1、83/88基于PLC步進電機控制系統的設計摘要隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機、電動玩具等消費類產品以及數控機床、工業機器人、醫療器械等機電產品中，其在各個國民經濟領域都有應用。研究步進電機的控制系統，對提高控制精度和響應速度、節約能源等都具有重要意義。使轉軸步進一個步距角增量，輸出角位移與輸入脈沖數成正比，轉速與輸入脈沖頻率成正比。步進電機的控制方式簡單，屬于開環控制，且無累積定位誤差，有較高的定位精度，而PLC作為一種工業控制微機，是實現電機一體化的有力工具，因此基于PLC的步進電機控制技術已廣泛用于數字定位控制中。本設計將步進電機控制系統用于控制數

2、控機床滑臺。本控制系統的設計，由硬件設計和軟件設計兩部分組成。其中，硬件設計主要包括步進電機的工作原理、步進電機的驅動電路設計、PLC的輸入輸出特性、PLC的外圍電路設計以及PLC與步進電機的連接與匹配等問題的實現。軟件設計包括主程序以及各個模塊的控制程序，最終實現對步進電機轉動方向及轉動速度的控制。本系統具有智能性、實用性及可靠性的特點。關鍵詞：步進電機、PLC、轉速控制、方向控制Stepping motor control system based on PLCAbstractWith the development of microelectronics and computer tec

3、hnology, the stepper motor is increasing demanded, which is widely used in printers, electric toys and other consumer products, and CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and other electrical machinery products, and is applied in the national economy in various fields. Researching o

4、f stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is so important.Stepper motor is a device which will transform electrical pulses into mechanical angular displacement so that Shaft of each pulse to a step angle stepping increment, SO output angul

5、ar displacement is proportional to the input pulses, speed is proportional to the input pulse speed and speed is proportional to input pulse frequency. Stepper motor control is simple, is open-loop control, and no accumulation of positioning error, a high positioning accuracy,and the PLC as an indus

6、trial control computer, is a powerful tool for the integration of the motor, Therefore, the stepper motor control based on PLC technology has been widely used for digital positioning control.The control system consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design inc

7、ludes the working principle of stepper motor, stepper motor drive circuit design, PLC input and output characteristics, PLC and PLC external circuit connection with the stepper motor and matching Problem. Software design, including the main program and each module of the control program, ultimately

8、realizes on the stepper motor rotation direction and rotation speed control This system has the intelligence, practicality and reliability features.Keywords：Stepper motor, PLC, speed control, direction control目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc28170 基于PLC步進電機控制系統的設計 PAGEREF _Toc28170 I HYPERLINK l _

9、Toc13771 摘要 PAGEREF _Toc13771 I HYPERLINK l _Toc27629 Stepping motor control system based on PLC PAGEREF _Toc27629 II HYPERLINK l _Toc21380 Abstract PAGEREF _Toc21380 II HYPERLINK l _Toc10301 第一章 緒論 PAGEREF _Toc10301 1 HYPERLINK l _Toc19273 1.1 PLC的發展及應用前景 PAGEREF _Toc19273 1 HYPERLINK l _Toc29548 1

10、.1.1 可編程控制器（PLC）的發展趨勢 PAGEREF _Toc29548 1 HYPERLINK l _Toc10334 1.1.2 可編程控制器（PLC）的應用領域 PAGEREF _Toc10334 1 HYPERLINK l _Toc7652 1.1.3 PLC的應用前景 PAGEREF _Toc7652 1 HYPERLINK l _Toc27377 1.2 提出問題 PAGEREF _Toc27377 2 HYPERLINK l _Toc31452 1.2.1 機床滑臺類型及控制 PAGEREF _Toc31452 3 HYPERLINK l _Toc9749 1.2.2 本文

11、的工作目的及意義 PAGEREF _Toc9749 3 HYPERLINK l _Toc4847 1.2.3 本文的主要目的及意義 PAGEREF _Toc4847 3 HYPERLINK l _Toc17025 1.3 系統功能 PAGEREF _Toc17025 4 HYPERLINK l _Toc19542 第二章 PLC概述 PAGEREF _Toc19542 5 HYPERLINK l _Toc13417 2.1 PLC的產生與發展 PAGEREF _Toc13417 5 HYPERLINK l _Toc15852 2.1.1 PLC的產生及定義 PAGEREF _Toc15852

