傳送裝置設計論文光體積檢測系統(tǒng)傳送裝置控制設計

南京工業(yè)大學畢業(yè)設計 題目：激光體積檢測系統(tǒng)傳送 裝置控制設計 學生姓名：李滿學號： P1501080718專業(yè)：自動化班級：浦自0807指導教師：孫冬梅2012年6月III體積檢測系統(tǒng)傳送裝置控制設計摘要激光體積檢測系統(tǒng)的傳送裝置的控制中，實現(xiàn)對PLC控制電機，對傳送帶的速度調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。同時完成與硬件系統(tǒng)的通訊，實現(xiàn)速度信息、開關(guān)信息等信號的上傳的目標。本課題以可編程邏輯控制器（PLC）、步進電機為基礎(chǔ)，采用PLC控制技術(shù)，開展該控制技術(shù)的測試，實現(xiàn)了PLC對步進電機開關(guān)、正反轉(zhuǎn)、加減速等控制。本文以成熟可靠的可編程邏輯控制技術(shù)和具備諸多優(yōu)點的步進電機為課題背景，論述了基于西門子PLC驅(qū)動控制步進電機技術(shù)開發(fā)過程，主要完成課題中系統(tǒng)硬件及軟件的設計。首先介紹了PLC應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢與其的應用前景。其次，介紹了步進電機及其驅(qū)動器的應用和性能特點。另外，本文還介紹了STEP7編程軟件的使用方法。本文最后提出了設計中的一些不足之處和對今后的一些要求。論文結(jié)尾附有傳送裝置控制系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵詞：PLC步進電機驅(qū)動器Design of Volume Detection System Transfer Device Control AbstractTo achieve the PLC to control the motor, the conveyor speed adjustment and switching control. At the same time to complete a communications system with hardware to achieve the goal of upload speed information, the switch information signal. The topic is base to the programmable logic controller (PLC) and stepper motor. Use the PLC control technology to carry out the testing of the control technology to achieve a PLC control of the stepper motor switch, rotating, and acceleration and deceleration. This thesis is use the Proven programmable logic control and the stepper motor that has many advantages as a subject background, it discusses about the process that based on Siemens PLC how to control the stepper motor , mainly to complete the system of hardware and software design. First introduced the status quo and development trend of the PLC application and its application prospects. Secondly, introduce the application and performance characteristics of a stepper motor and its driver. In addition, this article describes the use of the STEP 7 programming software. This article concludes with some inadequacies in the design and some of the requirements for the future. Paper at the end with Transmission device control system mechanical structure diagram. Key words: PLC； stepper motor ；Stepper motor driver目錄摘要IAbstractII第一章 緒 論11.1概述11.2可編程邏輯控制器的發(fā)展現(xiàn)狀21.3 現(xiàn)代物流系統(tǒng)中PLC技術(shù)應用的狀況31.4 本文的主要工作3第二章 傳送裝置控制系統(tǒng)硬件設計52.1系統(tǒng)總體設計方案52.2 步進電機簡介52.2.1 步進電機的分類及其基本參數(shù)62.2.2 步進電機的選擇82.2.3 步進電機驅(qū)動電路92.2.4 步進電機主要特點122.3 S7200介紹及具體CPU選型132.3.1 S7200介紹132.3.2 CPU選型及其設計142.4 PLC驅(qū)動步進電機17第三章 控制系統(tǒng)的軟件設計193.1 STEP7概述193.1.1 STEP 7的硬件接口193.1.2 STEP 7的編程功能193.2系統(tǒng)流程圖213.3主/子程序及其實現(xiàn)功能的詳細解釋223.3.1本程序所用變量223.3.2主程序233.3.3初始化子程序253.3.4自由口通訊協(xié)議子程序26第四章 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果27結(jié)語29參考文獻30致謝31附錄1：傳送裝置控制系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)圖32南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第一章 緒 論1.1概述現(xiàn)代物流是將信息、運輸、倉儲、庫存、裝卸搬運以及包裝等物流活動綜合起來的一種新型的集成式管理。