基于S7-200PLC步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 題目 基于 S7 200PLC 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控 制 步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職稱 副教授 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文 QQ1961660126 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明 所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 基于 S7 200PLC 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制 步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是本人 在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果 其內(nèi)容除了在畢 業(yè)設(shè)計(jì) 論文 中特別加以標(biāo)注引用 表示致謝的內(nèi)容外 本 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 不包含任何其他個(gè)人 集體已發(fā)表或撰寫的 成果作品 班 級 機(jī)械 93 學(xué) 號 0923127 作者姓名 2013 年 5 月 25 日 摘 要 步進(jìn)電動機(jī)具有快速起停 精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn) 所以常用作工業(yè)過程控制及儀器 儀表 使用 PLC 可編程控制器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動 可使步進(jìn)電動機(jī)的抗干擾能力強(qiáng) 可靠性高 同時(shí) 由于實(shí)現(xiàn)了模塊化結(jié)構(gòu) 是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分靈活 而且編程語言簡短易 學(xué) 便于掌握 可以進(jìn)行在線修改 柔性好 體積小 維修方便 本設(shè)計(jì)是利用 PLC 做進(jìn)電動機(jī)的控制核心 用按鈕開關(guān)的通斷來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)正 反轉(zhuǎn)控制 而且正 反轉(zhuǎn)切換無須經(jīng)過停車步驟 其次可以通過對按鈕的控制來實(shí)現(xiàn)對 高 低速度的控制 充分發(fā)揮 PLC 的功能 最大限度地滿足被控對象的控制要求 是設(shè) 計(jì) PLC 控制系統(tǒng)的首要前提 這也是設(shè)計(jì)最重要的一條原則 本設(shè)計(jì)更加便于實(shí)現(xiàn)對步 進(jìn)電機(jī)的制動化控制 其主要內(nèi)容如下 1 了解 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的工作原理 2 掌握 PLC 的硬件構(gòu)成 完成硬件選型 3 設(shè)計(jì) PLC 的控制系統(tǒng) 4 用 STEP 7 完成 PLC 的編程 關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) PLC 控制 電機(jī)正反轉(zhuǎn) 高低速控制 Abstract Stepper motor has a quick starts and stops precision stepping and positioning features commonly used for industrial process control and instrumentation PLC programmable controller stepper motor drive can stepper motor anti interference ability high reliability at the same time due to the modular structure the system structure is very flexible and programming languages brief to learn easy to master can be modified online good flexibility small size easy maintenance This design is the use of PLC built into the core of the motor control button to switch on and off to the stepper motor is the reverse control and positive reverse switch without having to go through the parking step Followed by the button control to achieve the high and low speed control Give full play to the functions of PLC as possible to meet the control requirements of the controlled object is the most important prerequisite for the design PLC control system which is designed to the most important principle This design is easier to achieve braking control of the stepper motor Its main contents are as follows An understanding of PLC control the working principle of the stepper motor 2 grasp the PLC hardware structure the completion hardware selection 3 Design of PLC control system 4 complete PLC programming with STEP 7 Key words Stepper motor PLC control motor reversing high and low speed control 目 錄 摘 要 III ABSTRACT IV 1 緒論 1 1 1 PLC 步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)研究和意義 1 1 2 國內(nèi)外 PLC 的發(fā)展 1 1 3 國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況 2 1 4 PLC 步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)主要研究工作 3 2 步進(jìn)電機(jī)及 PLC 簡介 4 2 1 步進(jìn)電機(jī)簡介 4 2 1 1 步進(jìn)電機(jī)的分類 4 2 1 2 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 4 2 1 3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 5 2 2 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用 5 2 3 PLC 的特點(diǎn) 6 2 4 PLC 技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用 6 3 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇 8 3 1 常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式 8 3 2 步進(jìn)電機(jī)控制原理 8 3 2 1 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序 8 3 2 2 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 8 3 2 3 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 8 3 3 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的方法 9 3 4 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路 10 4 S7 200PLC 控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì) 12 4 1 S7 200PLC 的介紹 12 4 1 1 硬件系統(tǒng) 12 4 1 2 軟元件 13 4 2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 14 4 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 15 4 3 1 驅(qū)動器的選擇 15 4 3 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 16 4 3 3 驅(qū)動電路接口 16 4 3 4 電氣原理圖 17 4 4 PLC 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī) 17 5 S7 200PLC 控制步進(jìn)電機(jī)軟件設(shè)計(jì) 19 5 1 STEP7 MICRO WIN32 概述 19 5 1 1 基本功能 19 5 1 2 運(yùn)動控制 19 5 1 3 創(chuàng)建調(diào)制解調(diào)模塊程序 19 5 2 程序的編寫 21 5 3 梯形圖程序設(shè)計(jì) 22 5 3 1 CPU 的選擇 22 5 3 2 輸入輸出編址 22 5 3 3 狀態(tài)真值表 22 5 4 梯形圖程序 