基于PLC控制步进电机的数控滑台设计课程设计.docx

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基于PLC控制步进电机的数控滑台设计课程设计

课程设计（论文）

基于PLC的单轴伺服数控滑台设计

基于PLC控制步进电机的数控滑台

摘要

随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程

PLC（可编程控制器）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。

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。

论文在介绍了数控滑台的工作原理及方法后具体介绍了可编程控制器S7-200工作原理、各种参数、特点等，给出了控制系统的硬件设计方案、软件设计方法。

步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,在工业上有着广泛的应用。

论文介绍了步进电机的工作原理和控制原则,以及步进电机的驱动器工作方式。

光栅尺传感器系统主要应用于直线移动导轨机构或精密位移量的测量，可实现移动量的高精确显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。

采用西门子触摸屏TP170为人机界面，实现了人际信息的交互。

本系统简单实用，成本低，完全满足系统的控制要求，具有很好的实用性。

在附录中，本文还将给出一些必要的系统设计资料，供参考之用

关键词：

PLC、步进电机、光栅尺

NCslidercontrolsystembasedonPLCandStepperMotor

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmicro-electronicstechnology,computertechnologyandsoftwaretechnology，NCcontrolsystemisbecomingtotendencyofsmall-scaleandmulti-functional,hasimprovedself-diagnosticfeatures,greatlyreliabilityandtheNCsystemitselfwillgenerallyhaveCharacteristicsofautomaticprogramming.PLCisaspecialistinindustrialenvironmentsfortheapplicationofdigitaldesignandoperationofelectroniccomputingdevices.Itusesprogrammingprocessmemory,toimplementitsinternalstoragelogical,sequentialcomputing,timing,countingandarithmeticoperations,andcontrolalltypesofmachineryorproductionprocessthroughinputandoutputdigitaloranalog.PaperspresentedattheNCsliderworkingprincipleandthespecificcontrolmethodsandthePLC-S7-200’sworkingprinciple,theparametersandcharacteristics,ithehardwaredesign,softwaredesignmethodsofthecontrolsystem.

Steppermotorisaelectricalandmechanicalcomponentsthatsignalscanbeconvertedintoelectricalimpulsesangulardisplacementordisplacementofthemechanicalandelectricalcomponentsinawiderangeofindustrialapplications.Papersstatesthesteppermotorcontrolmethodsandtheprincipleofprinciplesandthesteppermotordriverworkingmethods.Grating-footsensorsystemismainlyusedinastraightlineormobileguideprecisionmeasurementofdisplacement,canachievehigh-precisionmovementofthedisplayandautomaticcontrol,hasbeenwidelyusedinmachiningandprecisionmeasurementequipment.

Thesystemusestouch-screenTP170fortheman-machineinterface,andimplementtheinterpersonalexchangeofinformation

Thesystemissimpleandpractical,lowcost,tofullymeettherequirementsofthecontrolsystem,hasagoodpractical.Intheappendix,thepaperwillbegiventhenecessarysystemdesigninformationforthereference.

Keywords:

PLC,Steppermotor,Gratingfeet

第一章绪论

1.1数控技术及其发展

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。

数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。

1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。

由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：

✧高速、高精加工技术及装备的新趋势

✧5轴联动加工和复合加工机床快速发展

✧智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

1.2机床滑台类型及控制

在组合机床自动线中，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功能控制中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。

单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。

利用单片机可以设计更高精度的系统，而起可以避免使用价格较PLC以降低成本。

用微机控制，虽然它在智能控制方面有较强大的功能，但它的抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，广泛应用也不太容易。

