基于PLC步进电机控制系统的设计.docx
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基于PLC步进电机控制系统的设计
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基于PLC步进电机控制系统的设计
基于plc步进电机控制系统的设计
[摘要]本文所要控制的电机为五相步进电机,采用可编程控制器对其控制,对设计原理及方法分析总结。
步进电动机优点有快速起停、定位和精确步进等,日常的生产和生活中比较普遍,控制精度高。
在工业过程控制和仪器仪表控制方面,应用的很广泛。
本文还介绍的PLC控制系统,其包括硬件结构还有原理以及PLC控制系统设计的原则方法。
以五相电机控制为例,阐述了西门子PLC在电机控制中的运用。
其基本原理、硬件准备和软件的设计,在文中都有体现。
采用的细分驱动方法,可以达到极高的精度并提高稳定性,有利于电机运行品质、转矩波动的改善。
本文内容包含PIC外部接线图、I/O地址分配、控制流程图、驱动电路选择、细分驱动分析、梯形图等,并且上位机监控界面是运用组态王软件编写。
[关键词]:
S7-200;五相步进电机;梯形图;细分驱动;组态王
DesignofSteppingMotorControlSystemBasedonPLC
[Abstract]Themotorcontrolledinthispaperisafivephasesteppermotor.Itiscontrolledbyaprogrammablecontroller.Thedesignprincipleandmethodareanalyzedandsummarized.Steppingmotorhastheadvantagesoffaststartstop,positioningandaccuratestepping,etc.,andthedailyproductionandlifearemorecommon,andthecontrolaccuracyishigh.Itiswidelyusedinindustrialprocesscontrolandinstrumentcontrol.PLCcontrolsystemisintroduced,includinghardwarestructureandprinciple,andtheprincipleandmethodofPLCcontrolsystemdesign.Takingfivephasemotorcontrolasanexample,theapplicationofSIEMENSPLCinmotorcontrolisexpounded.Itsbasicprinciple,hardwarepreparationandsoftwaredesignareembodiedinthisarticle.Thesubdivisiondrivemethodcanachievehighaccuracyandstability,andisfavorableformotorqualityandtorquefluctuation.ThecontentsofthispaperincludePICexternalwiringdiagram,I/Oaddressallocation,controlflowchart,drivecircuitselection,subdivisiondriveanalysis,ladderdiagramandsoon,andtheuppercomputermonitoringinterfaceiswrittenbyKingviewsoftware.
[Keywords]S7-200;Five-phasesteppingmotor;Ladderdiagram;Subdivisiondrive;Configurationking
1引言
步进电机的介绍
步进电机又称脉冲电机或阶跃电机,电机对传输来的电脉冲信号的分析和转换而进行相应的角位移和线位移。
在电机的负载没有超出它理论值情况下,传输来的电脉冲信号直接决定电机运行的速度和位移,此时电机速度是不受其他因素影响。
在这种情况下,我们可以很轻易对电机进行控制,通过对电脉冲信号的大小、强度和脉冲数的改变,从而实现对电机的速度和线位移进行控制。
当传输来的电脉冲信号被步进电机接收到后,它会按照预先设定进行一个角度旋转,这个动作我们将其称为“步距脚”。
它旋转的角度是固定的。
以传输来的电脉冲的个数对电动机角位移进行有效的控制,以传输来的电脉冲的频率来控制电机的加速度和速度。
步进电机的分类