23 6 總結(jié) 30 6 1 全文總結(jié) 30 6 2 不足之處及展望 30 致謝 31 參考文獻(xiàn) 32 1 緒論 1 1 PLC步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)研究和意義 基于步進(jìn)電動機(jī)良好的控制和準(zhǔn)確定位特性 被廣泛應(yīng)用在精確定位方面 諸如數(shù) 控機(jī)床 噴繪機(jī) 工業(yè)控制系統(tǒng) 自動控制計(jì)算裝置 自動記錄儀表等自動控制領(lǐng)域 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 可編程邏輯控制器的功能不斷擴(kuò)展和完善 其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 出了邏輯控制的范圍 具有了 A D PID D A 算術(shù)運(yùn)算 數(shù)字量智能控制 通信聯(lián)網(wǎng) 監(jiān)控等多方面的功能 它已變成了實(shí)際意義上的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī) PLC 作為簡單化 的計(jì)算機(jī) 以其可靠性高 通用性強(qiáng) 編程簡單易學(xué) 指令系統(tǒng)簡單 體積小 維修工 作少 現(xiàn)場接口安裝方便 易于掌握等優(yōu)點(diǎn) 在全世界廣泛應(yīng)用 為生產(chǎn)生活帶來巨大 效益方便 PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于組合機(jī)床自動生產(chǎn)線上的數(shù)控滑臺控制 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 而且只占用自動線控制 單元 PLC 1KB 的內(nèi)存及 3 5 個(gè) I O 接口 特別是在大型自動線中可以使控制系統(tǒng)的 成本明顯下降 因此 通過研究用 PLC 來控制步進(jìn)電動機(jī)的 既可實(shí)現(xiàn)精確定位控制 又能降低控制成本 還有便于維護(hù) 1 2 國內(nèi)外PLC的發(fā)展 PLC 又稱可編程序控制器 PC 是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相接合的產(chǎn)物 是 在順序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器 是一種以微處理器為核心 用作數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī) 1 PLC 是在 20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首 先研制成功的 它采用可編程序的存儲器 其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算 計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算 順序控制等操作指令 并通過模擬的 數(shù)字的輸入和輸出 控生產(chǎn)過程或各種類型的機(jī) 械 可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備 都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體 易于擴(kuò)充其 功能的原則設(shè)計(jì)的 PLC 自產(chǎn)生至今只有 30 多年的歷史 卻得到了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展 成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一 發(fā)展過程和產(chǎn)生 現(xiàn)代社會要求生產(chǎn)廠家對市場 的需求做出迅速的反應(yīng) 生產(chǎn)出小批量 多規(guī)格 多品種 高質(zhì)量和低成本的產(chǎn)品 老 式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求 迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置去取代它 自 1969 年針對工業(yè)自動控制的需求和特點(diǎn)而開發(fā)的第一臺 PLC 問世以來 迄今已經(jīng) 30 多年了 它的發(fā)展雖然包含了前期控制技術(shù)的演變和繼承 但又不同于通用的微機(jī)控 制裝置和順序控制器 它不僅充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)來滿足各種領(lǐng)域的控制需求 同時(shí)也照顧到現(xiàn)場操作技術(shù)人員的技能和習(xí)慣 擯棄了微機(jī)常用的計(jì)算機(jī)編程語言的表 達(dá)形式 獨(dú)具風(fēng)格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的模塊化的軟件結(jié)構(gòu)和形象編程語 言 使用戶程序的編制方便易學(xué) 清晰直觀 查錯(cuò)和調(diào)試都很容易 用戶使用 PLC 只需 按說明書提示 做少量的安裝接線和用戶程序的編制工作 就可方便而靈活地將 PLC 應(yīng) 用于生產(chǎn)實(shí)踐 而用戶程序的編制 調(diào)試和修改不需要具有專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識 這樣就更加便于使用和修改 推動了計(jì)算機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用 可編程序控制器 PLC 在現(xiàn) 代工業(yè)自動化控制中是最值得重視的先進(jìn)控制技術(shù) PLC 現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支 柱 PLC ROBOT CAD CAM 之一 以其可靠性 體積小 邏輯功能強(qiáng) 在線修改控 制程序 遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能 對模擬量進(jìn)行控制 易于與計(jì)算機(jī)接口 具有位控等高性 能模塊與告訴計(jì)數(shù)等優(yōu)異性能 日益取代由大量時(shí)間繼電器 中間繼電器 計(jì)數(shù)繼電器 等組成的傳統(tǒng)繼電器 PLC 自問世以來 經(jīng)過 40 多年的發(fā)展 在美 德 日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為重要的 產(chǎn)業(yè)之一 世界總銷售額不斷上升 生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn) 品種不斷翻新 產(chǎn)量產(chǎn)值大幅 上升但價(jià)格卻不斷的下降 目前 世界上有 200 多個(gè)廠家生產(chǎn) PLC 比較有名的 美國 莫迪康公司 AB 通用 電氣 日本 富士 三菱 松下電工 歐姆龍 法國 TE 施耐德公司 德國 西門子公 司 韓國 LG 三星公司等 我國的 PLC 產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)經(jīng)歷了三個(gè)階段 順序控制器 1973 1979 一 位處理器為主的工業(yè)控制器 1979 1985 8 位微處理器為主的可編程序控制器 1985 以后 在對外開放政策的推動下 國外 PLC 產(chǎn)品大量進(jìn)入我國市場 一部分隨 成套設(shè)備進(jìn)口 如寶鋼一 二期工程就引進(jìn)了 500 多套 還有秦皇島煤碼頭 汽車廠 咸陽顯像管廠等 現(xiàn)在 PLC 在國內(nèi)的各行各業(yè)也有了極大的應(yīng)用 技術(shù)含量也越來越 高 1 3 國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況 步進(jìn)電動機(jī)已成為除交流電動機(jī)和直流電動機(jī)以外的第三類電動機(jī) 傳統(tǒng)電動機(jī)作 為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置 在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用 可是在 人類社會進(jìn)入自動化時(shí)代的今天 傳統(tǒng)電動機(jī)的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動 化等各種運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求 為適應(yīng)這些要求 發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電 動機(jī)系統(tǒng) 其中都有自己特點(diǎn) 且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動機(jī) 2 步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)有著密切關(guān)系 自從步進(jìn)電動機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備 中取代小型直流電動機(jī)以后 使設(shè)備的性能顯著提高 很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展 另一方面 微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展 又把作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動 機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域 如小功率機(jī)械加工機(jī)床 電加工機(jī)床 光學(xué) 測量儀器 和包 裝機(jī)械以及醫(yī)療儀器等 任何一種產(chǎn)品成型的過程 基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡 化的過程 現(xiàn)在 