1.3本文的工作目的及意义

毕业设计做了一下工作：

1.对数控滑台控制进行了系统的学习，包括PLC，及步进电机的主要应用，实际的需求，实践的反馈。

2.应用西门子自动化公司的可编程控制器S7-200及和利时86系列步进电机,在此基础上搭建了实际的控制模型。

3.深入研究了位置控制系统的算法，利用S7-200高速、大存储、数据结构灵活等特点，实现了更简便的数控位置的PLC控制。

4.根据位置的控制要求，利用七海光栅尺进行了位置反馈，从而对步进电机丢步、失步、其他引起的定位不正确作出了校正，提高了系统的控制精度。

5.根据要求设计了人机界面，以实现了信息的交换。

本文的主要目的及意义

1.以数控滑台的逻辑控制为实例，对S7-200系统的网络组态、系统配置和梯形图编程进行一次尝试，为今后的更好地开发S7-200系统的工程应用积累经验。

2.以一种全新的编程思想进行PLC的梯形图编程，对于将来高性能的PLC的编程具有开拓性的意义。

3.对于数控滑台位置控制实现的研究也给后续的研究开辟了一个全新的方式，为更简捷完善的多轴位置控制的实现打下了坚实基础，对位置理论及其实现、位置控制在实际工程的应用都有很大的指导意义和参考价值。

第二章总体方案设计

2.1数控滑台的控制方法

2.1.1行程控制

一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。

由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。

而步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数，因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：

n=DL/d

（1）

式中：

DL为伺服机构的位移量（mm）；

d为伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）。

2.1.2进给速度控制

伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。

因此，可以根据该工序要求的进给速度，确定其PLC输出的脉冲频率：

f=Vf/60d（Hz）

（2）

式中：

Vf为伺服机构的进给速度（mm/min）。

2.1.3进给方向控制

进给方向控制即步进电机的转向控制.可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来其转向，如三相步进电机通电顺序为：

A-AB-B-BC-C-CA-A…时电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时电机反转。

因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。

2.2PLC控制系统的设计

2.2.1控制系统的设计方案

在采用PLC对步进电机进行控制的设计中,根据具体情况可选用多种不同的控制方案。

控制方案一：

用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电机驱动器,降低硬件成本。

但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响,步进电机不能在高频下工作,无法实现高速控制。

并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响,相应的控制精度就降低了。

应注意,PLC要选用晶体管输出型的,继电器输

出型的实际输出频率很有限,不能

满足控制要求。

采用这种方案,步

进电机控制系统的硬件组成非常

简单,即由PLC、直流电源和大功

率管子组成的驱动电路等组成,其

结构框图如图2-1所示。

整个系统

具有结构简单、成本低廉、可靠图2-1

性高、使用方便、通用性强等特点。

在控制系统的工作过程中,根据具体要求确定步进电机的工作方式（正反转）、加减速控制、恒速控制、正反转切换控制、起停控制。

根据实际的工作情况计算出相应的脉冲频率,继而计算出定时中断的设定值,建立控制常数表。

选定的工作方式不断地从控制常数表中取出速度参数送给定时器,即可实现相应的控制功能。

在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。

电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。

控制方案二：

是利用PLC的高速脉冲输出功能输出脉冲信号,经过专用的步进电机驱动器去控制步进电机。

由于小型PLC的高速脉冲输出端一般较少,这种控制方案要购置配套的驱动器,以产生控制步进电机的环型脉冲信号。

伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点.其中I口占用1点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端由于采用软环则占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，因此大型生产线应对此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/O口点数。

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至几十伏特、几十至几百毫安。

但对于功率步进电机则要求几十至上百伏特、几安至十几安的驱动能力，要采用驱动器对输出脉冲进行放大。

步进电机功率驱动器可将PLC输出的控制脉冲放大到几十至上百伏特、几安至十几安。

在PLC对步进电机的控制中,需要根据下面计算出3个参数:

脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）/（360×传动速比）

脉冲频率上限=（移动速度×步进电机细分数）/脉冲当量

最大脉冲数量=（移动距离×步进电机细分数）/脉冲当量

根据这3个参数,才能计算出相应的控制数据。

步进电机的控制以开环控制居多。

如果用光栅尺做速度或位置反馈,结合PLC的高速脉冲计数功能,就可实现闭环控制。

2.2.2PLC控制系统的接地方法

1.由于PLC机柜和操作台、配电柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电的金属部分，由于各种原因（如腐蚀、绝缘破损等）而有可能带危险电压，所以应该进行保护接地，低于36V供电的设备，无特殊要求可不做接地保护。

2.PLC控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位，基准电位的连接线称为系统地，通常是控制回路直流电源的零伏导线，系统接地的方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地方式。