步进电机从构造角度来分有以下几种:
反应式、永磁式和混合式。
反应式:
它是由定子和转子组成,其中定子上有绕组,转子是通过软磁材料构成。
所以反应式具有简单的结构、成本比较低、步距角小,最好时候可以达到
;但是也存在着缺点,比如它的动态性能差、工作效率比较低、容易发热且发热程度比较大,不容易确保它的可靠性。
永磁式:
永磁式步进电机构成的材料是永磁材料,它的电机转子和定子的极数相同。
它的动态性能很好,输出力矩也比较大。
但是它也有其缺陷,即运行时的精度不太高。
混合式:
顾名思义可知,混合式步进电机包含上面两种电机其优点,多相绕组组成其定子,转子则是由永磁材料制作的,其中为了提升步进精度通过对定子和转子添加小齿轮方式来实现。
混合式的特点是把反应式和永磁式的特点结合起来,包括:
输出力矩较大,动态性能比较好,步距角小等。
它的缺点是结构相对比较复杂,相应的成本也比较高。
步进电机的应用
在现实生活中步进电机的使用非常普遍,但在生产过程中能够很好的使用这个电机是有一定难度,如果想要它能够顺利工作则要采用一些控制软件进行辅助,如:
双环形脉冲信号、功率驱动电流的等特殊装置,它正常工作也涉及到机械、电机、电子以及计算机等相关知识。
在工业生产和自动化控制行业已经广泛使用步进电机。
伴随着科学技术的迅速发展,计算机和电机行业也相应快速起步,对步进电机需求量也不断增加,很多行业和领域是利用步进电机优点:
通过控制电脉冲的个数对电机的角速度进行控制,采用控制电脉冲的频率方式来实现对电机的速度和加速度进行控制。
步进电机如图1-1所示。
图1-1五相步进电机
步进电机的各种控制及比较
环形分配器步进电机控制系统
图1-2环形分配器步进电机控制系统
环形分配器是把源自控制部分的脉冲串按照一定的规则分配给步进电机驱动部分的各相输入端口。
控制器的时钟脉冲让环形分配器的输出不但是周期性的还是可逆的。
驱动电路把环形分配器的有序时钟脉冲放大来驱动步进电机,使步进电机的旋转方向及速度连续可调。
单片机步进电机控制系统
图1-3单片机步进电机控制系统
单片机控制步进电机可做到系统小巧、易于改变流程等特点。
单片机控制步进电机控制系统如图1-3,我们把写好的程序下载到单片机,单片机就会按照一定的过程把时钟脉冲串按一定的规律分配给驱动电路,使驱动电路的输出既是周期性的,又是可逆的。
控制单片机的程序使步进电机的旋转方向及速度连续可调。
可编程序控制器步进电机控制系统
图1-4可编程序控制器步进电机控制系统
可编程序控制器(ProgrammabieLogicController,缩写PLC)是由微处理器结合计算机、通信、联网和自动控制技术发明的一代工业控制装置。
PLC步进电机控制系统和单片机步进电机控制系统相似,可编程控制器按用户程序把有序的时钟脉冲分配给驱动电路,驱动电路让其有序脉冲进行放大以此来驱动步进电机。
PLC的程序使步进电机的旋转方向及速度连续可调。
几种控制系统的性能比较
环形分配器步进电机控制系统比较简单、价格低廉但控制灵活性不高,适合于固定模式的控制系统。
单片机步进电机控制系统在现代化、高精度、网络化管理的控制系统中工艺流程不断变化以致于单片机的程序需要随时更改,为此修改程序需要有专业人员进行操作,并且单片机联网需要专用网络管理设备,输入输出需要设计专门的隔离电路,这些都给单片机的使用带来很大的局限性。
PLC的基础结构是微处理器,结合计算机、通信以及自动控制技术等而开发的新一代工业控制装置。
PLC的使用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程,编程简洁方便。
各个厂家的生产的可编程控制器都已成系列化,各种功能的模块一应俱全。
可编程控制器有专用的通讯模块特别适合组成网络化控制。
由以上分析我们可以得出,使用可编程控制器控制步进电机是一种比较合理可靠的方案,编程方便、抗干扰能力强、其性能也很稳定。
在当今控制系统中要求较高精度、较高可靠性的控制性能,所以可编程控制器无疑是首选。
PLC选型要求
在实际应用中,必须考虑可编程控制器的可靠性,必须及时接受来自外部的命令和状态反馈等。
可编程控制器进行循环扫描,在每个扫描的周期,除过要完成以上的三个基本步骤,还要对来自内部的故障进行系统检测和诊断。
并且完成可编程控制器的故障输出和报警。
在每次扫描开始,可编程控制器就要诊断每个输入点和输出点。
存储器和CPU具有内部自诊断的程序。
通常通过检测自身每个部分的当前状态,并且根据标准进行比较选择,如果错误的话,此时PLC立即开始关机过程,保持当前工作状态,关闭所有输出点,然后关机。
