五相十拍步进电动机控制课程设计.docx
- 文档编号:16325850
- 上传时间:2023-07-12
- 格式:DOCX
- 页数:32
- 大小:357.92KB
五相十拍步进电动机控制课程设计.docx
《五相十拍步进电动机控制课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《五相十拍步进电动机控制课程设计.docx(32页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
五相十拍步进电动机控制课程设计
西门子PLC课程设计
题目:
五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试
姓名:
余涛
班级:
测控081
学号:
33号
报告格式
(20分)
设计说明
(20分)
设计图纸
(20分)
科技文献分析
(20分)
其它
(10分)
平时
{10分}
总评
(100分)
第一章概述
1.1可编程控制器
1.1.1PLC的工作原理
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器,定义是:
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/输出控制各种机械或生产过程。
一般来说,PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等,如下图1-1所示,即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
图1-1可编程控制器的扫描周期
1.1.2可编程序控制器的组成
可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编程器六部分构成:
中央处理器(CentralProcessorUnit简称CPU):
它是可编程序控制器的心脏部分。
CPU由微处理器(Microproce-ssor)存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。
电源(PowerSupply):
给中央处理器提供必需的工作电源。
输入组件(Inputs):
输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。
现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。
输出组件(Outputs):
输出组件接收CPU的控制信号,并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后,传送控制命令给现场设备的执行器。
输入输出(简称I/O)是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。
输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。
输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。
编程器(Programmer):
在正常情况下,编程器用于系统初始状态的配置,控制逻辑程序编制和加载,不能对系统操作。
编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。
1.1.3可编程序控制器的特点
现代工业生产是复杂多样的,它们对控制的要求也各不相同。
可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。
它的主要特点如下:
(1)抗干扰能力强,可靠性高
微机虽然具有很强的功能,但抗干扰能力差,工业现场的电磁干扰,电源波动,机械振动,温度和湿度的变化,都可以使一般通用微机不能正常工作。
而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验,主要模块均采用大规模与超大规模集成电路,I/0系统设计有完善的通道保护与信号调理电路;在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑;在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施;所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。
PLC的平均无故障时间通常在几万小时以上,这是一般微机不能比拟的。
继电器—接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力,但使用了大量的机械触点,使设备连线复杂,且触点在开闭时易受电弧的损害,寿命短,系统可靠性差。
而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成,大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代,故寿命长,可靠性大大提高。
(2)控制系统结构简单,通用性强
PLC及外围模块品种多,可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。
在PLC构成的控制系统中,只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线即可,不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。
当需要变更控制系统的功能时,可以用编程器在线或离线修改程序,同一个PLC装置用于不同的控制对象,只是输入输出组件和应用软件的不同。
PLC的输入输出可直接与交流220V,直流24V等强电相连,并有较强的带负载能力。
(3)编程方便,易于使用
PLC是面向用户的设备,PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯。
PLC程序的编制,采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。
梯形图与继电器原理图相类似,这种编程语言形象直观,容易掌握,不需要专门的计算机知识和语言,只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。
(4)功能完警
PLC的输入输出系统功能完善,性能可靠,能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。
由于采用了微处理器,它能够很方便地实现定时、计数、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能,不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能,而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。
此外,它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统,还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。