3.为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子应做屏蔽接地。

其中信号回路接地和屏蔽接地又通称为工作接地。

一般以上接地方法的控制原则是：

保护地和工作地不能混用，这是由于在每一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电位差，这对低电平信号电路来说是一个非常严重的干扰。

屏蔽地，当信号电路是单点接地时，低频电缆的屏蔽层也应单点接地，如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上时，将产生噪声电流，形成噪声干扰源。

本系统采用的接地电阻都需要在规定的范围内，对于PLC组成的控制系统一般应小于4Ω，而且要有足够的机械强度，事前都需要进行防腐处理。

PLC组成的控制系统进行单独设置接地系统，也可以利用现场条件进行“等电位联结”进行接地设计。

2.3步进电机的控制

2.3.1步进电机的起停控制

步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。

为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。

在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。

2.3.2步进电机的加减速控制

在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和丢步现象。

所以步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时必须有减速过程。

理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。

选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。

在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。

步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”,与此类似，“停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。

电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。

加速过程由突跳频率加加速曲线组成（减速过程反之）。

突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率f0。

步进电机的最高起动频率（突跳频率）一般为0.1kHz到3～4kHz,而最高运行频率则可以达到N×100kHz,以超过最高起动频率的频率直接起动,会产生堵转和丢步的现象。

较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。

但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方

法,即阶梯加速法。

一般可按2种情况处理:

（1）已知突跳频率则按突跳频率分段起动,分段数n=f/f0;

（2）未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量

（后称阶梯频率）Δf=f/8,即采用8段拟合。

在运行控制过程中,将起始的速度（频率）分为n分,作为阶梯频率,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图2-2所示。

在一般的应用中,经过大量实

践和反复验证,频率如按直线

上升或下降,控制效果就可以

满足常规的应用要求。

用PLC

实现步进电机的加减速控制,

实际上就是控制发脉冲的频率。

图2-2

加速时,使脉冲频率增高,减速时则相反。

如果使用定时器来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。

速度从v1～v2变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加减速;如果是突变,则按阶梯加速法处理。

在此过程中要处理好2个问题:

（1）速度转换时间应尽量短。

（2）保证控制速度的精确性。

要从一个速度准确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。

2.3.3步进电机的换向控制

步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。

换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。

对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。

在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→加速3个过程。

将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求

2.4本章小结

本章介绍了数控滑台的控制方法，PLC系统设计两种方案以及步进电机的控制方法。

用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电机驱动器,降低硬件成本。

但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响,步进电机不能在高频下工作,无法实现高速控制。

并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响,相应的控制精度就降低了。

利用PLC的高速脉冲输出功能输出脉冲信号,经过专用的步进电机驱动器去控制步进电机，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，步进电机功率驱动器可将PLC输出的控制脉冲放大到几十至上百伏特、几安至十几安。

步进电机的起停控制可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。

步进电机的加减速段的处理可采用按直线拟合的方法。

第三章系统硬件设计

3.1系统硬件组成

本系统由西门子S7-200控制器、和利时86系列两相混合步进电机、和利时86N驱动、七海光栅尺、西门子TP170人机界面组成。

系统框图如图3-1：

图3-1

3.2系统硬件介绍

3.2.1S7-200控制器

S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。

这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。

由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美的满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。

S7-200的编程软件：

STEP7-Micro/WIN32。

该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。

使得PLC的编程更加方便、快捷。

主要组成部分：

一台S7-200MicroPLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展的模块。

S7-200MicroPLC模块包括一个中央处理单元，电源及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。

✧CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。

✧输入和输出是系统的控制点：

输入部分从现场设备（例如传感器或者开关）中采集信号，输出部分则控制电机、泵、以及工业过程中的其他设备。

✧电源向CPU所连接的任何模块提供电力。

✧通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他设备连接起来。

✧状态信息号灯显示了CPU的工作模式（运行或者停止），本机I/O的当前状态，以及检查出错的系统错误。

✧通过扩展模块可增加CPU的I/O点数。

✧通过扩展模块可提供其他通讯性能。

✧一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。

✧EEPROM可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。

✧通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间

本系统中选CPU224，主要参数如表3-1：

外形尺寸（mm）

120.5×80×62

程序存储器

4K

本机I/O

14输入10输出

用户数据

2K

内置高速计数器

6H/W（20KHz）

数据后备