基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院—畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，其在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。 使轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。步進(jìn)電機(jī)的控制方式簡單，屬于開環(huán)控制，且無累積定位誤差，有較高的定位精度，而PLC作為一種工業(yè)控制微機(jī)，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)一體化的有力工具，因此基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)已廣泛用于數(shù)字定位控制中。本設(shè)計(jì)將步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)用于控制數(shù)控機(jī)床滑臺(tái)。 本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其中，硬件設(shè)計(jì)主要包括步進(jìn)電機(jī)的工作原理、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、PLC的輸入輸出特性、PLC的外圍電路設(shè)計(jì)以及PLC與步進(jìn)電機(jī)的連接與匹配等問題的實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序以及各個(gè)模塊的控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制。本系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用性及可靠性的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞　：步進(jìn)電機(jī)、PLC、轉(zhuǎn)速控制、方向控制 I Stepping motor control system based on PLC Abstract With the development of microelectronics and computer technology, the stepper motor is increasing demanded, which is widely used in printers, electric toys and other consumer products, and CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and other electrical machinery products, and is applied in the national economy in various fields. Researching of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is so important. Stepper motor is a device which will transform electrical pulses into mechanical angular displacement so that Shaft of each pulse to a step angle stepping increment, SO output angular displacement is proportional to the input pulses, speed is proportional to the input pulse speed and speed is proportional to input pulse frequency. Stepper motor control is simple, is open-loop control, and no accumulation of positioning error, a high positioning accuracy,and the PLC as an industrial control computer, is a powerful tool for the integration of the motor, Therefore, the stepper motor control based on PLC technology has been widely used for digital positioning control. The control system consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design includes the working principle of stepper motor, stepper motor drive circuit design, PLC input and output characteristics, PLC and PLC external circuit connection with the stepper motor and matching Problem. Software design, including the main program and each module of the control program, ultimately realizes on the stepper motor rotation direction and rotation speed control This system has the intelligence, practicality and reliability features. Keywords?。篠tepper motor, PLC, speed control, direction control II 目錄 基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) I 摘要 I Stepping motor control system based on PLC II Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 PLC的發(fā)展及應(yīng)用前景 1 1.1.1 可編程控制器（PLC）的發(fā)展趨勢 1 1.1.2 可編程控制器（PLC）的應(yīng)用領(lǐng)域 1 1.1.3 PLC的應(yīng)用前景 1 1.2 提出問題 2 1.2.1 機(jī)床滑臺(tái)類型及控制 3 1.2.2 本文的工作目的及意義 3 1.2.3 本文的主要目的及意義 3 1.3 系統(tǒng)功能 4 第二章 PLC概述 5 2.1 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展 5 2.1.1 PLC的產(chǎn)生及定義 5 2.1.2 PLC的發(fā)展 6 2.2 PLC的特點(diǎn)與功能 7 2.2.1 PLC的特點(diǎn) 7 2.2.2 PLC的功能 7 2.3 PLC的結(jié)構(gòu) 8 2.4 PLC的編程語言 8 2.4.1 梯形圖 9 2.4.2 語句表 11 2.4.3 順序功能圖 11 第三章 步進(jìn)電機(jī)概述 12 3.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理 12 3.2 步進(jìn)電機(jī)的特性 12 3.3 步進(jìn)電機(jī)的分類 13 3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的直流供電電源的確定 13 3.5 步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)的注意事項(xiàng) 14 3.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分原理及一些相關(guān)說明 14 3.7 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 15 3.8本設(shè)計(jì)所用步進(jìn)電機(jī) 18 第四章 總體方案設(shè)計(jì) 19 4.1數(shù)控滑臺(tái)的控制方法 19 4.1.2進(jìn)給速度控制 19 4.1.3 進(jìn)給方向控制 19 4.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 4.3 PLC控制系統(tǒng)的接地方法 20 4.4步進(jìn)電機(jī)的控制 20 4.4.1步進(jìn)電機(jī)的起?？刂?21 4.4.2步進(jìn)電機(jī)的加減速控制 21 4.4.3 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 22 4.5 本章小結(jié) 22 第五章 數(shù)控滑臺(tái)的設(shè)計(jì) 23 5.1總體設(shè)計(jì)方案的確定 23 5.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 23 第六章 設(shè)計(jì)硬件電路 36 6.1 硬件電路總體分析 36 6.2總體設(shè)計(jì)分析圖 36 6.3電路總體設(shè)計(jì) 36 6.