基于PLC步进电机控制自动门系统的设计Word文档下载推荐.docx
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当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。
由于大规模集成电路与微型计算机技术的发展，给电气控制技术开辟了新的前景。
PLC作为一种新型工业控制器，它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强等优点结合起来，其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，因此，在很多领域得到了广泛应用[1]。
1.2国内外研究现状
自动门主要有:
旋转自动门、弧形自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、重叠自动门、医用自动门、卷闸自动门、车库自动门、特种自动门。
两翼旋转自动门
新型两翼自动旋转门是集自动旋转门和自动平滑门二者优点于一身的完美结合，是旋转门、平移门和豪华展箱的完美结合，是融合世界先进科技与现代时尚的经典之作。
中间的自动平开门可实现单、双向通行和常开等运作模式。
是最适合饭店、机场、大型商场、医院、商户会馆、酒店、办公楼、大型大厦等的出入口系统。
三翼旋转自动门
三翼旋转门诞生于一种全新的构思和功能之中。
简单实用，安全稳定，它将旋转通道体系和最大旋转直径容为一体，同时满足了“最大程度的通行量”与“完美无缺的除风效果”这两个相对立的条件，适用于银行、商店、酒店、商场、办公楼、机场、宾馆及各种娱乐场所内，为所在的建筑增添一份尊贵气息。
四翼旋转自动门
四翼自动旋转门是最美观最经济实用的旋转门，其结构坚固耐用，操作方便简单，它具备通行能力强，入口较大的特点，运行安全可靠，故障率极低，免维护时间最长，是非常安全和舒适的通道，能使行人很方便得出入，是应用最广泛的一种旋转门。
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适用于银行、商店、酒店、商场、办公楼、机场、宾馆及各种娱乐场所内，为所在的建筑增添一份尊贵气息。
环柱旋转自动门
环柱旋转门是先进的电子技术与现代化的结构设计的结合，使围柱式旋转门的使用非常安全和方便，现代化的结构设计使它和建筑物本身容为一体。
有效地阻隔了严寒、酷暑、风沙的侵袭，减少了制冷和供暖的能源消耗，而且营造了清洁、安静、四季宜人的绿色通行环境。
水晶旋转自动门
水晶门可以大大减低紫外线的破坏力，防止室内装饰摆设及展品因受光照而导致出现老化和变黄等现象。
水晶片的隔热效果较玻璃优胜10倍，同时也可保持室温，节省能源。
色泽鲜艳、颜色丰富，易清洗，造型多样。
晶莹剔透，透视清晰，方便巡视，可增强保安效益。
2FX2系列的PLC
2.1FX2PLC的主要介绍
三菱公司是日本国生产PLC的主要厂家之一。
先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、FX2、FX1、FX2C、FX0FX0S、FX2N、FX2NC等系列。
其中F系列已停产。
F1系列在我国曾有较广泛的应用。
FX2系列机是F、F1、F2等机型的更新换代产品，属于高性能叠装式机种，也是三菱公司的典型产品。
FX2N型机是三菱公司的近期产品，按叠装式配置。
另外，三菱公司还生产A系列PLC，这是一种大型模块式机种。
本设计采用FX2系列PLC，FX2系列PLC是三菱公司高性能小型机的代表作。
系统最大I/O点数为128点，配置扩展单元后可达256点。
FX2系列机执行基本指令的速度为0.48us/步，用户程序存储器的容量可扩展至8K步。
它有与F1兼容的20条基本指令和2条步进指令，此外还有功能很强的95种功能指令。
它有6个和普通输入口兼容的告诉计数器输入点，最高计数频率为10KHz。
FX2系列PLC在我国应用比较广泛。
FX2系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。
基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。
扩展单元是用于增加I/O点数的装置，内部设有电源。
扩展模块用于增加用于增加I/O点数及改变I/O比例，内部无电源，用电由基本单元或扩展单元供给。
因扩展单元及扩展模块无CPU,必须与基本单元一起使用。
特殊功能单元是一些专门用途的装置。
如模拟量I/O单元、高速计数单元、位置控制单元、通信单元等；
这些单元大多数通过基本单元的扩展口连接基本单元，也可以通过编程器接口接入或通过主机上并接的适配器接入，不影响原系统的扩展。
FX2系列PLC具有数十种编程元件。
FX2系列PLC编程元件的编号分为两部分，第一部分是代表功能的字母。
如输入继电器用“X”表示，输出继电器用“Y”表示。
第二部分为数字，数字为该类器件的序号。
FX2系列PLC中输入继电器及输出继电器的序号为八进制，其余器件的序号为十进制。
从元件的最大序列号我们可以了解可编程控制器可能具有的某类器件的最大数量。
例如输入继电器的编号范围为X0—X177，为八进制编号，我们可以计算出FX2系列PLC可能接入的最大输入信号数为128点。
FX2系列可编程控制器有基本指令20条，步进指令2条，应用指令85条。
FX2系列可编程控制器的编程语言主要有梯形图及指令表。
指令表由指令集合而成，且和梯形图有严格的对应关系。
梯形图主要使用图形符号及图形符号间的相互关联表达控制思想，而指令则是图形符号及它们间的关联语句表达[3]。
2.2FX2PLC的主要编程元件
可编程序控制器内部有许多具有不同功能的器件，从物理实质上讲，这些器件是由电子电路和存储器组成的。
考虑到工程技术人员的习惯，常用继电器电路种类类似器件名称命名。
为了明确它们的物理属性，称它们为“软继电器”。
例如输入继电器X是由输入电路和输入影像寄存器组成的，输出继电器Y是由输出电路和输出影像寄存器组成的；
定时器T、计数器C、辅助继电器M、状态继电器S、数据寄存器D、变址寄存器V/Z等都事由相应的影像寄存器组成的。
为了和通常的硬器件相区别，通常把上面的器件成为软器件，是等效概念抽象的模拟器件。
并非实际的物理器件。
在可编程序控制器中这种编程元件的数量往往是巨大的。
为了区分它们的功能，通常给编程元件编上号码。
这些号码就是计算机存储单元的地址[5][10]。
（1）输入继电器X
输入继电器是PLC接收外部输入的开关量信号电路的一种等效表示。
PLC通过光电耦合器将外部信号的状态读入并存储在输入影像寄存器中。
输入端可以外接动合触电点或动断触点，也可以接多个触点组成的串并联电路或电子传感器。
FX2系列PLC输入继电器编号范围为X0-X177（128点）。
（2）输出继电器Y
输出继电器是PLC内部输出信号控制被控对象的电路的一种等效表示，它是用来将PLC的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。
FX2系列PLC输出继电器编号范围为Y0-Y177（128点）。
（3）辅助继电器M
