[優(yōu)秀畢業(yè)論文]實現(xiàn)PLC控制步進電機的設(shè)計

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1、 畢業(yè)論文 實現(xiàn)PLC控制步進電機的設(shè)計 系 （部） 電氣工程系 專 業(yè) 機電一體化 班 級 機電3082班 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統(tǒng)的

2、抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。自動化系統(tǒng)中所使用的各類型PLC，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各電機設(shè)備上，它們大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家用提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面要求工程設(shè)計、安裝施工和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通

3、常被用作定位控制和定速控制。步進電動機迅速地發(fā)展并成熟起來。從發(fā)展趨向來講、步進電動機已經(jīng)能與直流電動機、異步電動機，以及同步電動機并列，從而成為電動機的一種基本類型。 用PLC控制步進電機越來越流行了，這將是大勢所趨的事情。 關(guān)鍵字：PLC、控制系統(tǒng)、步進電機、應(yīng)用、電動機 【Abstract】: With the development of science and technology, PLC control in the industry wider and wider application. PLC contr

4、ol system reliability directly affects the safety of industrial enterprises and economic operation, the system of anti-interference ability is related to the reliable operation of the system key. Automated systems used in all types of PLC, some are installed in the control room concentrate, some ins

5、talled in production sites and electrical equipment, they are mostly in strong and strong electrical equipment circuit is formed by heavy electromagnetic environment. PLC control system to improve reliability, while requests to use PLC manufacturers improve equipment in the anti-jamming capability,

6、on the other hand to require design, installation and construction and use of maintenance of attach great importance to multi-Peihecaineng, effectively enhance the system anti-interference performance. Stepper motor is able to convert digital input pulse incremental rotary or linear motion electro

7、magnetic actuator. Each input of a pulse motor shaft of a step angle stepping increment. Motor back to the corner and enter the total number of pulses proportional to the corresponding speed depends on the input pulse frequency. Stepper motor is a key component in mechatronic product, one is often u

8、sed as a positioning control and constant speed control. Stepper motor quickly develop and mature. From the development trend of speaking, the stepper motor has been with DC motor, induction motor, and the parallel synchronous motor, making it one of the basic types of motors. PLC controlled stepp

9、er motor with more and more popular, it will be the general trend of things. 【Key words】: PLC，control System，stepping Motor，application，electric motor 目錄 摘要 第1章 PLC控制系統(tǒng)硬件原理及選取 1 1.1 PLC簡介 1 1.2 PLC內(nèi)部原理 2 1.3 PLC的工作原理 4 1.4 PLC機型的選擇方法 7 第2章 步進電動機驅(qū)動器基本原理及選

10、取 9 2.1 步進電動機驅(qū)動器基本原理 9 2.2 步進電機驅(qū)動器選取方法 13 2.3 步進電機驅(qū)動器選取 14 第3章　步進電機概述 20 3.1　步進電機的分類 20 3.2　步進電機的工作原理 20 2.2.1　結(jié)構(gòu)及基本原理 20 2.2.2　兩相電機的步進順序 21 3.3 步進電機的工作特點 24 第4章 接近開關(guān) 25 4.1 工作原理 25 4.2接近開關(guān)的工作流程 26 第5章PLC控制步進電動機的原理 27 5.1 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點 27 5.2 PLC控制步進電動機的原理 29 5.3 功率放大電路 31 5.4軟件設(shè)計 31

11、 結(jié) 束 語 36 參 考 文 獻 38 第1章 PLC控制系統(tǒng)硬件原理及選取 1.1 PLC簡介 自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。 作為離散控的制的首選產(chǎn)

12、品，PLC在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長率保持為20%～30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和PLC市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來PLC在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家PLC的增長十分迅速。綜合相關(guān)資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。 PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表

13、達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。PLC用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型PLC使用另外一個C

14、PU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。 相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。如果被控對象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著PLC價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動化水平的不

15、斷提高，今后一段時期內(nèi)PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。 通用PLC應(yīng)用于專用設(shè)備時可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。實際工作中碰到的一些用戶原來采用嵌入式控制器，現(xiàn)在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。 1.2 PLC內(nèi)部原理 PLC實質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)和微機是基本一至。如圖1-1a PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖所示： 編程器 中央處理單元 （CPU） 輸入電路 輸出電路 系統(tǒng)程序存儲區(qū) 用戶程序存儲區(qū) 電源

