PLC控制步进电机系统.docx

1、PLC控制步进电机系统绪论课题背景 近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。 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

2、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。PLC控制步进电机旋转台研究的目的和意义 数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量多品种复杂零件的加工等

3、优点，在机械加工中得到日益广泛的应用。它有以下几方面优点。1适应性强。2精度高，质量稳定。3生产效率高。4能实现复杂的运动。5良好的经济效益。6有利于生产管理的现代化。数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置（CNC）、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。数控机床发展的概况从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了五代。1959年，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。1965年，出现小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高。数控系统发展到第三代。以上三代系统，都是采

4、用专用控制计算机的硬接线数控系统，我们称之为硬线系统，统称为普通数控系统（NC）。随着计算技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，激烈地冲击着市场。数控系统的生产厂家认识到，采用小型计算机来取代专用控制计算机，经济上是合算的，许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制软件而加以实现，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统，称为第四代系统，即计算机数控系统（CNC）。但是，计算机技术的发展是日新月异的，就在1970年前后，美国英特尔（Intel）公司开发和使用了四位微处理器，微处理芯片渗透到各个行业，数控技术也不例外。我们把以微处理机技术为特征的数控系统称为第五代系统（MN

5、C）。我国数控机床发展的概况1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制出我国第一台数控铣床，由于我国基础理论研究滞后，相关工业基础薄弱，特别是电子技术落后，数控系统没有突破，虽然我国起步不晚，但发展不快，60-70年代，由于文革等因素，我国与发达国家差距开始拉大。70年代国家组织数控机床攻关，取得一定成效，相继推出一些数控机床品种，但从整体来看，我国数控机床产业尚处于起步阶段。80年代前期，我国引进了日本数控系统，通过消化吸收，提高了数控系统的可靠性。同时开始自行研制、开发并小批量生产数控机床，数控机床品种和质量有了突破性进展，我国数控机床进入实用阶段。国家从科技攻关和技术改造两方面对数控机

6、床产业进行了重点扶植，并加快了国产数控系统的开发。普及型数控系统开发成功，为数控机床商品化和规模化生产奠定了基础。一些数控机床主机厂组建床身、箱体、主轴、轴套等成组单元，厂内组织专业化生产，生产水平进一步提高。CADCAPPCAM开始应用，开发能力、工艺水平和产品质量进一步提高，奠定产业化基础，“十五”数控机床进入了快速发展期。我国从1958年试制成功第一台数控铣床，经历了漫长的发展历程。从“六五”（1980-1985）开始数控机床产业化，通过二十多年的发展，初步建立了国产数控机床产业化体系。进入新世纪以来，科学技术发展迅速，随着新技术革命向纵深发展，特别是电子技术和信息技术的快速发展，一批新

7、技术的应用与当代各学科技术的融合，数控机床的发展进入了新阶段，我国数控机床面临关键技术突破和产业升级的战略机遇。未来的发展方向目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：1高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线电动机直接驱动机床工

8、作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。2多功能化。配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由

9、于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。3智能化。现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机

10、等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。4数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CADCAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CADCAPPCAM集成的全自动编程方式，它与CADCAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直

11、接从系统内的CAPP数据库获得。5可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀

12、损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。6控制系统小型化。数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。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（Programmable Logic Controller），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

13、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

14、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

15、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。1.1 PLC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。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

16、（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

17、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

18、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。1.2 PLC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。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

19、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

20、，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。1.3 PLC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

21、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

22、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。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

23、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 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

24、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

25、、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，才能保证加工效率、加工精度和表面粗糙度指令图2-1 伺服系统结构图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

26、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，如图2-2所示。步进电动机图2-2 开环伺服系统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

27、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，当其在脉冲当量为1m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

28、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；（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

29、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。 图2-3 步进电机的开环控制原理图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

30、，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。 图2-4 步进电机的闭环控制原理图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。3 PLC控制步进电机方法的研究 随着微电子

31、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。3.1 PLC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

32、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3.2.1 FP1的特殊功能简介 (1) 脉冲输出 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360Hz5kHz。 (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1ms128ms。 (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。