因此PLC具有极强的适应性,能够很好地满足各种类型控制的需要。
1.1.4可编程控制器的应用
随着计算机技术的迅猛发展及元器件成本大幅度下降,PLC的性能价格比以前大大提高,其应用范围也日益广泛。
如今,PLC已经在电力、纺织、机械、汽车制造、造纸、钢铁、食品、轻工、化工、公用事业等领域得到广泛使用。
PLC的应用可以划分如下类型。
(1)顺序控制及时序控制
从PLC诞生之日起,顺序控制和时序控制就是PLC最基本的功能,并取代了传统的继电器控制回路。
如今,PLC仍在这一领域发挥着气无可比拟的优越性。
(2)过程控制
现在的PLC系统在软件硬件上提供了一系列措施,使用户可以方便地实现回路控制,如现在广泛使用的PID控制功能。
许多PLC在硬件上提供了PID调节智能模块,这种模块可以独立实现PID调节功能;在软件上,许多PLC提供了PID算法功能块,通过软件功能块及模拟量输入/输出模块,也可实现PID控制功能。
(3)运动控制
随着工厂自动化的日趋发展,PLC的运动控制功能也日益完善。
借助其运动控制模块、驱动器、伺服电动机等,PLC可以方便地实现装配、输送、存放及取回、材料移动、成型等自动控制功能,甚至可以完成一些复杂的仿行功能。
(4)数据处理
现在的PLC指令系统不仅可以实现传统的逻辑运算及整数四则运算,还可以实现32位浮点复杂运算、ASCII码读写、矩阵处理、数据传送、移位、数据检索、BCD及二进制码的相互转换,工程量转换等各项功能。
(5)网络通信
为了实现PLC与远程之间、PLC之间、PLC与上位机之间及PLC与第三方产品之间的联系,PLC的网络通信功能已得到飞速发展,各PLC厂家都开发了自己的工业控制网络,如美国A-B公司PLC使用的DH+网、美国MODICONPLC使用的MB+网、德国SIEMENSPLC使用的SINEC
1.2步进电动机
1.2.1步进电机概述
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。
1.2.2步进电动机的特点
步进电机具有控制简便、定位准确等特点。
随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。
鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。
以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。
在此基础上提出了双三拍步进电机程序控制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。
1.2.3步进电动机的基本原理及步距角的计算
(1).步进电机的基本原理:
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。
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。
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相:
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
(2)步距角的计算
步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。
电机的步距角应等于或小于此角度。
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度(三相电机)等。
步距角的大小和通电方式、转子齿数、定子励磁绕组的相数的关系:
α=360°/mZK=
=0.36
m——步进电机的相数;
Z——转子齿数;取Z=100
K——通电方式系数;K=拍数/相数=10/5=2
所以五相步进电动机采用的步距角为0.36°/0.72°。
1.2.4步进电动机的动态指标及术语
(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%。
(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1-2-1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。
图1-2步进电动机的矩频特性
(7)电机正反转控电动机的矩频特性制:
当电机绕组通电时序为ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
为正转,通电时序为ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB时为反转。
第二章系统总体方案设计
2.1程序设计的基本思路
在进行程序设计时,首先应明确对象的具体控制要求。
由于CPU对程序的串行扫描工作方式,会造成输入输出的滞后,而由扫描方式引起的滞后时间,最长可达两个扫描周期,程序越长,这种滞后越明显,则控制精度就越低。
因此,在实现控制要求的基础上,应使程序尽量简洁﹑紧凑。
另一方面,同一控制对象,根据生产的工艺流程不同,控制要求或控制时序会发生变化,此时,要求程序修改方便、简单,即要求程序有较好的柔性。
以SIMATIC移位指令为步进控制的主体进行程序设计,可较好的满足上述设计要求。
2.2五相步进电动机的控制要求:
1.五相步进电动机有五个绕组:
A、B、C、D、E,
正转顺序:
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
反转顺序:
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB
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0.5秒)。
3号开关控制其中速运行(转过一个步距角需0.1秒)。
4号开关控制其低速运行(转过一个步距角需0.03秒)。
5号开关控制其转向(ON为正转,OFF为反转)。
2.3方案原理分析
2.3.1功能要求
对五相六拍步进电机的控制,主要分为两个方面:
五相绕组的接通与断开顺序控制。
正转顺序:
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序:
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB以及每个步距角的行进速度。
围绕这两个主要方面,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(0.05S),中速(0.3S),低速(0.5S)三档,并可随时手控变速;
2.3.2性能要求
在实现控制要求的基础上,应使程序尽量简洁﹑紧凑。
另一方面,同一控制对象,根据生产的工艺流程不同,控制要求或控制时序会发生变化,此时,要求程序修改方便、简单,即要求程序有较好的柔性。
2.4方案主电路图
2.5元件清单
元器件名称
元器件型号
数量(个)
单价(元)
生产公司
CPU222
212-1AB22-0XB0
1
510
德国西门子股份公司
刀开关
HS11F
1
50
乐清市捷信智能电气有限公司
按钮开关
XB2BA42C
6
17