16、 1-1a PLC硬件的基本結(jié)構(gòu)圖 （1）中央處理單元（CPU）： 中央處理單元（CPU）是PLC 的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū), 然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運算等結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)

17、的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為止。 （2）存儲器： 與微型計算機一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 PLC存儲空間的分配：雖然大、中、小型 PLC的CPU的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶程序存儲區(qū)。 系統(tǒng)程序存儲區(qū)： 在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序

18、等。由制造廠商將其固化在EPROM中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的各項功能。 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)： 系統(tǒng)RAM存儲區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。 I/O映象區(qū)： 由于PLC投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲單元（RAM）以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作I/O映象區(qū)。一個開關(guān)量I/O占用存儲單元中的一個位（bit）, 一個模擬量I/O占用存儲單元中的一個字（16個bit)。因此，整

19、個I/O映象區(qū)可看作由開關(guān)量的I/O映象區(qū)和模擬量的I/O映象區(qū)兩部分組成。 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū)： 除了I/O映象區(qū)以外，系統(tǒng) RAM存儲區(qū)還包括PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）的存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持的存儲區(qū)域和無失電保持的存儲區(qū)域，前者在PLC斷電時，由內(nèi)部的鋰電子供電。使這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)得以保留；后者當PLC停止運行時，將這部分存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)全部置“零”。 用戶程序存儲區(qū) ： 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。不同類型的PLC其存儲容量各不相同，一般來說，隨著PLC機型增大其存儲容量也相應(yīng)增大。不過對于新型的

20、PLC，其存儲容量可根據(jù)用戶的需要而改變。 常用的I/O分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 （3）PLC電源： PLC電源在整個系統(tǒng)中起著

21、十分重要的作用。無論是小型的PLC，還是中、大型的PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對PLC內(nèi)部的所有器件提供一個穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負10%（15%）之間，因此可以直接將PLC接入到交流電網(wǎng)上去。 可編程序控制器一般使用220V交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀?nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)的元件提供直流電壓。某些可編程序控制器可以為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置（如接近開關(guān)）提供24V直流電源。驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的電源一般由用戶提供。 可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼

22、電器等。這種計算機程序?qū)崿F(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。 1.3 PLC的工作原理 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機或切換到STOP工作狀態(tài)。 圖1-1b 除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循 環(huán)工

23、作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時完成的。 在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢≧UN）狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作。 在可編程序控制器的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中

24、別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。 外接的輸入觸點電路接通時，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。 可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步

25、序號順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運算，運算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。 在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作

26、。 若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時，稱該編程元件為ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為OFF。 掃描周期可編程序控制器在RUN工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖2.5.1a所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1~100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。

27、如圖1-1c所示。 第(N-1)個掃描周期 輸出刷新 第(N+1)個掃描周期 輸入采樣 第N個掃描周期 輸入采樣 輸出刷新 用戶程序執(zhí)行 圖1-1c PLC的掃描運行方式 （1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它 們存入I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會改變。所以輸入如果是脈沖信號，它的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 （2）用戶程序執(zhí)行階段 在

28、用戶程序執(zhí)行階段，PLC的CPU總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控制線路進行邏輯運算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達等。 （3）輸出刷新階段 在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動響應(yīng)的外設(shè)。這時才是PLC真正的輸出。 （4）輸入/輸出滯后時間 輸入/輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路濾波

29、時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間三部分組成。 輸入模塊的CPU濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點動作是產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為10ms左右。 輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在10ms左右；雙向可空硅型輸出電路在負載接通時的滯后時間約為1ms，負載由導(dǎo)通到斷開時的最大滯后時間為10ms；晶體管型輸出電路的滯后時間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達到兩個多掃描周期。可編程序控制器總的響應(yīng)延遲時間一般只有幾十ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求

30、輸入—輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控制器或采取其他措施。 1.4 PLC機型的選擇方法 （1）PLC的類型 PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。整體型PLC的I/O點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 （2）輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)

31、用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。考慮是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。 （3）電源的選擇 PLC的供電電源，除了引進設(shè)備時同時引進PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選

