基于plc和触摸屏的电动机速度pid控制系统的设计本科学位论文.docx
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基于plc和触摸屏的电动机速度pid控制系统的设计本科学位论文.docx
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基于plc和触摸屏的电动机速度pid控制系统的设计本科学位论文
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2014届
分类号:
TP276
单位代码:
10452
毕业论文(设计)
基于PLC和触摸屏控制的电动机速度
PID控制系统的设计
姓名 田川
学号 201009140139
年级 2010
专业 电气工程及其自动化
系 (院) 汽车学院
指导教师 王君普
2014年3月22日
摘要
步进电机是将脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构,在正常运行状态下,电机的转速、停止位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数,不受负载变化的影响。
步进电机驱动器就是接受控制系统发出的脉冲信号(一般为PLC或单片机)并将其转化为步进电机的角位移,也就是控制系统每发一个脉冲信号,驱动器就控制步进电机旋转一步距角。
所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比,控制脉冲信号的频率,就可以对电机进行精确调速;控制步进脉冲的个数,就可以对电机进行精确定位。
PLC从问世就在工业生产中占有重要地位,随着科技的不断发展,新产品的不断问世,PLC的地位虽然受到一定的冲击,但其仍然可以完成80%以上的工业控制要求,并以其体积小、操作方便、价格便宜、抗干扰能力强等诸多优点仍在工业生产中占有重要地位。
触摸屏作为一种新兴的输入设备,它是目前最方便、简单、自然的人机交互方式,与PLC等控制器的结合是未来工业自动化的必然趋势。
旋转编码器是将角位移或直线位移进行转换的一种装置,并以电信号的形式输出,前者称为码盘,后者称为码尺。
拨码盘目前最为简便快捷的数字量输入设备,而且便宜能用,适用于各种场合。
本设计用触摸屏给PLC发出指令,步进电动机驱动器接受PLC发出的脉冲信号进而驱动步进电机带动珠丝杆滑台做匀速的往返加、减速运动,通过触摸屏和拨码盘可实现速度的实时设定。
旋转编码器与步进电机由联轴器同轴连接,将测量数值传输给PLC,PLC接收数据一方面进行计算后传输触摸屏进行速度的实时显示,另一方面PLC自带的PID模块进行数字量闭环控制,对电机转速进行精确地控制、调整。
关键词:
PLC;步进电机;步进电机驱动器;旋转编码器;触摸屏
Abstract
Steppermotoristheexecutivebodyofthepulsesignalintoangulardisplacementorlineardisplacement,undernormaloperatingconditions,themotorspeed,thestoppositiondependsonthepulsesignalfrequencyandpulsenumber,isnotaffectedbythechangeofload.Steppermotordriveristhepulsesignalfromthecontrolsystem(usuallyPLCorMCU)intoangulardisplacementofsteppingmotorcontrolsystem,alsoiseachsendapulsesignal,thedrivermakesthestepmotorstepangle.Sothesteppermotorspeedandthefrequencyofthepulsesignalisproportionaltothefrequencyofthepulsesignal,control,cancarryoutprecisecontrolofmotorspeedcontrol;thenumberofsteppulse,cancarryoutprecisepositioningofthemotor.
PLCfrombeingpublishedinindustrialproductionplaysanimportantrole,withthedevelopmentofscienceandtechnology,newproductsareemerging,thepositionofthePLCalthoughsubjecttocertainimpact,butitcanstillcompletetheindustrialcontrolrequirementsofmorethan80%,andinmanyoftheadvantagesofsmallsize,convenientoperation,lowprice,stronganti-interferenceabilitystillinindustrialproductionplaysanimportantrolein.
Thetouchscreenisaninputdeviceofemerging,itisaman-machineinteractivewaytothemostsimple,convenient,natural,combinedwithPLCcontrollerisaninevitabletrendofthefutureindustrialautomation.Rotaryencoderisadeviceforsignalconversionangulardisplacementorlineardisplacement,theformeriscalledtheencoder,whichisreferredtoastheyardstick.Dialthedigitalinputdeviceissimple,andcheaptouse,issuitableforvariousoccasions.