步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展已歸結(jié)為爪極結(jié)構(gòu)的永磁式 單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式 和混合式三類 爪極永磁式電機(jī)價(jià)格便宜 性能指標(biāo)不高 混合式和磁阻式主要作為高 分辨率電動機(jī) 由于混合式步進(jìn)電動機(jī)具有控制功率小 運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主 導(dǎo)地位 最典型的產(chǎn)品是五相 10 極 50 齒和一些轉(zhuǎn)子 100 齒的二相和五相步進(jìn)電動機(jī) 五相電動機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場合 還有二相八極 50 齒的電動機(jī) 步距角 1 8 0 9 全步 半步 到目前 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的磁阻式步進(jìn)電動機(jī)已極少見 步進(jìn)電動機(jī)最大的生產(chǎn)國是日本 如日本伺服公司 SANYO 東方公司 DENKI NPM 及 MINEBEA 公司等 特別是日本東方公司 無論是電動機(jī)性能和外觀質(zhì) 量 還是生產(chǎn)手段 都堪稱是世界上最好的 現(xiàn)在日本步進(jìn)電動機(jī)年產(chǎn)量 含國外獨(dú)資 公司 近 2 億臺 德國也是世界上步進(jìn)電動機(jī)生產(chǎn)大國 德國 B L 公司 1994 年五相混合 式步進(jìn)電動機(jī)專利期滿后 推出了新的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)系列 為定子 6 極轉(zhuǎn)子 50 齒結(jié)構(gòu) 配套電流型驅(qū)動器 每轉(zhuǎn)步數(shù)為 200 400 1000 2000 4000 10000 和 20000 它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動機(jī)的分辨率 在此基礎(chǔ)上再 10 細(xì)分 分辨率 提高 10 倍 這是一種很好的方案 充分運(yùn)用了電流型驅(qū)動技術(shù)的功能 讓三相電動機(jī)同 時(shí)具備二相和五相電動機(jī)的性能 與此同時(shí) 日本伺服公司也推出了他們的三相混合式 步進(jìn)電動機(jī) 該公司阪正文博士研制了三種不同的永磁式三相步進(jìn)電動機(jī) 即 HB 型 混 合式 RM 性 磁阻式 和爪極 PM 型 將三相步進(jìn)電動機(jī)同二相步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行比較 后得出 1 在獲得小步距角方面 三相電動機(jī)比二相電動機(jī)要好 2 三相電動機(jī)的兩相勵(lì)磁最大保持力矩為 3T1 T1 為單相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩 而二相電 動機(jī)為 2T1 所以三相電動機(jī)的合成力矩大 3 三相電動機(jī)連續(xù) 2 步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動機(jī)的要小 4 三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動比二相電動機(jī)要小 5 三相電動機(jī)繞組可以星形連接 三個(gè)終端驅(qū)動 勵(lì)磁電路晶體管 6 個(gè) 而二 相電動機(jī)是 8 個(gè) 6 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 由于三相步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原因 磁通和電流的三次諧波被消除了 所以三相電動機(jī)的振動力矩比二相電動機(jī)的要小 結(jié)論是顯而易見的 另外的結(jié)論是混合式型電動機(jī)更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途 磁阻式型適用于平穩(wěn)運(yùn)行 以及轉(zhuǎn)速大于 1000r min 的用途 而爪極型成本低 在高轉(zhuǎn)速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)速時(shí)的振 動方面 三相 PM 型電動機(jī)比兩相電動機(jī)的性能要好 因此 當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混 合式步進(jìn)電動機(jī) 3 我國步進(jìn)電機(jī)的研究及制造起始于本世紀(jì) 50 年代后期 從 50 年代后期到 60 年代后 期 主要是科研機(jī)構(gòu)和高等院校為研究一些裝置而開發(fā)或使用少量產(chǎn)品 這些產(chǎn)品以多 段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主 70 年代初期 步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破 除反 映在驅(qū)動器設(shè)計(jì)方面的長足進(jìn)步外 對反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高 水平 70 年代中期至 80 年年代中期為成品發(fā)展階段 新品種高性能電機(jī)不斷被開發(fā) 自 80 年代中期以來 由于對步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作 各種混合式步進(jìn)電機(jī)及 驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用 經(jīng)過多年的發(fā)展 我國步進(jìn)電機(jī)形成一種品種規(guī)格繁多的局 面 其中最主要的產(chǎn)品系列 一是 70 年代形成的磁阻式步進(jìn)電動機(jī)系列產(chǎn)品在低端應(yīng)用 仍有較多的市場 繼續(xù)生產(chǎn) 二是混合式步進(jìn)電機(jī)的系列產(chǎn)品 包括生產(chǎn)設(shè)備和引進(jìn)技 術(shù) 按照國外的設(shè)計(jì)生產(chǎn)的二相和五相混合式步進(jìn)電機(jī) 以及國內(nèi)自行開發(fā)生產(chǎn)的混合 式步進(jìn)電動機(jī) 仍然擁有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域 短期內(nèi)很難統(tǒng)一到幾個(gè)限定的規(guī)格品種 上 這種現(xiàn)狀對步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展是不利的 4 1 4 PLC步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)主要研究工作 掌握步進(jìn)電機(jī)的原理及其驅(qū)動方法 掌握西門子 S7 200 PLC 的原理與程序設(shè)計(jì)方法 掌握步進(jìn)電機(jī)的電氣控制試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理 基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì) S7 200 PLC 程序 實(shí)現(xiàn) PLC 對步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制 主要研究工作如下 1 了解 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的工作原理 2 掌握 PLC 的硬件構(gòu)成 完成硬件選型 3 設(shè)計(jì) PLC 的控制系統(tǒng) 4 用 STEP 7 完成 PLC 的編程 2 步進(jìn)電機(jī)及 PLC 簡介 2 1 步進(jìn)電機(jī)簡介 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移的執(zhí)行元件 在經(jīng)歷了一個(gè)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(jī)的工作原理和其它電動機(jī)有很 大的差別 具有其它電動機(jī)所沒有的特性 因此 沿著小型 高效 低價(jià)的方向發(fā)展 步進(jìn)電動機(jī)由此而得名 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行是在專用的脈沖電源供電下進(jìn)行的 其 轉(zhuǎn)子的角位移量 或者說轉(zhuǎn)子走過的步數(shù) 與輸入脈沖數(shù)成正比 步進(jìn)電動機(jī)動態(tài)響應(yīng) 快 控制性能好 只需改變輸入脈沖的順序 就能方便地改變其轉(zhuǎn)向 另外 可以通過 控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的加速度和速度 從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的 這些特點(diǎn)使 得步進(jìn)電動機(jī)與其它電動機(jī)有很大的差別 由上述步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn) 使得由它和驅(qū)動 控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 既具有較良好的控制性能 高的控制精度 又能可靠穩(wěn)定 地工作 因此 在數(shù)字控制系統(tǒng)剛出現(xiàn)時(shí) 步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)歷過一個(gè)巨大的發(fā)展階段 5 2 1 1 步進(jìn)電機(jī)的分類 按其工作方式分為功率式和伺服式 功率式輸出轉(zhuǎn)矩較大 能直接帶動較大的負(fù)載 伺服式輸出轉(zhuǎn)矩較小 只能帶動較小的負(fù)載 對于大負(fù)載需通過液壓放大元件來傳動 按結(jié)構(gòu)分為單段式 徑向式 多段式 軸向式 印刷繞組式 按使用頻率分為高頻步進(jìn)電動機(jī)和低頻步進(jìn)電動機(jī) 