T=T1时按下起动按钮SB1,X0变为“1”状态,经逻辑运算后Y000变为“1”状态,在输出处理阶段,将Y000对应的输出映像寄存器中的“1”送到输出模块,将可编程控制器内Y000对应的物理继电器的常开触点接通,使接触器KM的线圈通电。
2.2步进电机的工作原理及其控制要求
步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
给定一个电脉冲信号,步进电机转子就转过相应的角度,这个角度就称作该步进电机的步距角。
目前常用步进电机的步距角大多为1.8度(俗称一步)或0.9度(俗称半步)。
以步距角为0.9度的进步电机来说,当我们给步进电机一个电脉冲信号,步进电机就转过0.9度;给两个脉冲信号,步进电机就转过1.8度。
以此类推,连续给定脉冲信号,步进电机就可以连续运转。
由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系,使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。
步进电机的使用至少需要三个方面的配合,一是电脉冲信号发生器,它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号,目前这种信号大多数由可编程控制器(PLC)或单片机来完成;二是驱动器(信号放大器),它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外,还可以通过它改善步进电机的使用性能,事实上它在步进电机系统中起着重要的作用,一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器;三是步进电机,它有多种控制原理和型号,现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。
步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率高低实现的。
当发生脉冲的频率减小时,步进电机的速度就下降;当频率增加时,速度就加快。
还可以通过频率的改变来提高步进电机的位置精度。
步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。
给定一个脉冲,转过一个步距角,当停止的位置确定以后,也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。
其工作原理如下:
设A相首先通电,转子齿与定子A、A′对齐(图2.21a)。
然后在A相继续通电的情况下接通B相。
这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力,使转子顺时针方向转动,但是A、A′极继续拉住齿1、3,因此,转子将转到两个磁拉力平衡为止。
这时转子的位置如图(2.21b)所示,即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。
接着A相断电,B相继续通电。
这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图c),转子从图(b)的位置又转过了15°。
其位置如图3d所示。
这样,如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步地转动,步距角15°。
电流换接六次,磁场旋转一周,转子前进了一个齿距角。
如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电,则电机转子逆时针方向转动。
图2.21步进电机通电方式原理图
(1)三相步进电动机有三个绕组:
A、B、C
正转通电顺序为:
A→AB→B→BC→C→CA
反转通电顺序为:
A→CA→C→BC→B→AB
(2)用7个开关控制其工作
#1开关控制其运行(启)。
#2开关控制其运行(停)。
#3号开关控制其低速运行(转过一个步距角需0.5s)。
#4号开关控制其中速运行(转过一个步距角需0.1s)。
#5号开关控制其高速运行(转过一个步距角需0.04s)。
#6号开关控制其转向(ON为正转)。
#7号开关控制其转向(OFF为反转)。
细分原理:
细分控制本质上是对步进电机的励磁绕组中的电流进行控制,使内部的合成磁场成为均匀的圆形旋转磁场。
合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量的夹角大小决定了该步距角的大小。
细分就是将输入脉冲从原来的电流方波细分成以若干个等幅、等宽上升和下降的电流阶梯波。
电流波形有多少个台阶,转子就会以相同的数量转过一个步距角。
这种将1个步距角细分成若干步的驱动方法称为“细分驱动”。
细分驱动的特点是,可以在不改变电机结构参数的情况下,使步距角减小、提高精度;同时能使步进电机运行平稳,提高匀速性,此外,还能减弱或消除振荡。
细分方法:
用集成环形分配器芯片构成细分电路;
用微机控制步进电机的步距角细分。
2.3PLC控制系统所需I/O点数的确定和存储器容量的估算
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。
1步进电机PLC控制系统I/O接线图的设计
以三相步进电机为例,步进电机通常设有加速、减速控制及正反转控制等控制方式。
按控制要求可设计出步进电机的PLC控制系统I/O接线图(见图2.31)。
图2.31步进电机的PLC控制系统I/O接线图
图中:
CP-脉冲信号输入端子;
CW-方向信号输入端子;EN-使能信号输入端子。
步进电机脉冲频率的变化规律
步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程,且加速度越小则冲击越小,动作越平稳,所以步进电机工作一般要经历以下的变化过程:
加速-恒速(高速)-减速-恒速(低速)-停止。
因步进电机转速与脉冲频率成正比,所以输入步进电机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程,其变化规律见图2。
可见在步进电机启动时要使脉冲升频,停车时使脉冲降频。
由于步进电机驱动器在输入脉冲200Hz时处于震荡区内,容易损坏内部元件,而在200Hz以下运转速度较慢,效率较低,故一般采用350Hz作为脉冲的低频起点。