TouchscreenwiththedesigntothePLCinstruction,issuedbyPLCpulsesignalistransmittedtothestepmotordriver,drivertodrivethesteppermotordrivesthescrewslideuniformround-trip,accelerationanddecelerationmotion,throughthereal-timesettingtouchscreenandcanrealizethespeeddial.Therotaryencoderisconnectedwiththesteppingmotorbyacouplingcoaxial,themeasuredvalueistransmittedtothePLC,aPLCreceivingdatareal-timedisplaycalculatedtransmittedtouchscreenforspeed,ontheotherhandthePIDbuilt-inPLCmodulesfortheclosed-loopdigitalcontrol,accuratecontrol,adjustmentofthemotorspeed.
Keywords:
PLC;Stepmotor;Steppermotordrive;Rotaryencoder;Touchscreen
目 录
1设计任务1
1.1设计内容1
1.2设计方案1
2硬件电路的选择1
2.1步进电机的选择1
2.1.1步进电机工作原理及分类1
2.1.2步进电机的特点2
2.1.3步进电机的计算、选择2
2.2步进电机驱动器的选择3
2.2.1驱动器的基本原理3
2.2.1步进驱动器细分的优点3
2.3PLC的选择3
2.3.1PLC简介及特点3
2.3.2PLC中PID的计算4
2.3.3PLC选型4
2.4触摸屏4
2.4.1触摸屏的工作原理及特性 4
2.4.2触摸屏的分类5
2.5旋转编码器5
2.5.1旋转编码器工作原理介绍5
2.5.2旋转装编码器的分类5
2.6拨码盘、滑台6
3硬件电路的设计7
3.1步进电机与步进驱动器的连接7
3.2PLC与触摸屏、拨码盘的连接7
3.3PLC与旋转编码器的连接8
3.4滑台与PLC、旋转编码器、步进电机的连接9
3.5硬件电路原理图9
4软件设计11
4.1PLC主程序11
4.2触摸屏程序16
5设计系统的安装与调试22
5.1安装调试22
5.2总结23
参考文献25
谢辞26
1设计任务
1.1设计内容
本设计为基于PLC和触摸屏的电动机速度PID控制系统的设计,主要任务为在触摸屏的控制、显示下,由旋转编码器与PLC自带的PID模块形成的数字量闭环控制系统,控制两相步进电动机带动珠丝杆滑台做匀速、加、减速的自动往返运动,并可通过出触摸屏、拨码盘进行两地电机转速的实时设定。
1.2设计方案
图1:
设计框图
系统由触摸屏控制PLC,PLC根据触摸屏的指令作出相应的响应,发出脉冲指令给步进驱动器,步进电机驱动器驱动步进电机,步进电机带动滑台运动,同时旋转编码器测速,并将数据传送给PLC,PLC经过PID计算,一方面给触摸屏信号显示速度,另一方面进行PID闭环控制。
拨码盘与触摸屏可对步进电机进行两地实时的速度设定。
2硬件电路的选择
2.1步进电机的选择
2.1.1步进电机工作原理及分类
步进电机通过脉冲信号和反射到执行机构的相应角位移或线位移的脉冲信号控制。
每一个脉冲信号都将使步进电机前进或者后退一个固定的角度,此角度称为步距角,由此知道步进电机的角位移量和速度,严格的对应着输入脉冲的数量和脉冲频率。
步进电机的角位移量可通过控制脉冲个数达到准确定位的目的;改变脉冲发出频率,就可以改变步进电机的转速,从而达到调节速度的目的。
步进电机的种类很多,按照不同的标准有许多划分,例如按相数分则可以分为单相、两相和多相3种;按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机3类。
步进电机的控制方式、基本原理都是一样的,不同的是为了适用不同的场合、恶劣的环境等制作工艺不同等等。
