基于plc和触摸屏的电动机速度pid控制系统的设计本科学位论文Word格式.docx

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基于PLC和触摸屏控制的电动机速度

PID控制系统的设计　

姓名　　　　　田川　　　　　　

　　　　　　学号　　　201009140139

　　　　　　　年级　2010　　　

　　　　　　　专业　　电气工程及其自动化

　　　　　　　系　（院）　　　汽车学院

　　　　　　　指导教师　王君普

2014年3月22日

摘要

步进电机是将脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构，在正常运行状态下，电机的转速、停止位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。

步进电机驱动器就是接受控制系统发出的脉冲信号（一般为PLC或单片机）并将其转化为步进电机的角位移,也就是控制系统每发一个脉冲信号,驱动器就控制步进电机旋转一步距角。

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制脉冲信号的频率，就可以对电机进行精确调速；

控制步进脉冲的个数，就可以对电机进行精确定位。

PLC从问世就在工业生产中占有重要地位，随着科技的不断发展，新产品的不断问世，PLC的地位虽然受到一定的冲击，但其仍然可以完成80%以上的工业控制要求，并以其体积小、操作方便、价格便宜、抗干扰能力强等诸多优点仍在工业生产中占有重要地位。

触摸屏作为一种新兴的输入设备，它是目前最方便、简单、自然的人机交互方式，与PLC等控制器的结合是未来工业自动化的必然趋势。

旋转编码器是将角位移或直线位移进行转换的一种装置，并以电信号的形式输出，前者称为码盘，后者称为码尺。

拨码盘目前最为简便快捷的数字量输入设备，而且便宜能用，适用于各种场合。

本设计用触摸屏给PLC发出指令，步进电动机驱动器接受PLC发出的脉冲信号进而驱动步进电机带动珠丝杆滑台做匀速的往返加、减速运动，通过触摸屏和拨码盘可实现速度的实时设定。

旋转编码器与步进电机由联轴器同轴连接，将测量数值传输给PLC，PLC接收数据一方面进行计算后传输触摸屏进行速度的实时显示，另一方面PLC自带的PID模块进行数字量闭环控制，对电机转速进行精确地控制、调整。

关键词：

PLC；

步进电机；

步进电机驱动器；

旋转编码器；

触摸屏

Abstract

Steppermotoristheexecutivebodyofthepulsesignalintoangulardisplacementorlineardisplacement,undernormaloperatingconditions,themotorspeed,thestoppositiondependsonthepulsesignalfrequencyandpulsenumber,isnotaffectedbythechangeofload.Steppermotordriveristhepulsesignalfromthecontrolsystem（usuallyPLCorMCU）intoangulardisplacementofsteppingmotorcontrolsystem,alsoiseachsendapulsesignal,thedrivermakesthestepmotorstepangle.Sothesteppermotorspeedandthefrequencyofthepulsesignalisproportionaltothefrequencyofthepulsesignal,control,cancarryoutprecisecontrolofmotorspeedcontrol;

thenumberofsteppulse,cancarryoutprecisepositioningofthemotor.

PLCfrombeingpublishedinindustrialproductionplaysanimportantrole,withthedevelopmentofscienceandtechnology,newproductsareemerging,thepositionofthePLCalthoughsubjecttocertainimpact,butitcanstillcompletetheindustrialcontrolrequirementsofmorethan80%,andinmanyoftheadvantagesofsmallsize,convenientoperation,lowprice,stronganti-interferenceabilitystillinindustrialproductionplaysanimportantrolein.

Thetouchscreenisaninputdeviceofemerging,itisaman-machineinteractivewaytothemostsimple,convenient,natural,combinedwithPLCcontrollerisaninevitabletrendofthefutureindustrialautomation.Rotaryencoderisadeviceforsignalconversionangulardisplacementorlineardisplacement,theformeriscalledtheencoder,whichisreferredtoastheyardstick.Dialthedigitalinputdeviceissimple,andcheaptouse,issuitableforvariousoccasions.

