PLC的四相步进电机控制.docx
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PLC的四相步进电机控制
南京工程高等职业学校
五年制高职毕业设计
姓名:
学号:
系部:
电子工程系
专业:
电气自动化
设计题目:
PLC的四相步进电机控制
指导教师:
刘四妹职称:
讲师
2011年4月16日
摘要
PLC是一种以微处理器为基础,综合了现代计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动化装置。
由于它具有体积小、功能强、程序设计简单,以及维护方便等优点,特别是PLC适应恶劣的工业环境的能力和高可靠性,使其应用越来越广泛。
但是由于我国的PLC技术教育落后,许多高校毕业生,甚至一些现场工程技术人员对PLC的知识也相当缺乏。
步进电机是工业自动化过程当中经常用到的一种控制传动机构,它是通过接受输入脉冲,然后每个脉冲转动一定的步距(角度)来完成对执行机构的控制传动的。
使用PLC可以通过特殊功能存储器(SM)或者增加EM253位控模块来控制步进电机,但是使用SM需要熟悉每一位的意义,而且编程烦琐。
如果为PLC增加功能扩展模块,无疑会增加产品成本。
鉴于这些原因并结合本人的实践经验。
[关键词]:
步进电机、可编程控制器
ABSTRACT
PLCisamicroprocessor-based,integratedwithmoderncomputertechnology,automationtechnologyandcommunicationtechnologydevelopedinagenericindustrialautomationequipment.Becauseithasasmall,strongfunction,programdesignJianDan,andthemaintenanceoftheadvantagesofconvenience,especiallyPLCharshindustrialenvironmentswithhighcapacityandreliability,appliedmoreandmoreGuangfan.However,becauseofthePLCtechnology,pooreducation,manycollegegraduates,andevensomeon-siteengineeringandtechnicalpersonnelofthePLC'sknowledgeislacking。
Steppermotorisoftenusedinindustrialautomationprocessofacontroldrivemechanism,itisbyacceptinginputpulse,andthenturnsomeofthestepsforeachpulsefromthe(pointofview)tocompletecontroloftheactuatordrive.PLCcanuseaspecialfunctionmemory(SM)orincreasetheEM253PositionControlModuletocontrolthesteppermotor,buttheuseofSMneedtoknowthemeaningofeach,andtheprogrammingiscumbersome.IftheexpansionmoduleforthePLCtoincreasefunctionality,willundoubtedlyincreasethecostoftheproduct.Forthesereasonscombinedwithmypracticalexperience
[Keywords]:
steppermotor,programmablelogiccontroller
前言
第一章步进电机的原理………………………………………………………………1
1.1步进电动机的结构与原理…………………………………………………………1
1.2四相步进电动机的工作原理…………………………………………………………3
第二章PLC简介…………………………………………………………………………5
2.1PLC的基本概念…………………………………………………………………5
2.2PLC的基本结构…………………………………………………………………5
2.3PLC的工作原理…………………………………………………………………6
第三章三菱系列PLC……………………………………………………………………8
3.1三菱PLC简介……………………………………………………………………8
3.2三菱PLC主要特点………………………………………………………………7
3.3FX系列PLC………………………………………………………………………9
第四章PLC的四相步进电机控制方法与实现…………………………………………14
4.1概述…………………………………………………………………………………14
4.2PLC的特点及应用…………………………………………………………………14
4.3步进电机的控制原理………………………………………………………………15
4.4PLC控制系统设计……………………………………………………………………16
结语………………………………………………………………………………………20
参考文献………………………………………………………………………………21
前言
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。
步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。
所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序,便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。
步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变,都在少数脉冲内完成,且可获得较高的控制精度,因而得到了广泛的应用。
用PLC控制四相双四拍步进电机的方法简单易行,可靠性高。
由于采用了PLC控制步进电机技术,所以改变控制参数相当方便,只需改变PLC程序中相应部分即可。
对任何相数的步进电机都可以使用,在设计方法上简单易行.减少占用PLC的I/O口,与PLC接口时比较方便,这样在PLC控制步进电机的控制系统中不仅减少了控制系统设计的上作量、大大缩短开发研制周期和节约了开发费用.而且提高了控制系统的柔性和可靠性,具有较高的推广和实用价值
本人因技术及知识有限,文中难免有不足之处,请给予指教!