32、用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 （4）存儲器的選擇 由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應(yīng)用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 5.冗余功能的選擇 a．控制單元的冗余 a.a重要的過程單元：CPU（包括

33、存儲器）及電源均應(yīng)1B1冗余。 a.b在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。 b． I/O接口單元的冗余 b.a控制回路的多點I/O卡應(yīng)冗余配置。 b.b重要檢測點的多點I/O卡可冗余配置。 b.c根據(jù)需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。 （6）經(jīng)濟性的考慮 選擇PLC時，應(yīng)考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、

34、機架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響，在估算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。 第2章 步進電動機驅(qū)動器基本原理及選取 2.1 步進電動機驅(qū)動器基本原理 步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動, 這種裝置就是步進電機驅(qū)動器, 它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號,加以放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。 典型的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由三部分組成： 1. 步進控制器，由PLC實現(xiàn)。 2．驅(qū)動器，把PLC

35、輸出的脈沖加以放大，以驅(qū)動步進電機。 3．步進電機 步進電機的電樞通斷和各相通電順序決定了輸出角位移和運動方向，控制脈沖分配頻率可實現(xiàn)步進電機的速度控制。因此。步進電機控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制方式。 1）環(huán)形分配器 步進電機在一個脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角，因此只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進電機轉(zhuǎn)過的相應(yīng)的角度。但步進電機的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使用電機繞組的通斷電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的過程稱為環(huán)形分配。 實現(xiàn)環(huán)形分配的方法有兩種。一種是計算機軟件分配，采用查表或計算的方向使計算機的三個輸出引腳依次輸出滿足速度和方向要求的環(huán)形分配脈沖信

36、號。這種方法能充分利用計算機軟件資源，減少硬件成本，尤其是多相電機的脈沖分配更能顯示出這種分配方法的優(yōu)點。但由于軟件運行會占用計算機的運行時間，因而會使插補運算的總時間增加，從而影響步進電機的運行速度。 另一種是硬件環(huán)形分配，采用數(shù)字電路搭建或?qū)Ｓ玫沫h(huán)形分配器件將連續(xù)的脈沖信號經(jīng)電路處理后輸出環(huán)形脈沖。采用數(shù)字電路搭建的環(huán)形分配器通常由分立元件（如觸發(fā)器，邏輯門等）構(gòu)成，特點是體積大，成本高，可靠性差。專用的環(huán)形分配器目前市面上有很多種，如CMOS電路CH250即為三相步進電機的專用環(huán)形分配，它的引腳功能及三相六拍線路圖如圖2-1a所示。這種分配方法的優(yōu)點是使用 方便，接口簡單。 （

37、a） 引腳功能圖 （b）三相六拍線路圖 圖2-1a 環(huán)形分配器CH250引腳圖 2）功率驅(qū)動 要使步進電機能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動負載工作，必須為步進電機提供足夠功率的控制信號，實現(xiàn)這一功能的電路稱為步進電機驅(qū)動電路。驅(qū)動電路實際上是一個功率開關(guān)電路，其功能是將環(huán)形分配的輸出信號進行功率放大，得到步進電機控制繞組所需要的脈沖電流及所需要的脈沖波形。步機的工作特性在很大的程度上取決于功率驅(qū)動器的性能，對每一相繞組來說，理想的功率驅(qū)動器應(yīng)使通過繞組的電流脈沖盡量接近矩形波。但由于步進電機繞組有很大的電感，要做到這一點是有困難的。 常見的步進

38、電機驅(qū)動電路有三種： 1）單電源驅(qū)動電路。這種電路采用單一電源供電，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但電流波形差，效率低，輸出力矩小，主要用于對速度要求不高的小型步進電機的驅(qū)動。圖2-1b所示為步進電機的一相繞組驅(qū)動電路（每相繞組的電路相同）。 當環(huán)形分配器的脈沖輸入信號uU為低電平（邏輯0，約1V）時，雖然V1，V2管都導(dǎo)通，但只要適當選擇R1，R3，R5的阻值，使Ub3<0（約為-1），那么V3管就處于截止狀態(tài)，該相繞組斷電。當輸入信號uU>0（約為0.7V），V3管飽和導(dǎo)通，該相繞組通電。 圖2-1b 單電源驅(qū)動電路 2）雙電源驅(qū)動電路。雙電源驅(qū)動電路又稱高，低壓驅(qū)動電路