按運(yùn)動方式 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 直線運(yùn)動 平面運(yùn)動和滾切運(yùn)動 按工作原理 反應(yīng)式 磁阻式 永磁式 永磁感應(yīng)子式 混合式 反應(yīng)式 定子上有轉(zhuǎn)子 繞組由軟磁材料組成 步距角小 成本低 結(jié)構(gòu)簡單 但 效率低 動態(tài)性能差 發(fā)熱大 可靠性難以保證 永磁式 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成 定子的極數(shù)與轉(zhuǎn)子的極數(shù)相同 其特點(diǎn)是輸出力矩大 動態(tài)性能好 但是電機(jī)精度差 步矩角大 一般為 7 5 或 15 混合式 混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn) 其定子上有轉(zhuǎn)子 多相繞 組上采用永磁材料 轉(zhuǎn)子和定子上都有多數(shù)小齒以提高步矩精度 其特點(diǎn)是步距角小 輸出力矩大 動態(tài)性能好 但成本相對較高 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 按定子上繞組來分 共有二相 三相和五相等系列 最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn) 電機(jī) 約占 97 以上的市場份額 其原因是性價(jià)比高 配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好 該 種電機(jī)的基本步距角為 1 8 步 配上半步驅(qū)動器后 步距角減少為 0 9 配上細(xì)分驅(qū)動 器后其步距角可細(xì)分達(dá) 256 倍 0 007 微步 由于制造摩擦力和精度等原因 實(shí)際控制 精度略低 同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動器以改變精度和效果 6 2 1 2 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 1 電機(jī)固有步距角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號 電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度 電機(jī)生產(chǎn)時(shí)給出了一 個(gè)步距角 這個(gè)步距角可稱之為 電機(jī)固有步距角 它不一定是實(shí)際工作時(shí)的真正步距 角 真正步距角與驅(qū)動器有關(guān) 2 保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時(shí) 定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩 它是步進(jìn)電機(jī)最 重要的參數(shù)之一 通常步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的輸 出力矩是隨著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(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一 例如 當(dāng)人們說 4Nm 的步進(jìn)電機(jī) 在沒有特 殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 4Nm 的步進(jìn)電機(jī) 3 鉗制轉(zhuǎn)矩 鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下 定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩 由于反應(yīng)式步進(jìn) 電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料 所以它沒有鉗制轉(zhuǎn)矩 4 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)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(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)不同 其步距角也會不同 一般二相電機(jī)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(xì)分驅(qū)動器時(shí) 主要靠 選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的需求 如果使用細(xì)分驅(qū)動器 則步進(jìn)電機(jī) 的相數(shù)就變得毫無意義 用戶只要在驅(qū)動器上更改細(xì)分?jǐn)?shù) 就可以改變步距角 7 2 1 3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)如下 1 步進(jìn)電機(jī)沒有積累誤差 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為實(shí)際步距角的百分之三到五 且不累積 具有良好的跟隨性 2 電動機(jī)輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比 轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比 轉(zhuǎn)向與 通電相序有關(guān) 當(dāng)它轉(zhuǎn)動一周后 沒有累積誤差 具有良好的跟隨性 3 由驅(qū)動電路與步進(jìn)電動機(jī)組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 既非常非?？煽?廉價(jià)又簡單 同時(shí) 它也能與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 4 步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快 易于起停 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)及變速 5 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 6 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響 不像普通電機(jī) 當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會出現(xiàn)速 度下降的情況 所以步進(jìn)電機(jī)使用在對速度和位置都有嚴(yán)格要求的場合 7 步進(jìn)電動機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象 必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施 8 步進(jìn)電動機(jī)自身的噪聲和振動較大 帶慣性負(fù)載的能力較差 9 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以及直流 電源 8 2 2 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件 是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 由于步進(jìn)電機(jī)的輸出位移 量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比 其速度與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)成正比 其轉(zhuǎn)向與脈沖分 配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān) 步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能 其啟動 停止 正轉(zhuǎn) 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 通過控制脈沖數(shù)可以很 方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移 且步進(jìn)電機(jī)的誤差不累積 能夠達(dá)到準(zhǔn)確定位的目 的 還可以通過控制頻率改變步進(jìn)電機(jī)的加速度和轉(zhuǎn)速 達(dá)到任意調(diào)速的目的 因此步 進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種不同的系統(tǒng)領(lǐng)域中 步進(jìn)電機(jī)具有明顯的優(yōu)勢超過其他電動機(jī) 這些優(yōu)勢與精密控制有關(guān) 以及其相對 較低的成本 步進(jìn)電機(jī)有許多高科技技術(shù)應(yīng)用在程序上 例如機(jī)械手臂 磁盤驅(qū)動器 打印機(jī) 錄像機(jī) 機(jī)器人和遙控車等 另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng) 中 2 3 PLC的特點(diǎn) 1 通用性強(qiáng) 使用方便 由于 PLC 產(chǎn)品的模塊化和系列化 PLC 配備有品種齊全 的各種硬件裝置供用戶選用 當(dāng)控制對象的硬件配置確定以后就可通過修改用戶程序 快速方便地適應(yīng)工藝條件的種種變化 2 功能性強(qiáng) 適用面廣 現(xiàn)代 PLC 不僅具有計(jì)時(shí) 計(jì)數(shù) 邏輯運(yùn)算 順序控制等 功能 而且還具有 D A 和 A D 轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)處理 數(shù)值運(yùn)算等功能 因此 它既可對模擬 量進(jìn)行控制 也可對開關(guān)量進(jìn)行控制 既可控制 1 條生產(chǎn)線 1 臺生產(chǎn)機(jī)械 也可控制 1 個(gè)生產(chǎn)過程 PLC 還具有通訊聯(lián)絡(luò)功能 可與上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)遙 