DZ168西門子PLC的步進(jìn)電機(jī)直接控制

DZ168西門子PLC的步進(jìn)電機(jī)直接控制,dz168,西門子,plc,步進(jìn),電機(jī),機(jī)電,直接,控制,節(jié)制 信電系論文文獻(xiàn)綜述1浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )文 獻(xiàn) 綜 述課題名稱：西門子 PLC 步進(jìn)電機(jī)的直接控制學(xué)生姓名：唐玉鋮 系 （部）：信息與電子工程系 專業(yè)班級(jí)：04 工自(1)班 指導(dǎo)教師：黃云龍、朱秋琴、廖東進(jìn) 職 稱：副教授、 助教、 助教 日 期：2007.06.5 信電系論文文獻(xiàn)綜述1文獻(xiàn)綜述一、 引言傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制方式由控制器產(chǎn)生控制指令，環(huán)形分配器根據(jù)指令將輸入的單一脈沖串，按土作方式和轉(zhuǎn)向分別依次向連接到步進(jìn)電機(jī)各相繞組的功率放大器分配脈沖，以便形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這種方式的各部分硬件的設(shè)計(jì)、選型、接口匹配往往要花費(fèi)設(shè)計(jì)者一很大的精力和勞動(dòng)。接口信號(hào)的匹配以及兒器件的質(zhì)量等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性影響很大?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)中，PLC 作為一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的控制器，它的功能越來(lái)越強(qiáng)，性能越來(lái)越先進(jìn)。為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制，許多 PLC 都內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直接控制。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：大大減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，不存在各部分接口信號(hào)的匹配問(wèn)題，提高系統(tǒng)的可靠性。整個(gè)控制系統(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(hào)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(jí)脈沖電壓、1A 級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。二、PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1、PLC 技術(shù)現(xiàn)狀：可編程控制器(簡(jiǎn)稱 PLC) 是種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng) ,是在 20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國(guó)科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器 ,其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令 ,并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出 ,控各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(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 ,卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 ,成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。　產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程現(xiàn)代社會(huì)要求生產(chǎn)廠家對(duì)市場(chǎng)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、低成信電系論文文獻(xiàn)綜述2本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無(wú)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。2、PLC 在控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù)中的發(fā)展?fàn)顩r：隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(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(dòng)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(dòng)機(jī)也必須越來(lái)越小。對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。三、PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)的原理1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及工作方式：步進(jìn)電機(jī)作為一種常用的電氣執(zhí)行元件,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要配備一個(gè)專門的驅(qū)動(dòng)電源,驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)控制。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度,這個(gè)角度稱為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度,脈沖的頻率決定了旋轉(zhuǎn)的速度。方向信號(hào)決定了旋轉(zhuǎn)的方向。就一個(gè)傳動(dòng)速比確定的具體設(shè)備而言,無(wú)需距離、速度信號(hào)反饋環(huán),只需控制脈沖的數(shù)量和頻率即可控制設(shè)備移動(dòng)部件的移動(dòng)距離和速度;而方向信號(hào)可控制移動(dòng)的方向。因此,對(duì)于那些控制精度要求不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合,用開環(huán)方式控制是一種較為簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)的電氣控制技術(shù)方案。另外,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分運(yùn)轉(zhuǎn)方式非常實(shí)用,盡管其步距角受到機(jī)械制造的限制,不能制作得很小,但可以通過(guò)電氣控制的方式使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由原來(lái)的每個(gè)整步分成 m個(gè)小步來(lái)完成,以提高設(shè)備運(yùn)行的精度和平穩(wěn)性?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)電源的脈沖與方信電系論文文獻(xiàn)綜述3向信號(hào)源常用數(shù)控系統(tǒng),但對(duì)于一些在運(yùn)行過(guò)程中移動(dòng)距離和速度均確定的具體設(shè)備,采用 PLC(可編程控制器)是一種理想的技術(shù)方案。電動(dòng)機(jī)其角位移與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。工作方式最常見的有:(1)、三相單三拍工作方式各相的通電順序?yàn)?A →B → C,各相通電的電壓波形如圖所示。圖 1 三相單三拍工作方式(2)、三相雙三拍工作方式雙三拍工作方式各相的通電順序?yàn)?AB → BC → CA。各相通電的電壓波形如圖所示。圖 2 三相雙三拍工作方式(3)、三相六拍工作方式在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)控制中，把單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來(lái)，就產(chǎn)生了六拍工作方式，其通電順序?yàn)?A→AB →B→BC → C → CA。各相通電的電壓波形如圖 4 所示。