39、，采用高壓和低壓兩個電源供電，如圖2-1c所示。在步進電機繞組剛接通時，通過高壓電源供電，以加快電流上升速度；延遲一段時間后，切換到低壓電源供電。這種電路使用電流波形，輸出轉(zhuǎn)矩及運行頻率等都有較大的改善。 圖2-1c 高低壓驅(qū)動電路 當環(huán)形分配器的脈沖輸入信號uU為高電平時（要求該相繞組通電），二極管Vg，Vd的基極都有信號電壓輸入，使Vg，Vd均導(dǎo)通。于是在高壓電源作用下（這時二極管VD1兩端承受的是反向電壓，處于截止狀態(tài)，可使低壓電源不對繞組作用），繞組電流迅速上升，電流前沿很陡。當電流達到或稍微超過額定穩(wěn)態(tài)電流時，利用定時電路或電流檢測器等措施切斷Vg基極上的信號

40、電壓，于是Vg截止，但此時Vd仍然是導(dǎo)通的，因此繞組電流即轉(zhuǎn)而由低壓電源經(jīng)過二極管VD1供給。當環(huán)形分配器輸出端的電壓uU為低電平時（要求繞組斷電），Vd基極上的信號電壓消失，于是Vd截止，繞組中的電流經(jīng)二極管VD2及電阻Rf2向高壓電源供電，電流迅速下降。采用這種高，低壓切換型電源，電機繞組上不需要串聯(lián)電阻或者需要串聯(lián)一個很小的電阻Rf1（為平衡各相電流），因此電源的功耗較小。由于這種供壓方式使電流波形得到很大的改善，因而步進惦記的矩頻特性好，啟動和運行頻率得到很大的提高。 3）斬波限流驅(qū)動電路。這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過對繞組電流的檢測，控制功放管的開和關(guān)，

41、使電流在控制脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下，其波形圖如圖2-1d所示。這種電路功率大，功耗小，效率高，目前應(yīng)用最廣。 2-1d 斬波限流驅(qū)動電路波形圖 圖2-1e所示為一種斬波限流驅(qū)動電路原理圖，其工作原理如下：當環(huán)形分配器的脈沖輸入高電平（要求該相繞組通電）加載到光電耦合器OT的輸入端時，晶體管V1導(dǎo)通，并使V2和V3也導(dǎo)通。V2導(dǎo)通瞬間，脈沖變壓器T在其二次線圈中感應(yīng)出一個正脈沖，使大功率晶體管V4也通。同時由于V3的導(dǎo)通，大功率晶體管V5也導(dǎo)通。于是繞組W中有電流流過，步進電機旋轉(zhuǎn)。由于W是感性負載，其中的電流在導(dǎo)通后逐漸增加，當增加到一定值時，在檢測電阻R10上產(chǎn)生的壓降將超過由

42、分壓電阻R7和電阻R8所設(shè)定的電壓值Uref，使比較器OP翻轉(zhuǎn)，輸出低電平使V2截止。V2被截止瞬時，又通過T將一個負脈沖交連到二次線圈，使V4截止。于是電源通路被切斷，W中儲存的能量通過V5，R10及二極管VD7釋放，電流逐漸減小。當電流減小到一定值后，在R10上的壓降又低于Uref，使OP輸出高電平，V2，V4及W重新導(dǎo)通。在控制脈沖持續(xù)期間，上述過程不斷重復(fù)。當輸入低電平時，V1~V5等相繼截止，W中的能量則通過VD6，電源，地和VD7釋放。 該電路限流值可達6A左右，改變電阻R10或R8的值，可改變限流值的大小。 圖2-1e 斬波限流驅(qū)動電路 2.2 步進電機驅(qū)動器選取方

