plc对电机的控制.docx
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plc对电机的控制
PLC对单机的控制
刘振
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1.可编程控制器简介…………………………………..3
2.伺服电机及步进电机简介…………………………..6
3.plc控制步进电机的方法研究……………………….9
4.三相异步电机的plc控制…………………………...13
2
1可编程控制器简介
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
（ProgrammableLogicController），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，
因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。
另一方
面，从制造生产可编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。
由于这些特点，可编程控制器问世以后很
快受到工业控制界的欢迎，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。
1.1PLC的结构及各部分的作用
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处
理器为核心的结构。
通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输
出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。
1.1.1中央处理单元（CPU）
CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。
CPU一般由控制电路、运算
器和寄存器组成。
这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。
CPU的
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功能有以下一些：
从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。
1.1.2存储器（RAM、ROM）
存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
存放系统软件的存储
器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作
数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。
RAM是
一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM
中的用户程序可方便地修改。
RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半
导体存储器，可用锂电池做备用电源。
掉电时，可有效地保持存储的信息。
EPROM、
EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
1.1.3输入输出单元（I/O单元）
I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
I/O单
元有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、
传感器等。
PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有
交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。
1.1.4电源
PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转
换成内部工作电压。
PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供
电。
1.1.5编程器
编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，
还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
除此以外，在个人
计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。
利用微
机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。
1.2PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从
第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断
循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程
序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态
时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
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1.2.1输入处理
输入处理也叫输入采样。
在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并
将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。
在此输入映象寄存器被刷新。
接
着进入程序执行阶段。
在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信
号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输
入处理阶段才能被读入信息。
1.2.2程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执
行程序。
遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
从
用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的
对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行
逻辑运算，存入有关器件寄存器中。
对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存
的内容，会随着程序执行过程而变化。
1.2.3输出处理
程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状
态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使
输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
1.3PLC编程语言
1.3.1梯形图编程语言
梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，它是在电器控制系统中常用的继电
器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的，形象、直观、实用。
梯形图的设计应注意以下三点：
（1）梯形图按从左到右、从上到下的顺序排列。
每一逻辑行起始于左母线，
然后是触点的串、并联接，最后是线圈与右母线相联。
（2）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，
其两端没有电源。
这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应满足线圈
接通的条件。
（3）输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触
点来驱动。
因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。
输出继
电器输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时，
