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课程设计三相六拍步进电机plc控制系统

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学号 2 0 1 4 2 1 6 4 4 4

《电气控制与可编程控制技术》 课程设计
(2014 级本科)

题目:三相六拍步进电机 PLC 控制系统的设计 系(部)院:物理与机电工学院 专业:能源与动力工程 作者姓名:周正峰 指导教师:单乐职称:助教 完成日期: 2 0 1 7 年 7 月 13 日

目录
目录 ........................................................................................................................................................................... 2 摘要 ........................................................................................................................................................................... 3 第一章可编程程序控制器(PLC) ........................................................................................................................ 4 1.1 PLC 的定义 ................................................................................................................................................. 4 1.2 PLC 的特点 ................................................................................................................................................. 5 1.3 步进电机的特点……………………………………………………………………………………… 5 第二章系统总体方案设计 ....................................................................................................................................... 7 2.1 三相六拍步进电机的控制要求 ................................................................................................................. 7 2.2 方案原理分析 ............................................................................................................................................. 7 第三章 PLC 控制系统设计 ...................................................................................................................................... 8 3.1 输入输出编址 ............................................................................................................................................. 8 3.2 选择 PLC 的类型 ........................................................................................................................................ 8 3.3 PLC 外部接线图 ......................................................................................................................................... 9 3.4 控制流程图: ............................................................................................................................................. 9 3.5 梯形图程序设计 ....................................................................................................................................... 10 3.6 语句表 ....................................................................................................................................................... 14 3.7 主电路图 .................................................................................................................................................. 16 3.8 元件布置图 ............................................................................................................................................... 16 3.9 程序的运行及调试 ................................................................................................................................... 17 总结 ......................................................................................................................................................................... 19 参考文献 ................................................................................................................................................................. 20

摘要
步进电机就是一种控制精度极高的电机,在工业上有着广泛的应用。步进电机具有快 速启停、精确步进和定位等特点,所以常用作工业过程控制机及仪表仪器的控制原件。基于 PLC 控制的步进电机具有设计简单,实现方便,参数设计置灵活等优点。矩角不易丢失 。改 善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。 本文主要介绍采用可编程控制器 (PLC) 对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。本文详细的介绍了 PLC 控制步进 电机系统的原理, 及硬件和软件的设计方法。其内容主要包括 I/O 分配表、PLC 外部接线图、 控制流程图、主电路图、梯形图、原件清单及语句表。本文设计过程中使用了十六移位寄存 器,大大简化了程序的设计,使程序更简凑,方便了设计。

关键词:

PLC;梯形图;三相六拍步进电机

第一章可编程程序控制器(PLC)
1.1 PLC 的定义
可编程控制器 (Programmable Controller) 简称 PC, 但个人计算机 (Personal Computer)

也简称 PC, 为了区别, 人们仍*惯称可编程控制器为 PLC (Programmable Logical Controller) 。 国际电工委员会(International Electrical Committee)于 1987 年颁布了可编程控制 器的标准及其定义: “可编程控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的 电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计 时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型 的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一 个整体,易于扩展其功能的原则而设计。 ” 可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现, 当时叫可编程逻辑控制器 PLC (Programmable Logic Controller) , 目的是用来取代继电器, 以执行逻辑判断、 计时、 计数等顺序控制功能。 PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、 灵活、 通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、 操作方便、 价格便宜等优点结合起来, 控制器的硬件是标准的、 通用的。 根据实际应用对象, 将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。随着半 导体技术,尤其是微处理器和微型计算机技术的发展,到 70 年代中期以后,PLC 已广泛地使 用微处理器作为中央处理器,输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模 的集成电路,这时的 PLC 已不再是逻辑判断功能,还同时具有数据处理、PID 调节和数据通 信功能。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*锥窝∮每杀喑炭刂破鳎谑凳┙锥卧偃范üひ展獭A硪环矫妫又圃焐杀 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。特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力,受到用户的青昧,因而在冶金、 化工、交通、电力等诸多领域获得广泛的应用,与机器人、CAD/CAM 一起,被称为现代工业

控制的三大支柱。可编程控制器正成为工业控制领域的主流控制设备,在世界各地发挥着越 来越大的作用。 由于这些特点, 可编程控制器问世以后很快受到工业控*绲幕队 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。