43、法 1.首先確定步進電機拖動負載所需要的扭矩。最簡單的方法是在負載軸上加一杠桿，用彈簧秤拉動杠桿，拉力乘以力臂長度既是負載力矩?；蛘吒鶕?jù)負載特性從理論上計算出來。由于步進電機是控制類電機，所以目前常用步進電機的最大力矩不超過45Nm，力矩越大，成本越高，如果您所選擇的電機力矩較大或超過此范圍，可以考慮加配減速裝置。 2.確定步進電機的最高運行轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速指標在步進電機的選取時至關(guān)重要，步進電機的特性是隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多參數(shù)有關(guān)，如:驅(qū)動器的驅(qū)動電壓、電機的相電流、電機的相電感、電機大小等等，一般的規(guī)律是：驅(qū)動電壓越高，力矩下降越慢；電機的相電流越大，力矩下降越

44、慢。在設(shè)計方案時，應(yīng)使電機的轉(zhuǎn)速控制在1500轉(zhuǎn)/分或1000轉(zhuǎn)/分，當然這樣說很不規(guī)范，可以參考〈矩-頻特性〉。 3.根據(jù)負載最大力矩和最高轉(zhuǎn)速這兩個重要指標，再參考〈矩-頻特性〉，就可以選擇出適合自己的步進電機。如果您認為自己選出的電機太大，可以考慮加配減速裝置，這樣可以節(jié)約成本，也可以使您的設(shè)計更靈活。要選擇好合適的減速比，要綜合考慮力矩和速度的關(guān)系，選擇出最佳方案。 4.最后還要考慮留有一定的（如30%）力矩余量和轉(zhuǎn)速余量。 5.可以先選擇混合式步進電機，如果由于價格因素，可以選取反應(yīng)式步進電機 6.盡量選取細分驅(qū)動器，且使驅(qū)動器工作在細分狀態(tài)。 7.選取時且勿走入只看

45、電機力矩這一個指標的誤區(qū)，也就是說并非電機的扭矩越大越好，要和速度指標一起考慮。 8.超小型驅(qū)動器和微型驅(qū)動器是靠外殼作為散熱器的，應(yīng)固定在較大、較厚的金屬板上或外加風機散熱，如果沒有散熱條件，而驅(qū)動器又工作在轉(zhuǎn)速較低的場合（這時驅(qū)動器發(fā)熱較大）。 2.3 步進電機驅(qū)動器選取 綜上所述本系統(tǒng)采用的是兩相混合式步進電機細分驅(qū)動器 SH-20803N 技術(shù)特點： 全新的雙極恒相流加細分控制模式 創(chuàng)新的動態(tài)尋優(yōu)電路使性能最優(yōu)化 最大64細分的多種細分模式可選 提供在線細分切換功能 24V～70V直流供電 最大輸出驅(qū)動電流3A/相 輸入信號TTL兼容且光電隔離

46、輸出電流可方便設(shè)定 過流、過壓、錯相保護 脫機保持功能 精巧的外形尺寸便于安裝 概述 本驅(qū)動器在繼承以往驅(qū)動器細分技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入了全新的動態(tài)智能電流控制技術(shù)，從而大大改善了電機電流的控制精度，進一步降低了力矩的脈動，提高了細分的精度，并且可以將電機的損耗降低30%，達到減小電機溫升的效果。更寬的電壓電流范圍可以滿足更多的應(yīng)用場合，通過動態(tài)智能控制模式可以根據(jù)實際的運行工況尋得最優(yōu)的控制方式，方便的電流設(shè)定功能方便適配多種型號電機。 電氣特性（環(huán)境溫度Tj=25℃時） 使用環(huán)境及參數(shù) 電源電壓 本驅(qū)動器采用直流電源供電，由機殼正面的紅色指示燈指示。電源

47、電壓在DC24V～DC70V之間都可以正常工作，用戶可以直接采用變壓器整流加電容濾波電路提供。但注意應(yīng)使整流后電壓紋波峰值不超過70V。考慮到電網(wǎng)電壓的波動，變壓器副邊空載輸出電壓建議小于50VAC。采用較低的電源電壓會使電機高速運行力矩下降，但有助于驅(qū)動器降低溫升和增加低速時的運行平穩(wěn)性（請參考適配電機矩頻特性曲線）。所加電源的輸出能力應(yīng)不少于電機的額定相電流，電源電壓越低則對電源電流輸出能力的要求越大。接線時務(wù)必注意電源正負，切勿反接！ 電源質(zhì)量的好壞直接影響到驅(qū)動器的性能和功能，電源的紋波大小影響細分的精度，電源共模干擾的抑制能力影響系統(tǒng)的抗干擾性，因此對于要求較高的應(yīng)用場合，一定要注