TouchscreenwiththedesigntothePLCinstruction,issuedbyPLCpulsesignalistransmittedtothestepmotordriver,drivertodrivethesteppermotordrivesthescrewslideuniformround-trip,accelerationanddecelerationmotion,throughthereal-timesettingtouchscreenandcanrealizethespeeddial.Therotaryencoderisconnectedwiththesteppingmotorbyacouplingcoaxial,themeasuredvalueistransmittedtothePLC,aPLCreceivingdatareal-timedisplaycalculatedtransmittedtouchscreenforspeed,ontheotherhandthePIDbuilt-inPLCmodulesfortheclosed-loopdigitalcontrol,accuratecontrol,adjustmentofthemotorspeed.

Keywords:

PLC;

Stepmotor;

Steppermotordrive;

Rotaryencoder;

Touchscreen

目　录

1设计任务1

1.1设计内容1

1.2设计方案1

2硬件电路的选择1

2.1步进电机的选择1

2.1.1步进电机工作原理及分类1

2.1.2步进电机的特点2

2.1.3步进电机的计算、选择2

2.2步进电机驱动器的选择3

2.2.1驱动器的基本原理3

2.2.1步进驱动器细分的优点3

2.3PLC的选择3

2.3.1PLC简介及特点3

2.3.2PLC中PID的计算4

2.3.3PLC选型4

2.4触摸屏4

2.4.1触摸屏的工作原理及特性 

4

2.4.2触摸屏的分类5

2.5旋转编码器5

2.5.1旋转编码器工作原理介绍5

2.5.2旋转装编码器的分类5

2.6拨码盘、滑台6

3硬件电路的设计7

3.1步进电机与步进驱动器的连接7

3.2PLC与触摸屏、拨码盘的连接7

3.3PLC与旋转编码器的连接8

3.4滑台与PLC、旋转编码器、步进电机的连接9

3.5硬件电路原理图9

4软件设计11

4.1PLC主程序11

4.2触摸屏程序16

5设计系统的安装与调试22

5.1安装调试22

5.2总结23

参考文献25

谢辞26

1设计任务

1.1设计内容

本设计为基于PLC和触摸屏的电动机速度PID控制系统的设计，主要任务为在触摸屏的控制、显示下，由旋转编码器与PLC自带的PID模块形成的数字量闭环控制系统，控制两相步进电动机带动珠丝杆滑台做匀速、加、减速的自动往返运动，并可通过出触摸屏、拨码盘进行两地电机转速的实时设定。

1.2设计方案

图1：

设计框图

系统由触摸屏控制PLC，PLC根据触摸屏的指令作出相应的响应，发出脉冲指令给步进驱动器，步进电机驱动器驱动步进电机，步进电机带动滑台运动，同时旋转编码器测速，并将数据传送给PLC，PLC经过PID计算，一方面给触摸屏信号显示速度，另一方面进行PID闭环控制。

拨码盘与触摸屏可对步进电机进行两地实时的速度设定。

2硬件电路的选择

2.1步进电机的选择

2.1.1步进电机工作原理及分类

步进电机通过脉冲信号和反射到执行机构的相应角位移或线位移的脉冲信号控制。

每一个脉冲信号都将使步进电机前进或者后退一个固定的角度，此角度称为步距角，由此知道步进电机的角位移量和速度，严格的对应着输入脉冲的数量和脉冲频率。

步进电机的角位移量可通过控制脉冲个数达到准确定位的目的；

改变脉冲发出频率，就可以改变步进电机的转速，从而达到调节速度的目的。

步进电机的种类很多,按照不同的标准有许多划分，例如按相数分则可以分为单相、两相和多相3种；

按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机3类。

步进电机的控制方式、基本原理都是一样的，不同的是为了适用不同的场合、恶劣的环境等制作工艺不同等等。

2.1.2步进电机的特点

1）步进电机输入的脉冲数控制角位移量。

2）步进电机具有良好跟随性，没有累积误差。

3）步进电机与驱动器电路组成的开环控制系统,简单、廉价,又非常可靠。

同时也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。

4）步进电机的动态响应快,易于启动、换向，但是效率低。

5）步进电机带惯性负载的能力较差，自身的振动和噪声较大。

2.1.3步进电机的计算、选择

1）力矩与功率计算

P=Ω·

M 

（1）式中P为功率单位为瓦w；

Ω为每秒角速度，单位为弧度rad；

M为力矩单位为