控功能 3 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng) 絕大多數(shù)用戶都把可靠性作為選擇控制裝置的前提 條件 針對 PLC 是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 故采取了一系列軟件和硬件抗干擾 措施 硬件方面 隔離是抗干擾的主要措施之一 PLC 的輸入 輸出電路一般用光電耦 合器來傳遞信號 使外部電路與 CPU 之間無電路聯(lián)系 有效地抑制了外部干擾源對 PLC 的影響 同時(shí) 還可防止外部高電壓竄入 CPU 模塊 濾波是抗干擾的另一主要措施 在 PLC 的 I O 模塊和電源電路中 設(shè)置了多種濾波電路 對高頻干擾信號有很好的抑制 作用 軟件方面 設(shè)置故障檢測與診斷程序 釆用以上抗干擾措施后 一般 PLC 無故障 平均時(shí)間可達(dá)到 4 萬 5 萬小時(shí) 4 編程方法簡單 容易掌握 PLC 配備有易于掌握和接受的梯形圖語言 該語 言編程表達(dá)方式和元件的符號與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近 5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 安裝 調(diào)試和維修方便 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制 系統(tǒng)中大量的計(jì)數(shù)器等部件 時(shí)間繼電器 中間繼電器 控制柜的設(shè)計(jì) 安裝接線工作 量大為減少 PLC 的用戶程序大都可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試 調(diào)試好后再將 PLC 控制系統(tǒng) 安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場 進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào) 在維修方面 PLC 的故障率很低 且有完善的診斷和 實(shí)現(xiàn)功能 一旦 PLC 外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障 就可根據(jù) PLC 上發(fā)光二極管 或編程器上提供的信息 快速查明原因 若是 PLC 本身問題 則可更換模塊 快速排除 故障 維修極為方便 6 質(zhì)量小 體積小 功耗低 由于 PLC 是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備的新 型產(chǎn)品 因而結(jié)構(gòu)緊湊 堅(jiān)固 體積小 質(zhì)量小 功耗低 而且具有很好的抗震性和適 應(yīng)環(huán)境溫度 濕度變化的能力 因此 PLC 很容易裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部 是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體 化較理想的控制設(shè)備 9 PLC 控制系統(tǒng)既具有較高的控制精度 良好的控制性能 又能穩(wěn)定可靠地工作 2 4 PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用 隨計(jì)算著微電子技術(shù)發(fā)展 可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展 其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)本身應(yīng)用領(lǐng) 域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化 要求與之配套的電動機(jī)也必須越來越小 對電動 機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì) 即把轉(zhuǎn)子位置傳感器 減速齒輪等和電動機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起 這 樣使其能方便地組成一個(gè)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(jī) 方向發(fā)展 目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機(jī) 其振動和噪聲較大 而五相和三相電動 機(jī)具有優(yōu)勢性 而就這兩種電動機(jī)而言 五相電動機(jī)的驅(qū)動電路比三相電動機(jī)復(fù)雜 因 此三相電動機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動機(jī)更好一些 10 目前利用可編程序控制器 即 PLC 技術(shù) 可以方便地實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度和位置的控制 方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作 完成各種復(fù)雜的工作 它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動化革 命 加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn) 用 PLC 對步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力 利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動控制功 能 現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制 步進(jìn)電機(jī)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 每當(dāng)對其施加 一個(gè)電脈沖時(shí) 其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度 步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè) 數(shù)成正比 其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)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(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān) 所以只要控制指令脈沖的頻率 數(shù)量及電機(jī)繞組通電 的相序 便可控制步進(jìn)電機(jī)的速度 輸出位移量和轉(zhuǎn)向 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由 PLC 和步進(jìn)電機(jī)組成 PLC 具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù) 輸出信號的頻率可以達(dá)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(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力 提高整個(gè) 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(jìn)電機(jī)各相繞 組數(shù) 10V 級脈沖電壓 1A 級脈沖電流的驅(qū)動要求 3 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇 3 1 常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式 常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式有以下三種 1 三相單三拍 A B C A 圖 3 1 三相單三拍工作方式時(shí)序圖 2 三相雙三拍 AB BC CA AB 圖 3 2 三相雙三拍工作方式時(shí)序圖 3 三相六拍 A AB B BC C CA A 圖 3 3 三 相 六 拍 工 作 方 式 時(shí) 序 圖 3 2 步進(jìn)電機(jī)控制原理 3 2 1 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序 通電換向這一過程稱為脈沖分配 例如 三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式 其各 相通電順序?yàn)?A B C A 通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A B C D 相的通斷 3 2 2 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序通電換相 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn) 如果按反序通電換相 則電機(jī)就 反轉(zhuǎn) 3 2 3 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 每次給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖 它就轉(zhuǎn)動一步 兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短 步進(jìn) 電機(jī)就轉(zhuǎn)動得越快 調(diào)節(jié)發(fā)出的脈沖頻率 就能對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制 3 3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法 在本設(shè)計(jì)中使用 PLC 控制步進(jìn)電機(jī) 可使用 PLC 產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各種時(shí) 序的脈沖 三相步進(jìn)電機(jī)可采用三種工作方式 三相單三拍 三相雙三拍 三相單六拍 這三種方式的主要區(qū)別是 電機(jī)繞組的通電 