基于PLC和步进电机的水平工作台控制.doc

1、基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 1 页 共 39 页第一章 绪论随着现代化工业设备的自动化，越来越多的工厂设备采用 PLC，因此自动化程度越来越高。电气控制技术随着科学技术的发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展。在现代化工业生产中，为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动力，要求整个生产工艺全程自动化，这就离不开控制系统。自动化往返工作台是基于 PLC 控制来设计的，控制系统的每一步动作都直接作用于工作台的运动，与 PLC 控制系统有着巨大的关系，因此对自动往返工作台的系统设计要予以重视。展望未来，21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多

2、的应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的品种看，会有更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网购成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的大多数领域发挥越来越大的作用。基于 PLC

3、 和步进电机对水平工作台控制第 2 页 共 39 页第二章 总体方案的确定2.1 设备简介设备的结构简图如下：1 2 3 4 5步进电机接近开关工作台 滚珠丝杠定位铁片图 2-1 设备结构简图步进电机旋转一周，滚珠丝杠也旋转一周，工作台将水平移动一个丝距，这样，电机的圆周运动就可以转化为工作台的直线运动，固定在工作台上的定位铁片也将水平左右移动。图中所示的丝杠丝距为 3mm。2.2 控制方案要求a，将接近开关 2 作为原点，1 和 5 分别为左右极限；无论设备处于何种工作状态，遇到左右极限时都必须停止且不可向超限的方向运行；b，上电检测工作台是否在原点（无论在原点的左面还是右面） ，若不在原点

4、，则将工作台复位至原点；c，当工作台处于原点位置时，按下启动按钮，工作台装料，3s 后开始向工位 1 运送，至工作位 1 开始卸料，5s 之后返回原点；工位 1 距原点 55mm；d，至原点处继续装料，3s 后向工位 2 运送，至工位 2 开始卸料，5s 之后返回原点，工位 2 距离原点 110mm，至原点处时，一个循环完成，累计循环次数+1，并开始下一个循环；可设定循环工作的次数，完成设定次数后，工作台停止在原点处；e，循环过程中按下暂停按钮，则工作台立刻停止，直到在此按下启动按钮时，工作台继续运行至目标位置，要求可以多次按暂停启动，小车运行无偏差；在暂停状态下，若再次按下暂停键，则工作台回

5、到原点处停止；f，循环过程中按下停止按钮，工作台完成当前次循环后回到原点处停止。基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 3 页 共 39 页装料位置卸料 5 秒装料 3 秒卸料 5 秒装料 3 秒时间 t循环运行装料位置卸料位置 1 卸料位置 2输出频率 f装料位置启动按钮时间 t图 2-2 工作时序图2.3 触摸屏设计要求a，显示设备当前所处的工作状态：在原点、不在原点、装料、前进至工位 1、工位 1卸料等等，要做到只看触摸屏也能知道设备的状态；b，显示定时的时间，或者显示倒计时，精确到 0.1s；c，显示工作台当前相对原点的位置，单位 mm，精确到 0.1mm；d，显示工作台的实时移动

6、速度，单位 mm/s，精确到 0.1mm/s；e，可以设置循环工作次数，范围 19；若该参数小于 1，则自动设为 1，若该参数大于9，则自动设为 9；f，设置一个加密页，当密码正确时，才可以跳转至该页面，仅可以在该页面将已完成循环工作次数清零；加密方式不限（触摸屏本身的口令，触摸屏与 PLC 的交互控制） 。2.4 选择设计方案STL 流程指令。基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 4 页 共 39 页第三章 工作台组成本设计其组成大体有五部分，包括电源模块、PLC（XC3） 、步进驱动器、步进电机、工作台机械部件（滚珠丝杠等） 。3.1 可编程控制器（PLC）3.1.1 PLC介绍在制

7、造业和过程工业中，除了以模拟量为被控对象外，还存在着大量的数字量为主的逻辑顺序控制，这一点在以改变几何形状和机械性能为特征的制造业中，尤为突出。它要求控制系统按照逻辑条件和一定的顺序、时序产生控制动作，并能够对来自现场的大量开关量、脉冲、计时、计数等数字信号进行监视和处理。这些工作在早期由继电-接触器电路来实现，其缺点是体积庞大、故障率高、功耗大、不易维修、不易改造和升级等。而目前，PLC 控制器的程序存储容量多以 MB 为单位，随着超大规模集成电路技术的发展，微处理器的性能大幅提高，指令执行速度达到微秒级，从而极大提高了 PLC 的数据处理能力，高档的 PLC 可以进行复杂的浮点运算，并增加