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 38 第七章 軟件設(shè)計(jì) 44 7.1 可編程控制器（PLC）的工作原理 44 7.2存儲(chǔ)空間的計(jì)算 47 7.3可編程控制器（PLC）提供的編程語言 47 7.4 PLC編程中難點(diǎn)介紹 49 7.4.1驅(qū)動(dòng)電源的特殊性 49 7.4.2用功能指令構(gòu)建控制程序的有關(guān)問題 49 7.5 PLC梯形圖 I/O分配表 50 第8章 GX Developer軟件程序模擬運(yùn)行 51 8.1 程序運(yùn)行圖文說明 51 結(jié)論 68 附錄 69 1、流程圖 69 2、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 69 參考文獻(xiàn) 71 1、參考資料 71 2、參考論文 72 外文文獻(xiàn) 74 中文翻譯 78 致謝 81 第1章 緒論 1.1 PLC的發(fā)展及應(yīng)用前景 PLC 工藝自從出現(xiàn)一直到今天，已經(jīng)由最初的接線邏輯發(fā)展到了儲(chǔ)存邏輯，目前被大量的應(yīng)用到眾多的行業(yè)之中。當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)高速發(fā)展的社會(huì)，目前的半導(dǎo)體工藝和電腦科技非常發(fā)達(dá)，PLC 借助這些技術(shù)的優(yōu)勢，已經(jīng)可以非常好的處理網(wǎng)絡(luò)接口了?？傮w來說，這項(xiàng)工藝很受行業(yè)人士的喜歡。這項(xiàng)系統(tǒng)是專門用于工藝生產(chǎn)工作的數(shù)控系統(tǒng)，它把電腦科技和自控工藝等技術(shù)有效的融合在一起，它是目前行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，它的穩(wěn)定性很高。此外，它還具有強(qiáng)大的抗干擾能力，編程步驟簡單，而且易于維護(hù)。隨著工藝不斷發(fā)展，現(xiàn)今它的控制活動(dòng)已經(jīng)能夠從原先的單一化邏輯控制發(fā)展到如今的持續(xù)性控制。 1.1.1 可編程控制器（PLC）的發(fā)展趨勢 我們堅(jiān)信這項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)得更好的發(fā)展。從技術(shù)上來看，隨著目前電腦等優(yōu)秀的科學(xué)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到 PLC 上面，因此我們堅(jiān)信不久的將來，就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算速率更快，容量更加龐大，更為先進(jìn)的產(chǎn)品。從規(guī)模上來說，完備的通信設(shè)備會(huì)更好地迎合各種工業(yè)控制場合的不同需求；從市場上來分析，今后的競爭將會(huì)更加的激烈，將會(huì)發(fā)生壟斷現(xiàn)象，屆時(shí)將會(huì)有全球通用的編程語言；通過分析網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展態(tài)勢可以得知，可編程控制器和其它工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成的大型控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，可編程控制器作為國際通用網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的大量領(lǐng)域發(fā)揮十分重要的作用。 1.1.2 可編程控制器（PLC）的應(yīng)用領(lǐng)域 PLC 是以微計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新的工業(yè)控制裝置，隨著微處理工藝的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)必然會(huì)會(huì)在眾多的行業(yè)之中獲取良好的發(fā)展。當(dāng)前它的應(yīng)用范圍非常廣，比如：通用和專用機(jī)械，汽車制造，機(jī)床與工具，立體倉庫，控制設(shè)備制造、控制與裝置儀表，環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。而且還在朝著其它方向擴(kuò)展。PLC 的自診斷占 18％，批量控制占26％，運(yùn)動(dòng)控制占 40％，過程控制占 58％，應(yīng)用機(jī)械控制占 87％ 1.1.3 PLC的應(yīng)用前景 PLC制造商通過收購和聯(lián)合大量的軟件企業(yè)和發(fā)展軟件產(chǎn)業(yè)。明顯的提升了軟件使用性能。大多的品牌都有與它們的設(shè)備相對應(yīng)的平臺(tái)甚至軟件，將其有效的結(jié)合在一起，能夠顯著的提升系統(tǒng)的綜合服務(wù)能力，而且節(jié)省投資，得到良好的控制體系，目前，PLC+網(wǎng)絡(luò)+IPC+CRT 的模式被大規(guī)模應(yīng)用。 可編程控制器（PLC）廠家在以前的CPU模板上提供物理層 RS232/422/485 接口的基礎(chǔ)上，新添了很多不同的通訊接口，能夠創(chuàng)造一體化的網(wǎng)絡(luò)體系。近年來信息技術(shù)發(fā)展很快，用戶對開放性有著更多的需求，而且此時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)也在迅速發(fā)展。例如：羅克韋爾 A-B公司大力主推的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，即 Device Net、Ether Net，Contml Net。 工藝在發(fā)展的時(shí)候，生產(chǎn)廠家為了獲得更多的市場份額，不斷展開激烈的競爭。它們的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所以無法很好的兼容在一起，這就導(dǎo)致用戶在使用的時(shí)候非常不方便，而且會(huì)造成維護(hù)費(fèi)用增加。以后市場必然會(huì)高度開放，這已經(jīng)被大多數(shù)生產(chǎn)廠家意識(shí)到了，形成了長時(shí)期妥協(xié)與競爭的過程，而且這一過程還在繼續(xù)。雖說目前的工具無法很好的兼容在一起，不過隨著系統(tǒng)的進(jìn)步，用戶在使用的時(shí)候，已經(jīng)能夠較好的應(yīng)用各種性質(zhì)的產(chǎn)品了。 當(dāng)前時(shí)期，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)水平以及運(yùn)算速率等都明顯的強(qiáng)化了，此時(shí)已經(jīng)不再是單純的用來進(jìn)行邏輯控制了，更多的是用到過程控制之中。相關(guān)人士調(diào)查得出的結(jié)論是:目前除了石化等行業(yè)之外，這項(xiàng)系統(tǒng)在大部分的行業(yè)中都獲取了良好的成就。 通過分析我們發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，比如它的結(jié)構(gòu)非常緊湊，它的功能很多，穩(wěn)定性強(qiáng)，速率較快，最主要的是它的價(jià)位不高，因此不管是目前還是今后的很長一段時(shí)間之內(nèi)，該系統(tǒng)都能夠發(fā)揮出非常明顯的意義，它的存在必將帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步。 1.2 提出問題 在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是在日常生活中，都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。因此對電動(dòng)機(jī)的控制變得越來越重要。電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)化。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的原理是通過對每相線圈中的電流和通電順序切換來使電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路由脈沖信號(hào)來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率可以改變步進(jìn)電機(jī)的原先轉(zhuǎn)速。也就是說:當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。通過改變脈沖個(gè)數(shù)即可以改變角位移量，以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，目前比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM),混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.50;反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.50，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相:兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 1.2.1 機(jī)床滑臺(tái)類型及控制 在組合機(jī)床自動(dòng)線中，一般根據(jù)不同的加工精度要求設(shè)置三種滑臺(tái)： 1．