱动器和步进电动机配合使用。第二章2．步进驱动器（1）步进驱动器的结构步进电动机是不可以直接连接到交直流电源上，而是通过步进驱动器与控制器电源相连接，连接方式如图2-26所示。控制器发出脉冲，实现对速度、位置和转向的调节，通过步进驱动器对步进电动机实现控制。步进驱动的主要组成结构如图2-27所示，由环形脉冲分配器和脉冲信号放大器组成，现对该部分进行介绍。图2-26步进电动机控制系统框图图2-27步进驱动器的组成框图第二章2．步进驱动器1）环形脉冲分配器。环形脉冲分配器用来接收控制器（常见PLC或单片机）发出的一路脉冲串，然后经由门电路和触发器所构成的逻辑电路细化成多路循环变化的脉冲信号，然后经信号放大器执行功率放大后直接接入步进电动机的各相绕组，驱动步进电动机运行。例如，三相步进电动机按照三相双六拍运行时，环形脉冲分配器在一路脉冲控制下连续输出三路如图2-24所示的三相双六拍脉冲波形，经功率放大后送入步进电动机的三相绕组中。由此可见，步进驱动器须和步进电动机配套，步进电动机与驱动器的相数必须严格配合。2）脉冲信号放大器。脉冲信号放大器由信号放大与处理电路、推动电路、驱动电路和相应的保护电路组成。信号放大电路是将由环形分配器输出的小脉冲信号进行放大，放大成为推动级的信号，而信号处理电路则是实现信号的转换、合成，产生斩波、抑制等特殊功能的信号。推动级电路是将上一级的信号再加以放大，达到能够足以推动驱动电路的输出信号。驱动级电路是功率放大级，作用是将推动级传递的信号放大到步进电动机绕组所需要的电压和电流等级。驱动级电路要能够为步进电机绕组提供足够的电压、电流及正确波形，还要保证驱动级功率放大器本身的安全。第二章（2）步进驱动器的细分细分是指步进驱动器的细分步进驱动，其作用是将步进电动机的一个步距角细分为m个微小的步距角进行步进运动。m称为细分数。对三相步进电动机来（设转子有4齿）说，如果按照A-B-C-A-…单三拍方式给电动机定子绕组轮流通电，则一个脉冲信号电动机转子旋转，即步距角为。如果按照A-AB-B-BC-C-CA-A-…单、双六拍方式给电动机定子绕组轮流通电，每一个脉冲信号输入对应电动机转子转动15°，为单三拍方式的一半，也即是将单三拍的步距角进行了2细分。步距角为15°，称为半步。因步进电动机的转动角度是由内部三相定子绕阻通电流后所产生的合成磁势转动角所决定的，而合成磁势的转动角度则是由三相绕组电流所产生的合成磁场所决定的。因此，对A、B、C三相电流矢量进行分解，并插入规律的电流合成矢量，从而细化合成磁势转动角度，达到细分控制的目的。如前所述，三相步进电机的2细分就是在A相、B相和C相插入合成矢量AB（由A、B均通电）、BC、CA而实现的。没有细分时，各相控制电流是成方波变化的脉冲波；细分后，控制电流则成为阶梯波形，该波形m步逐渐增加，使牵引转子的力慢慢改变，逐步在平衡点静止。如图2-28所示，电流波形相比于脉冲波平滑许多。细分程度越高，平滑度越好。一般细分驱动电流的阶梯形变化是以正弦曲线规律变化的。将一个步距角分成若干个小步距角的驱动方法称为细分步进驱动。（a）细分前(b)4细分后图2-28细分前、后绕组的电流波形图第二章（2）步进驱动器的细分细分步进驱动是消除步进电动机低频振动的有效手段。步进电动机在低频时（启动时）容易产生丢步和振荡，严重时，步进电动机会在某一频率附近来回摆动而无法启动。分析原因，细分处理之前，电流的变化是从0突变至最大值，又从最大值突变至0，短时间内的突变会引起电动机的噪声和振动。细分处理之后，把这种电流的突变分解为m个小的突变，这种小突变对电动机的影响比没有细分时小很多，这就是细分驱动改善步进电动机低频振动的根本原因。从理论上分析，细分数越大，性能改善越好，但实际情况是，到达8细分以后，改善的效果不明显。细分驱动同时提高了电动机的运行分辨率。