48、意提高電源的質(zhì)量。 輸出電流選擇 本驅(qū)動器采用雙極恒流方式，最大輸出電流值為3A/相（峰值），根據(jù)驅(qū)動器側(cè)板開關(guān)（4，5，6）的不同組合可以方便的選擇8種電流值，從1.5A到3.1A（詳見電流選擇表）， 細分選擇 本驅(qū)動器有A、B兩種類型，每種類型各提供8種細分運行模式。對于A型，可提供整步、半步（優(yōu)化半步）、4細分、8細分、16細分、32細分、64細分模式；對于B型，可提供整步、半步、4細分、5細分、8細分、10細分、20及40細分模式。驅(qū)動器出廠時，面板上會有類型標注。8種細分模式用戶既可通過側(cè)板開關(guān)（1,2,3）方便設(shè)定（詳見細分模式選擇表）也可以使用端子上提供的MS

49、1，MS2，MS3三個接口由系統(tǒng)選擇（詳見在線細分切換）。細分步數(shù)均相對整步而言，如驅(qū)動整步為1.8度電機，設(shè)定整步運行時，一個脈沖使電機轉(zhuǎn)動1.8度，半步時，一個脈沖使電機轉(zhuǎn)動0.9度，4細分時一個脈沖則使電機轉(zhuǎn)動0.45度…… 在線細分切換 可以通過驅(qū)動器面板上的撥碼開關(guān)選擇細分模式，共有8種模式備選，同樣也可以通過在輸入信號選擇端子上加對應(yīng)的電信號完成同樣的功能，信號端子和細分選擇開關(guān)一一對應(yīng)（例如：MS1對應(yīng)細分選擇開關(guān)1），細分選擇開關(guān)閉合（ON--撥碼開關(guān)置于“0”側(cè)）等效于對應(yīng)的輸入信號端子輸入低電位（內(nèi)部光耦導(dǎo)通），當開關(guān)設(shè)定和端子的信號不一致時，以端子低電平和

50、開關(guān)閉合為優(yōu)先。因此要完全使用輸入信號端子控制細分，請將細分選擇開關(guān)的1，2，3位設(shè)置為全OFF狀態(tài)。 為了降低細分驅(qū)動器對控制系統(tǒng)輸出高頻率范圍的要求，同時降低控制的復(fù)雜性，在保證精度的前提下，本驅(qū)動器提供了各個運行模式之間的在線自由切換，用戶可以通過控制信號自由決定所使用的細分數(shù)，并在運行中隨時切換。值得注意的是：若在不停止脈沖輸入的情況下進行細分模式的動態(tài)切換，由于細分的差異，同樣的輸入脈沖頻率會對應(yīng)不同的電機轉(zhuǎn)速，因此當由高細分切換到低細分或整步時，若不相應(yīng)調(diào)整脈沖頻率，就會使電機轉(zhuǎn)速突然以倍數(shù)上升，這種狀況可能導(dǎo)致電機丟步或堵轉(zhuǎn)，所以動態(tài)切換細分時要注意相應(yīng)的調(diào)整脈沖頻率，以保持切

51、換前后，電機轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)過渡。對于靜態(tài)（電機靜止或轉(zhuǎn)速極低）下的切換就比較簡單了。 脫機功能 脫機控制端外加低電平時，驅(qū)動器將切斷電機各相繞組電流使電機軸處于自由狀態(tài)，此時步進脈沖將不能被響應(yīng)。此狀態(tài)可有效降低驅(qū)動器和電機的功耗和溫升。當不需用此功能時，脫機端可懸空。 動態(tài)尋優(yōu) 本驅(qū)動器中包含獨創(chuàng)的動態(tài)尋優(yōu)電路，它可以根據(jù)當前電機的工作狀況作出相應(yīng)的調(diào)整，以達到最優(yōu)的運行效果。要注意的是該電路需要5秒左右的初始化過程，因此在剛上電的幾秒內(nèi)，效果可能不理想，幾秒后就會恢復(fù)。用戶可以避開這段時間。 錯相保護 兩相電機與驅(qū)動器連接時，極易接錯相，從而嚴重損壞驅(qū)動器。本驅(qū)動器設(shè)計了錯相保護電

