电磁铁推拉力测试系统控制部分设计说明书.docx
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电磁铁推拉力测试系统控制部分设计说明书
目录
第一章引言1
1.1电磁铁概述1
1.2课题背景及意义1
1.3国内外基本研究情况1
1.4课题的主要研究内容1
第二章理论知识介绍3
2.1PLC简介3
2.1.1PLC的结构及各部分的作用4
2.1.2PLC的工作原理5
2.1.3PLC编程语言5
2.2步进电机及其发展6
2.3步进电机的结构和工作原理7
2.4步进电机的特点8
第三章元器件选择及I/O分配10
3.1系统基本框图的确定10
3.1.1元器件的选择11
3.1.2雷赛ND1182步进驱动器11
3.1.3雷赛110HS20两相混合式步进电机15
3.2系统控制过程17
3.3控制系统的I/O点及地址分配17
第四章系统控制过程设计18
结束语26
参考文献27
第一章引言
1.1电磁铁概述
电磁铁在我们的日常生活中到处可见,应用非常广泛,生活中我们越来越离不开它。
电磁铁是一种电器,它被广泛应用于机床、起重机等大型机电设备中。
电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的一种电器。
衔铁的动作可使其他机械装置发生联动。
当电源断开时,电磁铁的磁性随之消失,衔铁或其他零件即被释放。
电磁铁在生产中的应用极为普遍,工业上常用来制动机床和起重机的电动机。
当接通电源时,电磁铁动作而拉开弹簧,把抱闸提起,于是放开装在电动机轴上的制动轮,这时电动机便可自由转动。
当电源断开时,电磁铁的衔铁落下,弹簧便把抱闸压在制动轮上,电动机就被制动。
在起重机中采用这种方法,可以避免由于工作过程中的断电而使重物滑下造成的事故。
随着机械工业的发展,在机床中也常用电磁铁操纵气动或液压传和控制变速机构。
电磁吸盘和电磁离合器也都是电磁铁的具体应用
此外,现代物流业的集装流程中,也使用电磁铁进行起重提放钢材等。
不论是机床、起重机,还是物流装卸的电磁继电器和接触器,电磁铁的任务是开闭电路,起到一个开关的作用。
1.2课题背景及意义
电磁铁是一种基于电磁系统产生电磁力,使衔铁做机械运动,从而对外做功的电-机转换器,因此,电磁铁力特性成为表征其主要性能的基本特性。
作为一个转换元件,电磁铁的静态力特性直接影响到由它所构成的元件及装置的整体性能,国内外有许多机构、学者都曾做过电磁铁的推拉力测试,可以测试量电磁铁的静动态力和位移特性。
有的结构复杂,精度不高,且难以测量出双向电磁铁的静动态力特性。
因此,对电磁铁进行推拉力的测试是非常必要的。
1.3国内外基本研究情况
电磁铁被广泛应用于工业生产和日常生活之中,其作用不容忽视。
电磁铁的特性中力的特性是很重要的一部分,因此对电磁铁进行推拉力测试具有非常的实际意义。
国内外已经有很多学者和机构对其进行研究和探讨过。
此次,本人在前人的基础上,基于PLC控制步进电机和滚珠丝杆组成的机构,应用力传感器技术,再一次尝试对电磁铁的推拉力测试进行学习研究,以更好的学习掌握所学的相关内容。
1.4课题的主要研究内容
电磁铁推拉力测试系统——控制部分设计,其主要工作内容是:
1)确定电磁铁测力系统的方案及系统的各组成部件
首先拟定一个大致方案,初步确定各组成部件的型号。
再分析了解各组成部分的功能用途,掌握各部件的使用方法和工作原理。
最后讨论系统的可行性、连续性、完整性,不断修正系统,确保系统能正常、稳定的工作。
握PLC基本指定和程序设计的方法。
要弄清步进电机、驱动器的工作原理和其参数特性以及他们之间的接线问题。
最终学会如何用PLC对步进电机实现精确的速度控制、正转、反转等。
2)对电磁铁测力系统的控制部分进行学习和研究
为实现PLC对步进电机的精确控制,一定要掌握PLC应用技术的核心内容,如各种控制线路图、功能图、梯形图、时序图、语句表等,掌握PLC的基本指定和程序设计的方法;要弄清楚步进电机、驱动器的工作原理和参数特性以及他们之间的接线问题,最终学会如何用PLC对步进电机实现精确地速度控制、正转、反转等。
3)其他工作
要知道力传感器、位移传感器、滚珠丝杠和显示终端的工作原理和特征参数,最终得到不同距离时电磁铁推拉力的大小
对本课题的研究,预期要达到能用PLC实现对步进电机的精确速度控制、正转、反转等,熟悉步进电机、驱动器、滚珠丝杠、推拉力传感器、位移传感器、电磁铁的工作原理和特征参数,最终得到电磁铁在每隔0.2mm时所对应的推拉力大小的目标。
其中关键的理论和技术是PLC应用技术在工程实现.中程序设计的方法,技术指标要达到精确的控制。
其使用的方案是用电磁铁、位移传感器、力传感器、滚珠丝杠、显示终端、步进电机、驱动器、电源所组成的系统进行电磁铁的推拉力测试。
第二章理论知识介绍
2.1PLC简介
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。
同时,PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
作为离散控的制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC年增长率保持为20%~30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是,在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料,2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置。
