DZ168西門子PLC的步進電機直接控制

DZ168西門子PLC的步進電機直接控制,dz168,西門子,plc,步進,電機,機電,直接,控制,節(jié)制 信系與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (開題報告 ) 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )開 題 報 告信息與電子工程系 系 電氣自動化工業(yè) 專業(yè) 04 級 1 班課題名稱：西門子 PLC 步進電機的直接控制畢業(yè)設(shè)計(論文)起止時間：2007　　年 　3 月 2 日～ 　6 月 　10 日(共 　16　周)學(xué)生姓名：唐玉鋮 學(xué)號：5指導(dǎo)教師： 黃云龍、朱秋琴、廖東 報告日期： 2007.6.7 信系與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (開題報告 ) 1、本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述：可編程控制器(PLC)發(fā)展現(xiàn)狀：可編程控制器(簡稱 PLC) 是種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng) ,是在 20 世紀 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)行邏輯運算、順序控制、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令 ,并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出 ,控各種類型的機械或生產(chǎn)過程。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、易于擴充其功能的原則設(shè)計的。PLC 自產(chǎn)生至今只有 30 多年的歷史 ,卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 ,成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一?！‘a(chǎn)生和發(fā)展過程現(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、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(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新的控制裝置取而代之。PLC 的特點：（1） 、通用性強 ,使用方便。由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化 ,PLC 配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。當控制對象的硬件配置確定以后 ,就可通過修改用戶程序 ,方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。（2)、功能性強 ,適應(yīng)面廣?，F(xiàn)代 PLC 不僅具有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能 ,而且還具有 A/ D 和 D/ A 轉(zhuǎn)換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理等功能。因此 ,它既可對開關(guān)量進行控制 ,也可對模擬量進行控制 ,既可控制 1 臺生產(chǎn)機械、1 條生產(chǎn)線 ,也可控制 1 個生產(chǎn)過程。PLC 還具有通訊聯(lián)絡(luò)功能 ,可與上位計算機構(gòu)成分布式控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)遙控功能。（3)、可靠性高 ,抗干擾能力強。絕大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。針對 PLC 是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的 ,故采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。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 ,還可以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 的電源電路和 I/O 模塊中 ,設(shè)置了多種濾波電路 ,對高頻干擾信號有良好的抑制作用。軟件方面 ,設(shè)置故障檢測與診斷程序。采用以上抗干擾措施后 ,一般 PLC 平均無故障時間高達 4 萬～5 萬小時。（4)、編程方法簡單 ,容易掌握。PLC 配備有易于接受和掌握的梯形圖語言。該語言編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。（5)、控制系統(tǒng)的設(shè)計、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)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等部件 ,控制柜的設(shè)計、安裝接線工作量大為減少。PLC 的用戶程序大都可以在實驗室模擬調(diào)試 ,調(diào)試好后再將 PLC 控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場 ,進行聯(lián)機統(tǒng)調(diào)。在維修方面 ,PLC 的故障率很低 ,且有完善的診斷和實現(xiàn)功能 ,一旦 PLC 外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(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 ,迅速查明原因。若是 PLC 本身問題 ,則可更換模塊 ,迅速排除故障 ,維修極為方便。（6） 、體積小、質(zhì)量小、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 很容易裝入機械設(shè)備內(nèi)部 ,是實現(xiàn)機電一體化較理想的控制設(shè)備。 