放電時(shí)間不同 工作方式是單三拍時(shí)通電時(shí) 間最短 雙三拍時(shí)允許放電時(shí)間最短 六拍時(shí)通電時(shí)間和放電時(shí)間最長 因此 同一脈 沖頻率時(shí) 六拍的工作方式出力最大 而且 電機(jī)是三拍的工作方式時(shí) 其分辨率為 3 度 六拍的工作方式時(shí) 分辨率是 1 5 度 所以 在本課題中 我們采用三相六拍的工作 方式 在這種控制方式下工作 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性好 步進(jìn)電機(jī)分辨率最高 三相六拍步進(jìn)電機(jī)是一典型徑向分相 單定子 反應(yīng)式伺服電機(jī) 其結(jié)構(gòu)原理圖與 普通電機(jī)一樣 分為轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)部分 其中定子又可分為定子繞組和定子鐵芯 定子 鐵芯由電工鋼片疊壓而成 定子繞組繞制在定子鐵芯上 六個(gè)均勻分布齒上的線圈 在直 徑方向上相對的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起 構(gòu)成一相控制繞組 三相步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成三 相控制繞組 若任一相繞組通電 便形成一組定子磁極 在定子的每個(gè)磁極上 即定子鐵 芯上的每個(gè)齒上開了五個(gè)小齒 齒槽等寬 齒間夾角為 9 轉(zhuǎn)子上沒有繞組 只有均勻分 布的個(gè) 40 小齒 齒槽也是等寬的 齒間夾角也是 與磁極上的小齒一致 此外 三相定子 磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開 1 3 齒距 當(dāng) A 相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對 齊時(shí) B 相磁極上的齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子齒輪 1 3 齒距角 C 相磁極齒超前或滯后轉(zhuǎn)子 齒 2 3 齒距角 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的工作原理 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 3 如果控制線路不停地按 A B C A 的循環(huán)順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通電 斷電 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動 這是三相三拍工作原理 而當(dāng) AB 同時(shí)通電 時(shí) 由于兩個(gè)磁力的作用 定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 1 5 原理與三相 三拍相同 從而形成三相六拍 其通電順序?yàn)?正轉(zhuǎn) A AB B BC C CA A 反轉(zhuǎn) A AC C CB B BA A 可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式 以及所要求的頻率 步進(jìn)電機(jī)的速度 畫出 A B C 各相的時(shí)序圖 并使用 PLC 產(chǎn)生各種時(shí)序的脈沖 例如 本設(shè)計(jì)采用西門子 S7 200PLC 控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程 圖 3 4 三 相 單 六 拍 正 向 時(shí) 序 圖 3 4 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖 3 5 所示 圖 3 5 典 型 的 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 步進(jìn)電動機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或者角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件 在經(jīng) 歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后 日前其發(fā)展趨向平緩 然而 其基本原理是不變的 即 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 每當(dāng)對其施加一個(gè)電脈沖時(shí) 其輸出轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度 步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比 其轉(zhuǎn)速與 單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)成正比 其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序 有關(guān) 所以只要控制指令脈沖的數(shù)量 頻率及電機(jī)繞組通電的順序 便可控制步進(jìn)電機(jī) 的輸出位移量 速度和轉(zhuǎn)向 步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用 可簡單地定 義為 根據(jù)輸人的脈沖信號 每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長度 若不改變勵(lì) 磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機(jī) 從廣義上講 步進(jìn)電動機(jī)是一種受電脈沖信號控 制的無刷式直流電機(jī) 也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電 動機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動方法很多 按照使用的控制裝置來分可以分為 普通集成工業(yè) 控制機(jī)控制電路控制 可編程控制器控制 單片機(jī)控制等幾種 按照控制結(jié)構(gòu)可分為 硬 脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu) 硬 硬結(jié)構(gòu) 軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu) 軟 軟結(jié)構(gòu) 軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu) 軟 硬結(jié)構(gòu) 11 1 硬 硬結(jié)構(gòu) 如圖 3 6 所示 這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器 硬件電路 脈沖分配器 驅(qū)動器組成 這種控制驅(qū)動方式運(yùn)行速度比較快 但是功能單一 電路復(fù) 雜 2 軟 軟結(jié)構(gòu) 如圖 3 7 所示 這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器 軟件程序脈沖 分配器 驅(qū)動器組成 而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過編 程實(shí)現(xiàn) 用工業(yè)控制機(jī) 單片機(jī) 可編程序控制器控制步進(jìn)電機(jī) 普通個(gè)人計(jì)算機(jī)一般 均可采用這種結(jié)構(gòu) 這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單 可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能 但是占用 CPU 時(shí)間多 給微處理器運(yùn)行其他工作造成困難 3 軟 硬結(jié)構(gòu) 如圖 3 8 所示 這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件脈沖生成器 硬件脈沖分配器和 硬件驅(qū)動器組成 硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片來實(shí)現(xiàn)通電換相控制的 這種 控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單 可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能 同時(shí)占用 CPU 時(shí)間較少 用可編程 控制器全部實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動器和控制器的功能 在 PLC 中 由軟件代替了脈沖生成器和脈沖 分配器 直接對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制 并且由 PLC 輸出端口直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī) 如圖 3 7 所示 這是一種軟 軟結(jié)構(gòu) 脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序?qū)崿F(xiàn) 圖 3 6 硬 硬 結(jié) 構(gòu) 控 制 圖 3 7 軟 軟 結(jié) 構(gòu) 控 制 圖 3 8 軟 硬 結(jié) 構(gòu) 控 制 4 S7 200PLC 控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動方法很多 按照使用的控制裝置來分可以分為 普通集成電路 控制 單片機(jī)控制 工業(yè)控制機(jī)控制 可編程控制器控制等幾種 12 本設(shè)計(jì)選用西門子 S7 200 PLC 通過控制驅(qū)動器來控制步進(jìn)電機(jī) 4 1 S7 200PLC的介紹 S7 200PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型整體式 PLC 其許多功能可達(dá)到大 中型 PLC 的水平 而價(jià)格卻與小型 PLC 的一樣 因此 它一經(jīng)推出 就受到了廣泛的關(guān) 注 在 2000 年以前 