PLC控制步进电机.docx
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PLC控制步进电机.docx
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PLC控制步进电机
1前言…………………………………………………………………………………………1
课题的背景和意义………………………………………………………………………1
机的概述……………………………………………………………………1
………………………………………………………………………2
2步进电动机……………………………………………………………………………………3
步进电动机的工作原理………………………………………………………………3
反应式步进电机原理………………………………………………………………3
感应子式步进电机…………………………………………………………………5
步进电机的特点………………………………………………………………………7
2.3步进电机的控制………………………………………………………………………8
3可编程控制器(PLC)……………………………………………………………………9
3.1PLC的概述……………………………………………………………………………9
可编程控制器(PLC)的简介………………………………………………………9
可编程控制器(PLC)的运行………………………………………………………11
3.可编程控制器(PLC)的应用领域…………………………………………………12
3.2SIMATICS7-200系列PLC的硬件结构及选型………………………………………13
SIMATICS7-200系列PLC工作原理………………………………………………16
SIMATICS7-200的的保养…………………………………………………………18
4s7-200系列PLC控制三相单三拍电动机…………………………………………………20
三相单三拍进电动机的控制方案……………………………………………………20
主控单元的程序设计………………………………………………………………20
控制单元主程序………………………………………………………………………21
程序说明……………………………………………………………………………23
结束语…………………………………………………………………………………………25
谢辞……………………………………………………………………………………………26
参考文献………………………………………………………………………………………27
1前言
1.1课题的背景和意义
本课题的研究内容是基于PLC的工业控制系统设计一个步进电机的控制。
可编程控制器(简称PLC或PC)是在继电器控制的基础上产生的一种新型的工业控制装置,是将微型计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体,应用到工业控制领域的一种高可靠性控制器。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
1.2步进电机的发展概况
步进电机是国外发明的。
中国在文化大革命中已经生产和应用,例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产,而且都在各行业使用,驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。
中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。
当时应用最多的是线切割机,都是快走丝的。
线切割机的X-Y平台丝杆就用步进电动机驱动。
当时的图纸是全国公开,给个晒蓝图的费用就行了。
原始的电路设计,机械设计,电动机设计的元老,应该有网友将他们的名字和个人简历,工作经历发上来。
国外在大功率的工业设备驱动上,目前基本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电路的成本,效率,噪音,加速度,绝对速度,系统惯量与最大扭矩比来比较,比较不划算,还是用直流电动机,加电动机编码器整体技术和经济指标高。
一些少数高级的应用,就用空心转杯电机,交流电机。
国外在小功率的场合,还使用步进电机,例如一些工业器材,工业生产装备,打印机,复印件,速印机,银行自动柜员机。
国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用,除了前面提到的旋转编码器,打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机,实现闭环直线位移控制。
国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控制器内部。
总的来说,步进电机是一种简易的开环控制,对运用者的要求低,不适合在大功率的场合使用。
在卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环形力矩电机,在高品质的控制场合,有时还不能使用步进电机。
中国不是有不少电机专业、工业控制专业、数学·系统·先进控制专业的强人?
这些问题应该他们来回答为准确,我是下岗无业者。
步进电机的细分控制,在改革开放初期,国内就已经基本掌握,这与交流电动机的矢量控制相比,难度要低得多。
1.3可编程控制器概述
SIMATICS7-200系列可编程控制器是德国西门子(Siemens)公司生产的具有高性能价格比的微型可编程控制器。
由于它具有结果小巧,运行速度高,价格低廉及多功能多用途等特点,因此在工业企业中得到了广泛的应用。
由于可编程控制器作为一种通用的工业控制器,它可用于所有的工业领域。
当前国内外已广泛地将可编程控制器成功的应用到机械、汽车、冶金、石油、化工、轻工、纺织、交通、电力、电信、采矿、建材、食品、造纸、军工、家电等各个领域,并且取得了相当可观的技术经济效益。
因此,我们研究此课题具有深远的意义。
2步进电机
2.1步进电机的原理
步进电机是脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
目前,生产步进电机的厂家的确不少,但具有专业技术人员,能够自行开发,研制的厂家却非常少,大部分的厂家只一、二十人,连最基本的设备都没有。
仅仅处于一种盲目的仿制阶段。
这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。
鉴于上述情况,我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。
叙述其基本工作原理。
望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
2.1.1反应式步进电机原理
由于反应式步进电机工作原理比较简单。
下面先叙述三相反应式步进电机原理。
一、结构:
电机转子均匀分布着很多小齿,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て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开图:
二、旋转:
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て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。
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て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
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て这样经过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て,向右旋转。
如按A,C,B,A……通电,电机就反转。
由此可见:
电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
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て改变为1/6て。
甚至于通过二相电流不同的组合,使其1/3て变为1/12て,1/24て,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。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。
三、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S其磁通量Ф=Br*SBr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Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数(电流乘匝数)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。
2.1.2感应子式步进电机
一、特点:
感应子式与传统的反应式相比,结构上转子加有永磁体,以提供软磁材料的工作点,而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热低。
因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。
一个四相电机可以作四相运行,也可以作二相运行。
