电器控制与PLC应用.docx

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电器控制与PLC应用

电器控制与PLC应用

课程设计说明书

课题：

PLC在步进电机中的应用

学院：

学号：

姓名：

指导老师：

日期：

2005年12月

目录

第一章：

介绍课题··································3

第二章：

设计方案··································4

第三章：

硬件设计···································6

第一节控制方法

第二节元器件选择

第四章：

软件设计··································11

第一节T型图分析说明

第二节梯形图与指令程序

第五章：

小结·······································15

第六章：

附录·······································16

附录

（一）：

梯形图

附录

（二）：

PLCI/O配置及接线图

第七章参考文献····································20

第一章介绍课题

步进电机是一种常用的电气执行元件,广泛应用于自动控制领域.在传统机床的数控化改造中,越来越多地采用PLC作为控制器实现对机床电气控制系统的改造,其中对数控机床的典型执行元件步进电机的控制是一个重要的内容.

步进电机是一种用电脉冲进行控制、将电脉冲信号转换成相应的角位移的电机.它的运转需要配备一个专门驱动电源,驱动电源的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制.每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度,这个角度称距角.脉冲的数量决定旋转的总角度,脉冲的频率决定旋转的速度.方向信号决定旋转的方向.

就一个传动速比确定的具体设备而言,无需距离、速度信号反馈环,只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度;而方向信号可控制移动的方向.另外步进电机可以实现细分运转方式.这样尽管步进电机的步距角受到机械制造的限制不能很小,但可以通过电气控制方式使步进电机运转由原来的每一个整步细分成n个小步来完成,提高设备运行的精度和平稳性.因此,步进电机一般需要专门的驱动器来控制.

对于那些在运行过程中移动距离和速度均来确定具体的设备,采用PLC通过驱动器来控制步进电机的运转是一种理想的技术方案.

第二章设计方案

一设计思路

由课题可知分别从转速、正反转、步数等方面利用PLC来控制步进电机，此次我设计的步进电机分慢速、中速、快速三档，有正反两种转向，分单步、10步和100步步数控制。

用开关S1、S2、S3控制速度档位，开关S4控制正反转，按钮SB、开关S6和S7来控制步数。

具体Ｉ／Ｏ配置及接线图如下图

图20-102

二,确定各元件的编号，分配I/O地址

利用梯形图编程，首先必须确定所使用的编程元件编号，PLC是按编号来区别操作元件的。

我选用的FX2N型号的PLC，其内部元件使用时一定要明确，每个元件在同一时刻决不能担任几个角色。

一般讲，配置好的PLC，其输入点数与控制对象的输入信号数总是相应的，输出点数与输出的控制回路数也是相应的（如果有模拟量，则模拟量的路数与实际的也要相当），故I/O的分配实际上是把PLC的入、出点号分给实际的I/O电路，编程时按点号建立逻辑或控制关系，接线时按点号“对号入坐”进行接线。

三,梯形图的编程规则

1、每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数

量限制。

2、梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接

触点），如图（a）错，图（b）正确。

图（a）图（b）

3、线圈不能直接接在左边母线上。

4、在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容

易引起误操作，应尽量避免。

5、在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻

辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在

梯形图中单方向流动——即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。

第三章硬件设计

第一节元器件的选择

一、机型的选择

FX2-32MRPLC一台

55BF004型三相反应式步进电动机一台

二、控制按钮选择

按钮是常用的主令电器，它有常开触头，也有常闭触头。

常用的按钮型号有LA2、LA18、LA19、LA20等系列。

其中LA2系列有二对常开和一对常闭触头，具有结构简单、动作可靠、坚固耐用的优点。

根据设计要求，可以选择LA2系列。

型号为LA2-6/D。

为标明按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成红、绿、黑、黄、蓝、白、灰等颜色。

1、“暂停”按钮必须是红色，当按下红色按钮时，必须使设备停止工作或断电。

2、“启动”按钮的颜色是绿色。

3、“单步”按钮是黑色的。

4、“10步”按钮是黄色的。

5、“100步”按钮是蓝色的。

6、“慢速”按钮是白色的。

7、“中速”按钮是灰色的。

8、“快速”按钮是灰白色的。

9、“正反转”按钮是紫色的。

三、步进电机的选择

     步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

     电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

2、静力矩的选择

     步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

3、电流的选择

     静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

     综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：

4、力矩与功率换算

    步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

               P=Ω·M

                 Ω=2π·n/60

                  P=2πnM/60

    其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米

              P=2πfM/400（半步工作）

    其中f为每秒脉冲数（简称PPS）

5.根据设计要求，并结合设计方案，选择36BF02型三相反应式步

进电动机

6.三相反应式步进电机原理

1）、结构：

     电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）

2）、旋转：

       如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

     如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。

如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

　 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て

    这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

    由此可见：

电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

    不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出：

电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……（m-1）/m,1。

并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。

只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

第二节控制方法

一、转速控制

选择慢速（接通S1）,接通启动开关S0。

脉冲控制器产生周期为1s的控制脉冲，使M0~M5的状态随脉冲向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环行分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电动机开始慢速步进运行。

选择中速（接通S2）,接通启动开关S0。

脉冲控制器产生周期为1s的控制

脉冲，使M0~M5的状态随脉冲向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环行分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电动机开始中速步进运行。

选择快速（接通S3）,接通启动开关S0。

脉冲控制器产生周期为1s的控制脉冲，使M0~M5的状态随脉冲向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环行分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电动机开始快速步进运行。

二、正反转控制

先接通正、反转开关S4,选择慢速（接通S1）,接通启动开关S0。

脉冲控制器产生周期为1s的控制脉冲，使M0~M5的状态随脉冲向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环行分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电动机开始慢速正转或反转步进运行。