西門子在中國市場的 PLC 產(chǎn)品主要是大中型 PLC 日本的小型 PLC 占據(jù)了中國大部分的市場份額 在 S7 200PLC 推出后 這種情況得到了明顯的改善 最近幾年來的小型 PLC 市場上 S7 200PLC 成為了主流產(chǎn)品 西門子最早的小型 PLC 產(chǎn)品是在上世紀(jì)末推出的 S7 200CPU21 系列的 PLC 但很 快就被 CPY22 系列的產(chǎn)品所取代了 由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面 HMI 可供 選擇 所以系統(tǒng)的集成非常方便 并且可以很容易地組成 PLC 網(wǎng)絡(luò) 同時(shí)它具有功能齊 全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件 使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡單 幾乎可以完成 任何功能的控制任務(wù) 現(xiàn)在最新版的 S7 200PLC 系列 PLC 是在 2004 年推出的 它的主 要特點(diǎn)是 較高的可靠性 豐富的指令集 豐富的內(nèi)置集成功能 實(shí)時(shí)特性強(qiáng)和強(qiáng)大的 通信能力 13 從 CPU 模塊的功能來看 SIMATIC S7 200 系列小型 PLC 發(fā)展至今 大致經(jīng)歷了兩 代 第一代產(chǎn)品 其 CPU 模塊為 CPU 21X 主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展 它具有四種不同配置的 CPU 單元 CPU 212 CPU 214 CPU 215 和 CPU 216 本書不介紹該產(chǎn)品 第二代產(chǎn)品 其 CPU 模塊為 CPU 22X 主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展 它具有五種不同配置的 CPU 單元 CPU 221 CPU 222 CPU 224 和 CPU 226 和 CPU226XM 除 CPU 221 之外 其它都可加擴(kuò)展 模塊 是目前小型 PLC 的主流產(chǎn)品 本書將介紹 CPU22X 系列產(chǎn)品 對于每個(gè)型號 西 門子廠家都提供有產(chǎn)品貨號 根據(jù)產(chǎn)品貨號可以購買到指定類型的 PLC CPU 22X 系列具有不同的技術(shù)性能 使用于不同要求的控制系統(tǒng) CPU 221 用戶程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小 有一定的高速計(jì)數(shù)處理能力 適合用于點(diǎn)數(shù)少 的控制系統(tǒng) CPU222 和 CPU221 相比 它可以進(jìn)行一定模擬量的控制 可以連接 2 個(gè)擴(kuò)展模塊 應(yīng) 用更為廣泛 CPU224 和前兩者相比 存儲容量擴(kuò)大了一倍 有內(nèi)置時(shí)鐘 它有更強(qiáng)的模擬量和高速 計(jì)數(shù)的處理能力 使用很普遍 CPU 226 和 CPU224 相比 增加了通信口的數(shù)量 通信能力大大增強(qiáng) 可用于點(diǎn)數(shù)較多 要求較高的小型或中型控制系統(tǒng) CPU226XM 它是西門子公司推出的一款增強(qiáng)型主機(jī) 主要在用戶程序和數(shù)據(jù)存儲容量 上進(jìn)行了擴(kuò)展 其他指標(biāo)和 CPU 226 相同 4 1 1 硬件系統(tǒng) S7 200PLC 屬于小型 PLC 其主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是整體式 主機(jī)上有一定數(shù)量的輸入 輸出 I O 點(diǎn) 一個(gè)主機(jī)單元就是一個(gè)系統(tǒng) 它還可以進(jìn)行靈活的擴(kuò)展 如果 I O 點(diǎn)不夠 則可增加 I O 擴(kuò)展模塊 如果需要其他特殊功能 如特殊通信或定位控制等 則可以增 加相應(yīng)的功能模塊 一個(gè)完整的系統(tǒng)組成如圖 4 1 所示 圖 4 1 S7 200PLC 系 統(tǒng) 組 成 主機(jī)單元 主機(jī)單元 又稱基本單元或 CPU 模塊 它由 CPU 存儲器 基本輸入 輸 出點(diǎn)和電源等組成 是 PLC 的主要部分 實(shí)際上它就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng) 可以單獨(dú) 完成一定的控制任務(wù) 擴(kuò)展單元 擴(kuò)展單元 又稱擴(kuò)展模塊 當(dāng)主機(jī) I O 點(diǎn)數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時(shí) 用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種 I O 模塊 根據(jù) I O 點(diǎn)數(shù)不同 性質(zhì)不同 供電電壓不同 I O 擴(kuò)展模塊有多種類型 每個(gè) CPU 所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的 I O 點(diǎn) 數(shù)是由多種因素共同決定的 特殊功能模塊 當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí) 需要擴(kuò)展功能模塊 它們 是完成某種特殊控制任務(wù)的一些裝置 如運(yùn)動特殊通信模塊 控制模塊等 相關(guān)設(shè)備 相關(guān)設(shè)備是為充分和方便利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā) 使用的一 些設(shè)備 主要有人機(jī)操作界面 編程設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等 軟件 軟件是為管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序 對 S7 200PLC 來 說 與之配套的軟件主要有 STEP7 Micro WIN 和 HMI 人機(jī)界面的組態(tài)編程軟件 Pro Tool Win CC flexible 4 1 2 軟元件 用戶使用的 PLC 中的每一個(gè)輸入 輸出 內(nèi)部存儲單元 定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等都稱作軟 元件 軟元件是 PLC 內(nèi)部的具有一定功能的器件 這些器件實(shí)際上是由電子電路和寄存 器及存儲器單元等組成 為了把這種元器件和傳統(tǒng)電氣控制電路中的繼電器區(qū)別開來 把它們成為軟元件或者軟繼電器 它們最大的特點(diǎn)是 軟元件是看不見 摸不著的 不存在物理性的觸點(diǎn) 每個(gè)軟元件可提供無限個(gè)常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn) 功耗低 體積小 壽命長 常用軟元件有 輸入繼電器 I 通用輔助繼電器 M 輸出繼電器 Q 特殊繼電器 SM 局部變量存儲器 L 變量存儲器 V 順序控制繼電器 S 計(jì)數(shù)器 C 定時(shí)器 T 模擬量輸入映像寄存器 AI 高速計(jì)數(shù)器 HC 模擬量輸出映像寄存器 AQ 累加器 AC 等 4 2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)所使用的步進(jìn)電機(jī)選用的型號是 75BF003 的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 該型號的 步矩角為 1 5 3 度 相電壓 30V 相電流 4A 保持轉(zhuǎn)距 0 882N m 1 2kg cm 引線 6 條 空載啟動頻率 1250Hz 額定功率 0 37kW 絕緣等級 E 規(guī)格 D 為 75mm D1 為 31mm 高 H 為 2mm d 為 8mm E 為 18mm L 為 60mm D2 為 68mm MS 為 4 M3 圖 4 2 75BF 三 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 尺 寸 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示 定子 轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成 的 定子的每對極上都繞有一對繞組 構(gòu)成一相繞組 共三相稱為 A B C 相 圖 4 3 三 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 圖 在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒 采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合 當(dāng) A 相磁極 的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對應(yīng)時(shí) B 相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯(cuò)開 1 3 齒距 C 相則錯(cuò) 開 2 3 齒距 如圖 4 4 所示 圖 4 4 A 相 通 電 定 轉(zhuǎn) 子 錯(cuò) 開 示 意 圖 電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù) 脈沖數(shù) 和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系 而方向由繞 組通電的順序決定 4 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作 驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進(jìn)行功 率放大 環(huán)形分配 使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動 14 4 3 1 驅(qū)動器的選擇 本設(shè)計(jì)選用型號為 SMD 340C 的驅(qū)動器 SMD 340C 三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是常州華 