1.2PLC 的特点
PLC 作为一种专用于工业环境的、具有特殊结构的计算机,有其显著的特点。 1) 可靠性高,抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良, 容易出现故障。PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关 的少量硬件,接线可减少到继电器控制系统的 1/10~1/100,因触点接触不良造成的故障大为 减少。 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术,采用严 格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司 生产的 F 系列 PLC *均无故障时间高达 30 万小时。 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的*均无故障工 作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说,使用 PLC 构成控制系统,和同等规模的继电接触器 系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外, PLC 带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者 还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊 断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2) 硬件配套齐全,功能完善,适用性强 PLC 发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品,并且已经标准化、系 列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配 置,组成不同功能、不同规模的系统。PLC 的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部 接线。PLC 有较强的带负载能力,可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器,可以用于各种规 模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力,可用 于各种数字控制领域。*年来 PLC 的功能单元大量涌现,使 PLC 渗透到了位置控制、温度控 制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用 PLC 组 成各种控制系统变得非常容易。 3) 易学易用,深受工程技术人员欢迎

PLC 作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易 于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接*,只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4) 安装方便,扩展灵活 PLC 采用标准的整体式和模块式硬件结构,现场安装简便,接线简单,工作量相对较小; 而且能根据应用的要求扩展输入—输出模块或插件,系统集成方便灵活。各种控制功能通过 软件编程完成,因而能适应各种复杂情况下的控制系统,也便于控制系统的改进和修正,特 别适应各种工艺流程变更较多的场合。 5) 系统的设计、安装、调试工作量小,维护方便,容易改造 PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律,很容易掌握。对 于复杂的控制系统,梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建 造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生 产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 6) 体积小,重量轻,能耗低 以超小型 PLC 为例, 新*出产的品种底部尺寸小于 100mm, 仅相当于几个继电器的大小, 因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/2~1/10。它的重量小于 150g,功耗仅数瓦。由于体积 小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。 步进电机作为执行元件,是电气自动化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系 统和精密机械等领域。步进电机具有快速起停、精确步进核定位等特点,所以现场用作工业 过程控制机仪器仪表的控制元件。目前,比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控 制步进电机。但采用单片机控制,不仅要复杂的控制程序和 I/O 接口电路,实现比较麻烦。 基于 PLC 控制的步进电机具有设计简单实现方便,参数设计置灵活等优点。步进电机广泛应 用于对精度要求较高的的运动控制系统中,如机器人、打印机、软件驱动器、绘图仪、机械 阀门控制器等。矩角特性好,步进电机启动转矩较大,运行不易失步。改善矩角特性一般通 过增加步进电机的运行拍数来实现。 1.3 步进电机的特点 三相六拍步进电机是一典型单定子、径向分相、反应式伺服电机。其结构原理图它与 普通电机一样, 分为定子和转子两部分, 其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定子铁芯

由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子铁芯上, 向上相对的两个齿上的线圈串联在一起, 绕组, 若任一相绕组通电,

六个均匀分布齿上的线圈,

在直径方

构成一相控制绕组。 三相步进电机可构成三相控制 即定子铁芯上的 只有均匀分布 三相定子

便形成一组定子磁极。 在定子的每个磁极上, 齿间夹角为 9°, 转子上没有绕组,

每个齿上开了五个小齿, 的个 40 小齿,

齿槽等宽,

齿槽也是等宽的,

齿间夹角也是,

与磁极上的小齿一致。 此外,

磁极上的小齿在空间位置上依次错开 1/3 齿距,。当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐 时, B 相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮 1/3 齿距角, C 相磁极齿超前或滞后转子齿 转子的齿与定子 AA 上的

2/3 齿距角。三相六拍步进电机的工作原理;当 A 相绕组通电时, 齿对齐。若 A 相断电,B 相通电, 由于磁力的作用,

转子的齿与定子 BB 上的齿对齐, 转子

沿顺时针方向转过 3°,如果控制线路不停地按 A→B→C→A 的循环顺序控制步进电机绕组的 通电、断电 , 时, 步进电机的转子便不停地顺时针转动 , 这是三相三拍。而当 AB 同时通电

由于两个滋力的作用,定子绕组的通电状态每改变一次,转子转过 1.5°,原理与三相三

拍 相 同 , 从 而 形 成 三 相 六 拍 , 其 通 电 顺 序 为 : A→AB →B→BC→C→CA→A 或 A→AC→C→CB→B→BA→A

第二章系统总体方案设计
2.1 三相六拍步进电机的控制要求
1. 三相六拍步进电机有三个绕组:A、B、C 正转通电顺序:A→AB→B→BC→C→CA 反转通电顺序:A→CA→C→BC→B→AB 2.用五个开关控制其工作: # 1 号开关控制器运行(启/停) # 2 号开关控制其低速运行(转过一个步矩角需要 0.5 秒) #3 号开关控制其中速运行(转过一个步矩角需要 0.1 秒) #4 号开关控制器高速运行(转过一个步矩角需要 0.03 秒) #5 号开关控制其转向(ON 为正转,OFF 为反转)