经测试,轻载时高频脉冲可达到6.8kHz。
2.4PLC控制系统所需机型的选择
PLC机型选择的基本原则是:
在功能满足要求的前提下,选择最可靠、维护使用最方便以及性价比最优的机型。
通常做法是,在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合,建议选用整体式结构的PLC;其他情况则最好选用模块式结构的PLC;对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中,一般其控制速度无须考虑,因此,选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求;而在控制比较复杂,控制功能要求比较高的工程项目中(如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等),可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机(其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等)。
本次设计选择的是三菱系列的FX1N系列。
2.5PLC控制系统的设计思想
.最大限度地满足被控对象的控制要求
.保证PLC控制系统安全可靠
.力求简单、经济、便于使用及维护
.适应发展的需要
第三章实验调试和结果分析
3.1PLC控制系统中I/O端子接线图及I/O地址分配表
3.1.1步进电机I/O分配表
输入
功能
输出
功能
X0
正转
Y0
控制A相
X1
反转
Y1
控制B相
X2
启动
Y2
控制C相
X3
停止
X4
低速
X5
中速
X6
高速
3.1.2I/O端子接线图
3.1.3步进电机控制流程图
3.2梯形图
3.3指令语句表
3.4实验的时序图
正转时序图
反转时序图
3.5实验调试中遇到的问题及解决方案
实验中可能会有许多原因会引起调试的不成功,其中包括硬件方面的,和软件方面的。
硬件方面的主要是连线的错误,或者其他硬件方面的问题。
比如硬件线路的接法不同也可能导致实验的不成功。
还有软件方面的问题,比如因为软件版本存在差异,使得一些语句不能实现,或者达不到预期的效果。
这就要求我们在做实验时要仔细的分析实验中遇到的问题。
3.6小结
通过实验,我们感性地认识到理论与实际的差别,加深了我们对本课程设计的理解和认识。
通过实验来验证设计并改善设计中的不足之处,实验中我们会遇到很多问题和故障,在锻炼了我们的动手能力的同时也提高了我们的思考、解决问题的能力。
调试的过程就是观察、分析、排错的过程。
在进行实验时,应该按照设计的实验步骤进行观察、记录,然后与原设计进行比较、分析,以判断每一步是否正确,从而推动整个实验的进程。
实验的调试过程,实质上是一个不断发现问题,不断找出原因,不断解决问题的过程。
要解决问题关键是要发现问题的所在,而要能找到出错的原因,只有通过反复的对实验运行过程中记录的参数进行分析、比较,才能发现问题。
由此可见,在实验室做好现场参数的记录和分析是相当重要的。
这不仅是培养我们养成良好实验习惯的机会,也是让我们学会将理论知识综合运用、掌握实验技巧、提高动手能力的重要途径。
对于一个实验电路而言,往往难以立即实现预期的电路功能,对各种客观因素的影响也是难以完全预测的。
因此必须要经过实验测试和调整,以便发现和纠正设计和安装中的不足,最后才能达到预定的设计要求。
第四章.论文总结及展望
4.1论文总结
这次课程设计对我们而言是对所学课程内容掌握情况的一次自我验证,对所学知识的综合应用能力检验,它培养和训练了我们的编程以及调试能力,进而提高了我们对学习和应用相关专业知识的兴趣。
通过本次设计我们的能力得到了锻炼,因而有着极其重要的意义。
我们本次课程设计的内容是三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试,针对现在的PLC技术,实现一些设计。
我们还应该加强PLC语句的练习,要能够运用自如。
此外还应掌握PLC的外部接线方法。
通过大家合理的分工和不懈的努力,我们得到了一系列可靠的实验数据,取得了一定的成绩。
但是在这次课程设计过程中也遇到了不少的问题和困难。
比如刚开始时组员之间任务分配不均,导致组员之间的工作量不均匀;当我们大家在一起讨论时,常会发生意见分歧;还有很重要的一点就是大家的基础知识不够扎实,使得设计进度缓慢,必须不断的在书本上学习新的知识来弥补不足等。
但幸运的是,随着课程设计的逐步进行,我们对种种问题进行了研究解决,最终才获得了预期的研究成果。
因此,课程设计这样的集体任务光靠个人是无法完成好的,必须通过团队的合作和努力才能取得胜利,合理的让团队成员分担责任也是我们完成设计任务的重要保障。
在团队工作中,团结是必备要素,要团结就是要让我们在合作的过程中,把团队利益放在第一位;不斤斤计较;多讨论,少争论;会谅解对方;从而取得事半功倍的效果。
4.2工作展望
通过对该课程设计的认识和了解,我们了解了三菱FX1N系列PLC的优点和特点,并懂得了一些以前不懂或不熟练的语句。
如果我们能够将这些收获应用于今后的课题研究,学习实践中,将成为我们一笔宝贵的无形财富。
本次设计在不利用外界电路的条件下,只利用PLC中的触点即对步进电机的正反转和速度进行了比较精确的控制,此课题的研究还有着非常大的潜力和发展前景。
致谢
课程设计结束了,但我们一起奋斗的精神和这份经历将会成为我们人生道路上一份宝贵的财富。
本课题在选题及进行过程中得到了XX老师的悉心指导。
X老师多次帮助我们分析思路,开拓视角,在我们遇到困难的时候给予了我们很大的支持和鼓励。
X老师严谨求实的治学态度,坚韧务实的工作精神,将使我们终生受益。
在脉宽调制过程中,我们还得到了XXX老师的耐心指导和帮助。
在此,我们谨向X老师和X老师致以最诚挚的谢意和最崇高的敬意。
参考文献
[1]《机电传动与控制》(第四版).邓星钟等编著华中科技大学出版社2007年7月第4版
[2]《FX系列PLC编程及应用》(第1版).廖常初主编机械工业出版社,2009年6月第1版
[3]《单片机及其接口技术》(第三版).李朝青主编北京航空航天大学出版社2005年10月1日
[4]《PLC编程理论、算法及技巧》.宋伯生编著机械工业出版社2005年7月
[5]《PLC开发与应用实例详解》.吴作明编著北京航空航天大学出版社2007.11