细分之前，电动机的1个步距角是1个脉冲，细分后，1个步距角需要m个脉冲。定位控制系统中，该项措施提高了定位的分辨率。直观感觉，细分驱动提高步进电动机的定位精度，且m越大，分辨率越高，定位精度也越高，而实际并非如此。主要原因：一是m加大时，细分电流的控制难度也加大，可能出现并不是在细分范围内精确停止的现象，反而产生较大的误差；二是从步进电动机结构原理来讲，当运行m个小步距角达到步进电动机步距角的范围时，步距角的失调才是步进电动机定位精度误差主因，而这个精度误差与电动机的结构有关，与m无关。因此，在实际使用时，不能为追求高分辨率而采用过大的细分数m。第二章2.4.2YK系列步进驱动器1．YKD型步进驱动器规格（1）YKD型步进驱动器命名规则研控公司生产的步进驱动器命名规则如图2-29所示。1)YKD型驱动器相数有两相和三相两大系列，与两相和三相步进电动机配套使用。2)驱动器最大输出电流是判断驱动器驱动能力大小的指标，有0.5A、0.7A、1.0A、1.3A、1.6A、1.9A、2.2A等规格。驱动器输出电流是可调的，使用时根据步进电动机的额定电流进行调节，驱动电流不能大于电动机的额定电流。3)电源电压最大值为标示值乘以10，它是指驱动器电源供给电压的最大值。常规供电电压有DC24V、DC36V、DC40V等。4)研控公司生产的步进电动机大部分具备细分功能。(2)YKD2204M步进驱动器简介YKD2204M是一款经济、小巧的步进驱动器,是基于全新一代32位DSP技术的高性能数字式步进驱动器，驱动电压DC18-36V。适配峰值电流在2.2A以下，外径20mm、28mm、35mm、42mm的各种型号的两相混合式步进电机。该系列驱动器采用光电耦合隔离输入/输出信号，增强了抗干扰能力；外置4档等角度恒力矩细分，最高32细分；驱动电流从0.3A/相到2.2A/相分8档可用。最高输入脉冲频率可达100kHz。图2-29YKD型步进驱动器命名规第二章2．驱动器外形及端口YKD2204M步进驱动器的外形及其各端口如图2-30所示。图2-30YKD2204M型步进驱动器外形及端口图第二章2．驱动器外形及端口表2-2YKD2204M型步进驱动器端口名称及说明表符号功能注释输入端口DR方向信号输入用于电机换向。要求：低电平0-0.5V,高电平与共阳端一致，脉冲宽度大于5μsPU脉冲信号输入下降沿有效，当脉冲由高变低时电机走一步。要求：低电平0-0.5V,高电平与共阳端一致，脉冲宽度大于5μs+（5V）共阳正端+3.3V-24V均可驱动，高于+5V必须加限流电阻，3.3V、5V供电时不接限流电阻；24V限流电阻接2KΩ，12V限流电阻接820ΩMF脱机信号输入该信号有效时（低电平），断开电动机线圈电流，电动机处于自由转动状态。要求：低电平0-0.5V,高电平与共阳端一致，脉冲宽度大于5μs-V+V电源输入驱动器电源电压输入端，为DC18-36V指示灯POWER电源指示灯通电时，绿色指示灯亮ALARM故障指示灯电流过高、电压过低或者过高时，红色指示灯亮设定开关SW1～SW3工作电流设定开关利用ON/OFF组合，可提供8档输出电流SW4半流/全流选择开关选择停机时电动机线圈的电流大小SW5～SW6细分设定开关利用ON/OFF组合，提供m为1、8、16、32共4档细分输出端口+A控制电源输出,电机连接线向电动机提供控制电源的输出方式，根据电动机的不同出线进行连接-A+B-B第二章3．驱动器输入输出信号驱动器通过内置高速光电耦合器输入脉冲信号，要求信号电压为5V，电流大于15mA。输入极性如图2-31所示。三菱电机FX5UPLC的晶体管输出为NPN型集电极开路输出，各个输出的发射极连接在一起组成COM端，PLC的脉冲输出控制类型为脉冲+方向，高速脉冲输出口规定为Y0,Y1,Y2,Y3最多可接到4台步进驱动器，从而控制四台步进电动机。