如果诊断后,设备或者可编程控制器自身没有故障报警,就可以继续进行扫描循环运行程序,在扫描循环程序的过程中,继续检查外部的通信请求,进行程序处理。
比如,外部的编程单元,外部的逻辑状态,以及显示错误消息的编程软件等。
通过设定好的逻辑控制条件和运算条件进行计算,将计算结果进行输出。
可编程控制器在扫描周期内,对设备进行连续不间断的控制,一直到外部发布停止或者急停指令,或者外部发生故障等情况下,停止执行工作。
可编程控制器基本的设计原则,任何种类的电气控制系统是为了达到工艺要求,提高设备的自动化程度,保证设备的质量。
在PLC控制系统的设计中,应遵循的一般原则是:
(1)要选择的可编程控制器必须符合技术规范,而且有良好的技术支持。
(2)满足要控制的控制对象的要求。
设计之前,应深入研究进行调查,收集资料,并与设计师和机械操作者紧密合作,从而进行方案的设计,最大限度的处理系统中可能出现的问题。
(3)在工业工程控制的条件下,必须满足工业生产的要求,使控制系统设计必须简单,方便,而且达到经济实用的要求和效果,便于维护。
也要达到系统符合工业设计要求,降低研发成本。
(4)控制系统在程序设计的时候,必须确保安全,系统运行稳定,功能必须可靠。
正确的程序调试,充分考虑到恶劣的环境条件,本文对这个方面进行充分分析后,最终使用了可靠性相对较高的PLC,以此不定时的对其进行保养以及检查。
(5)考虑到生产和工艺改进及开发,在可编程控制器设计时,必须要对以后的研发和改进留够一定的空间,针对不同的设备,重点将不同的要求,设计原则也应有所不同,如果为了提高对所控制产品的质量和安全性,应该集中在系统的可靠性设计,及时考虑冗余控制系统;如果需要的话,要提高信息管理系统。
西门子S7-200系列可编程控制器产品性价比高,强大的功能使其无论在独立运行,还是一个完整的网络遇到的各种各样的控制任务都能很好的解决。
此类型产品具有非常强大的功能,小到能够替代继电器,大到控制整个系统等,都能够很好的实现。
在对多种控制器的基本性能进行对比分析后,发现S7-200类型的控制器具有体积小,功能强大等多种功能,下面对此类型产品的基本特点进行简要分析,其设计的结构相对紧凑,价格低廉,性价比较高,很适合研发普通的小型控制系统设计。
它使用超级电容器存储器的数据保护,消除了对锂电池的需求,该系统是小,但可以处理模拟(12点模拟输入/4点模拟输出)。
西门子S7-200系列PLC多达四个中断控制输入,每个中断输入相应的时间都很小,只有左右。
可编程控制器还有日期和时间的中断控制功能。
根据本系统控制要求和在对多种类型控制器进行性能等多方面的对比分析后,文中最终决定使用CPU222作为控制整个系统运行的可编程控制器。
2电气控制系统方案的选择及硬件设计
可编程控制器的原理
可编程控制器结合了计算机技术,自动控制理论,通信技术等,是一种基于微处理器的工业控制产品[4]。
另外对于可编程控制器,其具有的结构相对而言较简单,并且对应具有的性能也非常的优越,可靠性能也比较高并且维护比较方便。
所以可编程控制器应用非常广泛,几乎每个行业都有可编程控制器的身影。
可编程控制器已经成为现代工业控制技术的主导者。
并且有着非常广阔的前景和市场空间。
本文设计的控制系统,将采取可编程控制器进行设计,可靠性高,维护方便。
关于PLC选择问题,还要考虑PLC网络通信功能,价格因素。
系统可靠性也是一个重要的考虑因素。
在对实际工业生产中存在的问题进行充分分析后研究后发现,对应系统内部的顺序开关,它是由多种因素共同决定的,并且对应当今社会中控制器的主要功能均是由电气设备来实现的,进而造成设备种类繁多,体积较大,工作可靠性性对较低等多种缺点。
为此为了最大限度的改变这种局面,美国的通用公司针对性的进行了大量的研究与开发,成功的研究出了第一代可编程控制器,其基本上可以满足整个系统的需求,并命名为可编程控制程序,在当时此款产品主要是应用在电脑的开发中,为了方便,还为了反映功能特性的可编程控制,PLC称为可编程序逻辑控制器。
可编程控制器的基本原理如下:
1现场信息输入;在可编程控制器循环扫描中,对现场的输入信息情况进行逐个扫描。
2按照既定程序执行命令:
可编程控制器对现场信息进行识别后,按照设定好的逻辑控制条件和运算条件进行计算,将计算结果进行输出[8]。
3对程序处理后的结果进行逻辑或模拟量输出:
PLC将通过内部的逻辑程序或者计算程序将对条件进行处理,并且将计算的结果输出值外部端子,进而可靠的控制所设计系统外部的电动机以及电磁阀和对应指示灯。
在工程应用过程中,设备的工作工艺过程可以分为顺序控制的操作,也就是重复某种工艺的操作。