液壓滑臺(tái)，用于切削量大、加工精度要求較低的粗加工序中； 2．機(jī)械滑臺(tái)，用于切削量中等、具有一定加工精度要求的半精加工工序中； 3． 數(shù)控滑臺(tái)，用于切削量小、加工精度要求很高的精加工工序中。 可編程控制器（簡稱 PLC）以其通用性強(qiáng)、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè) 自動(dòng)控制中。特別是在組合機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線的控制及 CNC 機(jī)床的 S、T、M 功能控制中更顯示出其卓越的性能。PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用于組合機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線上的數(shù)控滑臺(tái)控制，可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng)，使該單元的控制系統(tǒng)成本降低70%~90%，甚至只占用自動(dòng)線控制單元 PLC的3~5 個(gè) I/O 接口及小于1KB的內(nèi)存。特別是大型自動(dòng)線中可以使控制系統(tǒng)的成本顯著下降。 1.2.2 本文的工作目的及意義 畢業(yè)設(shè)計(jì)做了以下工作： 1.對數(shù)控滑臺(tái)控制進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，包括PLC及步進(jìn)電機(jī)的主要應(yīng)用，實(shí)際的需求。 2.應(yīng)用三菱公司的可編程控制器FZ2X-16MT及20BYJ46四相步進(jìn)電機(jī),在此基礎(chǔ)上搭建了實(shí)際的控制模型。 3.深入研究了位置控制系統(tǒng)的算法，利用三菱系統(tǒng)高速、大存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了更簡便的數(shù)控位置的PLC控制。 4.根據(jù)要求設(shè)計(jì)了仿真，以實(shí)現(xiàn)程序的模擬。 1.2.3 本文的主要目的及意義 1.以數(shù)控滑臺(tái)的邏輯控制為實(shí)例，對三菱系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)配置和梯形圖編程進(jìn)行一次嘗試，為今后的更好地開發(fā)三菱系統(tǒng)的工程應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。 2.以一種全新的編程思想進(jìn)行PLC的梯形圖編程，對于將來高性能的PLC的編程具有開拓性的意義。 3.對于數(shù)控滑臺(tái)位置控制實(shí)現(xiàn)的研究也給后續(xù)的研究開辟了一個(gè)全新的方式，為更簡捷完善的多軸位置控制的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對位置理論及其實(shí)現(xiàn)、位置控制在實(shí)際工程的應(yīng)用都有很大的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。 1.3 系統(tǒng)功能 設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)出一個(gè)以步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用FX2N系列PLC作為控制單元，通過按鍵實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制， 設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有以下功能： 1. 步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂? 2．步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制 3. 步進(jìn)電機(jī)的加速控制 4. 步進(jìn)電機(jī)的減速控制 5. 步進(jìn)電機(jī)通電方式改變的控制 第二章 PLC概述 2.1 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展 可編程控制器PC（Programmable Controller）是由美國電氣制造協(xié)會(huì)（NEMA）命名的，但是PC又可表示為個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer），為了區(qū)別，人們常把可編程控制器稱為PLC（Programmable Logic Controller）。它是以微處理器為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而發(fā)展起來的新型控制器，用作數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)。由用戶編寫程序進(jìn)行邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，再通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出（I/O）來控制各種生產(chǎn)過程。 2.1.1 PLC的產(chǎn)生及定義 20世紀(jì)60年代以前，用以對工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)控制的裝置是繼電器-接觸器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)存在一些缺陷。例如：系統(tǒng)的能耗較多，噪聲大；通用性、靈活性差，工藝流程的更新需要大量的人力物力；不具備現(xiàn)代工業(yè)控制所需的數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)控制等功能。到了20世紀(jì)60年代以后，美國汽車制造業(yè)為適應(yīng)市場需求不斷更新汽車型號(hào)，要求及時(shí)改變相應(yīng)的加工生產(chǎn)線。而汽車生產(chǎn)流水線基本上都采用傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制，所以整個(gè)系統(tǒng)就必須更新設(shè)計(jì)和配置。汽車生產(chǎn)流水線的更換越來越頻繁，原有的繼電器—接觸器控制系統(tǒng)就經(jīng)常需要重新設(shè)計(jì)安裝，這不但造成巨大浪費(fèi)，而且新系統(tǒng)的安裝費(fèi)時(shí)，從而延長了汽車的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期。在這種情況下，采用傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制就有許多不足。 1968年，美國GM（General Motors）公司首次公開招標(biāo)要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出了著名的十項(xiàng)招標(biāo)指標(biāo)，即著名的“GN十條”。 如果說電子技術(shù)和電氣控制技術(shù)是可編程控制器出現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，“GM十條”就是可編程邏輯控制器出現(xiàn)的技術(shù)要求基礎(chǔ)，也是當(dāng)今PLC最基本功能。 1987年2月，國際電工委員會(huì)（IEC）頒布的可編程控制器（PLC）標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部定時(shí)、存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)與算術(shù)運(yùn)算操作等指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)”。 2.1.2 PLC的發(fā)展 ⑴PLC的發(fā)展歷程 PLC產(chǎn)生至今，歷經(jīng)50載，其發(fā)展大體經(jīng)歷了4個(gè)階段。 1970—1980年，PLC結(jié)構(gòu)定型階段。在這一階段，隨著PLC剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現(xiàn)（如邏輯電路型、1位機(jī)型、通用計(jì)算機(jī)型、單板機(jī)型等），但都被迅速淘汰。最終以微處理器為核心的現(xiàn)有PLC結(jié)構(gòu)形式取得了市場認(rèn)可，得以迅速發(fā)展。本階段為PLC原理、結(jié)構(gòu)、軟件、硬件趨向統(tǒng)一與的階段，PLC的應(yīng)用領(lǐng)域也開始由最初的小范圍邏輯控制、有選擇使用，逐步開始向機(jī)床、生產(chǎn)線領(lǐng)域拓展。 