系統(tǒng)對基于激光測量技術(shù)的體積測量裝置設計，實現(xiàn)體積、重量分析計算。系統(tǒng)運用成熟可靠的激光測量技術(shù)1，能精確測量各種類型的物品。當物品通過輸送機上的體積測量框時，其輪廓就會被掃描，在速度非?？斓那闆r下也能精確檢測出所有任何形態(tài)的物品。該技術(shù)以激光為基礎(chǔ)2，排除了其他光和照明的需求，使該裝置能獨立運作，不受顏色，物品質(zhì)地和輸送皮帶的影響。本項目搭建體積測量系統(tǒng)的傳送控制系統(tǒng)，采用PLC控制電機，實現(xiàn)對傳送帶的速度調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。同時完成與硬件系統(tǒng)的通訊，實現(xiàn)速度信息、開關(guān)信息等信號的上傳。激光技術(shù)用于檢測工作主要是利用激光的優(yōu)異特性，將它作為光源，配以相應的光電元件來實現(xiàn)的。它具有精度高、測量范圍大、檢測時間短、非接觸式等優(yōu)點，常用于測量長度、位移、速度、振動等參數(shù)3。在激光技術(shù)發(fā)展過程中因其高的分辨率，可以直接用于物體外部4尺寸、輪廓以及位移和有關(guān)物理量的測量。激光檢測技術(shù)屬于非接觸式測量技術(shù)，與接觸式測量方法相比，具有限制更少、效率更高、不損傷測量表面、不易受被測對象表面狀態(tài)影響等優(yōu)點，因此高精度的激光檢測技術(shù)越來越廣泛地應用到精密、超精密加工中5。超精密加工技術(shù)，其精度從微米級到亞微米級、納米級，在高技術(shù)領(lǐng)域和軍用工業(yè)以及民用醫(yī)療工業(yè)中都有大量需求。另外我們知道步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機6，傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。為適應這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電7。1.2可編程邏輯控制器的發(fā)展現(xiàn)狀可編程邏輯控制器8（Programmable Logic Controller，簡稱PLC 或PC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC 是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點。PLC 的主要特點9如下：A. 用內(nèi)部已定義的各種輔助繼電器代替機械觸點繼電器9，通過軟件編程方式用內(nèi)部邏輯關(guān)系代替實際的硬件連接導線，這些內(nèi)部繼電器的節(jié)點變位時間可理想化地認為等于零，因此只需考慮它的0-1 狀態(tài)而無需考慮傳統(tǒng)繼電器所固有的返回系數(shù)；B. 可靠性高，抗干擾能力強，適用于復雜的工業(yè)環(huán)境；C. 配套齊全，功能完善，適用性強，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能；D. 易學易用，照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC 的程序編制采用簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學。PLC作為工控機的一員，在主要工業(yè)國家中成為自動化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價格適宜等特點。據(jù)統(tǒng)計，當今世界PLC生產(chǎn)廠家約150家，生產(chǎn)300多個品種。2000年銷售額約為86億美元，占工控機市場份額的50%，PLC將在工控機市場中占有主要地位，并保持繼續(xù)上升的勢頭。PLC在60年代末引入我國時，只用作離散量的控制，其功能只是將操作接到離散量輸出的接觸器等，最早只能完成以繼電器梯形邏輯的操作。新一代的PLC具有PID調(diào)節(jié)功能，它的應用已從開關(guān)量控制擴大到模擬量控制領(lǐng)域，廣泛地應用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。但PLC也面臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，各廠家正采取措施不斷改進產(chǎn)品，主要表現(xiàn)為以下幾個方面101.微型、小型PLC功能明顯增強2.集成化發(fā)展趨勢增強由于控制內(nèi)容的復雜化和高難度化，使PLC向集成化方向發(fā)展，PLC與PLC集成、PLC與DCS集成、PLC與PID集成等，并強化了通訊能力和網(wǎng)絡化，尤其是以PC為基的控制產(chǎn)品增長率最快。3.向開放性轉(zhuǎn)變 PLC曾存在嚴重的缺點，主要是PLC硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，使各種PLC互不兼容。