2.1.2步进电机的特点
1)步进电机输入的脉冲数控制角位移量。
2)步进电机具有良好跟随性,没有累积误差。
3)步进电机与驱动器电路组成的开环控制系统,简单、廉价,又非常可靠。
同时也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。
4)步进电机的动态响应快,易于启动、换向,但是效率低。
5)步进电机带惯性负载的能力较差,自身的振动和噪声较大。
2.1.3步进电机的计算、选择
1)力矩与功率计算
P=Ω·M
(1)式中P为功率单位为瓦w;Ω为每秒角速度,单位为弧度rad;M为力矩单位为N/m。
Ω=2π·n/60
(2) 式中n为每分钟转速r/min
由公式
(1)、
(2)结合可得
P=2πNM/60
2)步进电机选择三要素
步进电机的选择三要素包括步距角的选择、静力矩的选择和电流的选择。
步距角的选择负载精度决定步进电机的步距角。
把负载的最小分辨率换算到电机轴上,得到每个最小分辨率下电机应走多少角度(包括减速),步进电机的步距角要等于或小于此角度。
步进电机的步距角一般有0.36/0.72°(五相电机)、0.9/1.8°(二/四相电机)、1.5/3°(三相电机)等。
静力矩的选择步进电动机的动态力矩不容易确定,所以我们一般先确定电机的静力矩。
电机工作的负载决定静力矩,电机负载又可分为两类--惯性负载和摩擦负载。
因为不存在单一的惯性负载和摩擦负载,所以步进电机直接起动时二种负载均要考虑,主要考虑加速起动时惯性负载,恒速运行时只考虑摩擦负载。
正常情况下,静力矩为摩擦负载的2-3倍为佳,电机的机座及长度随静力矩的选定而确定(几何尺寸)。
电流选择电流参数不同的电机即使静力矩相同,他们的运行特性也有很大的差别,电流可依据矩频特性曲线图判断。
据以上要素,本设计选用57BYG系列两相步进电机--57BYG501作为被控对象,额定电压为直流24V,额定电流为0.38A,电阻为60Ω,电感为120mH,转矩为34.3N/cm。
它不仅能满足设计的要求,而且更经济,性价比高。
两相步进电机总共有4根导线分别对应A+,A-;B+,B-;A+,A-;B+,B-可用数字万用表测电阻获得,有示数说明是同相,否则反之。
2.2步进电机驱动器的选择
2.2.1驱动器的基本原理
1)工作原理
步进电机驱动器接受系统发出的脉冲信号(一般为PLC或单片机)并将其转化为步进电动机的角位移,也就是步进驱动器没接收一个脉冲信号,就驱动步进电机旋转一个步距角。
所以步进电动机的转速与脉冲信号的频率成正比。
故控制脉冲信号的频率,就可以对电机进行精确调速;控制步进脉冲的个数,就可以对电机进行精确定位。
2)细分
步进驱动器的细分就是把步进电机的转矩角进行细分,如57BYG系列步进电机,转矩角为0.9/1.8°,西分数为10的话,转矩角就变成0.09°,也就是步进电机一步只能转动0.09°,是原来的十分之一。
通过细分,可以提高电机的分辨率,更精确的控制步进电机的位置。
2.2.1步进驱动器细分的优点
1)完全消除了电机的低频震荡
2)提高了电机的输出转矩
3)提高了电机的分辨率
根据系统要求,选择了一款与57BYG系列电机相匹配的带有细分功能的混合式步进电机驱动器SJ-2H30M5,驱动器相数2相,最大电流3A,电压DC24-10V,细分数2/5/10/40,共阳极接法OPTOCPDIRFREE,OPTO公共端,CP脉冲输入端,DIR方向脉冲输入端,FREE脱机信号输入端。
2.3PLC的选择
2.3.1PLC简介及特点
PLC是可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)的简称。
PLC采用可编程的存储器,用于储存内部程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟量输入输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC特点:
1)使用方便,编程简单
2)功能强大、性价比高
3)用户使用方便,适应性强
4)系统的设计、安装、调试工作量小
5)维护方便