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。
PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。
一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。
如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。
PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。
近10年来,随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制,PLC在我国的应用增长十分迅速。
随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器,但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。
实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器,现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。
可编程控制器对用户来说,是一种无触点设备,改变程序即可改变生产工艺,因此可在初步设计阶段选用可编程控制器,在实施阶段再确定工艺过程。
另一方面,从制造生产可编程控制器的厂商角度看,在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器,适合批量生产。
由于这些特点,可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎,并得到迅速的发展。
目前,可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具,得到了广泛的应用。
2.1.1PLC的结构及各部分的作用
可编程控制器的结构多种多样,但其组成的一般原理基本相同,都是以微处理器为核心的结构。
通常由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几个部分组成。
(一)中央处理单元(CPU)
CPU作为整个PLC的核心,起着总指挥的作用。
CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。
CPU的功能有以下一些:
从存储器中读取指令,执行指令,取下一条指令,处理中断。
(二)存储器
存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
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;存放工作数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。
RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序,生成用户数据区,存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器,可用锂电池做备用电源。
掉电时,可有效地保持存储的信息。
EPROM、EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
(三)输入输出单元(I/O单元)
I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。
PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器,而继电器有交流和直流型,高电压型和低电压型,电压型和电流型。
(四)电源
PLC电源单元包括系统的电源及备用电池,电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。
PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。
(五)编程器
编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器,还可以用编程器检查程序,修改程序,监视PLC的工作状态。
除此以外,在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包,即可用个人计算机对PLC编程。
利用微机作为编程器,可以直接编制并显示梯形图。
2.1.2PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式,在PLC中用户程序按先后顺序存放,CPU从第一条指令开始执行程序,直到遇到结束符后又返回第一条,如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时,只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时,从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出,一直循环扫描工作。
(一)输入处理
输入处理也叫输入采样。
在此阶段,顺序读入所有输入端子的通端状态,并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。