12、5 HYPERLINK l _Toc9443 2.1.2 PLC的發展 PAGEREF _Toc9443 6 HYPERLINK l _Toc19306 2.2 PLC的特點與功能 PAGEREF _Toc19306 7 HYPERLINK l _Toc21435 2.2.1 PLC的特點 PAGEREF _Toc21435 7 HYPERLINK l _Toc23685 2.2.2 PLC的功能 PAGEREF _Toc23685 7 HYPERLINK l _Toc23717 2.3 PLC的結構 PAGEREF _Toc23717 8 HYPERLINK l _Toc19906 2.4

13、PLC的編程語言 PAGEREF _Toc19906 8 HYPERLINK l _Toc8995 2.4.1 梯形圖 PAGEREF _Toc8995 9 HYPERLINK l _Toc29001 2.4.2 語句表 PAGEREF _Toc29001 11 HYPERLINK l _Toc681 2.4.3 順序功能圖 PAGEREF _Toc681 11 HYPERLINK l _Toc26369 第三章 步進電機概述 PAGEREF _Toc26369 12 HYPERLINK l _Toc3261 3.1 步進電機工作原理 PAGEREF _Toc3261 12 HYPERLINK

14、 l _Toc3759 3.2 步進電機的特性 PAGEREF _Toc3759 12 HYPERLINK l _Toc11550 3.3 步進電機的分類 PAGEREF _Toc11550 13 HYPERLINK l _Toc11249 3.4 步進電機驅動器的直流供電電源的確定 PAGEREF _Toc11249 13 HYPERLINK l _Toc3139 3.5 步進電機使用時的注意事項 PAGEREF _Toc3139 14 HYPERLINK l _Toc21335 3.6 步進電機驅動器的細分原理及一些相關說明 PAGEREF _Toc21335 14 HYPERLINK l

15、 _Toc2734 3.7 反應式步進電機 PAGEREF _Toc2734 15 HYPERLINK l _Toc12510 3.8本設計所用步進電機 PAGEREF _Toc12510 18 HYPERLINK l _Toc17377 第四章 總體方案設計 PAGEREF _Toc17377 19 HYPERLINK l _Toc31636 4.1數控滑臺的控制方法 PAGEREF _Toc31636 19 HYPERLINK l _Toc15865 4.1.2進給速度控制 PAGEREF _Toc15865 19 HYPERLINK l _Toc18237 4.1.3 進給方向控制 PA

16、GEREF _Toc18237 19 HYPERLINK l _Toc21316 4.2 PLC控制系統設計 PAGEREF _Toc21316 19 HYPERLINK l _Toc11304 4.3 PLC控制系統的接地方法 PAGEREF _Toc11304 20 HYPERLINK l _Toc3395 4.4步進電機的控制 PAGEREF _Toc3395 20 HYPERLINK l _Toc16018 4.4.1步進電機的起停控制 PAGEREF _Toc16018 21 HYPERLINK l _Toc9461 4.4.2步進電機的加減速控制 PAGEREF _Toc9461

17、21 HYPERLINK l _Toc23118 4.4.3 步進電機的換向控制 PAGEREF _Toc23118 22 HYPERLINK l _Toc14953 4.5 本章小結 PAGEREF _Toc14953 22 HYPERLINK l _Toc11408 第五章 數控滑臺的設計 PAGEREF _Toc11408 23 HYPERLINK l _Toc9701 5.1總體設計方案的確定 PAGEREF _Toc9701 23 HYPERLINK l _Toc29950 5.2 機械部分設計計算 PAGEREF _Toc29950 23 HYPERLINK l _Toc5914

18、第六章 設計硬件電路 PAGEREF _Toc5914 36 HYPERLINK l _Toc129 6.1 硬件電路總體分析 PAGEREF _Toc129 36 HYPERLINK l _Toc6985 6.2總體設計分析圖 PAGEREF _Toc6985 36 HYPERLINK l _Toc13164 6.3電路總體設計 PAGEREF _Toc13164 36 HYPERLINK l _Toc10563 6.4步進電機的驅動電路 PAGEREF _Toc10563 38 HYPERLINK l _Toc26088 第七章 軟件設計 PAGEREF _Toc26088 44 HYPE

19、RLINK l _Toc2727 7.1 可編程控制器（PLC）的工作原理 PAGEREF _Toc2727 44 HYPERLINK l _Toc11474 7.2存儲空間的計算 PAGEREF _Toc11474 47 HYPERLINK l _Toc29643 7.3可編程控制器（PLC）提供的編程語言 PAGEREF _Toc29643 47 HYPERLINK l _Toc14949 7.4 PLC編程中難點介紹 PAGEREF _Toc14949 49 HYPERLINK l _Toc26673 7.4.1驅動電源的特殊性 PAGEREF _Toc26673 49 HYPERLIN