信系與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (開題報告 ) 控系統(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。因此, 在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初, 步進電動機經(jīng)歷過一個大的發(fā)展階段。步進電機驅(qū)動技術(shù)及現(xiàn)狀：雖然步進電機是一種數(shù)控元件。易于同數(shù)字電路接口。但是，一般數(shù)字電路的信號能量遠遠不足以驅(qū)動步進電機!必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機 ，步進電機本體和進電機驅(qū)動電路兩者密不可分地組成步進電機系統(tǒng)，多年來，隨著電力電子技術(shù)自動化控制技術(shù)以及計算機國內(nèi)外圍繞步進電機驅(qū)動電路做了大量的研究與開發(fā)。（1） 、驅(qū)動電源的發(fā)展及國內(nèi)研制概況：步進電機驅(qū)動電源同步進電機本身是一個整體。其性能好壞直接影響步進電機系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。驅(qū)動電源性能的好壞及可靠性，在很大程度上與末級功放所用的功率元件直接相關(guān)。最初使用的末級功放元件是可控硅，近年來隨著大功率晶體管的發(fā)展一般不再采用。晶體管具有控制方便調(diào)試容易，開關(guān)速度快以及元件損耗小等優(yōu)點，并且由于采用先進的設(shè)計，晶體管的開關(guān)特性和耐壓過流能力有了相當大的改進。因而近幾年國內(nèi)外絕大多數(shù)的驅(qū)動電源使用晶體三極管作為末級功放元件近年來，由于形槽金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管綜合了大功率雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點，具有大功率高耐壓高增益的特點，且沒有少數(shù)載流子存儲時間和溫度失控并有顯著的抑制二次擊穿特性，因而使用它可大大提高驅(qū)動電源的可靠性，隨著成本的降低及使用經(jīng)驗的積累，越來越多的驅(qū)動電源將會使用，作為末級功放元件，驅(qū)動電源電路結(jié)構(gòu)的發(fā)展不同形式的功率放大電路對電機性能的影響各不相同，這種不同形式的功率放大電路的差別主要是功率放大電路中不同的輸出級結(jié)構(gòu)。（2） 、步進電機驅(qū)動電路 ：由控制電路產(chǎn)生步進電機所需要的電脈沖信號, 脈沖分配器把電脈沖信號按規(guī)定的方式分配給步進電機各相勵磁繞組, 使各相勵磁繞組輪流接受脈沖信號的控制。控制電路經(jīng)脈沖分配后輸出的信號很低, 不能提供步進電機所需的輸出功率, 必須經(jīng)過功率驅(qū)動部分進行放大。脈沖分配部分可以由硬件電路組成, 也可以由軟件實現(xiàn)。當脈沖分配由硬件實現(xiàn)時, 步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)包括脈沖分配和功率驅(qū)動兩個部分; 當脈沖分配由軟件實現(xiàn)時, 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)實際上只包含功率驅(qū)動部分, 控制電路多由微機及接口電路組成，如本課題“西門子 PLC 步進電機的直接控制”就是由軟件實現(xiàn)的。PLC 控制步進電機技術(shù)的現(xiàn)狀 ：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，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(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)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(fù)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 P L C 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(fù)雜的工作，它代表 信系與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (開題報告 ) 了先進的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實現(xiàn)。 信系與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (開題報告 ) 2、設(shè)計(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法：（1） 、系統(tǒng)整體方案的確立（2） 、系統(tǒng)軟件與硬件的設(shè)計（3） 、元件的選取系統(tǒng)的方案包括步進電機運動控制方案，PLC 脈沖控制方案。本課題選用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,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。步進電機具有較好的控制性能,其啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運行方式的改變,都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成,且可獲得較高的控制精度,因而得到了廣泛應(yīng)用。步進機分為反應(yīng)式、永磁式和混合式等。步進電機的 PLC 直接控制方式：這種控制方式的優(yōu)點是大大減少系統(tǒng)設(shè)計的工作量,不存在各部分接口信號的匹配問題,提高系統(tǒng)的可靠性。整個控制系統(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(yīng)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。