國際電工協(xié)會(IEC)在1992年頒布了IEC1131-3可編程序控制器的編程軟件標準，為各PLC廠家編程的標準化鋪平了道路。我國的PLC生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展，小型PLC已批量生產(chǎn)；中型PLC已有產(chǎn)品；大型PLC已開始研制。國內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，國內(nèi)產(chǎn)品市場占有率不超過10%。經(jīng)過30 多年的發(fā)展，PLC 已十分成熟與完善，尤其在順序控制、開關(guān)量邏輯運算和處理這兩方面具有顯著優(yōu)勢，而模擬量閉環(huán)控制也已非常成熟。PLC技術(shù)自從引入我國的電力行業(yè)后就得到了廣泛應用，并發(fā)展壯大。1.3 現(xiàn)代物流系統(tǒng)中PLC技術(shù)應用的狀況現(xiàn)代物流是將信息、運輸、倉儲、庫存、裝卸搬運以及包裝等物流活動綜合起來的一種新型的集成式管理。它使用先進的技術(shù)、設備與管理為銷售提供服務，生產(chǎn)、流通、銷售規(guī)模越 標準的現(xiàn)代物流企業(yè)和第三方物流大、范圍越廣，物流技術(shù)、設備及管理越現(xiàn)代化?，F(xiàn)代物流5的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出全球化、多功能化、信息化、自動化和智能化的特征，其中信息化是現(xiàn)代物流的核心。在物流系統(tǒng)中PLC11技術(shù)得到了廣泛的應用，現(xiàn)代物流的包裝加工、倉儲、分揀和傳送等均是采用PLC技術(shù)進行控制。該技術(shù)可以擴大物流作業(yè)能力、提高勞動生產(chǎn)率、減少物流作業(yè)的差錯等。用自動化技術(shù)和信息技術(shù)對傳統(tǒng)物流業(yè)務進行優(yōu)化整合，達到降低成本、提高水平的目的。1.4 本文的主要工作本傳送控制系統(tǒng)具體完成硬件上功能有： 1）對步進電機進行開關(guān)、正反加減速運行等控制，從而實現(xiàn)傳送帶的控制。2）實現(xiàn)PLC與體積測量儀的接口的通訊。軟件上實現(xiàn)功能有：1）通過改變PLC的刷新輸出頻率參數(shù)實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)速的控制。2）實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。本設計基于體積測量儀的軟件硬系統(tǒng)，完成傳送帶系統(tǒng)的控制功能和與體積測量儀通訊。通過該畢業(yè)設計，可以提我們的工程實踐能力和軟件開發(fā)能力。本文完成PLC系統(tǒng)硬件設計，電源模塊設計，開關(guān)、按鈕等接口的選型，控制電機正反轉(zhuǎn)讓運行以及與體積測量儀的接口。31南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第二章 傳送裝置控制系統(tǒng)硬件設計2.1系統(tǒng)總體設計方案 系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：開關(guān)、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)按鈕。體積激光掃描儀傳送帶電機PLC電源PC/PPI圖2-1系統(tǒng)框圖本控制系統(tǒng)可分為五部分：體積激光掃描儀、PLC、傳送帶電機開關(guān)、正反轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)按鈕和電源。其中PLC是本系統(tǒng)的主控制單元，當開關(guān)按鈕給它發(fā)出開關(guān)信號時，它將很據(jù)預定的程序執(zhí)行，進而控制電機的運行狀態(tài)。體積激光掃描儀與PLC之間的通訊是雙向的，掃描儀將傳送帶上物品的位置告訴PLC，而PLC將所計算得的物品長度發(fā)送給掃描儀。電源模塊為每個單元供電。2.2 步進電機簡介步進電動機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件12。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于電動機的工作原理和其它電動機有很大的差別，具有其它電動機所沒有的特性。因此，沿著小型、高效、低價的方向發(fā)展。步進電動機由此而得名。步進電動機的運行是在專用的脈沖電源供電下進行的，其轉(zhuǎn)子走過的步數(shù)，或者說轉(zhuǎn)子的角位移量，與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應用在各種家電產(chǎn)品中，例如打印機、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、機械手臂和錄像機等。另外步進電機也廣泛應用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中。由于通過控制脈沖個數(shù)可以很方便的控制步進電機轉(zhuǎn)過的角位移，且步進電機的誤差不積累，可以達到準確定位的目的。還可以通過控制頻率很方便的改變步進電機的轉(zhuǎn)速和加速度，達到任意調(diào)速的目的，因此步進電機可以廣泛的應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中。2.2.1 步進電機的分類及其基本參數(shù)步進電機的分類：1）永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度。