52、路，用戶接錯相時，驅(qū)動器不會損壞，但電機運行不正常，主要表現(xiàn)在出力極小。遇此情況，應(yīng)檢查電機接線是否錯誤。 電機接線 本驅(qū)動器的設(shè)計為配合兩相混合式步進電機使用，所采用的是雙極恒流的控制方式，可以最大限度的利用電機的鐵磁材料。可以配合4線，6線及8線的電機使用。對于8線的電機在電流允許的前提下，可以接成串聯(lián)或并聯(lián)方式使用。要特別提出注意的是，本驅(qū)動器不能配合5線兩相電機使用！ 輸入信號 驅(qū)動器的信號輸入采用可拔插的端子，可以將其取下，接好線后再插上。 公共端：本驅(qū)動器的輸入信號采用共陽極接線方式，應(yīng)將控制信號的正電源連接到該端子上，信號輸出線連接到相應(yīng)的信號端子上，當信號輸入端出現(xiàn)低

53、電平時相對應(yīng)的內(nèi)部光耦開通，將信號輸入驅(qū)動器中。 脈沖信號輸入：信號從高到低的下跳變被驅(qū)動器解釋為一個脈沖，此時驅(qū)動器將按照相應(yīng)的時序驅(qū)動電機運行一步。脈沖低電平的持續(xù)時間不應(yīng)少于300ns。本驅(qū)動器的信號最高響應(yīng)頻率為2MHz，過高的輸入頻率將可能得不到正確響應(yīng)。 方向信號輸入：該端的高電平和低電平被解釋為電機運行的兩個方向，信號的改變將使電機運行的方向發(fā)生變化。該端的懸空被等效認為輸入高電平。要注意一點是，應(yīng)確保方向信號領(lǐng)先脈沖信號輸入至少10μs建立，從而避免驅(qū)動器對脈沖的錯誤響應(yīng)。當不需換向時，方向信號端可懸空。 脫機信號輸入：輸入低電平時電機相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀

54、態(tài)。不用此功能時脫機信號端可懸空。 細分選擇信號：這三個端子實現(xiàn)通過上位控制機輸出信號設(shè)定細分模式和細分模式的在線自動切換功能，端子外加低電平時內(nèi)部的光耦導(dǎo)通，等同于對應(yīng)的細分選擇撥碼開關(guān)置于‘ON’側(cè)。正確使用此功能的詳細介紹請參見上頁‘在線細分選擇’中的說明。要注意一點是，應(yīng)確保細分選擇信號領(lǐng)先于脈沖信號輸入至少10μs建立，從而避免驅(qū)動器對脈沖的錯誤響應(yīng)。當不需用此功能時，細分選擇信號端可懸空。 典型接線圖 輸入接口電路 第3章　步進電機概述 3.1　步進電機的分類 步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式

55、和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點電磁式步進電機可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進電機[7]。 (1)反應(yīng)式步進電機(Variable Reluctance，簡稱VR)反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進電機有單段式和多段式兩種類型； (2)永磁式步進電機(Permanent Magnet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較

56、大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負脈沖供電； (3)混合式步進電機(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永 磁式兩者的優(yōu)點?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅(qū)動用的交流同步機設(shè)計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能夠開環(huán)運行

57、以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于本設(shè)計的設(shè)計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進電機[7]。 3.2　步進電機的工作原理 2.2.1　結(jié)構(gòu)及基本原理 步進電機在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此，控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的

58、電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使電機旋轉(zhuǎn)。電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，步進電機將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運動。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的，并可重復(fù)，這就是步進電機為什么在定位應(yīng)用中如此有效的原因。 通過電磁感應(yīng)定律我們很容易知道激勵一個線圈繞組將產(chǎn)生一個電磁場，分為北極和南極，見圖2.1所示。定子產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動。 圖2.1　 激勵線圈產(chǎn)生電磁場 2.2.2　兩相電機的步進順序 1、兩相電機的單相通電步進順序 在圖2.2中我們很清晰的展示了在單相通電時一個兩相步進電機的典型