PLC与驱动器的连接如图2-32所示。图2-32中，E是控制电路的直流电源，可以采用外部电源（如开关电源），也可以用PLC内置电源（PLC内置电源可用于小功率传感器以及驱动电路）。而步进驱动器通常要求控制信号（脉冲、方向及脱机信号）的电源电压为5V，如果所提供的电源电压高于5V，则必须额外加限流电阻RA（非图中驱动器内部电阻），RA的选取规则：参考电源12V时选820Ω；电源24V时,选择2kΩ;脱机信号端则分别为820Ω或者2kΩ。附件分压电阻的安装位置如图2-33所示。图2-31输入信号连接图图2-32与FXPLC的连接图第二章3．驱动器输入输出信号脱机信号MF又称电动机释放信号或者Free信号。步进电动机通电后如果没有脉冲信号输入，则定子各组线圈没有交替变化的电流，但其转子已经处于锁定状态，用手指无法使其转动；但在实际工程应用中，常常希望通过手动转动进行一些微调、修正等工作，解决方法是使脱机信号有效（工低电平），即可断开定子线圈的电流，使转子处于自由转动状态（脱机）。当使用PLC控制步进电机时，脱机信号(MF端)的连接方式类似方向信号，连接到PLC的非脉冲输出端，使用程序控制其通断。步进电动机规格确定后，驱动器的输入电压影响电动机的性能较大。电压越高，步进电动机定子绕组电流增大，产生的转矩会越大。同时，绕组通入的电流增加，其发热也增加，温升也增加，运行的噪声也会增加，不利于电动机的长期运行。图2-33附加电阻的位置图第二章4．微动开关YKD2204M驱动器装有6个微动开关，用来进行输出电流以及细分设定选择。（1）工作电流设定SW1～SW3工作电流指步进驱动器的输出电流（该数值必须与电动机额定电流相匹配），其设定与微动开关SW1～SW3的ON/OFF状态有关，见表2-3。驱动器的输出电流不可以超过步进电动机的额定电流。表2-3工作电流设定SW1SW2SW3电流有效值电流峰值OFFOFFOFF1.6A2.2AONOFFOFF1.4A1.9AOFFONOFF1.1A1.6AONONOFF0.9A1.3AOFFOFFON0.7A1.0AONOFFON0.5A0.7AOFFONON0.4A0.5AONONON0.2A0.3A第二章4．微动开关（2）停机锁定电流设定SW4SW4用于步进电动机停机锁定电流设定。当步进电动机脉冲停止超过lOOms时，可根据SW4设定，选择驱动器输出为半流/全流锁定线圈电流；SW4拨向OFF，按线圈电流的一半供电，可使消耗功率减半。（3）细分设定SW5～SW6细分是驱动器的重要性能指标，步进电动机一般都存在低频振荡区域，而细分措施能有效改善或消除这种低频振荡现象。如果步进电动机经常工作于低速区，则充当选择具有细分功能的驱动器。驱动器经细分设定后，步进电动机转动一圈所需的脉冲数为：pls=（m为细分数）转速变为：n=)不同厂家对步进驱动器的细分功能定义有所区别，有的是给出细分数m，每圈脉冲数必须按照上式计算；有的厂家直接给出细分后的每圈脉冲数。YKD2204M驱动器通过设定SW5～SW6微动开关，提供4种细分选择，见表2-4。表2-4SW5～SW6细分设定细分数181632Pls/r200160032006400SW5ONOFFONOFFSW6ONONOFFOFF第二章（4）驱动器与步进电动机的连接端口A+、A-、B+、B-为驱动器与步进电动机的连接端口，二相步进电动机有两组定子绕组，通常有四根引出线；但在转矩较大时，也会设计成六根引出线或者八根引出线，如图2-36所示。此时，需要对步进电动机的引出线进行一些简单调整，再与步进驱动器进行连接。图2-34(a)为两相步进电动机四出线，直接与驱动器的相应端口相连，如果调换A、B相绕组，可以改变电动机的运转方向。