可编程控制器的工作模式为循环扫描控制,和工程应用的过程基本一致,所以可编程控制器和设备的工艺流程动作互相对应,编程简单直观,不易出错,而且易于修改,这样就可以降低项目研发的周期和成本[9]。
可编程控制器的选型
根据可编程控制器选型的多种要求,要选择的可编程控制器必须符合技术规范,而且有良好的技术支持。
满足要控制的控制对象的要求。
设计之前,应深入研究进行调查,收集资料,并与设计师和机械操作者,电控紧密合作,从而进行方案的设计,进而最大限度的处理系统中可能出现的问题。
在工业工程控制的条件下,必须满足工业生产的要求,使控制系统设计必须简单,方便,而且达到经济使用的要求和效果,便于维护。
要达到系统符合工业设计要求,降低研发成本。
控制系统在程序设计的时候,必须确保安全,系统运行稳定,功能必须可靠。
正确的程序调试,要充分考虑到恶劣的环境条件。
考虑到生产和工艺改进及开发,在可编程控制器设计时,必须要对以后的研发和改进留够一定的空间,针对不同的设备,重点将不同的要求,设计原则也应有所不同,如果为了提高对靶产品质量和安全性要求,应该集中在系统的可靠性的设计,及时考虑冗余控制系统,提高信息管理系统。
由CPU模块、输入模块、输出模块还有编程器来构成PLC,基本原理如如图2-1所示。
图2-1PLC控制系统
CPU模块的构成主要是微处理器和存储器。
存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种,其系统程序存储器为ROM。
I/O模块由输入模块和输出模构成,其相对应的输入输出电路如图2-2、2-3所示。
图2-2PLC的输入电路
图2-3PLC的输出电路
控制方式的选择
方案一
在开环控制下,步进电机是由给定时间间隔的脉冲序列所控制,在控制系统中,并不需要反馈传感器和相应的电子线路。
开环控制电路的结构简单、还具有费用低等其他优点,所以步进电机的开环控制系统得到广泛的应用。
图2-4步进电机开环控制框图
方案二
闭环控制是对转子的位置还有速度进行不断地检测,检测后再经过反馈和相应处理,形成脉冲链,使得步进电机每一次都是在控制信号的指令下运行。
在这样闭环控制作用下,在运作运作过程中不容易出现失步。
图2-5步进电机闭环控制框图
对于上面两种方案的比较,很容易发现,步进电机的最明显的特点是在没有位置反馈信号的作用下,依然可以做出精确的位置控制。
通过开环控制的方式很好降低成本,因为在开环控制中不需要价格贵重的位置传感器件,只要对传输来的脉冲信号进行计数,就可以确定步进电机的位置。
在实际生活中,多用开环控制。
因此,此次设计选择开环控制系统。
五相步进电机的几种运行方式
单五拍运行方式
1)正转
首先A相先通电,此时B,C,D,E四相均不通电,产生A-A’方向上的磁场,此时A,A’就成为电磁铁的N,S极。
由于磁通具有走磁阻最小路径的特点,则转子在磁场的作用下转到对应的位置,接着B相通电,此时A,C,D,E均不通电,产生B-B’方向上的磁场,则同理转子转至相应位置,接着就是C,D,E相轮流单独通电,此为一个完整的正转周期
简单来说通电顺序为:
AA’→BB’→CC’→DD’→EE’→AA’
2)反转
首先A相先通电,此时B,C,D,E四相均不通电,产生A-A’方向上的磁场,此时A,A’就成为电磁铁的N,S极。
由于磁通具有走磁阻最小路径的特点,则转子在磁场的作用下转到对应的位置,接着E相通电,此时A,B,C,D均不通电,产生E-E’方向上的磁场,则同理转子转至相应位置,接着就是D,C,B,相轮流单独通电,此为一个完整的正转周期
简单来说通电顺序为:
AA’→EE’→DD’→CC’→BB’→AA’
十拍运行方式
1)正转
首先A,B,C相先通电,此时,D,E两相均不通电,产生B-B’方向上的磁场,此时B,B’就成为电磁铁的N,S极。
由于磁通具有走磁阻最小路径的特点,则转子在磁场的作用下转到对应的位置,接着B,C相通电,此时A,D,E均不通电,产生BC-B’C’方向上的磁场,则同理转子转至相应位置,接着就是BCD,CD,CDE,DE,DEA,EA,EAB,AB相轮流单独通电,此为一个完整的正转周期
简单来说通电顺序为:
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB→ABC
2)正转
首先A,B,相先通电,此时,D,C,E两相均不通电,产生AB-A’B’方向上的磁场,此时AB,A’B’就成为电磁铁的N,S极。
由于磁通具有走磁阻最小路径的特点,则转子在磁场的作用下转到对应的位置,接着E,A,B相通电,此时C,D均不通电,产生A-A’方向上的磁场,则同理转子转至相应位置,接着就是EA,DEA,DE,CDE,CD,BCD,BC,ABC相轮流单独通电,此为一个完整的正转周期