就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管
或晶闸管才能实现。
输出继电器的触点可供内部编程使用。
1.3.2语句表编程语言
指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，但比汇编语
言易懂易学。
一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。
1.3.3控制系统流程图编程图
控制系统流程图是一种较新的编程方法。
它是用像控制系统流程图一样的功
能图表达一个控制过程，目前国际电工协会（IEC）正在实施发展这种新式的编程
标准。
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1.4小结
本章介绍了可编程控制器的组成、工作原理及PLC的编程语言。
根据以上介
绍，可以看出PLC的特点：
编程方法简单易学；功能强，性能价格比高；硬件配
套齐全，用户使用方便，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安
装、调试工作量少；维修工作量小，维修方便；体积小，能耗低。
因此，PLC的应用领域十分广泛，主要应用于开关量逻辑控制、运动控制、
闭环过程控制、数据处理及通信联网等。
2伺服系统及步进电机简介
伺服系统主要研究内容是机械运动过程中涉及的力学、机械学、动力驱动、
伺服参数检测和控制等方面的理论和技术问题。
伺服系统对自动化、自动控制、
电气工程、机电一体化等专业既是一项基础技术，又是一项专业技术，因为它不
仅分析各种基本的变换电路，而且结合生产实际，解决各种复杂定位控制问题，
如机器人控制、数控机床等，它是运动控制系统及现代电力电子技术相结合的交
叉学科，是力学、机械、电工、电子、计算机、信息和自动化等学科和技术领域
的综合，这些技术出现的新进展都使它向前迈进一步，其技术进步是日新月异的。
2.1伺服系统的作用及组成
节能减排
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在自动控制系统中，使输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的
系统称为随动系统，亦称伺服系统。
数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的
位置和速度作为控制量的自动控制系统。
数控机床进给伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床
移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求是高质量的速
度和位置伺服。
数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
数控机床伺服系统的一般结构如图2-1所示。
它是一个双闭环系统，内环是
速度环，外环是位置环。
速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲
编码器等。
速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器、
及功率驱动放大器等个部分组成。
位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度
控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成，位置控制主要是对机床运动坐标
轴进行控制。
轴控制是要求最高的位置控制，不仅单个轴的运动速度和位置精度
的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴有很多的动态配合，才
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能保证加工效率、加工精度和表面粗糙度
2.2伺服系统的分类
伺服系统按调节理论分类可分为开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服
系统；按使用的驱动元件分类可分为步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系
统。
在这里我们重点介绍开环伺服系统和步进伺服系统。
2.2.1开环伺服系统
这是一种比较原始的伺服系统。
这类数控系统将零件的程序处理后，输出数
据指令给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。
最典型的
系统就是采用步进电机的伺服系统
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它一般由环形分配器、步进电机功率放大器、步进电动机、配速齿轮和丝杠
螺母传动副等组成。
数控系统每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，驱
驱动电路
工作台
步进电动机
指令脉冲
动步进电动机旋转一个固定角度（即步距脚），再经传动机构带动工作台移动。
这类系统信息流是是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，
所以称为开环控制。
2.2.2步进伺服系统
如上图2-1所示，步进式伺服系统亦称为开环位置伺服系统，其驱动元件为
步进电动机。
功率步进电动机盛行于20世纪70年代，且控制系统的结构最简单，
控制最容易，维修最方便，控制为全数字化（即数字化的输入指令脉冲对应着数
字化的位置输出），这完全符合数字化控制技术的要求，数控系统与步进电动机
的驱动控制电路结为一体。
随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其他硬件电路均可由软件实
现，从而简化了系统结构，降低了成本，提高了系统的可靠性。
但步进电动机的
耗能太大，速度也不高，当其在脉冲当量δ为1μm时，最高移动速度仅有
2mm/min，且功率越大移动速度越低，所以主要用于速度与精度要求不高的经济
型数控机床及旧设备改造中
2.3步进电机工作原理
步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。
典型的电机绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。
当控制系统将
一个电脉冲信号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。
脉冲的频率决定电机的转速。
电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；因
此，只要简单地改变输入脉冲的数目，就能控制步进电机的转子运行角度，从而
达到位置控制的目的。
步进电机有以下特点：
（1）运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；
（2）具有锁定转矩；
（3）定位精度高，并且没有累积误差；
（4）具有优良的起动、停止、反转响应；
（5）无电刷和可靠性高；
（6）可低速运行，直接驱动负载；
节能减排
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指令
（7）不适宜的控制会引起振动；
（8）不宜运行于高速状态。
2.4步进电机的控制
2.4.1开环控制
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步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控
制。
这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，只需对输入指令脉冲信号计
数，就能知道电机的位置。
图2-3所示的是一个步进电机开环控制的基本组成，它包括驱动电路、脉冲
发生器和能使电机绕组按特定相序励磁的脉冲分配器。
2.4.2闭环控制
在开环控制系统中，电机响应走步指令后的实际运行情况，控制系统是无法
预测和监视的。
在一些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电机容
易失步，而使整个系统趋于失控。
这时候，可以对步进电机进行位置闭环控制。
控制系统对电动机转子位置进行检测，并将信号反馈至控制单元，使得系统对步
进电机发出的走步命令，只有得到相应实际位置响应后，方告完成。
因此，闭环
控制的最基本任务是防止步进电机失步。
实际上是一种简单的位置伺服系统。