第一章步进电机原理
1.1步进电动机的结构与工作原理
步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。
每来一
个电脉冲,电机转动一个角度,带动机械移动一小段距离。
1.1.1步进电动机
步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。
主要要求:
动作灵敏、准确、重量轻、
体积小、运行可靠、耗电少等。
1.1.2步进电动机的特点:
1来一个脉冲,转一个步距角。
2控制脉冲频率,可控制电机转速。
3改变脉冲顺序,改变方向。
1.1.3步进电动机的种类
根据励磁式方式的不同分为:
反应式、永磁式和混合式(又叫感应子式)三
种。
反应式步进电机的应用较多。
下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。
图7-20(a)三相反应式步进电动机工作原理图
A相通电,A方向的磁通经转子形成闭合回路。
若转子和磁场轴线方向原有一定角度,则在磁场的作用下,转子被磁化,吸引转子,使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小,使转、定子的齿对齐停止转动。
A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。
图7-20(b)三相反应式步进电动机工作原理图
图7-20(c)三相反应式步进电动机工作原理图
同理,B相通电,转子2、4齿和B相轴线对齐,相对A相通电位置转30最后,C相通电,转子1、3齿和C相轴线对齐,相对B相通电比较,转子再次转动30
1.2四相步进电机的工作原理
该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。
图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
图1四相步进电机步进示意图
开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同,可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等,但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示:
A单四拍b双四拍c八拍
图2.步进电机工作时序波形图
第二章PLC简介
2.1PLC的基本概念
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC
2.2PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同,如图所示:
a.中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性,近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统,或采用三CPU的表决式系统。
这样,即使某个CPU出现故障,整个系统仍能正常运行。
b、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
C、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
2.3PLC的工作原理
一.扫描技术
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(一)输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入。
(二)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即,在用户程序执行过程中,只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用;相反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
(三)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
这时,才是PLC的真正输出。
第三章三菱系列PLC
3.1三菱PLC简介
三菱PLC英文名又称:
MitsubishPowerLineCommunication,是三菱电机在大连生产的主力产品。
三菱PLC在中国市场常见的有以下型号:
FR-FX1NFR-FX1SFR-FX2NFR-FX3UFR-FX2NCFR-AFR-Q
3.2三菱PLC主要特点
1结构灵活
不受环境的限制,有电即可组建网络,同时可以灵活扩展接入端口数量,使资源保持较高的利用率,在移动性方面可与WLAN媲美。
2传输质量高、速度快、带宽稳定
可以很平顺的在线观赏DVD影片,它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提供保证。
最新的电力线标准HomePlugAV传输速度已经达到了200Mbps;为了确保QoS,HomePlugAV采用了时分多路访问(TDMA)与带有冲突检测机能的载体侦听多路访问(CSMA)协议,两者结合,能够很好地传输流媒体。
3范围广
无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。
虽然无线网络可以做到不破墙,但对于高层建筑来说,其必需布设N多个AP才能满足需求,而且同样不能避面信号盲区的存在。
而电力线是最基础的网络,它的规模之大,是其他任何网络无法比拟的。
由此,运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。
这一技术一旦全面进入商业化阶段,将给互联网普及带来极大的发展空间。
终端用户只需要插上电力猫,就可以实现因特网接入,电视频道接收节目,打电话或者是可视电话。
4低成本
充分利用现有的低压配电网络基础设施,无需任何布线,节约了资源。
无需挖沟和穿墙打洞,避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏,同时也节省了人力。
相对传统的组网技术,PLC成本更低,工期短,可扩展性和可管理性更强。
目前国内已开通电力宽带上网的地方,其包月使用费用一般为50-80元/月左右,这样的价格和很多地方的ADSL包月相持平。
5适用面广
PLC作为利用电力线组网的一种接入技术,提供宽带网络“最后一公里”的解决方案,广泛适用于居民小区,酒店,办公区,监控安防等领域。
它是利用电力线作为通信载体,使得PLC具有极大的便捷性,只要在房间任何有电源插座的地方,不用拨号,就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入,来浏览网页﹑拨打电话,和观看在线电影,从而实现集数据、语音、视频,以及电力于一体的“四网合一”。
3.3FX系列PLC
1系统配置既固定又灵活
在基本单元上连接单元或扩展,可进行16~256点的灵活输入出组合。
在基本单元,扩展单元上可分别连接扩展模块还可连接FXon系列扩展模块
2编程简单
指令种类
指令数目
基本指令
27种
步进梯形指令
2种
应用指令
128种:
298个
应用指令中有多个可使用的简单指令
●高速处理指令
输入过滤器常数可变,中断输入处理,直接输入等。
●便利指令