施耐德电器有限公司
五相步进电机
Y80M2-2
1
350
上海德东电机
热继电器
LRE08N2.5-4A
1
45
施耐德电器有限公司
熔断器
XRNM1
1
180
乐清联智电气有限公司
变频器
三菱FR-E540
1
600
三菱电机自动化有限公司
名称
代号
封装
参数
数量
开关
SB
XK-06-101-3028
AC380VDC220V
6
可编程控制器
PLC
S7-200cpu222
8入/6出输出电压24V输出电流0.75A
1
五相步进电机
M
D24265-1B-100X
1
熔断器
FU
QX374-RN2
<1000V
1
热继电器
FR
JR16B-2013
380V
1
时间继电器
KT
JZ18-22
AC380VDC220V
6
接触器
KM
CJ20-10
380V10A
8
第三章PLC控制系统设计
3.1输入输出编址
控制步进电机的个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在PLC中的I/O编址如表1所示。
表1I/O地址分配表
输入点
输出点
元件名称
符号
地址编码
元件名称
符号
地址编码
启/停开关
SB1
I0.0
A绕组
A
Q0.0
0.5s低速运行开关
SB2
I0.1
B绕组
B
Q0.1
0.1s中速运行开关
SB3
I0.2
C绕组
C
Q0.2
0.03s高速运行开关
SB4
I0.3
D绕组
D
Q0.3
控制转向开关
QS
I0.4
E绕组
E
Q0.4
3.2选择PLC类型
根据上图的I/O分配表通过查阅手册选择S7-200CPU222基本单元(8入/6出)1台
3.3PLC外部接线图
PLC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系统的控制要求来设定。
步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如图3—1所示。
图3—1步进电动机采用五相十拍控制外部接线图
3.4控制流程图
由于上述具体控制要求,可作出步进电机在运行时的程序框图,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,首先可将梯形图程序分为4个模块进行编程,即模块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、D、E五相绕组对象控制。
然后,将各模块进行连接,最后经过调试、完善、实现控制要求。
N
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。
首先指定移位寄存器MW0,按照五相十拍的步进顺序,移位寄存器的初值见表2。
表2移位寄存器初值
M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.1M0.0
100000000
每右移1位,电机前进一个布局角(一拍),完成十拍后重新赋初值
其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始终为“0”。
据此,可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表,如表3.1、3.2所示。
从而得出五相绕组的控制逻辑关系式:
正转时
A相Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0
B相Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0
C相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5
D相Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3
E相Q0.4=M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1
反转时
A相Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0
B相Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0
C相Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0
D相Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2
E相Q0.4=M1.0+M0.7+M0.6+M0.5+M0.4
表3.1移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表(正转)
移位寄存器MW0
正转
M1.1
M1.0
M0.7
M0.6
M0.5
M0.4
M0.3
M0.2
M0.1
M0.0
A
B
C
D
E
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
表3.2移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表(反转)
移位寄存器MW0
反转
M1.1
M1.0
M0.7
M0.6
M0.5
M0.4
M0.3
M0.2
M0.1
M0.0
A
B
C
D
E
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
3.5.2梯形图设计
启停使用单按钮控制。
梯形图设计如下,首先,按SB2(SB3或SB4)初次选择一种步进速度,五相步进电动机的速度由定时器T33控制,把三个值50、10、3分别送到VW100可得到低速、中速、高速三种速度。
再按SB1,M2.0得电,移位寄存器赋初值,电机开始转动,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。
计数十次后动作C21使移位寄存器重新赋值,依次循环。
QS控制正反转,ON时I0.4得五相步进电动机正转,OFF时I0.4失电五相步进电动机为反转。
再按一下SB1,C20动作,M20失电,C21复位电机停止转动。
第四章文献期刊分析
看了《PLC在数码显示中的应用》期刊,设计的显示装置主要为0-9的显示,按下启动按钮SB1后,由八组LED发光二极管模拟的八段数码管开始显示:
显示次序是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9,然后循环显示,按下停止按钮程序停止运行(显示的时间间隔为0.8s)。
为完成上述功能,采用日本OMRON(欧姆龙)公司的CP1H系列的PLC作为该装置的控制器。
根据显示情况,确定1点输入,7段数码
管各段作为7点输出,用SFT移位指令依次进行控制。
实践证明,本设计所采用日本OMRON公司CP1H型PLC的硬件配置和程序设计是完全可行的,在实践中取得了令人满意的效果。
假如由我来做的话,我将会用西门子PLC来完成。
I/O分配如4-1表
表4-1输入/输出端口的名称及地址编号
名称
地
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 五相十拍 步进 电动机 控制 课程设计