图2-4为闭环系统的原理图，整个系统是在开环系统的基础上增加了位置检
测、数据处理的闭环控制电路。
2.5小结
作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的
重要指标。
围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱
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动技术。
可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发
展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机
床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。
3PLC控制步进电机方法的研究
随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发
展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可
进行模拟量控制，具有远程通信功能等。
有人将其称为现代工业控制的三大支柱
（即PLC，机器人，CAD/CAM）之一。
目前可编程序控制器（Programmable
Controller）简称PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自
动化提供了有力的工具。
3.1PLC的基本结构
PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电
路等。
如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的
各种开关信号、模拟信号、传感器检测的信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC
外部端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其它各种运算、处理后送
到输出端子，它们是PLC的输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。
3.2控制方法及研究
3.2.1FP1的特殊功能简介
（1）脉冲输出
节能减排
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FP1的输出端Y7可输出脉冲，脉冲频率可通过软件编程进行调节，其输出频
率范围为360Hz～5kHz。
（2）高速计数器（HSC）
FP1内部有高速计数器，可同时输入两路脉冲，最高计数频率为10kHz，计数
范围-8388608～+8388607。
（3）输入延时滤波
FP1的输入端采用输入延时滤波，可防止因开关机械抖动带来的不可靠性，
其延时时间可根据需要进行调节，调节范围为1ms～128ms。
（4）中断功能
FP1的中断有两种类型，一种是外部硬中断，一种是内部定时中断。
3.2.2步进电机的速度控制
FP1有一条SPD0指令，该指令配合HSC和Y7的脉冲输出功能可实现速度及位置
控制。
速度控制梯形图见图3-1，控制方式参数见图3-2，脉冲输出频率设定曲线
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速度控制梯形图
控制方式参数
脉冲输出与平率设定曲线
3.2.3控制系统的程序运行
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控制系统原理图
控制系统的原理接线图，图4中Y7输出的脉冲作为步进电机的时钟脉
冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。
同时Y7接至PLC的输入接点X0，
并经X0送至PLC内部的HSC。
HSC计数Y7的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使
Y7的脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。
控制梯形图
控制系统的运行程序：
第一句是将DT9044和DT9045清零，即为HSC进行计数
做准备;第二句～第五句是建立参数表，参数存放在以DT20为首地址的数据寄存
器区;最后一句是启动SPD0指令，执行到这句则从DT20开始取出设定的参数并完
成相应的控制要求。
由第一句可知第一个参数是K0，是PULSE方式的特征值，由此规定了输出方
式。
第二个参数是K70，对应脉冲频率为500Hz，于是Y7发出频率为500Hz的脉冲。
第三个参数是K1000，即按此频率发1000个脉冲后则切换到下一个频率。
而下一
个频率即最后一个参数是K0，所以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。
故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，
使之达到预定位置后自动停止。
3.3小结
利用可编程序控制器可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便可靠地
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进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。
它代表了先进的工业自动化革
命，加速了机电一体化的实现。
三相异步电动机的PLC控制
3.1三相异步电机的正反转控制
在生产过程中,往往要求电动机能够实现正反两个方向的转动,如起重机吊钩的上升与下降,机床工作台的前进与后退等等。
由电动机原理可知，只要把电动机的三相电源进线中的任意两相对调，就可改变电动机的转向。
因此正反转控制电路实质上是两个方向相反的单相运行电路，为了避免误动作引起电源相间短路，必须在这两个相反方向的单向运行电路中加设必要的互锁。
按照电动机可逆运行操作顺序的不同，就有了“正-停-反”和“正-反-停”两种控制电路
图3-1正反转继电器控制图
图3-2I/O接线图
图3-3梯形图
指令程序
地址指令数据
0000LD0001
0001OR0500
0002AND-NOT0000
0003AND-NOT0501
0004OUT0500
0005LD0002
0006OR0501
0007AND-NOT0000
0008AND-NOT0500
0009OUT0501
0010END（01）
PLC控制的工作过程的分析：
按下SB2，输入继电器0001动合触点闭合，输出继电器0500线圈接通并自锁，接触器KM1主触点，动合辅助触点闭合，电动机M通电正转。
按下SB1，输入继电器0000动断触点断开，输出继电器0500线圈失电，KM1主触点，动合辅助触点断开，电动机M断电停止正转
按下SB3,0002动合触点闭合,0501线圈接通并自锁,KM2主触点,动合辅助触点闭合,电动机M通电反转
3.2两台电动机顺序起动联锁控制
在装有多台电动机的生产机械上，有时必须按一定的顺序起动电动机，才能满足工作的需要。
例如某个设备要求:
“必需首先起动甲电动机，然后才能起动乙电动机，当甲电动机停止后，乙电动机自动停止”。
这种要求可采用下面的控制线路来实现。
图3-4顺序启动继电器控制图
图3-5I/O接线图
图3-6梯形图
指令程序
地址指令数据
0000LD0000
0001OR0500
0002AND-NOT0001
0003OUT0500
0004LD0002
0005OR0501
0006AND0500
0007AND-NOT0003
0008OUT0501
0009END（01）
PLC控制的工作过程的分析：
按下M1的起动按钮SB1,输入继电器0000动合触点闭合,输出继电器0500线圈接通并自锁,接触器KM1得电吸合,电动机M1起动运转;同时连接在0501线圈驱动电路的0500动合触点闭合,为起动电动机M2作准备。
可见,只有电动机M1先起动,电动机M2才能起动。
这时如果按下M2的起动按钮SB3,0002动合触点闭合,0501线圈接通并自锁,接触器KM2得电吸合,电动机M2起动运转。
按下M1的停止按钮SB2，0001动断触点断开，使0500线圈失电，并且由于连接在0501线圈驱动电路的0500动合触点的断开，使得0501线圈同时失电，两台电动机都停止运行。
若只按下M2停止，按钮SB4时，0003动断触点断开；使得0501线圈失电，M2停止运行，而M1仍运行。
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