图2-34(b)为六出线，当中AC和BC不是普通的中间抽头，它是两个绕组同时绕制后,一个绕组的终端和另一个绕组的始端的共用抽头。低速大转矩时采用四出线，而高速驱动时适时选择六出线电机。六出线电动机与4个输出端口的驱动器相连时将其中间抽头悬空即可。图2-34(c)，图2-34(d)为八出线，实际上是把六出线步进电动机的中间由头断开，分成两个独立绕组共4个绕组。在实际接线时，电动机处于低速运行时可先接成两个绕组相串联，再接到驱动器上；电动机处于高速运行时，将两组绕组并联，再接到驱动器上，如图2-34(d)所示。(a）四出线(b）六出线(c）八出线串联(d）八出线并联图2-34驱动器与步进电动机连线方式第二章2.5电气控制电路的保护环节2.5.1短路保护在三相交流电力拖动系统中，最常见且最危险的故障是短路。如电器或电路绝缘遭到损坏、控制电器及电路出现故障、操作或接线错误等，都可能造成短路事故。发生短路时，电路中瞬时电流可达到额定电流的十几倍至几十倍，过大的短路电流将使电器设备或配电电路受到严重损坏，甚至引起火灾。因此，当电路出现短路电流时，必须迅速、可靠地断开电源，这就要求短路保护装置应具有瞬动特性。短路保护常采用熔断器、低压断路器等保护装置。熔断器和低压断路器的选用和动作值的整定，在第一章中已有介绍，这里不再重复。在对主电路采用三相四线制或对变压器采用中性点接地的三相三线制的供电电路中，必须采用三相短路保护。若主电路容量较小，电路中的低压断路器可同时作为控制电路的短路保护；若主电路容量较大，则控制电路一定要设置独立短路保护空气开关。如图2-35所示，主电路短路保护用空气开关，控制电路设置独立空气开关作为短路保护。图2-35断路器短路保护第二章2.5.2过载保护过载是指电动机在超过其额定电流的情况下运行。引起电动机过载的因素较多，如负载的突然增加、缺相运行或者电网供电电压降低等。若电动机长期处于过载状态，其绕组的温升将超过允许值而使绝缘材料老化、变脆，寿命缩短，严重时会使电动机损坏。异步电动机过载保护常采用热继电器作为保护装置。过载保护与过电流保护有很大区别，不可以等而视之。例如，负载突然短时间增加而引起过载，过一段时间又正常工作，对电动机来说，只要过载时间内绕组温升不超过允许值则是许可的，不需要立即切断电源。因此过载保护要求保护电器具有与电动机反时限特性相吻合的特性，即根据电流过载倍数的不同，其动作时间将随着过载电流的增加而减小。而热继电器正是具有这样的反时限特性，因此常被用来作为电动机的过载保护器件。因为热继电器的热惯性比较大，即使热元器件流过几倍额定电流，热继电器也不会立即动作。因此只有在电动机长时间过载情况下热继电器才动作，断开控制电路，从而使接触器断电释放，电动机停止运转，实现电动机过载保护。图2-36为过载保护电路，图(a)为三相过载保护，适用于无中线的三相异步电动机的过载保护；图(b)为两相过载保护。（a）三相过载保护

(b)两相过载保护图2-36过载保护电路第二章2.5.3过电流保护过电流是指电动机或其他设备在超过其额定电流的状态下运行。电动机过电流的原因往往是由于电动机不正确的启动或负载转矩过大导致。过电流比短路电流小，在运行过程中产生过电流的几率比发生短路的几率要大，特别是执行频繁启停和正反转运动的电动机电路。通常，过电流保护可以采用过电流继电器、电动机保护器等。如图2-37所示为过流继电器实物图。图2-37过流继电器第二章2.5.3过电流保护图2-38所示为过电流继电器与接触器配合使用，实现过电流保护的。将过电流继电器线圈串联在被保护电路中，电路电流达到其整定值时，过电流继电器动作，串联在控制回路中的常闭触点断开，断开了接触器线圈的控制支路，使得接触器的主触点脱开释放，以切断电源。这种保护主要应用于绕线转子异步电动机的控制电路中。为避免电动机的启动电流使过电流继电器动作，常将时间继电器KT与过电流继电器配合使用。启动时，时间继电器的常闭触点闭合，常开触点尚未闭合，过流继电器的线圈暂不接入电路，尽管电动机的启动电流很大，而此时过流继电器不起作用；启动结束后，时间继电器延时时间到，触点动作，即常闭触点断开，常开触点闭合，过电流继电器的线圈接入保护电路，开始起保护作用。必须强调指出的是，尽管短路保护、过载保护和过电流保护都属于电流保护，但它们的故障电流整定值以及各自的保护特性、保护要求都各不相同，因此他们之间是不可以相互替代的。图2-38过电流保护第二章第3章PLC基础知识