先接通正、反转开关S4,选择中速（接通S2）,接通启动开关S0。

脉冲控制器产生周期为1s的控制脉冲，使M0~M5的状态随脉冲向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环行分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电动机开始中速正转或反转步进运行。

先接通正、反转开关S4,选择快速（接通S3）,接通启动开关S0。

脉冲控制器产生周期为1s的控制脉冲，使M0~M5的状态随脉冲向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环行分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电动机开始快速正转或反转步进运行。

三、步数控制

选择慢速（接通S1）;选择单步（接通SB）;接通启动开关S0。

六拍时序脉冲及三相六拍环行分配器开始工作；记数器开始记数。

当走完预定步数时，记数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环行分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。

选择慢速（接通S2）;选择10步（接通S6）;接通启动开关S0。

六拍时序脉冲及三相六拍环行分配器开始工作；记数器开始记数。

当走完预定步数时，记数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环行分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。

选择慢速（接通S1）;选择100步（接通S7）;接通启动开关S0。

六拍时序脉冲及三相六拍环行分配器开始工作；记数器开始记数。

当走完预定步数时，记数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环行分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。

当选择中速控制时，接通S2,再先后选择单步、10步、100步，并接通启动开关S0。

六拍时序脉冲及三相六拍环行分配器开始工作；记数器开始记数。

当

走完预定步数时，记数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环行分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。

当选择快速控制时，接通S3,再先后选择单步、10步、100步，并接通启动开关S0。

六拍时序脉冲及三相六拍环行分配器开始工作；记数器开始记数。

当走完预定步数时，记数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环行分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。

第四章软件设计

第一节程序说明

FX2-32MRPLC一台

该系列产品内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。

这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。

它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。

一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。

一、程序说明如下：

1．由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲,通过脉冲控制器的选择,再通过三相六拍环行分配器使三个输出继电器Y0,Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通,其接通顺序为:

Y0→（T）Y0,Y1（T）→（T）Y1→（T）Y1,Y2→（T）Y2→（T）Y2,Y0

该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是:

U→（T）U,V→（T）V→（T）V,W→（T）W→（T）W,U

即选择不同的脉冲周期T,以获得不同频率的控制脉冲,从而实现对步进电动机的调速.

通过正,反转驱动环节（调换相序）,改变Y0,Y1和Y2接通的顺序,以实现步进电动机的正,反转控制.即:

正转:

Y0→Y0,Y1→Y1→Y1,Y2→Y2→Y2,Y0

反转:

Y1→Y1,Y0→Y0→Y0,Y2→Y2→Y2,Y1

．通过脉冲计数器,控制六拍时序脉冲数,以实现对步进电动机步数的控制

第二节梯形图与指令程序

一、三相步进电动机控制的梯形图附录所示。

二、指令程序:

0LDX0

1ANIM1

2ANIM2

3ANIM3

4ANIM4

5ANIM5

6OUTM10

7LDM20

8ANIX10

9ANIC0

10ANIC1

11SFTR（P）34

M10

M0

K6

K1

20LDM5

21LDM0

22LDM1

23OUTM100

24LDM1

25LDM2

26LDM3

27OUTM101

28LDM3

29LDM4

30LDM5

31OUTM102

32LDX4

33ANDM100

34LDIX4

35ANDM100

36ORB

37OUTY0

38LDX4

39ANDM101

40LDIX4

41ANDM100

42ORB

43OUTY1

44LDM102

45OUTY2

46LDIT0

47OUTT0

K10

50LDIT1

51OUTT1

K5

54LDIT2

55OUTT2

K2

58LDX5

59PLSM11

61LDX1

62ANDT0

63LDX2

64ANDT1

65ORB

66LDX3

67ANDT2

68ORB

69ORM11

70OUTM20

71LDIX6

75ANDM20

76OUTC0

K10

79LDIX7

80RSTC1

82LDX7

83ANDM20

84OUTC1

K100

87END

第五章小结

在学习《电器控制与PLC》这门课时，我自己感觉不是太难，大部分知识我都能理解的很好。

可是在做课程设计时我却感觉到举步维艰，进程很慢，这时我才发现自己的知识很有限，而且眼高手低。

对PLC控制原理和步进电机的原理了解的不够深入。

此次课程设计使我对步进电机有了全面的了解：

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

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（及步进角）。

您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；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

还知道了步进电机的类型：

步进电机分三种：

永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。

让我体会到，学习理论并不难，而要课程设计时是却很不易。

因此在课程设计时一定要多想，多问，多尝试。

不但要会学，还要会查资料，从网上，图书馆等通过各种渠道获得你所需要的大量资料。

致谢：

在这次课程设计中我遇到许多问题和麻烦，多亏得到了老师的帮助和指导，才能够使得这次课程设计顺利的进行下去，为此在这里表示衷心的感谢！

另外，在程序调试过程中，也得到很多同学的帮助，给我及时指出错误，提出许多宝贵意见。

因此也对这些同学表示感谢！

第六章附录

附录

（一）：

梯形图

附录

（二）：

PLCI/O配置及接线图

设计

PLCI/O配置及接线图

比例

备注

审核

1:

1

日期

05/12/31

机械工程学院

第七章参考文献

电气控制与PLC应用张桂香主编化学工业出版社

可编程控制器技术与应用系统设计陈在平赵相宾主编机械工业出版社

PLC分析与设计应用周万珍高鸿斌编著电子工业出版社

可编程序控制器原理及应用郁汉琪郭健主编中国电力出版社

可编程序控制器原理与应用宋建成主编科学出版社