完整版基于PLC的步进电动机的控制系统毕业设计.docx
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完整版基于PLC的步进电动机的控制系统毕业设计
基于PLC的步进电动机的控制系统
学院:
继续教育学院
专业:
机械设计制造及自动化
学生姓名:
吴延东
指导教师:
张辉
2014年8月
毕业设计(论文)答辩成绩评定
专业毕业设计(论文)第答辩委员会于
年月日审定了班级学生的毕业设计(论文)。
设计(论文)题目:
设计(论文)共页。
毕业设计(论文)答辩委员会意见:
成绩:
专业毕业设计(论文)答辩委员会
主任委员(签字)
摘要
本课题使用PLC为西门子S7-200CN系列PLC-CPU224XPCNAC/DC/RLY。
其基本情况为:
CPU224XPCN,24VDC电源,24VDC输入,24VDC输出,6ES7214-2AD23-0XB8,集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,2输入/1输出共3个模拟量I/O点,可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。
22K字节程序和数据存储空间,6个独立的高速计数器(100KHz),2个100KHz的高速脉冲输出,4个上升沿和4个下降沿边沿中断,2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
本机还新增多种功能,如内置模拟量I/O,位控特性,自整定PID功能,线性斜坡脉冲指令,诊断LED,数据记录及配方功能等,是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU,用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。
关键词:
步进电动机PLC正反转与加减速控制
Ⅰ
第1章引言1
1.1PLC的介绍1
1.2步进电机的介绍1
第2章步进电机2
2.1步进电机工作原理2
2.1.1步进电机结构2
2.1.2旋转过程4
2.1.3力矩5
2.1.4步进电机的分类5
3.2步进电机控制方式及运行方式6
3.3脉冲和角度的关系7
第3章步进电机控制系统设计8
3.1步进电机模拟控制8
3.1.1控制流程分析8
3.1.2I/O分配表9
3.2步进电机流程图10
3.3步进电机接线图11
3.4梯形图的设计12
第4章结论23
参考文献24
致谢25
Ⅱ
第1章引言
1.1PLC的介绍
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分利用微处理器的优点。
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。
1.2步进电机的介绍
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。
第2章步进电机
2.1步进电机工作原理
2.1.1步进电机结构
步进电机结构剖面图如图3.1所示。
图3.1步进电机结构剖面图
电机转子均匀分布着40个小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3、2/3,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示),即A相与齿1相对齐,B相与齿2向右错开1/3,C相与齿3向右错开2/3,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1),定转子的展开图如图3.2所示。
图3.2定转子的展开图
2.1.2旋转过程
如A相通电,B、C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,转子不受任何力(以下均同)。
如B相通电,A、C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3,此时齿3与C偏移为1/3。
如C相通电,A、B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3,此时齿4与A偏移为1/3对齐。
如A相通电,B、C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3,这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A、B、C、A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3,向右旋转。
如按A、C、B、A……通电,电机就反转。
其通电状态如图3.3所示。
图3.3通电状态图
由此可见,电机的位置和速度由通电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由通电顺序决定。
不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3改变为1/6。
甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3变为1/12,1/24,这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出:
电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。
2.1.3力矩
电机一旦通电,在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФ/dθ)成正比,其磁通量Ф=Br*S,Br为磁密,S为导磁面积,F与L*D*Br成正比,L为铁芯有效长度,D为转子直径,R为磁阻。