简单来说通电顺序为:
AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC→AB
双五拍运行方式
1)正转
首先A,B相先通电,此时C,D,E三相均不通电,产生AB-A’B’方向上的磁场,此时AB,A’B’就成为电磁铁的N,S极。
由于磁通具有走磁阻最小路径的特点,则转子在磁场的作用下转到对应的位置,接着B,C相通电,此时A,D,E均不通电,产生BC-B’C’方向上的磁场,则同理转子转至相应位置,接着就是CD,DE,EA相轮流单独通电,此为一个完整的正转周期
简单来说通电顺序为:
AB→BC→CD→DE→EA→AB
2)反转
首先A,B相先通电,此时C,D,E三相均不通电,产生AB-A’B’方向上的磁场,此时AB,A’B’就成为电磁铁的N,S极。
由于磁通具有走磁阻最小路径的特点,则转子在磁场的作用下转到对应的位置,接着E,A相通电,此时B,C,D均不通电,产生EA-E’A’方向上的磁场,则同理转子转至相应位置,接着就是DE,CD,BC,相轮流单独通电,此为一个完整的正转周期
简单来说通电顺序为:
AB→EA→DE→CD→BC→AB
相比较而言五相十拍运行在转子极数相同的情况下,步距角更小,控制精度更高,所以本次设计采用五相十拍的运行方式。
控制分析
功能要求
1)对于五相步进电机控制,主要是五相绕组的接通、断开的顺序和每个步距脚的行进速度这两个方面进行控制。
下面将介绍十拍运行时五相十拍步进电机的正传顺序和反转顺序。
正转顺序:
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
反转顺序:
AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC
围绕这两个主要方面,对此我们做出以下的控制要求:
在电机运行过程中可以正转和反转;
2)用五个开关控制其工作:
1号开关控制其运行(启/停)。
2号开关控制其低速运行(转过一个步距角需秒)。
3号开关控制其中速运行(转过一个步距角需秒)。
4号开关控制其高速运行(转过一个步距角需秒)。
5号开关控制转向(ON为正转,OFF为反转)。
I/O地址分配表
表2-7I/O地址分配表
控制信号
信号名称
元件名称
元件符号
地址编码
输
入
信
号
启/停控制
常开按钮
SB1
低速调速
常开按钮
SB2
中速调速
常开按钮
SB3
高速调速
常开按钮
SB4
正/反转控制
单刀双制开关
QS
输
出
信
号
输出端子
A端子
A
输出端子
B端子
B
输出端子
C端子
C
输出端子
D端子
D
输出端子
E端子
E
PLC外部接线图
PLC外部接线图设备、负载电源种类等的设计就依据系统的要求。
由上面的I/O分配表,查阅手册选择S7-200CPU222基本单元(8入/6出)1台步进电动机,其五相十拍外部接线图如下:
图2-8外部接线图
步进电机时序图
(a)步进电机正转时序图(b)步进电机反转时序图
图2-9步进电机时序图
3步进电机驱动电路的选择
步进电机驱动电源的分类
步进电动机的驱动电源有很多种,它的分类方法也有很多。
如果按照相应的步进电动机容量大小来区分,则有功率步进电动机驱动电源还有伺服步进电动机驱动电源两种。
若按照输出的脉冲极性来区分的话,那就有单向脉冲电源还有正、负双极性脉冲电源两种,后面的是作为永磁步进电动机或感应式永磁步进电动机的驱动源。
如果按电脉冲的功率元件分类,有晶体管驱动电源、高频晶闸管驱动电源还有可关断晶闸管驱动电源。
如果按照脉冲的供电方式来区分,有单一电压型的电源还有高、低压切换型的电源;斩波恒流驱动电源和细分电路电源等。
单一电压电源是最为简单电源,其原理图如3-1。
信号脉冲输入,随后晶体管导通,电容在起始时等同于将电阻R短接,随后控制绕组的电流会上升的很迅速。
当电流达到稳定状态时,串联的电阻R就会起到限流功能。
在这个完整的工作过程中只有一种电源为其供电。
这种线路的结构比较简单,而且电阻还有控制绕组串联,这样能够减小回路时间的常数,但是由于电阻R上要消耗功率,会让电源的效率变得很低,所以当这种电源供电时它的起动和运行频率都很低。
图3-1单一电压型驱动电源图3-2高、低压切换型驱动电源
高、低压切换型电源原理如图3-2。
步进电机的每相绕组是由两只功率元件串联形成的,它的供电方式有高压和低压两种。
高压供电可以提高电流上升的速度,电流波形的前沿也会得到缓和,稳定则用低压。
低压电源之所以串联一个较小的电阻R,
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