2.3.2PLC中PID的计算
三菱FX2N系列PLC具有模拟量功能模块,如FX2N-4AD、FX2N-4DA、FX2N-2DA,根据PLC提供的PID过程控制模块,我们设定好PID参数并运行,就能求得输出控制值,实现过程控制。
PID指令的源操作数[S1]、[S2]、[S3]和目标操作数均为D,16位运算占9个程序步。
[S1]和[S2]分别用来存放给定值GD和当前测量到的反馈值FK,[S3]~[S3]+6存放控制参数的值,运算结果JG存放在[D]中。
源操作数[S3]占用从[S3]开始的25个数据寄存器。
PID指令用于闭环模拟量控制,在开始之前,使用MOV指令将参数设定值预先写入数据寄存器中。
如果目标操作数有断电保持功能,应使用初始化脉冲M8002的常开触点将它复位。
[S3]~[S3]+6被用来存放采样周期TS、动作方向、输入滤波常数α、比例增益KP、积分时间TI、微分增益αD和微分时间TD。
PID指令占用[S3]+7~[S3]+19,[S3]+20~[S3]+23用于输入、输出变化量增加、减少的报警设定值。
[S3]+24的0~3位用于报警输出。
PID指令可以用于定时中断、子程序、步进梯形指令区和转移指令中,但是在执行PID指令之前应使用MOV指令将[S3]+7清零.
2.3.3PLC选型
1)输入输出点的估计。
根据系统的设计任务、使用的元器件的数量预估算输入输出
口得数量。
2)存储容量的估算。
存储容量大小根据系统的复杂程度选择合适的。
3)控制功能的选择。
包括运算功能,控制功能的选择,通信、编程、诊断和处理速
度等性能的选择。
根据系统的复杂程度、输入输出点的数量、信号输出方式为高频脉冲所以要选晶体管输出方式的PLC、负载功耗等因素,选择了三菱FX2N-32MT-001型号的PLC,16点输入/16点输出,内置8K容量的RAM存储器可扩展为最大16K,CPU运算处理速度0.08us,可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块,最高20KHz的输出频率。
2.4触摸屏
2.4.1触摸屏的工作原理及特性
触摸屏的工作原理是:
用手指或其他物体触摸触控屏时,所触摸的位置将以坐标的形式被触摸屏控制器检测,通过接口(如RS232串行口)送到CPU,从而确定输入的信息。
触摸屏系统由触摸屏控制器和触摸检测装置两部分组成。
触控屏控制器的主要功能是接收在触摸点检测到的触摸信息,并将信息以坐标的形式传送给CPU,同时触控屏控制器接收CPU发来的命令并加以执行;触摸检测装置一般位于显示器的前端,主要功能是检测并传送用户的触摸位置给触控屏控制器。
触摸屏有三大特性:
一是透明性,触摸屏的操作界面是透明的。
二是触摸屏是绝对坐标系统,绝对坐标系统的特点是每一次的定位都是独立的。
从物理学角度讲触摸屏是独立的坐标定位系统,触摸屏上的坐标都是每一次触摸的数据通过校准数据转化而成的。
三是检测触摸并定位,每次一的触摸,触摸屏都会理解检测到,并对触摸点进行坐标定位,然后在进行数据处理。
2.4.2触摸屏的分类
触摸屏的分类方法有很多种,在这里只做简单的介绍,不做深入的探讨。
根据触摸屏的技术原理可分为5个基本类型:
矢量压力传感技术触摸屏、电阻式触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。
矢量压力传感技术触摸屏已经退出了人们的视野;电阻式触摸屏定位准确,但其价格昂贵且易损坏;电容技术触摸屏设计合理,但容易失真且无法根本解决此问题;红外线技术触摸屏价格低廉但是易损坏、反光;表面声波技术触摸屏,解决了以往存在的问题与缺陷,适用于任何场合,但是对屏幕清洁程度要求较高,如果屏幕上有灰尘,将反应迟钝甚至不工作。
综合系统设计的环境、触摸屏的价格适用场合等因素,选用三菱F930GOT-BWD-C型号的触摸屏,其4.4寸单色蓝白显示器--清澈优良的高解像度液晶显示器,厚度为49mm。
具有简易的背景灯光更换,优良的耐酸环境、防尘、防水、耐油,保密功能、数据传输功能、时钟功能一应俱全。
2.5旋转编码器
2.5.1旋转编码器工作原理介绍