(必须采用双极电压驱动),而反应式电机则不能如此。
例如:
四相,八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=.一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致,小功率电机一般直接接为二相,而功率大一点的电机,为了方便使用,灵活改变电机的动态特点,往往将其外部接线为八根引线(四相),这样使用时,既可以作四相电机使用,可以作二相电机绕组串联或并联使用。
二、分类
感应子式电机以相数可分为:
二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。
以机座号(电机外径)可分为:
42BYG(BYG为感应子式步进电机代号)、57BYG、86BYG、110BYG、(国际标准),而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。
三、步进电机的静态指标术语
相数:
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。
常用m表示。
拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.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(转子齿数J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。
定位转矩:
电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的)静转矩:
电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过分采用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及机械噪音。
四、动态指标及术语
1)步距角精度:
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示:
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。
2)失步:
电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。
称之为失步。
3)失调角:
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。
4)最大空载起动频率:
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。
5)最大空载的运行频率:
电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。
6)运行矩频特性:
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。
如下图所示:
其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。
电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越大,即电机的频率特性越硬。
如下图所示:
其中,曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低,曲线与负载的交点为负载的最大速度点。
要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。
7)电机的共振点:
步进电机均有固定的共振区域,二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度),电机驱动电压越高,电机电流越大,负载越轻,电机体积越小,则共振区向上偏移,反之亦然,为使电机输出电矩大,不失步和整个系统的噪音降低,一般工作点均应偏移共振区较多。
8)电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转,通电时序为DA-CD-BC-AB或()时为反转。
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。
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。
2.2步进电机的特点
一、一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。
二、步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
三、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。
在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。
四、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数:
空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下,启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。
2.3步进电机的控制
步进电机的控制可分为换相顺序控制的控制、步进电机的转向控制和步进电机的速度控制。
1、换相顺序控制
通电换相这一过程称为秒冲分配。
例如,三相步进电机在单三拍的工作方式下,其各项通电顺序为A→B→C→A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相得通断。
三相双三拍的通电顺序为AB→BC→CA→→AB→B→BC→C→CA→A。
2、步进电机的转向控制
如果给定工作方式正序换相通电,则步进电机正转。
对于励磁方式为三相六拍的步进电机,通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。
如果按反序通电换相,即A→AC→C→CB→B→BA→A,则步进电机反转。
3、步进电机的速度控制
如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它就会在转一步,2个脉冲的间隔越短,步进电机的转速就越快。
调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。
3可编程控制器PLC
PLC的概述
图1PLC实体图
PLC=ProgrammablelogicController,可编程逻辑控制器,一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC=ProgrammableLogicController,可编程控制器
PLC=PublicLimitedCompany,公共有限公司,股票上市公司。
PLC=Power-lineCarrier,输电线载波,电力线载波,电源线车。
PLC=PowerLoadingControl,动力负载控制。
PLC=PreparativeLayerChromatography,制备层色谱法。
PLC=ProgrammingLanguageCommittee,程序设计语言委员会[美]。
PLC=PowerLineCommunication,电力线通信,即我们俗称的“电力线上网”。
可编程控制器(PLC)简介
一、PLC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
二、PLC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。
三、PLC的工作原理
1、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。
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。
PLC的运行
PLC的工作就是对一段程序连续扫描。
我们可以把这种扫描看成包括三个重要的步骤。
虽然肯定不止三个步骤,但是我们集中精力考虑重要的部分,而不用担心其余的部分。
其余部分的典型作用是作系统检查和刷新当前内部计数器和定时器的值。
步骤1-检查输入状态:
首先,PLC检查一下每个输入点,看它们是闭合还是打开。
换句话说,连接到第一个输入点的传感器闭合吗?
第二个呢?
第三个呢?
......它将这些数据存入内存,以备在下一步使用。
步骤2-执行程序:
然后,PLC执行你的程序,每次执行一步。
你的程序或许是这样的:
如果第一个输入点闭合,那么闭合第一个输出点。
因为程序已从上一步中知道输入的开关状态,所以它能够根据第一个输入点的状态,决定第一个输出点是否应该闭合。
PLC将执行结果存起来以备下一步使用。
步骤3-刷新输出结果:
最后PLC刷新输出点的状态。
它刷新的根据是第一步中读取的输入点状态和第二步中程序执行的结果。
还是举第2步中的例子,此时PLC应将第一输出点闭合。
原因是第一个输入点是闭合的,而且你的程序要求在这种状态下闭合第一个输出点。
第三步执行完毕,PLC返回到第一步,连续重复以上步骤。
一次扫描时间(onescantime)就是PLC执行以上所列的3个步骤所需的时间。
PLC的应用领域
PLC是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业
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