力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)。
因此,电机有效体积越大,励磁安匝数越大,定转子间气隙越小,电机力矩越大,反之亦然。
2.1.4步进电机的分类
步进电机分为永磁式(PM)、反应式(VR)、混合式(HR)三种。
永磁式一般为二相,转矩和体积都很小,步距角一般为7.5°或15°;反应式一般为三相,实现大转矩输出,步距角为1.5°;混合式兼具永磁式和反应式的优点,分二相和五相,二相步距角为1.8°,无相步距角为0.72°。
3.2步进电机控制方式及运行方式
36BF003型步进电动机的三个绕组分别用A、B、C表示。
三拍运行时,正转通电顺序为A→B→C→A…,反转通电顺序为C→B→A→C…;或正转通电顺序为AB→BC→CA→AB…,反转通电顺序为AC→CB→BA→AC…。
六拍运行时,正转通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…;反转通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A…。
36BF003型步进电动机的运行状态如表3.1所示。
表3.1步进电动机的运行状态
单步
三拍
六拍
正转
反转
启动
停止
连续
三拍
六拍
正转
反转
启动
停止
3.3脉冲和角度的关系
(1)步距角:
对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示,
θ=360度/M*Z*K
式中,M为定子绕组相数;Z为转子齿数;K为通电方式系数,当M相M拍通电时,K=1,当M相2M拍通电时,K=2。
本课题所用为三相电机,由参数表可以推算出它的齿数
J3=360度/3*3=40个或J6=360度/6*1.5=40个
(2)频率关系和转速的关系
n=60f/M*Z*K
式中,M、Z、K同上;n为每分钟转速r/min;当M相M拍通电时,K=1,当M相2M拍通电时,K=2。
第3章步进电机控制系统设计
3.1步进电机模拟控制
3.1.1控制流程分析
控制要求:
当按钮开关拨到单步时,必须每按一次起动,电机才能旋转一个角度;当按钮开关拨到连续时,按一次起动,电机旋转,直到按停止;当按钮开关拨到三拍时,旋转的角度为3度;当按钮开关拨到六拍时,旋转角度为1.5度;当按钮开关拨到正转时,旋转按顺时针旋转;当按钮开关拨到反转时,旋转按逆时针旋转;当单步要转到连续或连续转到单步,可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)当三拍要转到六拍或六拍要转到三拍,可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)当正转要转到反转或反转要转到正转,可以通过停止也可以直接转换(通过编程)。
此设计使用开环控制步进电机。
传统的控制系统框图如图3.1所示。
指令
图3.1传统的控制系统框图
而本课题使用PLC为西门子S7-200CN系列PLC---CPU224XPCNAC/DC/RLY,可以直接输出脉冲驱动36BF003型电机运行,指令可通过程序代替,而“变频信号源”、“脉冲分配器”、“脉冲放大器”则全部由PLC替代,进而取代了具有以上四项功能的驱动器,使得控制十分简单,所以本课题的控制框图可简单用图3.2表示。
图3.2基于PLC的步进电机控制系统框图
3.1.2I/O分配表
I/O分配表如表3.1.2所示。
表3.1.2I/O分配表
输入
启动
停止
单步
连续
三拍
六拍
正转
反转
I0.0
I0.1
I0.6
I0.7
I0.4
I0.5
I0.2
I0.3
输出
A1
B1
C1
A2
B2
C2
+24V(主机)
Q0.2
Q0.3
Q0.4
3.2步进电机流程图
图3.2三相步进电机控制流程图
3.3步进电机接线图
图3.3步进电机实时接线图
3.4梯形图的设计
第4章结论
通过PLC控制三相、五相步进电机运行在本课题实验中得以实现,其中控制三相步进电机时,可以选择手动开关和自动开关,实现电机在单步和连续工作方式的情况下正反转运行,其中也可以实现三拍和六拍的步进时序。
在设计过程中,遇到了较多困难,诸如程序的编写,包括循环移位指令的使用、调速指令的采用等等,不仅自己查阅书籍资料,而且还向老师同学请教,最终这些问题得以解决。
当今通过PLC发脉冲来控制步进电机运行,这种方式在工业生产多个领域广泛的应用,比如磁头定位系统,数控机床,线切割机等领域。
利用步进电机较准确的定位和能输出一定大小的力矩等特点,已成为位置定位控制系统中首选的控制手段。
随着电力电子、DSP及计算机等多种技术的发展,目前在步进电机控制系统中有细分功能、节能功能的驱动器技术得以广泛的使用,使得PLC控制步进电机这一控制方式不断完善和发展。
参考文献
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致谢
随着秋天的到来,毕业设计也即将划上一个圆满的句号,在这近一个学期的毕业设计期间,我经历了很多,有苦恼也有欢乐,在对课题的研究过程中我付出了许多辛勤的汗水,同时也学到了许多知识,收获了一笔可贵的人生财富,这些都使我受益匪浅。
感谢我的指导老师张老师,本课题是在张老师的谆谆教导和悉心关怀下完成的。
在毕业设计期间,张老师传授了许多的实际经验和方法,给予了大量的富于启发性与建设性的建议。
张老师严谨的治学态度、高度的责任心、崇高的品格、渊博的知识以及丰富的实践经验都使我受益匪浅。
在此,谨向张老师致以最诚挚的谢意。
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