8、了许多特殊功能，如高数计数、脉宽调制变换、PID 闭环控制、定位控制等等，从而在以模拟量为主的过程控制领域也占有了一席之地，在一定程度上具备了组建 DCS 系统的能力。此外，PLC 的通信功能和远程 I/O 能力非常强大，可以组建成分布式通信网络系统。在组成结构上，PLC 具有一体化结构和模块式结构两种模式。一体化结构的 PLC 追求功能的完善，性能的提高，体积越来越小，有利于安装。而模块式结构的 PLC 则利用单一功能的各种模块拼装成一台完整的 PLC，用户在设计自己的 PLC 控制系统时拥有极大的灵活性，并使设备的性价比达到最优。同时，模块式结构也有利于系统的维护、换代和升级，并使系统的扩

9、展能力大大加强。可编程控制器的生产是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，归纳为以下几点：1.可靠性高，抗干扰能力强；2.灵活性强，控制系统具有良好的柔性；3.通用性强，使用方便；4.功能强，适应面广；5.编程简单，容易掌握6.PLC 控制系统的设计、安装、调试、维护方便；基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 5 页 共 39 页7.体积小、重量轻、功耗低；3.1.2 PLC的硬件结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相似。PLC从结构上分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等

10、，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图 3-1-2 所示。中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢，它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器 I/O 以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存

11、器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。图 3-1-2 PLC 硬件结构图3.1.3 PLC的选型一般选择 PLC 型号从输入/输出点、存储容量、I/O 响应时间、输出负载的特点、在线和离线编程等方面考虑。1.PLC 容量的选择 首先对控制任务进行详细的分析，把所有的 I/O 点找出来，包括开关量 I/O 和模拟量I/O，以及这些 I/O 点的性质。然后要对用户存储器容量进行估算。户存所需内存容量受到内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数和用户编程水平几个主要因素的影响。2.PLC

12、 机型的选择（1）功能方面所有 PLC 都具有常规功能，但对特殊要求需选择能够完成控制任务的 PLC。如对 PLC 的计算速度、用户程序容量等有特殊要求等。（2）价格方面不同厂家的 PLC 产品价格相差很大，有些功能相似、质量相当、I/O 点数相当的 PLC 价输入电路 编程器中央处理单元（CPU）输出电路系统存储存储器 系统程序存储器 电源基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 6 页 共 39 页格相差甚远。因此，在使用 PLC 较多的情况下，价格比是一个重要的因素。（3）售后服务用户应考虑相关的技术支持，统一型号以便维护、系统改造、升级等因素。PLC 主机选定后，如果控制系统需要，则

13、相应的配套模块也就选定了。综上，本设计选用信捷 XC3-48T-E 型控制编程器。具体介绍见附录一。3.2 步进驱动器3.2.1 步进驱动器原理步进驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。相当于开关的组合单元，对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。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；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。步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱

14、动系统。步进电机驱动系统的性能，不但取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。对步进电机驱动器的研究几乎是与步进电机的研究同步进行的。步进电机驱动器主要由方波产生电路、脉冲环型分配电路和功率放大电路这三大电路组成，通过其三大电路实现控制电机的功能，很方便地改变电机的转动速度和方向。此外，步进驱动器有一大特色，可适当地对它进行细分，进而消除电机的低频振荡。3.2.2 控制器提供给驱动器的信号主要有以下三路a，步进脉冲信号 CP：这是重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是把控制系统发出的脉冲信号 CP 转化为步进电机的角位移，即驱动器每接受一个脉冲信号 CP,就驱动步进电机旋转

15、一步距角，CP 的频率和步进电机的转速成正比，控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的位移角。这样，控制系统通过脉冲信号 CP 就可以达到电机调速和定位的目的。CP 脉冲宽度一般要求不小于 2s。b，方向电平信号 DIR：此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，为低电平时则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接收两路脉冲信号,当其中一路有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路有脉冲信号时，电机反向运行。电机换向时，一定要在电机降速停止后再换向，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个 CP 脉冲结束后以及下一个方向的

16、第一个 CP 脉冲发出前。c，使能信号 ENA：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只在一些特殊的情况下使用，此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行，此功能若不选用，只需将此端悬空即可。3.2.3 使用 DP-153型步进驱动器的基本要求基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 7 页 共 39 页本设计采用 DP-153 型步进驱动器，1 细分，具体参数见附录二。对驱动器具体要求：1.全数字控制技术，超低电机运行噪声；2.供电电压可达 30VDC；3.输出电流有效直达 1.5A；4.细分动态可选，最高可达 128 细分；5.可驱动任何