2）反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。3）混合式12步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，它又分為兩相和五相。兩相步進角一般分為1.8度而五相步進角一般為 0.72度，這種步進電機的應用最為廣泛。三相混合式步進電機的結(jié)構(gòu)如圖圖2-2所示。左邊給出混合式步進電動機的軸向剖面圖。定子鐵心的齒槽與磁阻式電動機相同，和永磁式電動機一樣配置有雙繞組或單繞組，分別適用于單極性驅(qū)動或雙極性驅(qū)動。轉(zhuǎn)子中含有一個軸向磁化的永磁體，這個永磁體產(chǎn)生一個單向磁場，磁路通過轉(zhuǎn)子、氣隙和定子閉合。由軟磁材料制作的兩段轉(zhuǎn)子分別被永磁體磁化為N極和S極，A-A和B-B截面分別表示了S段和N段轉(zhuǎn)子。圖中可以看到兩段轉(zhuǎn)子具有相同的齒數(shù)，但是錯開半個齒距。圖2-2 三相混合式步進電機的結(jié)構(gòu)圖下面利用圖2-3進一步說明混合式步進電動機的工作原理。圖中的電動機定子有4個沿圓周均勻分布的齒，線圈繞制在齒上且成對連接。具有不同極性的兩段轉(zhuǎn)子各有3個齒。圖中以實線表示S段，以虛線表示N段，兩段轉(zhuǎn)子交錯半個齒距。 當繞組中不通電流時，因為轉(zhuǎn)子中的永磁體總是試圖減少磁路中的磁阻，轉(zhuǎn)子將趨向有限的若干位置，直至N極和S極轉(zhuǎn)子上各有一齒與定子磁極對齊。對于圖中的電機來說，這樣的位置有12個。將轉(zhuǎn)子保持在這些位置上的轉(zhuǎn)矩通常不大，稱之為維持轉(zhuǎn)矩。圖2-3混合式步進電機工作原理如果如圖11. 28(a)那樣有電流通過一相繞組，在定子上產(chǎn)生的N極和S極將吸引異性轉(zhuǎn)子段上的齒，在這種情況下，只有和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一樣的3個穩(wěn)定位置，將轉(zhuǎn)子從定位位置上拉開的轉(zhuǎn)矩要大得多，稱為鎖定轉(zhuǎn)矩。 將通電方式由圖(a)切換至圖(b)，定子磁場轉(zhuǎn)過90。，并將吸引另一對齒，結(jié)果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了30。，相當于一個整步。在從圖(b)到圖(c)中，勵磁又回到前一繞組，但是電流方向相反，可使轉(zhuǎn)子再前進一整步。在圖(d)中再使第二相繞組電流反向又可前進一步。這樣轉(zhuǎn)子就走過了一個齒距。步驟從圖(d)后再回到圖(a)，如此反復，形成電動機的旋轉(zhuǎn)運動，每轉(zhuǎn)需要12步。顯然，以相反的順序激勵定子繞組，電動機將反轉(zhuǎn)。步進電機的基本參數(shù)：1.電機固有步距角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖13信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。2.步進電機的相數(shù) 步進電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。3.保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2Nm的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進電機。 4.鉗制轉(zhuǎn)矩 鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有鉗制轉(zhuǎn)矩。2.2.2 步進電機的選擇 1）型號：130BYG350A（三相混合式）如圖 圖2-4三相混合式步進電機實物圖2）步距角精度5%溫 升80 Max環(huán)境溫度-20+50絕緣電阻00MMin.500VC DC絕緣強度000V 50Hz 1mA 1Minu絕緣等級 B3)技術(shù)數(shù)據(jù)如下 表2-1 步進電機的技術(shù)參數(shù)電機型號步距角相電壓相電流相電阻相電感保持轉(zhuǎn)矩重量長度單軸degreeVAmHN.mkgmm130BYG350A1.2/0.680-32550.84.123131704)外型尺寸如下圖： 圖2-5 130BYG350A三相混合式步進電機尺寸5）接線圖如圖：圖2-6 130BYG350A三相混合式步進電機接線2.2.3 步進電機驅(qū)動電路2.2.3.1驅(qū)動器選型本設計采用混合式步進電機驅(qū)動器型號：MD-3008A 如圖：圖2-7 MD-3008A步進電機驅(qū)動器的實物圖 一該型號驅(qū)動器的特點14:1采用交流伺服控制原理，在控制方式上增加了全數(shù)字式電流環(huán)控制，三相正弦電流驅(qū)動輸出，使三相混合式電機低速無爬行，無共振區(qū)，噪音小。2驅(qū)動器功放級的電壓最高可達DC325伏，步進電機高速運轉(zhuǎn)仍然有高轉(zhuǎn)矩輸出。3具備短路、過壓、欠壓、過熱等完善保護功能，可靠性高。4具有細分、半流和掉電相位記憶功能。5具有多種細分選擇，可控制電機在任意細分狀態(tài)下精確定位，最小步距角可設為0.036（10000步/轉(zhuǎn)）。適用面廣，通過設置不同相電流可配置各種電機。二驅(qū)動器對步距角的細分和輸出相電流將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細分驅(qū)動，細分是通過驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關(guān)。1：設置電機每轉(zhuǎn)步數(shù), 使用撥碼(DIP)開關(guān)來設置步數(shù)。