1980—1990年，PLC普及與系列化階段。在這一階段，PLC的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，價(jià)格一直下跌，PLC被廣泛普及。各個(gè)PLC生產(chǎn)單位產(chǎn)品的規(guī)模、品種開始系列化，并且形成了固定的模塊化結(jié)構(gòu)型、I/O端子型、基本單元加擴(kuò)展模塊型這三種延續(xù)至今的基本結(jié)構(gòu)模式。PLC的應(yīng)用范圍不斷向順序控制的全部領(lǐng)域擴(kuò)展。 在本階段三菱公司以最早的F系列PLC產(chǎn)品為主，包括了小、中、大型各規(guī)格產(chǎn)品。 1990—2000年，PLC高性能與小型化階段。在這一階段，隨著工業(yè)電氣自動(dòng)化程度的提高和微電子技術(shù)的進(jìn)步，PLC的功能日益增強(qiáng)，PL由單CPU轉(zhuǎn)向多CPU，16位和32位微處理器被大量應(yīng)用于PLC中，使其運(yùn)算速度、圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能都大大增強(qiáng)。許多公司在加強(qiáng)各種特殊控制功能模塊研制的同時(shí)，還加強(qiáng)了軟件技術(shù)的開發(fā)，PLC的體積大大減小，出現(xiàn)了各種類型的小型化、微型化PLC。PLC的應(yīng)用范圍由單一的順序控制向現(xiàn)場控制拓展。 本階段，三菱公司的PLC產(chǎn)品開始有F系列向FX系列過渡，而后陸續(xù)推出了Q/K型小、中、大型系列產(chǎn)品。 2000至今，PLC功能開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)化階段。在本階段，為了適應(yīng)工廠自動(dòng)化的需求與信息技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能不斷開發(fā)與完善。一方面，PLC在不斷提高CPU運(yùn)算位數(shù)、速率的同時(shí)，開發(fā)了適用于運(yùn)動(dòng)控制、過程控制的特殊模塊，使PLC的應(yīng)用范圍開始涉及工業(yè)自動(dòng)化的全部領(lǐng)域。同時(shí)隨著通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，新通信協(xié)議的不斷產(chǎn)生，PLC的通信和網(wǎng)絡(luò)功能得到迅速發(fā)展，PLC不僅可以連接通用輸入/輸出設(shè)備和傳統(tǒng)的編程，還可以通過總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為工廠自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。PLC已經(jīng)真正成為具有邏輯控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理和聯(lián)網(wǎng)通信等功能的多功能控制器。 本階段，三菱公司的PLC產(chǎn)品仍然以Q/K系列為主要產(chǎn)品，只是其性能在不斷完善，并有新的CPU模塊推出。 ⑵PLC的發(fā)展趨勢 從世界上第一臺(tái)PLC誕生至今，PLC技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。PLC的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的單一的邏輯控制發(fā)展到包括模擬量控制、數(shù)字控制以及機(jī)器人控制等在內(nèi)的各種工業(yè)控制場合，成為工業(yè)控制領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)自動(dòng)化裝備。PLC的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為以下四個(gè)方面。 1、向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展。微型化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性是PLC未來發(fā)展的主要方向。 2、向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方向發(fā)展。 3、向大容量、高速度、高性能方面發(fā)展。 4、向自診斷、容錯(cuò)性、高性能方面發(fā)展。 2.2 PLC的特點(diǎn)與功能 2.2.1 PLC的特點(diǎn) PLC技術(shù)的迅猛發(fā)展，除了得益于工業(yè)的需求外，主要還是由于它具有許多獨(dú)特的特點(diǎn)。PLC是傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。而在工業(yè)控制方面，PLC還具有計(jì)算機(jī)控制或繼電器控制所無法比擬的特點(diǎn)。 ⒈可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) ⒉應(yīng)用靈活，編程方便 ⒊功能完善，適用性強(qiáng) ⒋易于安裝、調(diào)試、維修 ⒌體積小、質(zhì)量輕、能耗低 2.2.2 PLC的功能 PLC作為工業(yè)控制的多功能控制器，不僅能滿足一般工業(yè)控制需要，而且能夠適應(yīng)工業(yè)控制的特殊控制要求，并可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和通信控制。雖然不同類型PLC的性能，價(jià)格有差異，但其主要功能是相近的。 ⒈基本功能 邏輯運(yùn)算功能是PLC必備的基本功能。本質(zhì)上，它以計(jì)算機(jī)“位”運(yùn)算位基礎(chǔ)，按照程序的要求，通過對來自設(shè)備外圍的按鈕、接觸器觸電、行程開關(guān)等開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，并控制外圍指示燈、接觸器線圈、電磁閥的通斷。 在早期的PLC上，順序控制所需要的定時(shí)、計(jì)數(shù)功能需要通過定時(shí)模塊與計(jì)數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)，但是，他已經(jīng)成為PLC的基本功能之一。此外，邏輯控制中常用的數(shù)據(jù)比較與處理、代碼轉(zhuǎn)換等，也是PLC常用的基本功能。 ⒉特殊功能 PLC的特殊控制功能包括模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換、高速處理、溫度控制、位置控制等。這些特殊控制功能的實(shí)現(xiàn)一般需要PLC的特殊功能模塊完成。 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換多用于過程控制或閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在PLC中，通過特殊的功能模塊與功能指令，可以對過程中的溫度、壓力、速度、流量、電流、電壓、位移等連續(xù)變化的物理量進(jìn)行采樣，并通過必要的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，必要時(shí)也可以對這些物理量進(jìn)行各種形式的顯示。 位置控制一般通過對PLC的特殊應(yīng)用指令的寫入與狀態(tài)讀取，對位置控制模塊的位移量、速度、方向等進(jìn)行控制。位置控制模塊一般以位置給定的指令脈沖形式輸出，指令脈沖再通過伺服驅(qū)動(dòng)器或步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制 高速處理功能一般通過PLC的特殊應(yīng)用指令和高速處理模塊，如高速計(jì)數(shù)、快速響應(yīng)模塊等實(shí)現(xiàn)，PLC通過高速處理命令的寫入與狀態(tài)的讀取，對高速變化的速度、流量、位置等值進(jìn)行處理控制。高速計(jì)數(shù)模塊可以對幾十千赫甚至上百千赫的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，保證負(fù)載信息的及時(shí)處理并驅(qū)動(dòng)?？焖夙憫?yīng)模塊將輸入量的變化較快的反映到輸出量上?？傊琍LC的高速處理功能對變化快、脈沖寬度小于PLC掃描周期的輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行處理，避免了丟失部分關(guān)鍵信號(hào)，從而影響控制過程的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。 ⒊網(wǎng)絡(luò)與通信功能 PLC早期的通信一般局限于PLC與外圍設(shè)備（編程器或變成計(jì)算機(jī)等）間的簡單串行口通信?，F(xiàn)代工業(yè)控制中的網(wǎng)絡(luò)與通信不僅可以進(jìn)行PLC與外圍設(shè)備間的通訊，而且可以在PLC與PLC之間、PLC與其他工業(yè)控制設(shè)備之間、PLC與上位機(jī)之間、PLC與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行通訊，并可以通過現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)總線組成系統(tǒng)，從而使得PLC可以方便的進(jìn)入工廠自動(dòng)化系統(tǒng)。 