PLC中配有大量的通用辅助继电器，它是用软件实现的，它们不能接受外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，只能由程序驱动，是一种内部的状态标志，其主要的用途和继电器电路中的中间继电器类似，常用于逻辑运算的中间状态存储及信号类型的变换。
辅助继电器分以下三种类型：
a.通用型辅助继电器M0-M99（500点）。
b.具有掉电保持的通用型辅助继电器M500-M1023（524点）。
掉电保持的通用型辅助继电器具有记忆功能。
所谓掉电保持是指在PLC外部电源停电后，由机内电池为某些特殊工作单元供电，可以记忆它们在掉电前的状态。
c.特殊辅助继电器M8000-M8255（256点）。
特殊辅助继电器是具有特定功能的辅助继电器。
根据使用方式又可以分为二类。
一类只能利用其触点的特殊辅助继电器，器线圈由PLC自行驱动，用户只能利用其触点。
这类特殊辅助继电器常用做时基、状态标志或专用控制元件出现在程序中。
例如M8000：
运行标志（Run）PLC运行时监控接通。
另一类是可驱动线圈型特殊辅助继电器，用户驱动线圈后，PLC做特定动作。
例如M8030：
使BATTLED（锂电池欠压指示灯）熄灭。
（4）定时器T
定时器相当于继电器电路中的时间继电器，可在程序中用作延时控制。
由设定值寄存器、当前值寄存器和定时器触点组成。
FX2系列可变程序控制器具有以下四种类型。
100ms定时器：
T0-T199200点计时范围：
0.1-3276.7s
10ms定时器：
T200-T24546点计时范围：
0.01-327.67s
1ms积算计时器：
T246-T2494点（中断动作）计时范围：
0.001-32.767s
100ms积算定时器：
T250-T2556点计时范围：
（5）计时器C
a.16位增计数器（设定值：
1-32767）
有两种16位二进制增计数器。
通用：
C0-C99（100点）
掉电保持用：
C100-C199（100点）
b.32位增/减计数器（设定值-2147483648-+2147483647）
有两种32位的增/减计数器
通用：
C200-C219（20点）
掉电保持用：
C220-C234（15点）
3步进电机的介绍
步进电机最早是在1920年由英国人所开发。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。
以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。
在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。
其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，如图1（a）、图1（b）所示。
步进电机的角位移量w或线位移量s与脉冲数k成正比如图2（a）所示；
它的转速n，或线速度v与脉冲频率f成正比，如图2（b）所示。
在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。
因而可适用于开环系统中做执行元件，使控制系统大为简化。
步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；
能够快速启动、反转和制动。
它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制[6][7]。
步进电机
图1（a）步进电机的功用图
图1（b）步进电机的功用图
图2（a）步进电机的控制特性图
图2（b）步进电机的控制特性图
按励磁方式分类，步进电动机可以分为反应式、永磁式、和感应子式。
其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单。
反应子式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。
其中典型结构如图3所示。
这是一台四相电机，定子铁芯由硅钢片叠成，定子上有8个磁极（大齿），每个磁极上又有许多小齿。
四相步进电动机共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。
转子也是由叠片铁芯构成，沿圆周有很多小齿，转子上没有绕组。
根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制[8]。
图3四相步进电动机的结构图
4步进电机的自动门控制系统硬件的设计
该设计包括信号传送部分、电机运行部分、PLC控制部分，此系统是由PLC控制四相八拍步进电机根据人和车辆进出的状况，产生信号传送给PLC，PLC根据内部编程设定，进行相关处理后输出，以便控制电机线路等外部电路元件的通断，实现门的自动开关。
此外为使此次设计的实用性更强、更具人性化，设计中应满足以下要求：
（1）按下正向启动按钮，自动门按正向转动，按下反向启动按钮，自动门按反向转动；
（2）步进电机慢步为1步/秒，快步为10步/秒；
4.1本设计的任务要求
四相八拍步进电机控制自动门的设计要求：
当人或车辆到来时，按下按钮，安装在门上的超声波开关将门打开，打开到一定宽度后停止；
当人或车辆通过后按下反向按钮超声波开关发出信号，关闭自动门。
并且在自动门打开或关闭的同时，可以通过开关按钮来控制步进电机快步或慢步打开或关闭。
4.2本设计的可行性分析
当人或车辆到来时，按下按钮，超声波开关输出一个信号，表示人或车辆要通过，请求打开自动门，这个信号输入自动门控制系统的PLC，PLC根据程序，接通开启电机使其工作，电机通过相应的机械机构开启自动门。
当自动门打开一定的宽度后，停止按钮，从而停止步进电机运行，保证自动门的宽度合理；
当人或车辆通过后，按下反向按钮，超声波开关输出一个信号，信号输入到PLC，步进电机快步或慢步驱动自动门关闭，达到下限位开关后，步进电机停止工作，自动门关闭。
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位移的电机。
其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度。
脉冲的频率决定了电机运转的速度.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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
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。
步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。
因此可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。
n=△L/δ，式中△L为步进电机的输出位移量（mm），δ为机构的脉冲当量（mm/脉冲）；
同时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。
四相八拍的步进电动机其通电方式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A………即单相通电和两相通电相间时。