按下表:表2-2 撥碼(DIP)開關(guān)來設置步數(shù)表SW10O11OO11SW21OO11OO1SW31111OOOO電機步數(shù)2004005001000200040005000100002：輸出相電流：表2-3 撥碼(DIP)開關(guān)來設置輸出相電流表SW5111111110000SW6111100001111SW7110011001100SW8101010101010電流1.72.02.42.73.13.43.74.14.44.85.15.4注意：第4位撥碼(DIP)開關(guān)無效三. 電氣參數(shù)：表2-4 步進電機驅(qū)動器的電氣參數(shù)輸入電源1.7A6.8A驅(qū)動方式PWM（脈寬調(diào)制）恒流斬波，三相正弦波電流輸出。適配電機90、110、130系列三相混合式步進電機工作環(huán)境0501585%RH、不結(jié)露。無腐蝕性、易燃、易爆、導電性氣體、液體和粉塵。存放環(huán)境050 1585%RH、不結(jié)露。外形尺寸255*143*85mm(見外觀尺寸)(長*寬*高)重 量1.5Kg2.2.3.2驅(qū)動器電路下圖為步進電機的驅(qū)動電路16。圖中僅為一相的驅(qū)動電路，其余兩相與之相同。在圖中三極管 T1 起開關(guān)作用。當三極管截止時，無集電極電流流通，開關(guān)相當于斷開；當三極管飽和時， 流過的集電極電流最大， 開關(guān)相當于閉合，該開關(guān)“動作”可由加于基極的電流來控制。由 T2、T3 兩個三極管組成達林頓式功放電路， 驅(qū)動步進電機的 3個繞組，使電機繞組的靜態(tài)電流達到近 2A。電路中使用光電耦合器將控制和驅(qū)動信號隔離。當控制輸入信號為低電平時，T1 截止，輸出高電平，則紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導通，因此繞組中無電流流過；當輸入信號為高電平時，T1 飽和導通， 于是紅外發(fā)光二極管被點亮， 使光敏三極管導通，向功率驅(qū)動級晶體管提供基極電流， 使其導通，繞組被通以電流。圖2-8 步進電機驅(qū)動電路2.2.3.3驅(qū)動電路接口 驅(qū)動 C V A B C步進電機驅(qū)動電源圖2-9 驅(qū)動器接口2.2.4 步進電機主要特點1）一般步進電機的精度15為步進角的3-5%，且不累積。2）步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點，步進電機溫度過高時會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻。 2.3 S7200介紹及具體CPU選型2.3.1 S7200介紹S7-20016 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。 S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：1） 極高的可靠性。2） 極豐富的指令集。3）易于掌握。4） 便捷的操作。5）豐富的內(nèi)置集成功能。6） 實時特性。7） 強勁的通訊能力。8）豐富的擴展模塊。2.3.2 CPU選型及其設計本系統(tǒng)所選PLC的型號為CPU22417。其外觀圖如圖。（1） （2）圖2-10 CPU224外觀和尺寸圖該型號中央處理單元（CPU）的數(shù)據(jù)概述：1) CPU 常規(guī)規(guī)范表2-5 CPU 常規(guī)規(guī)范參數(shù)模塊稱及描述尺寸 W x H x D（mm）重量功耗電流供應+5DC+2DCCPU 224 DC/DC/DC14輸入/10輸出120.5 x 80 x 62360g7W660mA280mA2) CPU224技術(shù)規(guī)范表2-6 CPU 常規(guī)規(guī)范參數(shù)CPU 特性本機數(shù)字輸入14 路數(shù)字量輸入本機數(shù)字輸出10 路數(shù)字量輸出高速計數(shù)器 (32-位值)6 個高速計數(shù)器總數(shù)6 個都是20 kHz 時鐘速率 單相計數(shù)器個數(shù)4 個都是20 kHz 時鐘速率 兩相計數(shù)器個數(shù)2 個，20 kHz 脈沖速率脈沖輸出1 個，8 位分辨率模擬電位器2 個，1 ms 分辨率時間中斷4 個上升沿和/或 4 下降沿邊沿中斷7 個，范圍 0.2 ms 12.8 ms可選擇的輸入濾波器時間14 個脈沖捕捉輸入時鐘 (時鐘精度)0C 55C 時，7分種/月擴展模塊的數(shù)量7 個模塊最大的數(shù)字量 I/O256定時器總數(shù)256 定時器 1 ms4 定時器（T0,T32,T64,T96） 10 ms16 定時器(T1T4,T33T36,T65T68,T97100)100 ms236 定時器(T5T31,T37T63,T96T95,T101T255)計數(shù)器總數(shù)256 計數(shù)器(C1C255) 布爾量執(zhí)行速度0.37s 每條指令傳送字的執(zhí)行速度34s 每條指令定時器/計數(shù)器執(zhí)行速度50s 64s 每條指令電源電源電壓允許范圍20.4 28.8 VDC(一般取24V)輸入電流 僅 CPU / 最大負載120/900 mA，24 VDC+5 V 擴展I/O模塊電源 (最大)660 mA24 VDC 傳感器電源輸出電壓范圍15.4 28.8 VDC隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展18，其功能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小。對電動機進行綜合設計。