第三章3.1PLC的分类及特点国际电工委员会IEC关于PLC的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充功能的原则设计。第三章3.1.1PLC的分类1．根据I/O点数分类(1)小型PLC，I/O点数在256点以下的可编程控制器称为小型PLC。其中I/O点数小于64点的PLC又称为超小型或微型PLC。属于小型PLC的产品有日本三菱FX系列、信捷电气的XD系列等。(2)中型PLC，I/O点数在256～2048点之间的可编程控制器称为中型PLC，中型PLC有日本三菱电机的L系列、信捷电气XG和XS系列等。(3)大型PLC，I/O点数在2048点之上的可编程控制器称为大型PLC，产品型号有三菱电机的Q、R系列，同时可配4台CPU；德国西门子公司S7-1500、S7-400系列等。2．根据结构形式分类(1)整体式PLC，小型机种使用最普遍的一种形式。它是将电源、CPU、I/O模块及存储器等各个部分都集中在一个机壳内，通常称之为基本单元。一般用扁平电缆与扩展单元、模拟量单元、位置控制单元等各种特殊功能模块相连接，使整体式PLC功能得以扩展。如三菱电机FX系列PLC、德国西门子公司的S7-200型及信捷电气XD系列。(2)模块式PLC，是将PLC各组成部分按功能的不同设计成独立的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块及各种功能模块，然后安装于同一块基板或框架上。一般大、中型PLC常采用这种结构。如三菱电机Q和R系列PLC、德国西门子公司S7-300、S7-400系列以及信捷电气XG和XS系列。第三章3.1.2PLC的特点PLC是结合继电器、接触器控制性能的优点以及计算机编程灵活、通信功能强大的优点而设计制造的，因此跟其他类型的控制器相比较，PLC具有显著的特点。1．可靠性强PLC是专门为工业生产应用而设计的，因此PLC在设计时，从硬件和软件上均采取抗干扰的措施，以此提高其可靠性。(1)硬件措施1)屏蔽：对PLC的电源、内部CPU等主要部件采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽，以防外界的电磁干扰。2)隔离：在PLC的内置CPU与输入输出电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离CPU与外部输入输出之间电信号的联系。3)滤波：对PLC的输入输出电路采用多种形式的滤波措施，消除或抑制高频干扰。4)采用模块式结构：有助于在故障情况下短时修复或替换故障模块，使整套系统迅速恢复生产运行。(2)软件措施1)故障检测：故障检测软件定期检测外部环境。如掉电、欠电压等，以便及时进行修复处理。2)设置警戒时钟WDT：如果PLC程序循环执行超过WDT规定的时间，预示程序进入死循环，有指标灯报警提示。3)信息保护和恢复：信息保护和恢复软件使PLC偶发性故障条件出现时，将PLC内部信息进行保护，不遭破坏。一旦故障条件消失，恢复原来的信息，使之正常工作。4)程序检查和检验：检查程序有无错误，有则立即报警，并停止执行程序。第三章3.1.2PLC的特点2．