2.3 PLC的結(jié)構(gòu) 在硬件結(jié)構(gòu)上PLC可以分為整體式固定I/O型、模塊式PLC、基本單元加擴(kuò)展型分布式PLC和集成式PLC五種結(jié)構(gòu)形式。 2.4 PLC的編程語言 PLC是專為工業(yè)控制而研發(fā)的裝置，主要使用者是企業(yè)電器工作人員。為了適應(yīng)工人的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，通常PLC不采用計(jì)算機(jī)編程語言，而采用面向控制工程、面向問題的“自然語言”編程。國際電工委員會(huì)（IEC）1994年5月公布的IEC61131—3《可編程控制器語言標(biāo)準(zhǔn)》詳細(xì)的說明了語義、句法和五種編程語言。 2.4.1 梯形圖 梯形圖是目前為止使用最多的圖形編程語言，梯形圖和繼電器控制系統(tǒng)的電路圖相似，梯形圖常被稱為電路或者程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。梯形圖由線圈、觸點(diǎn)和指令組成。線圈通常代表邏輯輸出結(jié)果和輸出標(biāo)志位。觸點(diǎn)代表邏輯輸入條件。 ⒈梯形圖編程的基本概念 ⑴能流。在梯形圖中為了分析各個(gè)元件間的輸入與輸出關(guān)系，就要假象一個(gè)概念電流。認(rèn)為電流按照從左往右的方向流動(dòng)，這一方向與執(zhí)行用戶順序時(shí)的邏輯運(yùn)算關(guān)系是一致的。。利用能流這一概念，可以幫助我們很好地理解和分析梯形圖。能流只能從左往右流動(dòng)，層次改變只能從上往下。 ⑵母線。梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線。母線之間有能流從左往右流。通常梯形圖中母線有左右兩條。 ⑶軟觸點(diǎn)。PLC梯形圖中的一些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器等，但是他們不是真實(shí)的物理繼電器，而是一些存儲(chǔ)單元，每個(gè)軟繼電器的觸點(diǎn)與PLC存儲(chǔ)器中映像存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元相對應(yīng)，所以這些觸點(diǎn)稱為軟觸點(diǎn)。這些軟觸點(diǎn)的0/1狀態(tài)代表相應(yīng)繼電器觸點(diǎn)或線圈的接通或者斷開。而且對于PLC內(nèi)部，如果存儲(chǔ)單元狀態(tài)為“1”則表示梯形圖中對應(yīng)軟繼電器的通電，常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開，在繼電器控制系統(tǒng)的接線中，觸點(diǎn)數(shù)量有限，而PLC內(nèi)部軟觸點(diǎn)的數(shù)量和使用次數(shù)沒限制，用戶可根據(jù)具體要求在梯形圖中多次使用同一觸點(diǎn)。 ⒉梯形圖的特點(diǎn) PLC的梯形圖源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述，并和電氣控制系統(tǒng)梯形圖的基本思路一致，只是在符號(hào)和表達(dá)方式上有一定區(qū)別。它采用梯形圖的圖形符號(hào)來描述程序設(shè)計(jì)，是PLC程序設(shè)計(jì)中最常用的一種設(shè)計(jì)語言。這種設(shè)計(jì)語言采用因果關(guān)系來描述系統(tǒng)發(fā)生的條件和結(jié)果。其中每個(gè)梯級(jí)是一個(gè)因果關(guān)系。在梯級(jí)中描述系統(tǒng)發(fā)生的條件在左邊，事件發(fā)生的結(jié)果在右邊。PLC梯形圖使用的內(nèi)部輔助繼電器、計(jì)數(shù)/定時(shí)器等，都是有軟件實(shí)現(xiàn)的，它的最大優(yōu)點(diǎn)是使用方便、形象、直觀、實(shí)用和修改靈活。這是傳統(tǒng)電氣控制的繼電器硬件接線所無法比擬的。 梯形圖的格式一般有如下一些要求：每個(gè)梯形圖網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)梯級(jí)構(gòu)成。每個(gè)輸出元素可構(gòu)成一個(gè)梯級(jí)，每個(gè)梯級(jí)有多個(gè)支路。通常每個(gè)支路可容納11個(gè)編程元素，最右邊的元素必須是輸出元素。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多允許16條支路。 梯形圖有以下8個(gè)特點(diǎn)： ⑴PLC梯形圖和電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有對應(yīng)性和直觀性，并與傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制技術(shù)相一致。 ⑵梯形圖中的能流不是實(shí)際的電流，而是一個(gè)虛擬的電流，是用戶程序運(yùn)算中滿足輸出條件的形象表達(dá)。能流只能從左往右。 ⑶梯形圖中個(gè)編程元件所描述的常開常閉觸點(diǎn)可在編程時(shí)無限使用，不受次數(shù)限制。 ⑷梯形圖格式中繼電器和物理繼電器是不同的。在PLC中編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、內(nèi)部輔助繼電器、輸出繼電器等。對于PLC來說，其內(nèi)部的繼電器并不是實(shí)際存在的繼電器，而是指軟件中的編程元件。編程元件中的每個(gè)軟觸點(diǎn)都和PLC存儲(chǔ)器中的一個(gè)存儲(chǔ)單元相對應(yīng)。因此，在應(yīng)用時(shí)，需與原繼電器邏輯控制技術(shù)的概念區(qū)別。 ⑸梯形圖中輸入繼電器的狀態(tài)只取決于外部輸入電路的通斷狀態(tài)，所以 在梯形圖中沒有輸入繼電器線圈。輸出線圈只對應(yīng)輸出映像區(qū)的相應(yīng)位，不能用該編程元件直接驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場機(jī)構(gòu)。 ⑹根據(jù)梯形圖中個(gè)觸點(diǎn)的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，可以求出與圖中各線圈對應(yīng)的編程元件的1/0狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯運(yùn)算。邏輯運(yùn)算按照梯形圖從左至右、從上至下的原則進(jìn)行。邏輯運(yùn)算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)邏輯運(yùn)算瞬時(shí)外部輸入狀態(tài)來進(jìn)行。 ⑺梯形圖中用戶的邏輯運(yùn)算結(jié)果馬上可為后面用戶程序的邏輯運(yùn)算所運(yùn)用。 ⑻梯形圖與其他設(shè)計(jì)語言有一一對應(yīng)關(guān)系，便于相互轉(zhuǎn)換和對程序的檢查。但是對于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。與順序功能圖等設(shè)計(jì)語言相比較，梯形圖的邏輯描述還不夠清晰。 ⒊梯形圖設(shè)計(jì)規(guī)則 ⑴由于梯形圖中的線圈和觸點(diǎn)均為“軟繼電器”，因此同一標(biāo)號(hào)的觸點(diǎn)可反復(fù)使用，這也是PLC區(qū)別于傳統(tǒng)控制的一大優(yōu)點(diǎn)。 ⑵每個(gè)梯形圖有多層梯級(jí)組成，每層邏輯行起始于做母線，經(jīng)過觸點(diǎn)的各種連接最后結(jié)束于線圈，觸點(diǎn)不能出現(xiàn)在線圈右邊，只能在觸點(diǎn)右邊連接線圈，每一個(gè)邏輯行實(shí)際代表一個(gè)邏輯方程。 ⑶梯形圖中的輸入觸點(diǎn)只受外部信號(hào)控制，而不能有內(nèi)部繼電器的線圈將其接通或斷開，及線圈不能直接和做母線相連，所以在梯形圖中不會(huì)出現(xiàn)“輸入繼電器的線圈”。 ⑷在幾個(gè)串聯(lián)回路相并聯(lián)時(shí)，應(yīng)該將觸點(diǎn)多的放在梯形圖上面。在幾個(gè)并聯(lián)回路相串聯(lián)時(shí)，應(yīng)該將觸點(diǎn)最多的回路放在梯形圖的最左面。這種安排指令較少。 ⑸觸點(diǎn)因花在水平線上，不能花在垂直分支上，被畫在垂直分支上的觸點(diǎn)，很難正確識(shí)別它和其他觸點(diǎn)的關(guān)系，也難以判斷通過觸點(diǎn)對輸出線圈的控制方向。所以梯形圖的書寫順序自左向右、自上至下，CPU也按此順序執(zhí)行。 ⑹梯形圖中的觸點(diǎn)可以任意串聯(lián)、并聯(lián)，但輸出線圈不能串聯(lián)，只能并聯(lián)。 2.4.2 語句表 PLC的指令是一種與計(jì)算機(jī)的匯編語言中的指令相似的助記符表達(dá)式。語句表表達(dá)式與梯形圖有對應(yīng)關(guān)系，由指令組成的程序叫指令程序。在用戶程序存儲(chǔ)器中，指令按步序號(hào)順序排列。每一條語句指令都包含操作數(shù)和操作碼兩部分，操作數(shù)一般由標(biāo)識(shí)符和地址碼組成。 