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動機方向發(fā)展，目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅(qū)動電路比三相電動機復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些。目前利用可編程序控制器（即PLC技術(shù)）可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實現(xiàn)。用PLC對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，現(xiàn)對步進電機的控制。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件19，每當對其施加一個電脈沖時，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。PLC直接控制步進電機系統(tǒng)由PLC和步進電機組成，PLC具有實時刷新技術(shù)，輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進電機各相繞組數(shù)10V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅(qū)動要求。有以上步進電機的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應用的PLC最好是具有實時刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。如下圖所示：圖2-11步進電機的PLC直接控制2.4 PLC驅(qū)動步進電機西門子PLC20本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應用的PLC最好是具有實時刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使環(huán)形脈沖分配能有較高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。如下圖所示：圖2-12 PLC直接驅(qū)動電機環(huán)形分配程序?qū)Σ竭M電機各相繞組的通電順序進行環(huán)形脈沖分配，從而控制接到步進電機三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使步進電機轉(zhuǎn)動。步進電機的轉(zhuǎn)動，由于步進電機是電感性負載，直流電阻很小，故接限流電阻以免脈沖電流過大損壞，當步進電機各相繞組的通電順序按 ：AABBBCCCAA導通斷開時，步進電機正轉(zhuǎn)。按AACCCBBBAA依次導通、斷開時，步進電機反轉(zhuǎn)，即步進電機可以按三相六拍工作。每當步進電機走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，當步數(shù)減為零時，停止環(huán)形脈沖分配，等待下一次的脈沖輸入。南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第三章 控制系統(tǒng)的軟件設計3.1 STEP7概述STEP7編程軟件22用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WINAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理，它可以方便地瀏覽SIMATIC S7、M7、C7和WINAC的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)STEP 7各種功能所需的SIMATIC軟件工具都集成在STEP 7中。3.1.1 STEP7的硬件接口STEP7與windows操作系統(tǒng)的通訊方式23有3種： 通過PC/PPI多主站電纜直接連接； 通過帶有MPI電纜的通信處理器卡連接； 通過一塊MPI和配套的電纜相連接。要將計算機連接至S7-200，由于S7-200 CPU使用的是RS485，而PC機的COM口采用的是RS232，兩者的電氣規(guī)范并不相容，需要用中間電路進行匹配。PC/PPI其實就是一根RS485/RS232的匹配電纜。采用PC/PPI電纜建立個人計算機與PLC之間的通信是最常見和最經(jīng)濟的方式，它不需要其他的硬件設備，方法是把PC/PPI電纜的PC端連接到計算機的RS-232通訊口（一般是COM1），而把PC/PPI的PPI端連接到PLC的RS-485通訊口即可。3.1.2 STEP7的編程功能STEP 7的標準版只配置了3種基本的編程語言20，梯形圖（LAD）、功能塊圖（FDB）和語句表（STL）、復制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，并且“更接近硬件”。STEP 7專業(yè)版的編程語言包括S7-SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）、S7-GRAPH（順序功能圖語言）、S7 HIGRAPH和CFC，這四種語言對于標準版是可選的。STEP 7用符號表編輯器工具管理所有的全局變量，用于定義符號名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號表可供所有應用程序使用，所有工具自動識別系統(tǒng)參數(shù)的變化。測試功能和服務功能包括設置斷點、強制輸入和輸出、重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、直接下載和調(diào)試塊、同時監(jiān)測幾個塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點可以通過輸入符號名或地址快速查找。