通用性强PLC产品已经实现系列化和模块化，制造商为用户提供品种齐全的I/O模块和特殊功能模块等。工程师在进行控制系统设计时，只需根据控制要求进行模块的选配。工程师仅需要设计满足控制对象控制功能的应用程序。对于一套控制系统，当工艺有一定变化，只需要适当修改程序，即可变更控制功能。3．模块化结构，系统组合灵活PLC控制系统的各个部件，均采用模块化设计，各模块之间可由基板或通信电缆连接。系统的功能和规模可根据用户的实际需求组合。4．编程语言简单易学制造商为便于工程技术人员学习和掌握PLC编程，设计了与继电器、接触器控制原理相似的梯形图语言，简单易学。此外，为了适应现代PLC开发语言的标准化和灵活性要求，不少品牌PLC逐步全面支持IEC61131-3标准的编程语言。5．系统设计周期短系统硬件的设计任务主要是根据对象的控制要求配置适当的模块和外部电路，极大缩短设计的时间，加快工程的进度。6．生产工艺适应性强当生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只需改变PLC中的用户程序和局部外设电路即可。7．安装简单，调试方便PLC控制系统的安装接线只需将现场的各种设备与PLC的I/O端相连。PLC控制系统的软件设计和调试大部分工作可在公司实验室里进行，模拟调试，再将控制系统安装到现场，进行连机调试。第三章3.2PLC的应用及发展3.2.1PLC的应用领域1.开关量逻辑控制PLC逻辑运算能力卓越，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。这也是PLC应用最基本且最广泛的领域。2.模拟量控制PLC系统可配置A/D和D/A转换模块或者转换适配器。其中A/D转换模块和A/D转换适配器能将现场的温度、流量、压力等检测传感器采集的模拟量转换为数字量，再经PLC的微处理器进行处理（微处理器处理的是数字量），再去实现某些控制功能，或者经D/A模块转换后，转变成模拟量去控制某个被控对象（如模拟量变频调速）。3.过程控制现代PLC一般都配备PID控制功能，可实现闭环过程控制。当控制过程中出现干扰，某一个变量出现偏差时，PLC能按照PID算法进行调节并输出，再去控制生产对象或过程，将变量保持在整定值附近。4.定时和计数控制PLC定时和计数资源非常丰富，可以为用户提供几十甚至百千个定时器和计数器。计时时间和计数值可以在编写程序时设定，实现定时和计数的控制；若用户需要对频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数模块；部分品牌的PLC本体具有少量高速输入输出端口，如三菱电机的FX系列PLC。第三章3.2.1PLC的应用领域5.数据处理现代PLC不仅能进行逻辑运算、教据传送、算术运算、排序、查表等，而且还能进行数据比较、数据通信、数据显示、数据转换及打印等。6.通信和联网现代PLC通信功能越发强大，以此实现对远程I/O、远程A/D、远程D/A、远程设备进行控制，也能够实现PLC与PLC、伺服、变频器、人机界面等设备的通信，PLC与计算机之间的通信，从而可以方便地实现分布式控制。此外，PLC可以配置边缘计算网络模块，可以实现远程调试功能。7.精准定位控制现代PLC系统运动控制模块可配合驱动系统实现高精度位置控制，如FX系列的FX5U-40SSC、FX3U-20SSC以及FX2N-20GM等。8.多CPU控制现代大中型的PLC均具有多CPU控制能力。如顺序控制CPU配合数控CPU、机器人CPU等控制器实现多CPU运行。第三章3.2.2PLC的发展动向1.编程语言向标准化靠拢。目前市场中各生产商的PLC的硬件、软件体系是各自独立的，各家的CPU和I/O模块相互不能兼容，各生产商PLC均主要以梯形图编程，但具体的指令系统表达方式并不一致。