2.4.3 順序功能圖 順序功能圖，又叫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，是一種較新的編程方法。他將一個(gè)完整的程序分成若干段，各階段具有不同的動(dòng)作，階段之間有一定的轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)換條件滿足就實(shí)現(xiàn)階段轉(zhuǎn)移，上一階段動(dòng)作結(jié)束，下一階段動(dòng)作開始。它提供了一種組織程序的圖形方法。在順序功能圖中可以用其它語言嵌套編程，轉(zhuǎn)換、路徑和步是順序功能圖的三種主要元素。順序功能圖主要用來描述開關(guān)量順序控制系統(tǒng)，根據(jù)它可以很容易畫出順序控制梯形圖程序。整個(gè)程序完全按動(dòng)作順序直接編程，非常直觀簡便，思路很清楚，很合適順序控制場合。 第三章 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸人脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度與單位時(shí)間內(nèi)輸人的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到各相繞組的相序有關(guān)。因此只要控制指令脈沖的電機(jī)繞組通電的相序、頻率及數(shù)量，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出方向、速度和位移量。步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，并且可獲得較高的控制精度，因而廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、數(shù)字系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)及航天工業(yè)裝置中。 3.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理實(shí)際上是和電磁鐵的作用原理一樣。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電，B相通電，由于磁力的作用，轉(zhuǎn)子的齒與定子BB上的齒對齊，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過，如果控制線路按A→B→C→A…的順序控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通斷電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若將通電順序改為A→C→B→A…，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這種通電方式稱為三相三拍。而通常的通電方式為三相六拍，其通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…，相應(yīng)地，定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15度。 3.2 步進(jìn)電機(jī)的特性 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用的是脈沖信號(hào)，而脈沖是數(shù)字信號(hào)，這恰恰是計(jì)算機(jī)所擅長處理的類型。自從20世紀(jì)80年代以來開始開發(fā)出專用的驅(qū)動(dòng)電路，今天在磁盤、打印機(jī)等的OA裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是重要的組成部分。總體來說步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)如下： 1、不需要反饋，控制簡單。 2、與微機(jī)的連接、速度控制及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)較簡單。 3、沒有角度累積誤差 4、停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。 5、不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。 6、即使沒有傳感器，也能精確定位。 7、根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)。難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩。 8、不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng) 9、在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。 10、超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。 11、步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸人脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。 12、由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器電路組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既簡單、廉價(jià)，又可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。 13、步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)以及變速控制。 14、速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。 15、步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 3.3 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和分類方法較多。按照勵(lì)磁方式分類，可將步進(jìn)電機(jī)分為三類： ⒈反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR）。 采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對較差。使用簡單，使用較多。 ⒉永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM）。 轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是7.50。它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。 ⒊混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）。 這是PM和VR的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。這類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。 3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的直流供電電源的確定 ⒈電壓的確定 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍（比如ASD545R的供電電壓為18～48VDC），電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。 ⒉電流的確定 供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源（環(huán)行變壓器），電源電流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I的1.5～2.0倍。 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍，電源電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器 3.5 步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)的注意事項(xiàng) 1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，(0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。 2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。 3、若所帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，則應(yīng)在低頻下啟動(dòng)，然后再上升到工作頻率，停車時(shí)也因從工作頻率下降到適當(dāng)頻率再停車。 4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。 5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止時(shí)的定位精度。 6、在工作過程中，因盡量使負(fù)載均勻，避免負(fù)載突變引起誤差。 