17、 1.5A 以下 4,6,8 线两相步进电机；6.光隔离信号输入；7.电流设定方便，任意档可选；8.具有过压、过流保护功能。对电机的要求：一般来说，电机的选择主要看电机扭矩和额定电流两方面。扭矩的大小取决于电机的尺寸，尺寸大的电机扭矩也大；电流大小主要取决于电感，小电感的电流较大，电机高速运转时性能较好。对于某一给定接法的电机来说，电机的工作电流越大，输出转矩越大，电机发热也较严重；驱动器的供电电压越大，电机高速扭矩也越大；电机高速运行时的扭矩比中低速运行时的扭矩要小。3.3 步进电机3.3.1 步进电机介绍步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制步进电机元件。在非超载的情况下，电

18、机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转一个步距角。脉冲数越多，电机转动的角度越大。脉冲的频率越高，电机转速越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机不转。所以 PLC 在控制步进电机中起到的作用就是发出可控脉冲，通过调节脉冲频率控制步进电机速度，通过调节脉冲数量控制步进电机转动的角度。步进电机在构造上主要分为三种类型：反应式、永磁式和混合式。3.3.2 步进电机的工作原理基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 8 页 共 39 页图 3-3-2 两相步进电机的工作原理示意图如上图 3-3-2 所示，该两相电机有

19、两个绕组。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按 AError!BError!Error!AError!BAError!四个状态周而复始进行变化，电机顺时转动；通电时序为 AError!Error!BError!ABError!AError!时，电机逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，此图所示只要 4 个脉冲，电机就转动一圈。脉冲频率越高，电机转动越快。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的

20、矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。3.3.3 步进电机的选择判断需多大力矩：静扭矩是选择步进电机的主要参数之一。负载大时，需采用大力矩电机。力矩指标大时，电机外形也大。判断电机运转速度：转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。选择电机的安装规格：主要与力矩要求有关。确定定位精度和振动方面的要求情况：判断是否需细分，

21、需多少细分。根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。综上，本设计我选用 35mmHB 系列步进电机，具体介绍见附录三。3.4 工作台机械部件3.4.1 滚珠丝杠滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠的结构组成：滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置 4 部分组成。在丝杠和螺母上加有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了螺旋管道，

22、滚道内装满滚珠。丝杠回转时，为保持丝杠基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 9 页 共 39 页螺母的连续工作，滚珠通过螺母上的返回装置完成循环。按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式。内循环方式是指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触的方式。这种方式螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，返回滚道短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小。其缺点是结构复杂、制造较困难。外循环方式是指在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触的方式。外循环方式制造工艺简单，应用广泛；螺母径向尺寸较大；但因用弯管端部做挡珠器，故刚性差、易磨损。特点：1.传动效率高、摩擦损失小；2.运动灵活，低速时无爬行；

23、3.传动精度高，刚性好；4.滚珠丝杠的螺母副的磨损很小，使用寿命长；5.无自锁能力，具有传动的可逆性；6.滚珠丝杠螺母副制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母的材料、热处理和加工要求与滚动轴承相同，且螺旋滚道必须磨削，因此制造成本高。图 3-4-1 滚珠丝杠实物图3.4.2 接近开关在各类开关中，有一种对接近它物件有“感知”能力的元件 位移传感器。利用位移传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通或断的目的，这就是接近开关。接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。

24、特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号。种类：1.无源接近开关；2.涡流式接近开关；3.电容式接近开关；4.霍尔接近开关；5.光电式接近开关；6.热释电式接近开关；基于 PLC 和步进电机对水平工作台控制第 10 页 共 39 页7.其它型式。主要用途：接近开关在航空、航天技术以及工业生产中都有广泛的应用。在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门，自动热风机上都有应用。在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。在测量技术中，如长度，位置的测量；在控制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，也都使用着大量的接近开关。金属物体 感应头振荡器 晶体管开关输出器图 3-4-2 接近开关原理框图3.5 PLC和步进电机典型接线图 3-5 PLC 和步进电机接线图PUL+PUL- DIR+DIR- ENA+ENA-ERRO故障输出COMGND+VA+A-B+B-3.3K3.3K3.3K步进驱动器VCC脉冲信号方向信号使能信号控制器直流电源+20V+40V步进电机