在此输入映象寄存器被刷新。
接着进入程序执行阶段。
在程序执行时,输入映象寄存器与外界隔离,即使输入信号发生变化,其映象寄存器的内容也不会发生变化,只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。
(二)程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则,按先左后右先上后下的步序,逐句扫描,执行程序。
遇到程序跳转指令,根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
从用户程序涉及到输入输出状态时,PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态,从输出映象寄存器读出对应映象寄存器,根据用户程序进行逻辑运算,存入有关器件寄存器中。
对每个器件来说,器件映象寄存器中所寄存的内容,会随着程序执行过程而变化。
(三)输出处理
程序执行完毕后,将输出映象寄存器,即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态,在输出处理阶段转存到输出锁存器,通过隔离电路,驱动功率放大电路,使输出端子向外界输出控制信号,驱动外部负载。
2.1.3PLC编程语言
(一)梯形图编程语言
梯形图沿袭了继电器控制电路的形式,它是在电器控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的,形象、直观、实用。
梯形图的设计应注意以下三点:
(1)梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。
每一逻辑行起始于左母线,然后是触点的串、并联接,最后是线圈与右母线相联。
(2)梯形图中每个梯级流过的不是物理电流,而是“概念电流”,从左流向右,其两端没有电源。
这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。
(3)输入继电器用于接收外部输入信号,而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。
因此,梯形图中只出现输入继电器的触点,而不出现其线圈。
输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备,当梯形图中的输出继电器线圈得电时,就有信号输出,但不是直接驱动输出设备,而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。
输出继电器的触点可供内部编程使用。
(二)语句表编程语言
指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式,但比汇编语言易懂易学。
一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。
(三)控制系统流程图编程图
控制系统流程图是一种较新的编程方法。
它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程,目前国际电工协会(IEC)正在实施发展这种新式的编程标准。
2.2步进电机及其发展
步进电机又称脉冲电机或阶跃电机,是一种将电脉冲信号转变为角位移或直线位移的电磁元件,从能量的转换角度看,它和普通电机无异。
国外一般称为Stepmotor或Steppingmotor,Pulsemotor,Stepperservo,Stepper等等。
步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机,也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电机。
步进电机的工作过程为,每输入一个脉冲信号,则改变一次励磁状态使转子转过一定角度,若没有脉冲信号输入,则转子保持在某一位置静止不动。
步进电机原始模型起源于1830年至1860年间,工作的机理是基于最基本的电磁铁作用,步进电机的控制是从1870年前后开始的,应用于氢弧灯的电极输送机构中,这被认为是最初的步进电机。
此后,在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。
不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。
随着永磁材料的发展,在20世纪60年代后期,各种实用性步进电机应运而生,半导体技术的发展又推动了步进电机在众多领域的应用。
在近30年间,步进电机迅速发展并成熟起来。
步进电机已经能与直流电机、异步电机,以及同步电机并列,从而成为电动机的一种基本类型。
上世纪50年代后期,我国开始进行步进电机的研究及制造。
从50年代后期到60年代后期,主要是科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。
这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。
70年代初期,步进电机的生产和研究有所突破。
主要在驱动器设计方面和反应式步进电机本体设计研究方面。
70年代中期至80年代中期为产品发展阶段,主要是新品种高性能电机不断被开发。
自80年代中期以来,由于对步进电机精确模型做了大量研究工作,各种混合式步进电机及其驱动器作为产品广泛利用。
步进电机分三种:
永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB)永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相:
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛。
2.3步进电机的结构和工作原理
步进电机是机电一体化的关键部件之一,被广泛应用于需要精确定位、同步、行程控制等场合。
一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种,但其控制方式均相同,必须以脉冲电流来驱动。
若每旋转一圈以200个励磁信号来计算,则每个励磁信号前进1.8度,其旋转角度与脉冲数成正比,正、反转可由脉冲顺序来控制。
二、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁,其中全步励磁又有1相励磁及2相励磁之分,而半步励磁又称1-2相励磁。
图为步进电动机的控制等效电路,适应控制A、B、/A、/B的励磁信号,即可控制步进电动机的转动。
每输出一个脉冲信号,步进电动机只走一步。
因此,依序不断送出脉冲信号,即可步进电动机连续转动。
分述如下:
A、1相励磁法:
在每一瞬间只有一个线圈导通。
消耗电力小,精确度良好,但转矩小,振动较大,每送一个励磁信号可走1.8度。
若欲以1相励磁法控制步进电动机正转,其励磁顺序如图2-1所示。
若励磁信号反向传送,则步进电动机反转。
图2-11相励磁法
B、2相励磁法:
在每一瞬间会有二个线圈同时导通。
因其转矩大,振动小,故为目前用最多的励磁方式,每送一励磁信号可走1.8度。
若以2相励磁法控制步进电动机正转,其励磁顺序如图所示。
若励磁信号反向传送,则步进电动机反转
图2-22相励磁法
C、1-2相励磁法:
为1相与2相轮流交替导通。
因分辨率提高,且运转平滑,每送一励磁信号可走0.9度,故亦广泛被采用。
若以1相励磁法控制步进电动机正转,其励磁顺序如图2-3所示。
若励磁信号反向传送,则步进电动机反转。
图2-31-2相励磁法
步进电动机的负载转矩与速度成反比,速度愈快负载转矩愈小,当速度快至其极限时,步进电动机即不再运转。
所以在每走一步后,程序必须延时一段时间。
2.4步进电机的特点
步进电机由于它的运行原理、驱动原理及控制方式的特殊性,使其具有如下特点:
(1)步进电机只能在一定脉冲电源供电下才能运行。
(2)采用脉冲供电方式,即励磁绕组上施加的不是一个恒定的直流或交流电压,而是采用电子开关断续加以直流电压。
(3)电机的转速与脉冲频率保持严格的同步关系。
(4)定位能力高,具有自锁能力。
(5)具有较大的加速转矩,其性能的提高与控制方式、驱动电路的参数等有密切关系。
(6)正反转及变速响应性好,易于启动、停止。
(7)电机本体部件少,无刷,可靠性高;
(8)步距角选择范围大,可在几十角分至180范围内选择,在小步距角情况下,通常可以在超低速下高转矩稳定运行,通常可以不经减速器直接驱动负载。
(9)同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行。
速度可在相当宽范围内平滑调节。
(10)步进电机带惯性负载的能力较差。
(11)由于存在失步和共振,因此步进电机的加速、减速方法根据利用状态不同而复杂化。
(12)不能直接使用普通的交流电源驱动。
第三章元器件选择及I/O分配
3.1系统基本框图的确定
电磁铁推拉力测试系统的基本框图如图3-1所示
图3-1系统基本框图
Network1Q0.1接步进驱动器方向脉冲,初始化置位Q0.1,步进正传
LDSM0.1
SQ0.1,1
Network2调用高速脉冲输出,同时M0.0作为第一次正传脉冲输出结束后使能反转脉冲输出
LDSM0.1
OM0.0
CALLSBR0
RQ0.0,1
EU
RM0.0,1
Network3调用高数计数
LDSM0.1
CALLSBR1
子程序高速脉冲输出:
Network1这是西门子PLC中高速PTO脉冲输出3段输出的格式字,3是指三段(加速段,匀速段,减速段),Q0.0是脉冲输出点,接驱动器脉冲信号端
LDSM0.0
MOVB3,VB500
MOVW100,VW501
MOVW-2,VW503
MOVD100,VD505
MOVW100,VW509
MOVW0,VW511
MOVD1300,VD513
MOVW100,VW517
MOVW2,VW519
MOVD100,VD521
Network2这是执行PTO高速输出指令,同时在输出结束进入中断
LDSM0.0
MOVB2#10100000,SMB67
MOVW500,SMW168
ATCHINT0,19
ENI
PLS0
子程序高速计数:
Network1这是西门子高速计数器格式,采用HSC0计数器9号模式(AB相正交,A接I0.0,B接I0.1)
LDSM0.1
MOVB16#F8,SMB37
HDEF0,9
MOVD0,SMD38
MOVD99999999,SMD42
HSC0
中断程序:
Network1在正传脉冲输出结束后复位Q0.1,反转,同时置位M0.0,在主程序中再次调用脉冲输出,实现反转运行
LDSM0.0
LPS
AQ0.1
SM0.0,1
LPP
RQ0.1,1
Network2
//正传脉冲输出结束后,高速计数器清零,为反转脉冲计值做初始化
LDSM0.0
MOVD0,SMD38
MOVB16#C0,SMB37
HSC0
附录Ⅲ控制系统外部接线图
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