为解决该问题，IEC（国际电工委员会）于1994年5月公布了可编程控制器标准(IEC1131)，其第三部分（IEC1131-3）是可编程控制器的编程语言标准。标准中规定了五种标准语言，其中梯形图(Ladderdiagram)和功能块图(Functionblockdiagram)为图形语言，指令表(Instructionlist)和结构文本(Structiontext)为文字语言，还有一种结构块控制程序流程图(Sequentialfunctionchart，又称为顺序功能图。本教材主要介绍梯形图和结构化文本两种语言。2.规模向大小两头发展。大型PLC出现I/O点数多达一万多点的超大型PLC，使用32位微处理器、多CPU并行工作和大容量存储器，趋势向高性能、高速度、大容量发展，有的PLC产品扫描速度达0.09us/条基本指令，用户程序存储器容量最大达百十兆字节。另一方面，小型PLC向微型化、多功能、实用性发展，有些可编程控制器的体积非常小，被称为“手掌上的可编程控制器”。3.模块智能化和专用化。模块本体具有CPU，可与PLC主机并行操作，在可靠性、适应性、扫描速度和控制精度等方面都对PLC本体作了补充。例如智能通信模块、定位模块、高速计数模块、温度控制模块、专用数控CPU等。4.网络通信功能标准化。PLC具有网络通信功能后，各类个人计算机、图形工作站等其他人机交互界面可以作为PLC的监控主机，能够提供数据采集、屏幕显示、记录保持以及信息打印等功能。5.控制与管理功能一体化。在一台控制器上同时实现控制功能和信息处理功能。PLC产品广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使得PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体，进一步提高PLC的功能，更好地满足现代化大规模生产的控制与管理需要。如三菱电机Q系列和R系列PLC将顺控PLC、工业机器人及制造执行系统（MES）整合到一个平台。第三章3.3PLC的组成及工作原理3.3.1PLC的组成1．PLC外形结构从外形结构分类，主要有两种形式，一种是整体式，另一种模块式，如图3-1所示。(a)整体式(b)模块式图3-1PLC外形结构图第三章2．PLC内部结构(1)结构框图PLC采用典型计算机控制系统结构，由控制器（中央处理器CPU）、存储器、输入输出接口电路、电源等部分组成，内部结构如图3-2所示。(2)各部分的作用图3-2PLC内部结构示意图第三章2．PLC内部结构1）中央处理单元(CPU)CPU是PLC的核心部件，主要功能如下：a．组织、接收用户程序和数据，存入用户存储器。b．监视电源、PLC内部电路的工作状态等。c．检查PLC程序的语法错误，对用户程序指令进行编译。d．PLC运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并执行该指令。e．采集现场输入装置送来的状态或数据，并存入指定的寄存器。f．按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位，输出数据寄存器的内容。g．根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口电路。h．响应各种外围设备的请求。第三章2）输入/输出接口电路a．输入接口电路现场设备或器件与PLC的输入通道称为输入接口电路。按钮开关、传感器等均可接入PLC的输入接口端，通过光电耦合，将开关的通/断电信号转换成二进制0/l信号，输入到CPU进行处理。外部开关输入到PLC主要采用直流(DC)电路输入方式，如图3-3所示。图3-3输入接口电路示意图b．输出接口电路PLC与现场设备的输出通道称为输出接口电路。