2.2 方案原理分析
2.2.1 功能要求

对三相六拍步进电机的控制,主要分为两个方面:三相绕组的接通与断开顺序控制。正 转通电顺序为 A→AB→B→BC→C→CA,反转通电顺序为 A→CA→C→BC→B→AB 以及每个步矩 角的行进速度。围绕这两个方面,可提出具体的控制要求如下: (1)可正转或反转; (2)运行过程中正反转可随时不停机切换; (3)步进三种速度可分为高速(0.03 秒)中速(0.1 秒)低速(0.5 秒)三档,并 可手控变速; 2.2.2 性能要求: 在实现控制要求的基础上,应用程序应尽量简洁、紧凑。另一方面,同一控制对象,根 据生产的工艺流程不同,控制要求和控制时序会发生变化,此时要求程序修改方便、简单, 既要求程序具有较好的柔性。

第三章 PLC 控制系统设计
3.1 输入输出编址
控制步进电机的输入开关及控制 A、B、C 三相绕组的输出端在 PLC 中的 I/O 编址如表一所 示。 表1
输入点 元件名称 启停开关 0.5s 低速运行开关 0.1s 中速运行开关 0.03s 高速运行开关 正反转向控制开关 符号 QS1 QS2 QS3 QS4 QS5 地址编码 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4

I/O 地址分配表
输出点 元件名称 A 相绕组 B 相绕组 C 相绕组 符号 A B C 地址编码 Q0.0 Q0.1 Q0.2

3.2 选择 PLC 的类型
根据上图的 I/O 分配表通过查阅手册选择 S7-200 CPU222 基本单元(8 入 6 出)1 台。

3.3 PLC 外部接线图
PLC 的外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合控制要求来设定。 步进电机采用三相六拍,控制外部接线图如图 3-1 所示。

图 3-1 步进电机采用三相六拍外部接线图

3.4 控制流程图:
由于上述具体控制要求,可做出步进电机在运行时的控制框图,如图 3-2 所示。以工作 框图为基本依据,结合考虑控制的具体要求,首先可将梯形图分为四个模块进行编程,模块 1:步进速度选择;模块 2:起动、停止;模块 3:正转、反转;模块 4:移位控制功能模块; 模块 5:A、B、C 三相绕组对象控制。然后将个模块进行连接,最后经过调试、完善、实现控 制要求

开始

首次选择步进速度

启停

正转或反转

位移寄存器赋初值

低 速

中 速

高 速

发出位移脉冲

执行位移

位移输出控制电机步进

N

六拍计数

Y 图 3-2 控制流程图

3.5 梯形图程序设计
3.5.1 步进控制设计 采用移位指令进行步进控制。首先制定移位寄存器 MW0,按照三相六拍的步进顺序,移 位寄存器的初值见表 2。 表 2 移位寄存器的初值

M0.6 1

M0.5 0

M0.4 0

M0.3 0

M0.2 0

M0.1 0

每右移一位,电机前进一个步矩角(一拍) ,完成六拍后重新赋初值。据此,可做出移位 寄存器输出状态机步进电机正反转绕组的状态真值表,如图 3.1 所示。从而得出三相绕组的 控制逻辑关系式: 正转时: A 相:Q0.0= M0.6+M0.5+M0.1 B 相:Q0.1= M0.5+M0.4+M0.3 C 相:Q0.2= M0.3+M0.2+M0.1 反转时: A 相:Q0.0= M0.6+M0.5+M0.1 B 相:Q0.1= M0.3+M0.2+M0.1 C 相:Q0.2=M0.5+M0.4+M0.3 表 3.1 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表(正反转)
移位寄存器 SM0.6 0 1 0 0 0 0 0 SM0.5 0 0 1 0 0 0 0 SM0.4 0 0 0 1 0 0 0 SM0.3 0 0 0 0 1 0 0 SM0.2 0 0 0 0 0 1 0 SM0.1 0 0 0 0 0 0 1 正转 A 0 1 1 0 0 0 1 B 0 0 1 1 1 0 0 C 0 0 0 0 1 1 1 反转 A 0 1 1 1 0 0 1 B 0 0 0 0 1 1 1 C 0 0 1 1 1 0 0

3.5.2 梯形图设计: 启停使用单开关控制。梯形图设计如下,首先,按 SB2(SB3 或 SB4)初次选择一种步进 速度,三相步进电动机的速度有定时器 T33 控制,把三个值 50、10、3 分别送入到 VW100 可 得到低速、中速、高速三种速度。在按下开关 QS1,M1.0 得电,移位寄存器赋初值,电动机 开始转动,且定时器开始计时,到设定值时,T33 得电动作,移位寄存器值右移一位,C21 计 数一次,然后 T33 重新计时。计数六次后吃 C21 动作使移位寄存器重新赋初值,依次循环。