PLC 直接控制步進電機系統(tǒng)設(shè)計時,在 PLC 和步進電機選型前,必須計算出脈沖當量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量 3 個參數(shù):脈沖當量=步進電機步距角×螺距 360×傳動速比脈沖頻率上限=移動速度×步進電機細分數(shù)脈沖當量最大脈沖數(shù)量=移動距離×步進電機細分數(shù)脈沖當量根據(jù)脈沖頻率確定 PLC 高速脈沖輸出頻率,根據(jù)脈沖數(shù)量確定 PLC 的位寬?？紤]到系統(tǒng)響應(yīng)的及時性、可靠性和使用壽命,PLC 應(yīng)選擇晶體管輸出型。步進電機細分數(shù)一般可選擇 2、5、10、25 細分,以避開電機的共振頻率。編制 PLC 控制程序時將傳動系統(tǒng)的脈沖當量、反向間隙、步進電機的細分數(shù)定義為參數(shù)變量,以便現(xiàn)場調(diào)整。 信系與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (開題報告 ) 3、本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路重點研究與關(guān)鍵問題：PLC 控制脈沖與電機運動狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系：解決思路：控制具體原理如下:如下圖所示，環(huán)形分配程序通過輸出端口 A、B、C 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，PLC 端口,即 A、B、C 所對應(yīng)的大功率晶體管。當 A、B、C 所對應(yīng)的大功率晶體管按: A—AB—B—BC—C—CA—A……次導(dǎo)通、斷開時,步進電機正轉(zhuǎn)。按: A—AC—C—CB—B—BA—A……依次導(dǎo)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。圖 步進電機基本圖樣 信系與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (開題報告 ) 4、完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實驗設(shè)備或?qū)嶒灜h(huán)境條件、某類市場調(diào)研、計算機輔助設(shè)計條件等等)及解決的辦法：本課題運用到的了以下書籍：[1]孫涵芳，徐愛卿.MSC - 51/96 系列單片機原理與應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1988[2]何立民.MSC-51 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 .北京:北京航空航天大學(xué)出版社 ,1991[3]吳之美.Microsoft Windows 3.1 程序員參考大會 .北京:清華大學(xué)出版社,1993[4]應(yīng)鋼,關(guān)海,伍能鵬.PLD/ GAL 可編程邏輯器件原理和應(yīng)用[5]胡志平.PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用.礦冶,2004[6]安永林.九道拐水電站溢洪道弧形閘門啟閉機設(shè)計.貴州水利發(fā)電,2005[7]楊寧.集散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場總線.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003[8]殷瑞祥.電氣控制.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2004.[9]單長考.基于可編程控制器的西河閘監(jiān)控系統(tǒng).自動化技術(shù)與應(yīng)用,2005[10]王曉明.電動機的單片機控制.北京:北京航空航天出版社，2002[11]劉廣瑞.用可編程序控制器驅(qū)動步進電機的方.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005[12]宣財鑫.PLC 脈沖控制步進電機技術(shù).機車車輛工藝，2002[13].SIMATICS7-200PLC 系統(tǒng)編程手冊.西門子公司，2000[14]趙丹.人機界面位控模塊在對中性測量儀中的應(yīng)用.機械與電子,2005[15]王宜結(jié).步進電機自動加減速運行的研究.自動化技術(shù)與應(yīng)用,2004[16]LG 產(chǎn)電.LG 可編程邏輯控制器 MASTER-K120S 系列用戶手冊[17]楊公源主編.可編程控制器原理與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2004[18]于慶廣編著.可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計.北京:清華大學(xué)出版社,2004[19]朱力.PLC 控制步進電機方法的研究.山西機械 2003(增刊)[20]宣財鑫.PLC 脈沖控制步進電機技術(shù).計算機應(yīng)用 信系與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (開題報告 ) 5．設(shè)計(論文)完成進度計劃第 01 周至第 02 周：查閱中文及英文資料（并翻譯一篇外文資料） ，了解步進電機的工作原理以及 PLC 設(shè)計內(nèi)容，收集相關(guān)資料；第 03 周至第 03 周：完成畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告，并開始進行畢業(yè)設(shè)計；第 04 周至第 08 周：完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計；第 09 周至第 12 周：完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計；第 13 周至第 13 周：軟件和硬件的調(diào)試；第 14 周至第 15 周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文；第 16 周至第 16 周：畢業(yè)設(shè)計（論文）小組答辯；第 17 周至第 17 周：答辯。