五相步进电动机

摘要着重对步进电动机的PLC控制系统作了研究。步进电动机的拍数控制采用步进指令，实现五相步进控制的独立模块，按照指令执行相应的模块即可。正反转控制是用一个输出继电器实现输出脉冲顺序的控制。速度的控制就是对输出脉冲时间的控制，本设计用时间继电器指令、数据加减1指令、数据比较指令、位数据传输指令等实现了它的控制。采用PLC控制步进电动机可以用很低的成本实现很复杂的控制方案，而且由于PLC编程的灵活性，使修改控制方案成为轻而易举的事情，只要重新编程序即可。关键词:步进电机可编程序控制器五项步进引言可编程序控制器简称为PLC，它出现于20世纪60年代，随着PLC的迅速发展，它的性能越来越高，价格越来越便宜。因此就有可能比较普遍地应用PLC来控制各类电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。第一章绪论步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲;通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量;同时通过编程控制脉冲频率一一既伺服机构的进给速度;环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。plc控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/0口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十一上百伏特、几安一十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几一几十伏特、几十一几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十一上百伏特、几安一十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。可编程控制器(PC)包括可编程逻辑控制器(PLC)和可编程计算机控制器(PCC。无论是PLC还是它的升级产品PCC，其基本组成和工作原理部是相同的。但是，PCC具有一般PLC所不具备的特点:①PCC已经采用了多任务操作系统;②PCC不但支持梯形图和C语言等各种高低编程语言，还具有专为工业控制开发的高级语言，它比通用的高级语言，如C语言更适用于工业控制，更易于编程;③PCC可以支持多个主CPU同时工作，而且还具有智能处理器，如专门的时间处理单元守(TPU。综上所述可看出，PCC在很多方面突破传统，在PLC中引入了新的思想和编程思想，更易于实现日趋复杂的控制要求[y。步进电机在工业领域应用非常广泛，实现PCC控制的步进电机具有很大的实用价值。步进电机的性能对控制系统的设计具有重要的意义，在设计时需要综合考虑步进电机的步距角、细分数、保持力矩等，使调速系统具有高的可靠性。在步进式PCC调速器中，根据步进电机的控制脉冲生成方式，它的控制方式分为直接控制和间接控制两种方式。前者，由PCC完成脉冲生成和脉冲分配，并输出与步进电机相适应的脉冲，再经过功率放人驱动步进电机;后者，由PCC完成脉冲生成并输出步进脉冲和方向控制信号，再由硬件或其他装置(如步进电机驱动器)实现脉冲分配和功率放大。采用直接控制方式时，步进电机运动频率由高速任务组的扫描周期决定，步进电机的运动频率愈高，则要求高速任务组的扫描周期愈短，这样，占用CPU的时间就愈长;采用间接控制方式时，其功能由TPU完成，不占用CPU资源;脉冲分配由步进电机驱动器完成，且具有更完善和灵活的控制功能(如升降速等)。因此在步进式PCC调速器中主要采用间接控制力式。第2章可编程程序控制器(PLC)2.1PLC简介代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)取提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%^-30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令)，然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位(也有32位的)为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/0点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些(大约能省40%左右)。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/0点(最多可达8000多个I/0)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。2.2PLC内部原理PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一至。如图1PLC硬件的基本结构图所示:(1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，接受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/0以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/0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术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/0映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/0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，直到停止运行为止。(2)存储器：与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件，才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分:系统软件和应用软件。存放系统软件存储器称为系统程序存储器。PLC存储空间的分配:虽然大、中、小型PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域:系统程序存储区，系统RAM存储区(包括I/0映象区和系统软设备等)和用户程序存储区。系统程序存储区:在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。系统RAM存储区:系统RAM存储区包括I/0映象区以及各类软设备(例如:逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)存储区。I/0映象区:由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元(RAM)以供存放I/0的状态和数据，这些存储单元称作I/0映象区。一个开关量I/0占用存储单元中的一个位(bit)，一个模拟量I/o占用存储单元中的一个字(16个bit)。因此，整个I/0映象区可看作由开关量的I/0映象区和模拟量的I/0映象区两部分组成。系统软设备存储区:除了I/0映象区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备(逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等)的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的铿电子供电。使这部分存储单元内的数据得以保留;后者当PLC停止运行时，将这部分存储单元内的数据全部置“零”。用户程序存储区:用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC其存储容量各不相同，一般来说，随着PLC机型增大其存储容量也相应增大。不过对于新型的PLC，其存储容量可根据用户的需要而改变。常用的I/0分类如下:开关量:按电压水平分，有220VAC,110VAC,24UDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量:按信号类型分，有电流型(4-20mA,0-20mA、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用I/0外，还有特殊I/0模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/0点数确定模块规格及数量，I/0模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3)PLC电源:PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%(15%)之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置(如接近开关)提供24V直流电源。驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。2.3PLC的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行(RUN状态与停止(STOP状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随