数字开关的数据读取,16位数据的读取矩阵输入的读取,7段显示器输出等。
●数据处理
数据检索,数据排列,三角子函数运算,平方根,浮点小数运算等。
●特殊用途
脉冲输出(20KHZ/DC5V,10KHZ/DC12V~24V)脉宽调制,PID控制指令等。
●外部设备相互通信
串行数据传送,ACCIIcode印刷,HEX←→ASCII变换,校验码等。
●时计控制
内置时钟的数据比较、加法、减法,读出、写入等。
3备有可自由选择,丰富的品种
可选用16/32/48/64/80/128/点的主机,可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式,自由选择。
4令人放心的高性能
程序容量.....内置8000步RAM(可输入注释)可使用存储盒,最大可扩充至16K步。
丰富的软元件
5高速运算
●1个指令运行时间,只需0.08us
·基本指令/1指令 0.08us
·应用指令/1指令 1.52us~数100us
●在指令以外,实现高速化
·高速计数器
1相 60KHZ:
2点10KHZ:
4点或
2相30KHZ:
1点 5KHZ:
1点
·脉冲读取
可读取最大50us的短脉冲输入
6适用于多种特殊用途
●还可应用在模拟控制、定位控制等特殊用途。
●FX2N系列中,1台基本单元最多可连接8台扩展模块或特殊功能模块
·模拟输入输出
FX2N-4AD……模拟输入(4CH)
FX2N-4DA……模拟输出(4CH)
FX2N-4AD-PT……PT-100温度感应器用(4CH)
FX2N-AAD-TC……电热偶温度感应器用(4CH)
FXON-3A……模拟输入出模块(2CH入,1CH出)
●高速脉冲输入
FX2N-1HC……高速计数器(2相50KHZ)
●定位
FX2N-1PG……脉冲输出(1轴100KPPS)
●RS232C机器通讯
FX2N-232IF……RS232通讯用(1CH)
7外部机器通讯简单化
●通过安装机能扩充板,可将与外部设备通讯端口置1个通道。
●一台FX2N主机可安装一个机能扩充板。
·RS232C通信用
FX2N-232-BD……可以同各种RS232接口内置设备进行通讯,可以和个人电脑连接。
·RS485通信用
FX2N-485-BD……可以同个人电脑等计算机连接,可以再同1台基本单元并连连接,可以在FXON,FX2N间作简易PLC间进行连接。
·RS422通信用FX2N-422-BD……可以同编程工具,DU,GOT等连接。
●机能扩充板
在上述通讯功能之外,还备有多种。
·电位器适配器
FX2N-8AV-BD……模拟计时器(8点内置)
FXON用适配器连接
FX2N-CNV-BD……用于连接FXON系列用的适配器板。
FXON-232ADP(RS232C通讯用)
FXON-485ADP(计算机连接,并连简易PLC间连接)
●在使用FX2N-485-BD及FXON-485ADP的FX2N系列间,可作简易PLC通信连接。
8可共同的外部设备
·可以共用FX系列的外部设备
便携式简易编程器FX-10P-E、FX-20P-E需使用FX-20P-CAB0作连接线
·个人电脑软件
视窗(3.1,95)用(FX-PCS/WIN)(需使用SC-09作连接线
第四章PLC的四相步进电机控制方法及实现
4.1概述
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。
步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。
所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序.便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。
步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变,都在少数脉冲内完成,且可获得较高的控制精度,因而得到了广泛的应用
4.2PLC的特点及应用
可编程序控制器fProgrammableLogicController)简称PLC,是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。
它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等优点,因此迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。
1高可靠性
PLC所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离;各输入端均采用RC滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms;各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰;采用性能优良的开关电源:
具有良好的自诊断功能.一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大;简化编程语言,对信息进行保护和恢复.设置警戒时钟WDT;对程序和动态数据进行电池后备。
上述措施使PLC有高的可靠性。
而采用循环扫描工作方式也提高其抗干扰能力。
2通用性强、采用模块化结构
各个PLC的生产厂家都有各种系列化产品和各种模块供用户选择。
用户可以根据控制对象的规模和控制要求,选择合适的PLC产品,组成所需要的控制系统。
在做应用设计时,一般不需要用户制作任何附加装置.从而能使设计工作简化。
为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外。
绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件。
包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合且扩充方便、组合灵活。
此外PLC具有丰富的I/O接口模块、编程简单易学、手段多;安装简单、维修方便;速度快等特点,是“机电一体化”特有的产品。
3PLC的应用领域
PLC在工业自动化领域起着举足轻重的作用.在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。
实践证明80%以上的工业控制可以使用PLC来完成。
PLC可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信联网等。
使用PLC可实现步进电机的控制.可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高。
4.3步进电机的控制原理
1四相步进电机的控制要求:
(1)能对四相步进电机的转速进行控制;
(2)可实现对四相步进电机的正反转控制;
(3)能对四相步进电机的步数进行控制。
2运动速度的控制
步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。
从图1可以看出,当改变输入脉冲的周期时,ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化。
这就导致通电和断电变化的速率发生变化,使电机
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