信電系論文文獻(xiàn)綜述4圖 3 三相六拍工作方式(4)、其它工作方式（和步進(jìn)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)相關(guān)）:如二相四拍、二相八拍以及四相四拍和四相八拍等，其工作時(shí)電壓波形圖基本類似，不再贅述。2、西門子 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)：由以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機(jī)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(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(dòng)機(jī)的要求，與硬件連接相比對(duì)于環(huán)形脈沖分配器和功率放大器的功能則對(duì) 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(hào)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(dòng)要求。如下圖所示：PLC 步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)圖 4 步進(jìn)電機(jī)的 PLC 直接控制環(huán)形分配程序通過(guò)輸出端口 A、B、C 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 48V 直流電源的依次通、斷,形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于步進(jìn)電機(jī)是電感性負(fù)載,直流電阻很小,故接限流電阻以免脈沖電流過(guò)大損壞，PLC 端口,即 A、B、C 所對(duì)應(yīng)的大功率晶體管。當(dāng)A、B、C 所對(duì)應(yīng)的大功率晶體管按: A—AB—B—BC—C—CA—A……次導(dǎo)通、斷開時(shí),步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。按: A—AC—C—CB—B—BA—A……依次導(dǎo)通、斷開時(shí),步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，即步進(jìn)電機(jī)可以按三相六拍工作。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。如下圖所示信電系論文文獻(xiàn)綜述5圖 5 步進(jìn)電機(jī)基本圖3、軟件編程在軟件編程前，必須根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)與工藝要求進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的“啟動(dòng)頻率”和“停止頻率”的標(biāo)定，步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動(dòng)頻率” ， “停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過(guò)目標(biāo)位置的最高頻率。步進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)和停止時(shí)有一個(gè)加速及減速過(guò)程，且加速度越小則沖擊越小，動(dòng)作越平穩(wěn)。所以，步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)一般要經(jīng)歷這樣一個(gè)變化過(guò)程：加速→恒速(高速)　→減速→　低速→停止。其中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中一般采用如下運(yùn)行曲線，主要要考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)必須有個(gè)加速緩沖的過(guò)程，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起保護(hù)作用。圖 6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程使步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率受到相應(yīng)的控制。囚此在控制軟件上設(shè)置一個(gè)脈沖總數(shù)和脈沖頻率可控的脈沖信號(hào)發(fā)生器;對(duì)于頻率較低的控制脈沖，可以利用 PLC 中的定時(shí)器構(gòu)成，如圖 1 所示。脈沖頻率可以通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以設(shè)置一脈沖計(jì)數(shù)器 C10。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器 C10 動(dòng)作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。步進(jìn)電機(jī)無(wú)脈沖輸入時(shí)便停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)位移速度要求較高時(shí)，可以用 PLC信電系論文文獻(xiàn)綜述6中的高速脈沖發(fā)生器。不同的 PLC 其高速脈沖的頻率可達(dá)到 4000~6000HZ?？刂葡到y(tǒng)中 PLC 用來(lái)產(chǎn)生控制脈沖;通過(guò) PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖頻率，環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組，PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)行分配器。圖 7 PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)軟件環(huán)行分配器四、結(jié)論本論文的研究主要完成了以下內(nèi)容:通過(guò)對(duì) PLC 控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的工作原理和控制原理的分析，用西門子 PLC 程序結(jié)合硬件電路，設(shè)計(jì)出以 PLC 軟件控制為核心的步進(jìn)電機(jī)控制器，使得控制步進(jìn)電機(jī)更加方便快捷。采用 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)功能完善、靈活性大、可靠性高。該生產(chǎn)線己獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。特別強(qiáng)調(diào)的是采用 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量、能大大縮短開發(fā)研制周期，在一定范圍內(nèi)，有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)[I]李金鐘.機(jī)電與電氣控制技術(shù).蘇州:蘇州人學(xué)出版社，2004[2]廖常初.PLC 編程及應(yīng)用.工業(yè)出版社，2004[3]胡志平.PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng).[2]安永林.九道拐水電溢洪逆弧形閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì).辦水利發(fā)電，2005，5 [3]楊寧.散控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線.[4]宣財(cái)鑫.PLC 脈沖控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù).計(jì)算機(jī)應(yīng)用信電系論文文獻(xiàn)綜述7[5]中長(zhǎng)考.于可編程控制器的西河閘監(jiān).控系統(tǒng).自化技術(shù)與應(yīng)用[6]機(jī)一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè).北京機(jī)械工業(yè)出版社：1993[7]胡泓.體化原理及應(yīng)用.北京：國(guó)防工業(yè)出版社[8]楊長(zhǎng)能等.可編程序控制器基礎(chǔ)及應(yīng)用.重慶大學(xué)出版社:1992[9]孫涵芳,愛卿.M51/96 系列單片機(jī)原理與應(yīng)用. 空航大學(xué)出版社:1998[10]何立民.片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).空航天大學(xué)出版社:1991[11]吳之美.Microsoft windows 3.1 程序員參考大會(huì).華大學(xué)出版社:1993