音電子有限公司引進(jìn)德國技術(shù)和器件生產(chǎn)的新一代三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 具有非常 好的性價(jià)比 在驅(qū)動電機(jī)過程中它以半步方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī) 另外 SMD 340C 還具有許 多非同尋常的特性 能充分控制電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)械性能 以獲得最大工作效率 圖 4 5 SMD 340C 型 驅(qū) 動 器 的 外 觀 圖 該型號驅(qū)動器的特點(diǎn) 1 15 36V 直流操作電壓 2 1 5 4A 相位峰值電流 按客戶要求設(shè)定 3 鎖相時(shí)自動減流 4 半步驅(qū)動 5 有源隔離三種輸入信號 脈沖 方向 脫機(jī) 6 輸入信號 TTL 或 CMOS 5V 12V 15V 30V 主要技術(shù)指標(biāo) 表 4 1 名稱 最小值 標(biāo)準(zhǔn)值 最大值 單位 電機(jī)驅(qū)動電壓 12 30 36 V 相位峰值電流 1 5 3 4 A SMD 340C 型驅(qū)動器采用封閉式小型結(jié)構(gòu) 本身不帶風(fēng)機(jī) 其外殼即為散熱體 所以 使用時(shí)要將其固定在較厚 較大的金屬板上或較厚的機(jī)柜內(nèi) 接觸面之間最好涂上導(dǎo)熱 硅脂 在其旁邊加一風(fēng)機(jī)也是一種較好的散熱辦法 4 3 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 圖 4 6 為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路 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(dāng)三極管截止時(shí) 無集電極電流流通 開關(guān)相當(dāng)于斷開 當(dāng) 三極管飽和時(shí) 流過的集電極電流最大 開關(guān)相當(dāng)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(gè)三極管組成達(dá)林頓式功放電路 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的 3 個(gè)繞組 使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)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(dāng)控制輸入信號為低電平時(shí) 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(dǎo)通 因此繞組中無電流流過 當(dāng)輸入信號為高電平時(shí) T1 飽和導(dǎo)通 于是 紅外發(fā)光二極管被點(diǎn)亮 使光敏三極管導(dǎo)通 向功率驅(qū)動級晶體管提供基極電流 使 其導(dǎo)通 繞組被通以電流 圖 4 6 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動 電 路 4 3 3 驅(qū)動電路接口 圖 4 7 驅(qū) 動 器 接 口 4 3 4 電氣原理圖 4 8 正 反 轉(zhuǎn) 電 氣 原 理 圖 按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕 SB1 正向接觸器 KM1 通電 KM1 主觸頭和自鎖觸頭閉合 電動 機(jī) M 正轉(zhuǎn) 按下反轉(zhuǎn)啟動按鈕 SB2 正向接觸器 KM2 通電 KM2 主觸頭和自鎖觸頭閉合 電動 機(jī) M 反轉(zhuǎn) 該控制電路必須要求 KM1 與 KM2 不能同時(shí)通電 否則會引起主電路電源短路 為 此要求線路設(shè)置必要的聯(lián)鎖環(huán)節(jié) 如圖 4 8 所示 將其中一個(gè)接觸器的常閉觸頭串入另 一個(gè)接觸器線圈電路中 則任何一個(gè)接觸器先通電后 即使按下相反方向的啟動按鈕 另一個(gè)接觸器也無法通電 這種利用兩個(gè)接觸器的輔助常閉觸頭互相控制的方式 稱為 電氣互鎖 4 4 PLC驅(qū)動步進(jìn)電機(jī) 西門子 PLC 本身帶有高速脈沖計(jì)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(jìn)電動機(jī)的要求 對 PLC 提出兩個(gè)特性要求 一是在此應(yīng)用的 PLC 最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的 PLC 使輸出信號的頻率可以達(dá)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(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力 提高整個(gè) 系統(tǒng)的快速性 二是 PLC 本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管 以滿足步進(jìn)電機(jī)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 如圖 4 9 所示 圖 4 9 控制框圖 環(huán)形分配程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序進(jìn)行環(huán)形脈沖分配 從而控制接到步 進(jìn)電機(jī)三相繞組的直流電源的依次通 斷 形成旋轉(zhuǎn)磁場 使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動 每當(dāng)步進(jìn) 電機(jī)走一步 環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一 當(dāng)步數(shù)減為零時(shí) 停止環(huán)形脈沖分配 等 待下一次的脈沖輸入 下圖 4 10 為 PLC 控制接線圖 圖 4 10 I O 接線圖 5 S7 200PLC 控制步進(jìn)電機(jī)軟件設(shè)計(jì) 5 1 STEP7 Micro WIN32概述 STEP7 Micro WIN32 是西門子公司專為 SIMATIC S7 200 系列可編程序控制器研制開 發(fā)的編程軟件 它是基于 Windows 的應(yīng)用軟件 功能強(qiáng)大 既可用于開發(fā)用戶程序 又 可實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài) S7 200 CN CPU 必須配合 STEP7 Micro WIN V4 0 SP3 或以上版使用 STEP 7 Micro WIN V4 0 SP3 配合 S7 200 CN 使用時(shí) 必須設(shè)置語言環(huán)境為中文才能正常工作 STEP 7 Micro WIN 編程軟件為用戶開發(fā) 編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程 環(huán) 境 它簡單 易學(xué) 能夠解決復(fù)雜的自動化任務(wù) 它的優(yōu)點(diǎn)很明顯 適用于所有 SIMATIC S7 200 PLC 機(jī)型軟件編程 同時(shí)支持 STL LAD FBD 三種編程語言 用戶可以根據(jù)自己的喜好隨時(shí)在三者之間切換 軟件 包提供無微不至 的幫助功能 即使初學(xué)者也能容易地入門 包含多國語言包 可以方便 地在各語言版本間切 換 具有密碼保護(hù)功能 能保護(hù)代碼不受他人操作和破壞 15 5 1 1 基本功能 STEP 7 Micro WIN 提供軟件工具幫助調(diào)試和測試程序 它的基本功能是協(xié)助用戶完 成應(yīng)用軟件的開發(fā) 其主要實(shí)現(xiàn)以下功能 1 在脫機(jī) 離線 方式下創(chuàng)建用戶程序 修改和編輯原有的用戶程序 在脫機(jī)方 式時(shí) 計(jì)算機(jī)與 PLC 斷開連接 此時(shí)能完成大部分的基本功能 如編程 編譯 調(diào)試和 系統(tǒng)組態(tài)等 但所有的程序和參數(shù)都只能存放在計(jì)算機(jī)的磁盤上 2 在聯(lián)機(jī) 在線 方式下可以對與計(jì)算機(jī)建立通信關(guān)系的 PLC 直接進(jìn)行各種操作 如上載 下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等 3 在編輯程序的過程中進(jìn)行語法檢查 可以避免一些語法錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)類型方面的 錯(cuò)誤 經(jīng)語法檢查后 梯形圖中錯(cuò)誤處的下方自動加紅色波浪線 語句表的錯(cuò)誤行前自 動畫上紅色叉 且在錯(cuò)誤處加上紅色波浪線 4 對用戶程序進(jìn)行文檔管理 加密處理等 5 設(shè)置 PLC 的工作方式 參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等 5 1 2 運(yùn)動控制 S7 200 提供有開環(huán)運(yùn)動控制的三種方式 脈寬調(diào)制 PWM 內(nèi)置于 S7 200 用于速度 位置或占空比控制 脈沖串輸出 PTO 內(nèi)置于 S7 200 用于速度和位置控制 EM253 位控模塊一用于速度和位置控制的附加模塊 為了簡化應(yīng)用程序中位控功能的使用 STEP7 Micro WIN 提供的位控向?qū)Э梢詭椭?用戶在 幾分鐘內(nèi)全部完成 PWM PTO 或位控模塊的組態(tài) 該向?qū)Э梢陨晌豢刂噶?用戶可以用 這些指令在應(yīng)用程序中對速度和位置進(jìn)行動態(tài)控制 對于位控模塊 STEP 7 Micro WIN 還 提供了一個(gè)控制面板 可以控制 監(jiān)視和測試用戶的運(yùn)動操作 5 1 3 創(chuàng)建調(diào)制解調(diào)模塊程序 使用 EM241 調(diào)制解調(diào)模塊可以將 S7 200 直接連到一個(gè)模擬電話線上 并且支持 S7 200 與 STEP 7 Micro WIN 的通訊 該調(diào)制解調(diào)模塊還支持 Modbus 從站 RTU 協(xié)議 該模 塊與