7、電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8、若在工作中發(fā)生失步現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過大，電源電壓是否正常。再檢查驅(qū)動(dòng)電源輸出波形是否正常，在處理問題時(shí)，不應(yīng)隨意變換元件。 9、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。 10、驅(qū)動(dòng)電源的選擇對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行影響極大。應(yīng)該根據(jù)運(yùn)行的具體要求，盡量選用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電源。 3.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分原理及一些相關(guān)說明 在國外，對于步進(jìn)系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。但在國內(nèi)，廣大用戶對“細(xì)分”還不是特別了解，有的只是認(rèn)為，細(xì)分是為了提高精度，其實(shí)不然，細(xì)分主要是改善電機(jī)的運(yùn)行性能，現(xiàn)說明如下：步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流來實(shí)現(xiàn)的，以二相電機(jī)為例，假如電機(jī)的額定相電流為3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動(dòng)器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動(dòng)該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪音。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，在10細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大的改善了電機(jī)的振動(dòng)和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點(diǎn)才是細(xì)分的真正優(yōu)點(diǎn)。由于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器要精確控制電機(jī)的相電流，所以對驅(qū)動(dòng)器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會(huì)較高。注意，國內(nèi)有一些驅(qū)動(dòng)器采用“平滑”來取代細(xì)分，有的亦稱為細(xì)分，但這不是真正的細(xì)分。 3.7 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，是一種傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)，由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單，轉(zhuǎn)子上均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 應(yīng)用領(lǐng)域：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、攝影系統(tǒng)、光電組合裝置、 圖3-1、四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 閥門控制、銀行終端、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繞線機(jī)、電子鐘表及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中。 圖3-1是一臺(tái)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。定子鐵心由硅鋼片疊成，定子上有8個(gè)均勻分布的磁極，每個(gè)磁極上又有若干小齒（本例為5個(gè)）。各個(gè)磁極上套有線圈，徑向相對的兩個(gè)磁極上的線圈是一相。轉(zhuǎn)子也是由硅鋼片疊成的，若干小齒（本例為50個(gè)）在圓周上均勻分布，但轉(zhuǎn)子上沒有繞組。根據(jù)工作要求，定子小齒的齒距必須等于轉(zhuǎn)子小齒的齒距，且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定限制。 定義每個(gè)小齒所占有的角度為齒距角： (2-1） 式中 為齒距角。為轉(zhuǎn)子小齒數(shù)。 定子一個(gè)極距所對的轉(zhuǎn)子小齒數(shù)為： （2-2） 式中 m為相數(shù)。 設(shè)電機(jī)為四相四拍通電方式。當(dāng)A相控制繞組通電時(shí)，產(chǎn)生了沿A-A’極軸方向的磁通，由于磁通力圖通過磁阻最小路徑，使轉(zhuǎn)子的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)子磁軸線和定子磁極A-A’上的磁軸線對齊為止。因?yàn)檗D(zhuǎn)子共有50個(gè)齒極，每個(gè)齒距角，定子一個(gè)極距所對的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為，不是整數(shù)，因此當(dāng)A-A’極下的定、轉(zhuǎn)子齒軸線對齊時(shí)，相鄰的兩對磁極B-B’和D-D’極下的齒和轉(zhuǎn)子齒必然錯(cuò)開1/4齒距角，即。這時(shí)，各相磁極的定子齒與轉(zhuǎn)子齒的相對位置如圖3-2所示。 如果斷開A相而接通B相，產(chǎn)生沿B-B’極軸線方向的磁通，同樣在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過，是轉(zhuǎn)子齒軸線和定子磁極B-B’下的齒軸線對齊。這時(shí)，A-A’和C-C’極下的齒與轉(zhuǎn)子齒又錯(cuò)開。以此類推，控制繞組按A→B→C→D→A…的順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針方向一步一步連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)起來。每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/4齒距角。 0 圖3-2、 A相通電時(shí)定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置 顯然，如果要使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，只要改變通電順序，即按A→D→C→B→A…的順序循環(huán)通電時(shí)，則轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針方向一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)起來，步距角同樣為1/4齒距角，即。 如果運(yùn)行方式改為四相八拍，通電方式為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…，即單相通電和兩相通電相間時(shí)，步距角為四相四拍運(yùn)行時(shí)的一半，即。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式為四相雙四拍時(shí)，當(dāng)AB→BC→CD→DA→AB…方式通電時(shí)，步距角與四相單四拍運(yùn)行時(shí)一樣，為1/4齒距角，即。 由此可見，步進(jìn)電機(jī)的步距角由轉(zhuǎn)子齒數(shù)、定子相數(shù)m和通電方式所決定，即： （2-3） 式中 C為狀態(tài)系數(shù)，采用單雙通電方式時(shí)C=2,采用單或雙通電方式時(shí)C=1。 N為拍數(shù)。 既然每個(gè)控制脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)，電機(jī)實(shí)際角位移應(yīng)為： 式中N’——控制脈沖的個(gè)數(shù)。 若步進(jìn)電機(jī)所加的通電脈沖頻率為f，則其轉(zhuǎn)速為： （2-4） 由于在一個(gè)通電循環(huán)內(nèi)控制脈沖的個(gè)數(shù)為N（拍數(shù)），而每相繞組的供電脈沖個(gè)數(shù)卻只有一個(gè)，因此定子相繞組的供電頻率為： 可見，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不失步、不丟步的前提下，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角與電壓、負(fù)載、濕度等因素?zé)o關(guān)，因而步進(jìn)電機(jī)可直接采用開環(huán)，簡化控制系統(tǒng)。 3.8本設(shè)計(jì)所用步進(jìn)電機(jī) 本設(shè)計(jì)中所用的是四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其工作原理上述已經(jīng)說清楚。