当A相通电转到A、B两相同时通电时，定、转子齿的相对位置如图4所示（只画出A、B两个极下的齿），转子按顺时针方向只转过1/8齿距角，即0.9度，A极和B极下的齿轴线和转子齿轴线都还错开1/8齿距角。
转子受到两个极的作用力距大小相等，方向相反，故仍处于平衡。
当B相一相通电时，转子齿轴线和B极下齿轴线相重合，转子按顺时针方向又转过1/8齿距角。
这样继续下去，每换接一次绕组，转子转过1/8齿距角。
可见四相八拍步进电动机的运行是受脉冲控制的。
图4A、B两相通电时定、转子齿的相对位置图
根据上述的工作原理可以归纳步进电动机基本特点如下：
（1）步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。
例如一个按三相双三拍运行的环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路。
若开始是A、B这两路有电压，输入一个控制脉冲后，就变成B、C这两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成C、A这两路有电压，再输入一个脉冲，又变成A、B这两路有电压了。
环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电机一步步转动。
图5表示三相步进电动机控制方框图，图6表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图。
图5控制方框图
图6三相双三拍运行时各相控制电压波形图
步进电动机这种轮流通电的方式称为“分配方式”。
每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数”或“拍数”。
状态数等于相数的称为单拍制分配分配方式（如三相双三拍、四相双四拍等），状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式（如三相六拍，四相八拍等）。
同一台电机可有多种分配方式。
不管分配方式如何，每循环一次，控制电脉冲Uk的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压（或电流）个数却等于1，因而控制电脉冲频率f是每相脉冲电压（或电流）频率fx的N倍，即fx=f/N。
（2）每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号w表示。
从上面分析可见，当电机在四相八拍运行，即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA……顺序通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/8齿距角；
转子需要走8步才转过一个齿距角。
由于转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为w=360度/Zr（式中，Zr为转子齿数），所以转子每步转过的空间角度（机械角度），即齿距角为w=360度/Zr*N,式中N为运行拍数，N=km（k=1,2;
m为相数）。
（3）步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。
角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。
速度控制时，送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。
每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的1/Zr*N，也就是转过1/Zr*N转，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为n=60f/Zr*N（r/min）,式中f为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。
另外，若改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以控制电机正转或反转。
所以，步进电动机是用电脉冲进行控制的电机。
改变电脉冲输入的情况，就可方便地控制它，使它快速启动、反转、制动或改变转速。
（4）步进电机具有自锁能力。
当控制脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。
这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。
综上所述，由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响（在允许负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击、振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转和改变转速。
因此，步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统中[2]。
4.2.1步进电机的基本参数
（1）空载启动频率:
即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下，启动频率更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
（2）电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°
/1.8°
（表示半步工作时为0.9°
、整步工作时为1.8°
），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
（3）步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°
、三相的为0.75°
/1.5°
、五相的为0.36°
/0.72°
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
（4）保持转矩（HOLDING
TORQUE）：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
4.2.2步进电机动态指标及术语
（1）步距角精度：
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分表示：
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
（2）失步：
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。
称之为失步。
（3）失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
（4）最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
（5）最大空载的运行频率：
电机在某种
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