STEP 7的幫助功能：選定想要得到的在線幫助的菜單目錄，或打開對話框，按F1鍵便可得到與它們有關(guān)的在線幫助。執(zhí)行菜單命令“HELP”“CONTENTS”進入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關(guān)鍵詞，可以查找與某一關(guān)鍵詞有關(guān)的幫助。3.2系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)停止運行狀態(tài)指示是否啟動動？傳送帶運行PLC計數(shù)器開始計數(shù)是否有停止信號？掃描儀是否收到信號1#掃描儀是否收到信號2#并發(fā)送脈沖數(shù)是是否否是是否否開始PLC計數(shù)器停止計數(shù)延時30ms 圖3-1 程序流程圖3.3主/子程序及其實現(xiàn)功能的詳細解釋3.3.1本程序所用變量本程序中的I/O量、中間變量、存儲變量和部分特殊標志位的功能描述如表所示：表3-1 I/O量、中間變量、存儲變量和部分特殊標志位的功能描表操作元件功能描述輸入量I0.0停止信號輸入端I0.1電機正轉(zhuǎn)控制信號輸入端I0.2電機反轉(zhuǎn)控制信號輸入端I1.5啟動高速計數(shù)器輸入端輸出量Q0.0正轉(zhuǎn)信號輸出端Q0.1反轉(zhuǎn)信號輸出端中間變量M0.0當停止端I0.0輸入有效時，M0.0將得電，從而切斷Q0.0或Q0.1M0.2當計數(shù)器被啟動是同時M0.2將得電，M0.2作為啟動傳送指令MOV-B CH2，VD200的信號。從而將計數(shù)器的內(nèi)容傳送到存儲單元VD200S0.1輔助繼電器S0.2輔助繼電器存儲變量VD200存儲高數(shù)計數(shù)器HSC2的計數(shù)脈沖VD300存儲VD200的數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)。特殊標志位SM0.0PLC在Run狀態(tài)時，SM0.0總為1SM0.1PLC在由STOP轉(zhuǎn)為Run時，SM0.1 ON一個掃描周期SM0.7CPU 處于TEMP狀態(tài) SM0.7=0，CPU 處于RUN狀態(tài) SM0.7=1，用來在RUN狀態(tài)下啟動自由口通訊。SMB30CPU處于RUN狀態(tài)下，SMB30（對PORT0）置01（設置控制字），完成自由口模式的使能，即對自由通訊口選擇波特率、奇偶校驗和數(shù)據(jù)位數(shù)。SMB30.0 SMB30.1:01=自由口協(xié)議SMB30.2 SMB30.3 SMB30.4:010=波特率為9600bpsSMB30.5:0=每字符八位SMB30.6 SMB30.7:00=無校驗SMB57實現(xiàn)高速計數(shù)器2（HSC2）控制字的編程。具體描述如下：SMB57.0: 復位信號有效電平,0=高電平有效；1=低電平有效SMB57.1: 啟動信號有效電平,0=高電平有效；1=低電平有效SMB57.2: 倍率選擇,0=4*（4倍率）；1=1*（1倍率）SMB57.3: 計數(shù)方向控制位,0=計數(shù)減；1=計數(shù)加SMB57.4: 向HSC寫入計數(shù)方向,0=不更新；1=更新SMB57.5: 向HSC寫入新的預設值,0=不更新；1=更新SMB57.6: 向HSC寫入新的當前值,0=不更新；1=更新SMB57.7: 使能HSC,0=高電平有效；1=低電平有效SMD58HSC2當前計數(shù)值的設置。（裝入0可實現(xiàn)清除）3.3.2主程序LD SM0.1CALL SBR0以上代碼功能是：PLC在由STOP轉(zhuǎn)為Run時，SM0.1 ON一個周期，此時開始調(diào)用子程序SBR0.LD I1.5EUHSC 2= M0.2LD M0.2MOVD HC2, VD200LD I1.5EDS S0.1, 1以上代碼功能是：當掃描儀檢測到信號1#（即激光光目被遮擋住的一瞬間）將產(chǎn)生一個上升沿(EU)信號給PLC，信號的輸入端口為I1.5。此時啟動啟動高速計數(shù)器(HSC2)，當計數(shù)器被啟動是同時M0.2將得電，M0.2作為啟動傳送指令MOV-B CH2，VD200的信號。將計數(shù)器（HSC2）的內(nèi)容傳送到存儲單元VD200。隨著傳送帶的傳動，物品慢慢移動，當掃描儀檢測到信號2#（即激光光目恰好離開物品的一瞬間）將產(chǎn)生一個下降沿(ED)信號。此時輔助繼電器S0.1效。LSCR S0.1LD SM0.0MOVD VD200, VD300MOVB 16#F8, SMB57MOVD 0, SMD58TON T33, 3以上代碼功能是：將存儲在VD200中的計數(shù)脈沖數(shù)通過MOVB指令傳送到VD300，并且再次給計數(shù)器HSC2重新賦控制字和將計數(shù)器的當前值清零。LD T33SCRT S0.2SCRE以上代碼功能是：再經(jīng)過定時器T33定時30ms后使順控狀態(tài)轉(zhuǎn)移指令SCRT有效。LSCR S0.2LD SM0.0XMT VB300, 0SCRE以上代碼功能是：30ms后轉(zhuǎn)移另外一個狀態(tài)，即執(zhí)行發(fā)送指令：將保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)VD300中的LD I0.0= M0.0以上代碼功能是：當停止信號輸入端I0.0輸入有效時，M0.0將得電，從而切斷Q0.0或Q0.1使步進電機停止。LD I0.1O Q0.0AN Q0.1AN I0.2AN M0.0= Q0.0以上代碼說明：當電機正轉(zhuǎn)控制信號輸入端I0.1輸入有效，且此時沒有輸入有效的停止（M0.0）信號和電機反轉(zhuǎn)(Q0.1)信號，那么電機將處于正轉(zhuǎn)(Q0.0)狀態(tài)。