59、的步進順序。在第1步中，兩相定子的A相通電，因異性相吸，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示位置。當A相關(guān)閉、B相通電時，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90。在第3步中，B相關(guān)閉、A相通電，但極性與第1步相反，這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90。在第4步中，A相關(guān)閉、B相通電，極性與第2步相反。重復(fù)該順序促使轉(zhuǎn)子按90的步距角順時針旋轉(zhuǎn)[8] [9]。 圖2.2　兩相電機的單相通電步進順序 2、兩相電機的雙相通電步進順序 圖2.2中顯示的步進順序稱為“單相激勵”步進。更常用的步進方法是“雙相激勵”，其中電機的兩相一直通電。但是，一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性，見圖2.3所示。在第1步中，兩相定子的A相和B相同時通電，因異性相吸，

60、再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第2步中，兩相定子的A相關(guān)閉，而B和a相（此時的a相通電極性與第1步A相反）同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step2位置。在第3步中，兩相定子的a相和b相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。在第4步中，兩相定子的b相和A相同時通電，因異性相吸，再加上力的相互作用關(guān)系，其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step4位置。按照這樣的通電方式電機就轉(zhuǎn)過了一周[8] [9]。 兩相步進時，轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對直。由于兩相一直通電，本方法比“單相通電”步進多提

61、供了41.1%的力矩，但輸入功率卻為2倍。 圖2.3　兩相電機的雙相通電步進順序 3、步進電機的半步工作方式 電機也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個關(guān)閉狀態(tài)而走“半步”。這將步進電機的整個步距角一分為二。例如，一個90的步進電機將每半步移動45，見圖2.4。但是，與“兩相通電”相比，半步進通常導(dǎo)致15%～30%的力矩損失（取決于步進速率）。在每交換半步的過程中，由于其中一個繞組沒有通電，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小，造成了力矩的凈損失。 從原理圖我們很容易看到半步工作方式其實就是將兩相電機的單相通電工作方式和兩相電機的雙相通電工作方式相互結(jié)合起來。 兩相步進電機的工作模式有兩相四拍和

62、兩相八拍等兩種，其中我們在圖2.2和圖2.3中展示的都叫做兩相四拍工作模式，而下面的2.4圖展示的就是兩相八拍工作模式[8] [9]。 圖2.4　兩相電機的半步步進順序 3.3 步進電機的工作特點 本設(shè)計選用了型號為42BYG型的感應(yīng)子式步進電機，它與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。就目前步進電機的應(yīng)用情況來說，步進電機的自身特點具體歸納起來有

63、[１０]： (1) 電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，步進電機就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。 (2) 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 (3) 改變驅(qū)動器輸入脈沖的順序，可以方便的改變電機的轉(zhuǎn)動方向。 (4) 位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時組成 閉環(huán)控制系。 (5) 電機停止轉(zhuǎn)動的時候具有自鎖功能。 (6) 步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通?？?/p>

64、以在越低速下以高轉(zhuǎn)矩運行，因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負載工作。 (7) 步進電機不能使用普通的交流電源驅(qū)動。 (8) 一般步進電機的精度是步進角的3%~5%，且步距誤差不會長期積累。 (9) 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 (10) 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定頻率就無法啟動,并伴有嘯叫聲.步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可

65、能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 第4章 接近開關(guān) 4.1 工作原理 　　電感式接近開關(guān)屬于一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是金屬導(dǎo)電體。 附錄

66、1：部分常用材料的值 材料 衰減系數(shù) 鋼 1 不銹鋼 0.85 黃銅 0.3 銅 0.4 4.2接近開關(guān)的工作流程 接近開關(guān)技術(shù)要求： 螺紋式接近開關(guān)檢測距離10mm10%工作電壓DC型：10-30VDC三線型響應(yīng)頻率400Hz 第5章 PLC控制步進電動機的原理 5.1 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。自動化系統(tǒng)中所使用的各類型PLC，有的是集中安裝在控制室，有的是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場和各電機設(shè)備上，它們大多處在強電電路和強電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家用提高設(shè)備的抗干擾能力，另一方面要求工程設(shè)計、安裝施工和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。 1、電磁干擾源及對系統(tǒng)的干擾 干擾類型通常按