输出接口电路有三种电路输出形式，分别为继电器输出方式、晶体管输出方式以及晶闸管输出方式，具体电路如图3-4所示。3）存储器存储器分两类，一类是系统存储器，另一类是用户存储器。系统存储器由厂家固化在ROM(EPROM)中，主要存放系统运行和控制程序；用户存储器采用RAM或EEPROM存储器，主要是存放用户编制程序，可以多次擦写。4）电源PLC的本体输入电源一般使用单相交流220V电源或直流24V电源。内置的开关电源为各个模块提供直流5V、±12V、24V等直流电源；PLC内置开关电源输出的直流24V电源可以为PLC输入电路或外部传感器提供电源，但不能为PLC的直流负载提供电源。负载电源均需要通过外接配置直流电源。第三章2）输入/输出接口电路(a)继电器输出方式(R)(b)晶体管输出方式(T)(c)双向晶闸管输出方式(s)图3-4输出接口电路示意图第三章133.3.2PLC的工作原理PLC从继电器控制系统发展而来，最初的编程方式是梯形图，而梯形图程序与继电器系统电路图结构相似，其工作原理分析如下。1．扫描工作方式（主体程序）从下面的示例分析PLC梯形图程序的执行过程：应用PLC控制电机的启动/停止，电路如图3-5所示。将梯形图程序输入到PLC。PLC在执行程序过程中，从第0条开始，直至最后一条（通常为END指令），采用循环扫描的方式工作，具体工作过程为：先读入X0、X1，根据X0、X1的状态进行逻辑运算，最后再输出刷新结果。当X0合上后，Y0有输出，接触器通电，主电路接通，电机旋转；当Xl合上后，Y0断开，接触器断开，主电路断电，电机停转。图3-5三相交流电机启动与停止电路第三章2．等效电路为分析PLC的工作流程，将PLC内部电路等效为三部分电路，即输入部分、内部控制部分和输出部分，等效电路如图3-6所示。各部功能说明如下：(1)输入部分收集现场被控对象的输入信息或操作命令。输入端子是PLC接受外部信号的端口。这些信号对应PLC内部的输入继电器，每一个端子对应PLC内部一个输入软元件（即输入继电器）。(2)内部控制部分PLC根据程序进行运算调节的核心环节，负责对输入信号进行处理、运算、判断，并将结果刷新至输出映像寄存器。参与处理的内部软资源包括：状态继电器、辅助继电器、定时器、计数器、移位寄存器等。(3)输出部分该部分根据内部控制环节的运算结果输出到PLC的输出端，进而驱动外部负载。图3-6PLC等效电路示意图第三章3．PLC的工作方式PLC主体程序采用循环扫描工作方式。指PLC在系统软件控制下，顺序循环扫描各输入点的状态（通或断），根据用户程序进行处理，工作过程分为三个阶段：(1)输入采样：对PLC输入端进行扫描，将状态存入输入状态寄存器。(2)用户程序执行：逐条执行指令运算，将结果映射到输出状态寄存器。(3)输出刷新：所有指令执行一遍完后，将输出状态寄存器的内容送到输出端驱动线圈进行外部控制。经过上述三个阶段的运行，完成PLC一个工作周期，然后再次进行循环工作。每扫描一次所用的时间称之为一个扫描周期，扫描周期是PLC的一个重要指标，PLC的工作流程示意图如图3-7所示。图3-7PLC工作流程示意图第三章3.4三菱电机PLC简介3.4.1三菱电机PLC分类从结构形式上区分，三菱电机PLC可分为模块式PLC和整体式PLC；从I/O点数上区分，可分为小型PLC和中大型PLC。1．模块式PLC三菱电机中大型PLC采用模块式结构，其I/O控制点数为256～4096点，通过网络可扩展到8192点或者更多。此类PLC常用于点数要求比较多，功能需求比较复杂的中大型系统。三菱电机模块式PLC目前主流产品如图3-8所示的Q系列和R系列，它具有运算速度块、控制点数多、程序容量大、编程元器件和指令丰富等特点，支持梯形图、SFC、FB/FBD、ST等编程语言，并具有丰富的网络通信功能。