线切割机床步进电机的PLC控制.docx
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线切割机床步进电机的PLC控制
辽宁工业大学
PLC技术及应用课程设计（论文）
题目：
线切割机床步进电机的PLC控制
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
（签字）
起止时间：
2013.12
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
自动化
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
线切割机床步进电机的PLC控制
课程设计（论文）任务
课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数
实现功能
步进电机按五相十拍工作方式，能实现正反转控制和低中高速控制，低速运行时转过一个步距角需要0.5秒，中速运行时转过一个步距角需要0.1秒，高速运行时转过一个步距角需要0.03秒。
旋转方向和速度改变时相应的指示灯亮。
设计任务及要求
1、根据系统功能，确定输入输出点数，选择PLC的型号；
2、选择步进电机驱动器；
3、建立I/O分配表，完成PLC与输入/输出信号的的外部接线；
4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序；
5、上机调试、完善程序；
6、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
五相十拍步进电机，额定电流2.5A，额定电压24V，额定转速扭矩1.98N.m
进度计划
1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）
2、设计步进电机驱动器和步进电机的接线（1天）
3、建立I/O分配，完成外部接线设计（1天）
4、按系统的控制要求，完成梯形图设计（2天）
5、上机调试、修改程序（2天）
6、撰写、打印设计说明书（2天）
7、答辩（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
本文主要阐述了五相十拍步进电动机结构原理，以及对步进电机的调速和正反转的研究。
采用PLC基本逻辑指令和常用指令的方法对步进电机调速正反转控制。
步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。
步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数即脉冲频率成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。
所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。
步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。
关键词：
步进电机；PLC；脉冲
目录
第1章绪论1
1.1线切割机床1
1.2PLC控制步进电机研究的意义1
1.3国内外关于步进电机和PLC的应用状况2
第2章课程设计方案3
2.1概述3
2.2系统组成总体结构3
第3章硬件模块设计4
3.1PLC系统设计4
3.1.1PLC简介4
3.1.2PLC工作原理4
3.1.3PLC选择4
3.1.4I/O分配5
3.2步进机驱动器6
3.3步进电机6
3.4PLC外部接线图8
第4章软件设计10
4.1软件编程10
第5章课程设计总结16
参考文献17
第1章绪论
线切割机床
线切割机床（WirecutElectricalDischargeMachining简称WEDM），属电加工范畴，是由前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。
线切割机也于1960年发明于前苏联，我国是第一个用于工业生产的国家。
其基本物理原理是自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道。
在这个阶段，两板间形成电流。
导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高。
然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走。
然后通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。
PLC控制步进电机研究的意义
在机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台：
（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；
（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。
可编程控制器（简称plc）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。
特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。
PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70～90%，甚至只占用自动线控制单元PLC的3～5个I/O接口及<1KB的内存。
特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。
国内外关于步进电机和PLC的应用状况
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。
第2章课程设计方案
概述
步进电机按五相十拍工作方式，能实现正反转控制和低中高速控制，低速运行时转过一个步距角需要0.5秒，中速运行时转过一个步距角需要0.1秒，高速运行时转过一个步距角需要0.03秒。
旋转方向和速度改变时相应的指示灯亮。
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,最长可达两个多扫描周期，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,应使程序尽量简捷、紧凑。
另一方面,同一个控制对象,根据生产的工艺流程的不同,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。
系统组成总体结构
控制电机控制方法框图如图所示。
控制方案是利用PLC的高速脉冲输出功能输出脉冲信号，送给大功率管组成的驱动电路，经过驱动器去控制步进电机实现位置控制。
应用PLC对定时器进行不同的时间定时控制其速度。
通过定时器定时通、断电使步进电机不同绕组通、断电，实现步进电机的正反转。
图2.1系统设计原理框图
第3章硬件模块设计
PLC系统设计
PLC简介
PLC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。
主要由电源、CPU、存储器、I/O接口电路、功能模块、通信模块等组成。
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。
PLC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。
PLC工作原理
1、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映象区中的相应的单元内。
2、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。
3、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。
PLC选择
根据要求与实际情况，本次采用的是西门子S7-200系列中的CPU224型号（24V,280mA）。
该型号集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
图3.1S7-200CPU224
I/O分配
根据要求，输入采用五个开关分别控制电机启动停止，低速、中速、高速运行和控制电机的正反转，具体如下表：
表3.1I/O地址分配表
控制信号
信号名称
元件符号
地址
输入信号
启/停
SB1
I0.0
低速调速
SB2
I0.1
中速调速
SB3
I0.2
高速调速
SB4
I0.3
正转
QS（ON）
I0.4
反转
QS（OFF）
I0.5
输出信号
脉冲/正向脉冲信号正输入端
CP+
Q0.0
脉冲/正向脉冲信号负输入端
CP-
Q0.1
方向/反向脉冲信号正输入端
CW+
Q0.2
方向/反向脉冲信号正输入端
CW-
Q0.3
步距控制信号输入端
10/20
Q0.4
脱机控制信号输入端
FRE
Q0.5
步进机驱动器
步进电机驱动器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，从而达到调速和定位的目的。
本次选择HB505VN五相混合式步进电机驱动器（AC40～110V电源供电；最大5A相电流输出；具
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