旋转编码器是将角位移或直线位移进行转换的一种装置,并以电信号的形式输出,前者称为码盘,后者称为码尺。
根据读出方式的不同,编码器可以分为接触式和非接触式两类。
采用电刷输出方式的是接触式,用电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”;接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件的是非接触式,采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。
2.5.2旋转装编码器的分类
1)增量式编码器
增量式编码器是用周期性的电信号表示位移,再用计数脉冲表示电信号,即最终将位移的大小用脉冲的个数表示。
绝对式编码器的每一个位置与确定的数字码一一对应,因此它的示值只和测量的起点和终点位置有关,而与过程无关。
2)绝对值式编码器
因为绝对值式编码器的每一个位置是绝对唯一的,抗干扰性强,不需要断电记忆,所以被广泛的用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。
绝对编码器的光码盘上刻有很多道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排,如此,编码器的每一个位置,都可以通过读取每道刻线的通、暗获得。
编码器的位置是由码盘的机械位置决定的,不受停电、干扰的影响。
根据设计系统要求。
脉冲频率、电机转速等因素,选择了欧姆龙的E6A2-CW5C型编码器,这是一款通用型、两项输出的编码器。
每转一圈发出200p/r,其外径25mm,具有IP50的防护等级,采用4mm不锈钢旋转轴。
该型号编码器总共有4根导线:
黑线、白线分别对应A、B两项输入,我们用PLC的高速脉冲计数器C251,其对应输入端为A相X0,B相X1。
褐色线对应直流24V正极;蓝线对应负极(PLC输入端的com口与之对应)。
2.6拨码盘、滑台
BCD拨码盘由拨码盘和接线端子组成。
BCD拨码盘有根导线,一根公共端,其余4跟分别表示8421。
拨码盘可以表示0-9,10个数字,是非常便捷的数字量输入设备。
表1BCD拨码盘状态表
位置
8
4
2
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
本设计使用一行程为600mm的珠丝滑台上的滑块为控制对象,用联轴器将步进电机与滑台珠丝杆链接,步进电机转动带动滑台做匀速、加减速的自动往返运行。
滑台两端按装有两对微动开关,一对用于自动换向,当滑块触碰到任意一个微动开关,自动换向;另一对用于限位,如果系统出现故障,不能进行换向而是继续前行,那么滑块只要触碰任意一个微动开关,整个系统将断电,此时需要检查、维修。
在滑台的另一端与步进电机同轴安装一旋转编码器,实时测算步进电机的转速,并将测量的数据传输给PLC进行处理,最后通过触摸屏显示当前转速。
3硬件电路的设计
3.1步进电机与步进驱动器的连接
图2:
步进电机与步进驱动器连接
脉冲信号与方向信号由PLC发出,外接5V直流驱动电源驱动脉冲信号与方向信号接收端,外接24V直流电源驱动步进电机。
步进电机A+,A-,B+,B-分别对应接入步进电机驱动器。
细分数的设置,“ON”为0,“OFF”为1。
4,、5一般为OFF,即拨到1的位置;1、2、3是步距角的细分数,细分数2/5/10/40分别对应000/001/010/100;6、7、8为电机电流的细分数。
3.2PLC与触摸屏、拨码盘的连接
通过触摸屏按钮对系统进行启动、停止、加速、减速控制,并在触摸屏上显示当前行进方向,全程走过了多少。
PLC通过与触摸屏连接的数据线进行通信,接受到触摸屏的命令后立即响应并发出相应的脉冲指令给步进电机驱动器。
通过拨码盘可以对电机当前转速进行设定,拨动按键输入数值后PLC立即读取并执行。
触摸屏也可以对电机当前速度进行设定,PLC也会立即响应。
图3PLC与触摸屏、拨码盘的连接
3.3PLC与旋转编码器的连接
图4PLC与旋转编码器的连
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