LD I0.2O Q0.1AN Q0.0AN I0.1AN M0.0= Q0.1以上代碼功能是：當電機正轉(zhuǎn)控制信號輸入端I0.2輸入有效，且此時沒有輸入有效的停止（M0.0）信號和電機正轉(zhuǎn)(Q0.0)信號，那么電機將處于反轉(zhuǎn)(Q0.1)狀態(tài)。3.3.3初始化子程序LD SM0.0R M0.0, 255 R S0.0, 255 FILL +0, VW200, 50 以上代碼功能是：清零標志位M0.0-M31.6, 清零順序繼電器S0.0-S31.6， 清零存儲器V200-VB298LD SM0.0MOVB 16#F8, SMB57 以上代碼功能是：對高數(shù)計數(shù)器HSC2進行初始化，具體功能為：激活HSC2，可更新CV（計數(shù)器的當前值），可更新PV（預設值），計數(shù)可改變方向，正向計數(shù)。4*正交計數(shù)。HSC指令用這些控制位來組態(tài)HSC的。HDEF 2, 2 MOVD 0, SMD58 以上代碼功能是：可知每一種高速計數(shù)器有多種功能不相同的操作模式，使能輸入有效時，為指定的高速計數(shù)器分配一種工作模式，即用來建立高速計數(shù)器與工作模式之間的聯(lián)系。每一個高速計數(shù)器使用之前必須使用HDEF指令，而且只能使用一次。HSC2定為模式2 ，該模式具有內(nèi)部方向控制的單相增/減計數(shù)器，有啟動和復位端。SMD58 專門用來存儲HSC2當前計數(shù)值。裝入0可實現(xiàn)清除當前計數(shù)值。 3.3.4自由口通訊協(xié)議子程序LD SM0.7MOVB 9, SMB30以上代碼功能是：CPU 處于TEMP狀態(tài) SM0.7=0，CPU 處于RUN狀態(tài) SM0.7=1，用來在RUN狀態(tài)下啟動自由口通訊。CPU處于RUN狀態(tài)下，SMB30（對PORT0）置01（設置控制字），完成自由口模式的使能，即對自由通訊口選擇波特率、奇偶校驗和數(shù)據(jù)位數(shù)。SMB30.0 SMB30.1:01=自由口協(xié)議；SMB30.2 SMB30.3 SMB30.4:010=波特率為9600bps；SMB30.5:0=每字符八位，SMB30.6 SMB30.7:00=無校驗。 9H=00001001B，將9H傳送給SMB30即可實現(xiàn)以上協(xié)議。南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第四章 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果本項目搭建體積測量系統(tǒng)的傳送控制系統(tǒng)，采用PLC控制電機，實現(xiàn)對傳送帶的速度調(diào)節(jié)和開關(guān)控制。同時完成與硬件系統(tǒng)的通訊，實現(xiàn)速度信息、開關(guān)信息等信號的上傳。然而由于條件有限目前只對對步進電機的開關(guān)，正反轉(zhuǎn)等功能進行仿真、調(diào)試。采用S7_200_sim2.0仿真軟件進行仿真。仿真的結(jié)果如下： 圖4-1電機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)仿真圖由圖4-2得，當PLC處于RUN狀態(tài)時，I0.1輸入信號有效，繼電器Q0.0輸出驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。圖4-2電機處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)仿真圖圖4-2的與圖4-1功能相似，只是此時電機的運行方向處于反向。圖4-3電機處于停止狀態(tài)仿真圖當發(fā)生突發(fā)事件或者由于控制的要求需要電機停轉(zhuǎn)，只需按下停止按鈕（I0.0），此時Q0.1或Q0.2都失電，電機無論處于哪種狀態(tài)都會停止下來。結(jié)語結(jié)語在激光體積檢測系統(tǒng)傳送裝置控制中，基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)的設計方法和研制過程，包括硬件設計、軟件設計以及系統(tǒng)組態(tài)等方面。硬件電路用西門子PLC、放大電路和相關(guān)集成電路設計而成。軟件程序用PLC梯形圖語言寫成。在本次設計中，利用軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)對步進電機工作狀態(tài)的自動控制和精確控制。利用PLC輸出的時序脈沖和方向信號，改變對步進電機繞組的通電方式和通電順序，來準確控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等工作狀態(tài)。通過設定不同延時計時器的數(shù)值，來改變步進電機的工作頻率。目前利用可編程序控制器（即PLC 技術(shù)）可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化技術(shù)水平，加速了機電一體化的實現(xiàn)。參考文獻參考文獻1 范滇元激光技術(shù)M北京：高等教育出版社，20022 楊貴銑激光與光電子學進展M蘇州：蘇州大學出版社，20083 史國生. 電氣控制與可編程序控制器技術(shù)M.北京： 化學工業(yè)出版社，2008.4 周萬珍. 高鴻斌PLC 分析與設計應用M.北京：電子工業(yè)出版社,20085 丁守成. 斷料機控制系統(tǒng)的設計與應用J. 微計算機信息，2004 (5):45-49.6 邱道伊S7-200PLC入門和應用分析M北京：中國電力出版社，20087 廖常初. 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