其轉(zhuǎn)子小齒為50個(gè)，因此齒距角。其采用三種運(yùn)行方式，分別為“四相單四拍”、“四相單雙八拍”和“四相雙四拍”。 四相單四拍的通電順序?yàn)锳→B→C→D→A…,不斷接通與斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就按順時(shí)針方向一步步地轉(zhuǎn)動(dòng)起來，每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/4齒距角，即。如果要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，只要改變通電順序，即按A→D→C→B→A…順序循環(huán)通電。 當(dāng)運(yùn)行方式改為四相單雙八拍時(shí)，通電方式為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…,即單相通電與兩相通電相間，步距角為四相單四拍運(yùn)行時(shí)的一半，即。其四相繞組的波形圖如圖3-3所示。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，其通電方式應(yīng)該為A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→A…,其步進(jìn)角與正轉(zhuǎn)相同。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)再改為四相雙四拍運(yùn)行時(shí)，其通電方式為AB→BC→CD→DA→AB…，步距角與四相單四拍時(shí)一樣，為1/4齒距角，即 。當(dāng)其反轉(zhuǎn)時(shí)，通電方式改變?yōu)锳D→DC→CB→BA→AD…。 第四章 總體方案設(shè)計(jì) 4.1數(shù)控滑臺(tái)的控制方法 4.1.1 行程控制 一般液壓滑臺(tái)和機(jī)械滑臺(tái)的行程控制是利用位置或壓力傳感器 （行程開關(guān)/死擋鐵）來實(shí)現(xiàn)；而數(shù)控滑臺(tái)的行程則采用數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)。由數(shù)控滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)可知，滑臺(tái)的行程正比于步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角即可。而步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個(gè)數(shù)，因此可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量確定 PLC 輸出的脈沖個(gè)數(shù)： n= DL/d （1） 式中： DL 為伺服機(jī)構(gòu)的位移量（mm）； d為伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）。 4.1.2進(jìn)給速度控制 伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。因此，可以根據(jù)該工序要求的進(jìn)給速度，確定其 PLC 輸出的脈沖頻率： f=Vf / 60d (Hz) （2） 式中： Vf 為伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度（mm/min）。 4.1.3 進(jìn)給方向控制 進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制.可通過改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來其轉(zhuǎn)向，如三相步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)椋?A-AB-B-BC-C-CA-A …時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A …順序通電時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此，可以通過 PLC 輸出的方向控制信號(hào)改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。 4.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在采用 PLC對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)中控制方案為：用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào),并用 PLC中的定時(shí)器來產(chǎn)生速度脈沖信號(hào),這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,降低硬件成本。但由于 PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒,相應(yīng)的頻率只能達(dá)到幾百赫茲,因此,受到 PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響 ,步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作,無法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí),由于受到掃描周期的影響 ,相應(yīng)的控制精度就降低了。應(yīng)注意,PLC要選用晶體管輸出型的,繼電器輸出型的實(shí)際輸出頻率很有限,不能滿足控制要求。采用這種方案,步 進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成非常簡單,即 由PLC、直流電源和大功率管子組成的驅(qū) 動(dòng)電路等組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。 整個(gè)系統(tǒng) 具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠 圖4-1 傳動(dòng)方案 性高、使用方便、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。在控制系統(tǒng)的工作過程中,根據(jù)具體要求確定步進(jìn)電機(jī)的工作方式(正反轉(zhuǎn))、加減速控制、恒速控制、正反轉(zhuǎn)切換控制、起停控制。根據(jù)實(shí)際的工作情況計(jì)算出相應(yīng)的脈沖頻率,繼而計(jì)算出定時(shí)中斷的設(shè)定值,建立控制常數(shù)表。 選定的工作方式不斷地從控制常數(shù)表中取出速度參數(shù)送給定時(shí)器 ,即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中 ,要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng) ,有了這些數(shù)據(jù) ,才能有效地對電機(jī)進(jìn)行加減速控制。 4.3 PLC控制系統(tǒng)的接地方法 1. 由于PLC機(jī)柜和操作臺(tái)、配電柜等用電設(shè)備的金屬外殼及控制設(shè)備正常不帶電的金屬部分，由于各種原因（如腐蝕、絕緣破損等）而有可能帶危險(xiǎn)電壓，所以應(yīng)該進(jìn)行保護(hù)接地，低于36V供電的設(shè)備，無特殊要求可不做接地保護(hù)。 2. PLC控制系統(tǒng)中的基準(zhǔn)電位是各回路工作的參考電位，基準(zhǔn)電位的連接線稱為系統(tǒng)地，通常是控制回路直流電源的零伏導(dǎo)線，系統(tǒng)接地的方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地方式。 3.為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)置的屏蔽接地端子應(yīng)做屏蔽接地。其中信號(hào)回路接地和屏蔽接地又通稱為工作接地。 一般以上接地方法的控制原則是：保護(hù)地和工作地不能混用，這是由于在每一段電源保護(hù)地線的兩點(diǎn)間會(huì)有數(shù)毫伏，甚至幾伏的電位差，這對低電平信號(hào)電路來說是一個(gè)非常嚴(yán)重的干擾。屏蔽地，當(dāng)信號(hào)電路是單點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)單點(diǎn)接地，如果電纜的屏蔽層接地點(diǎn)有一個(gè)以上時(shí)，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。本系統(tǒng)采用的接地電阻都需要在規(guī)定的范圍內(nèi)，對于PLC組成的控制系統(tǒng)一般應(yīng)小于4Ω，而且要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，事前都需要進(jìn)行防腐處理。PLC組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置接地系統(tǒng)，也可以利用現(xiàn)場條件進(jìn)行