QS5 控制正反转, ON 时 I0.4 得电三相步进电机正转, OFF 时, I0.4 失电三相步进电机为反转, 再按一下 QS1,C20 动作,M1.0 失电,C21 复位电机停止转动。程序如下:

梯形图

3.6 语句表
Network 1 // Networ k Title 定义启停开关,M1.0 起自锁 LD I0.0 O M1.0 AN C20 = M1.0 Network 2

LD I0.0 LD C20 CTU C20, 2 Network 3 低速运行 LD I0.1 EU AN I0.2

AN I0.3 MOVW 50, VW100 Network 4 中速运行 LD I0.2 EU AN I0.1 AN I0.3 MOVW 10, VW100 Network 5 高速运行 LD I0.3 EU AN I0.1 AN I0.3 MOVW 3, VW100 Network 6 移位寄存器赋值 LD M1.0 EU MOVW 2#100000, MW0 Network 7 计时步进电机速度的调节 LD M1.0 AN M3.0 TON T33, VW100 Network 8 LD T33 = M3.0 Network 9 定时移位 LD T33 SLW MW0, 1 Network 10 计数六拍后重新赋值 LD M3.0 LD C21 O C20

CTU C21, 6 Network 11 Q0.0 控制 A 相输出 LD M0.6 O M0.5 O M0.1 A M1.0 = Q0.0 Network 12 Q0.1 控制 B 相输出 LD M0.5 O M0.4 O M0.3 A I0.4 LD M0.3 O M0.2 O M0.1 AN I0.4 OLD A M1.0 = Q0.1 Network 13 Q0.2 控制 C 相输出 LD M0.3 O M0.2 ON M0.1 A I0.4 LD M0.5 O M0.4 O M0.3 AN I0.4 OLD A M1.0 = Q0.2 END

3.7 主电路图

3.8 元件布置图

3.9 程序的运行及调试
1、启动 S7-200 模拟软件,配置 CPU 型号为 222,如下图所示:

图 3.9.1 运行 1 2、载入程序,启动软件,打开监控,如下图所示:

图 3.9.2 运行 2 3、低速反转运行正常,如下图所示:



3.9.3

运行 3

3、中速反转运行正常,如下图所示:

图 3.9.4 运行 4 4、高速正转运行正常,如下图所示:

图 3.9.5

运行 5

总结
在本次的设计中,我需要以前没有学过的知识,于是图书馆和 INTERNET 成了我们很好的 助手。在查阅资料的过程中,我们要判断优劣,取舍相关知识,不知不觉中我们肯定会遇到许 多未知的领域,这方面的能力会使我受益匪浅。 通过学* PLC 理论课程后, 在做课程设计能检测我的学*成果和指导自己的不足。在此次 设计实践之中, 我学会了 PLC 的基本编程方法,对 PLC 的工作原理和使用方法也有了更深刻的 认识。在对理论的运用中,提高了我们的工作素质,在没有做实验设计以前,我们队知识的掌 握都是思想上的,对一些细节不加重视。在课程设计过程中我了解到,PLC 并不是一门单一的 编程技术,它是一门系统专业课程,PLC 可以广义的认为是一台背嵌入操作系统的可靠性 PC 机。 首先需要精确 PLC 本身的编程语言梯形图, 语句表语言。 然后根据程序在实验室进行调试, 是其达到预期的程度。最后,依照调试结果写论文。的不断提高自己的动手和思维能力。 在设计过程中,总是会遇到这样那样的问题。有事发现一个问题的时候,需要做大量的工 作,花大量的时间才能解决。自然而然我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经 验,增强了信心。

参考文献
[1] 程子华. PLC 原理与实例分析. 北京: 国防工业出版社,2006 [2] 张晓峰. 电气与 PLC 控制技术及应用. 北京: 高等教育出版社 2013 [3] 高钦和. 可编程控制器应用技术及其涉及实例 . 北京:高等教育出版社, 2004 [4] 李缓. PLC 原理及应用. 北京:北京邮电大学出版社,2005 [5] 周淑珍、高鸿斌. PLC 分析及设计应用. 北京:电子工业出版社,2004

[6] 王玉中,电气控制及 PLC 应用技术. 河南:河南科学技术出版社,2006 [7] 江秀汗、汤楠主编. 可编程控制器原理及应用. 西安:西安电子科技大学出 版社,2005 [8] 李俊秀. 可编程控制器应用技术. 化学工业出版社



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