20、K l _Toc7535 7.4.2用功能指令構建控制程序的有關問題 PAGEREF _Toc7535 49 HYPERLINK l _Toc14209 7.5 PLC梯形圖 I/O分配表 PAGEREF _Toc14209 50 HYPERLINK l _Toc6874 第8章 GX Developer軟件程序模擬運行 PAGEREF _Toc6874 51 HYPERLINK l _Toc32595 8.1 程序運行圖文說明 PAGEREF _Toc32595 51 HYPERLINK l _Toc21442 結論 PAGEREF _Toc21442 68 HYPERLINK l _Toc

21、7353 附錄 PAGEREF _Toc7353 69 HYPERLINK l _Toc2770 1、流程圖 PAGEREF _Toc2770 69 HYPERLINK l _Toc4806 2、控制系統設計步驟 PAGEREF _Toc4806 69 HYPERLINK l _Toc1651 參考文獻 PAGEREF _Toc1651 71 HYPERLINK l _Toc10682 1、參考資料 PAGEREF _Toc10682 71 HYPERLINK l _Toc30956 2、參考論文 PAGEREF _Toc30956 72 HYPERLINK l _Toc20785 外文文獻

22、PAGEREF _Toc20785 74 HYPERLINK l _Toc25607 中文翻譯 PAGEREF _Toc25607 78 HYPERLINK l _Toc20747 致謝 PAGEREF _Toc20747 81 緒論1.1 PLC的發展及應用前景PLC 工藝自從出現一直到今天，已經由最初的接線邏輯發展到了儲存邏輯，目前被大量的應用到眾多的行業之中。當今社會是一個高速發展的社會，目前的半導體工藝和電腦科技非常發達，PLC 借助這些技術的優勢，已經可以非常好的處理網絡接口了。總體來說，這項工藝很受行業人士的喜歡。這項系統是專門用于工藝生產工作的數控系統，它把電腦科技和自控工藝等技

23、術有效的融合在一起，它是目前行業的關鍵設備，它的穩定性很高。此外，它還具有強大的抗干擾能力，編程步驟簡單，而且易于維護。隨著工藝不斷發展，現今它的控制活動已經能夠從原先的單一化邏輯控制發展到如今的持續性控制。 可編程控制器（PLC）的發展趨勢我們堅信這項技術一定會得更好的發展。從技術上來看，隨著目前電腦等優秀的科學技術被廣泛的應用到 PLC 上面，因此我們堅信不久的將來，就會出現運算速率更快，容量更加龐大，更為先進的產品。從規模上來說，完備的通信設備會更好地迎合各種工業控制場合的不同需求；從市場上來分析，今后的競爭將會更加的激烈，將會發生壟斷現象，屆時將會有全球通用的編程語言；通過分析網絡的發

24、展態勢可以得知，可編程控制器和其它工業控制計算機組網構成的大型控制系統是可編程控制器技術的發展方向。伴隨著計算機網絡的高速發展，可編程控制器作為國際通用網絡和自動化控制網絡的重要組成部分，將在工業及工業以外的大量領域發揮十分重要的作用。 可編程控制器（PLC）的應用領域PLC 是以微計算機技術和通信技術和自動控制技術為基礎發展起來的新的工業控制裝置，隨著微處理工藝的發展，這項技術必然會會在眾多的行業之中獲取良好的發展。當前它的應用范圍非常廣，比如：通用和專用機械，汽車制造，機床與工具，立體倉庫，控制設備制造、控制與裝置儀表，環保及文化娛樂等各個行業。而且還在朝著其它方向擴展。PLC 的自診斷占

25、 18，批量控制占26，運動控制占 40，過程控制占 58，應用機械控制占 87 PLC的應用前景PLC制造商通過收購和聯合大量的軟件企業和發展軟件產業。明顯的提升了軟件使用性能。大多的品牌都有與它們的設備相對應的平臺甚至軟件，將其有效的結合在一起，能夠顯著的提升系統的綜合服務能力，而且節省投資，得到良好的控制體系，目前，PLC+網絡+IPC+CRT 的模式被大規模應用。可編程控制器（PLC）廠家在以前的CPU模板上提供物理層 RS232/422/485 接口的基礎上，新添了很多不同的通訊接口，能夠創造一體化的網絡體系。近年來信息技術發展很快，用戶對開放性有著更多的需求，而且此時的互聯網也在迅

26、速發展。例如：羅克韋爾 A-B公司大力主推的三層網絡結構體系，即 Device Net、Ether Net，Contml Net。工藝在發展的時候，生產廠家為了獲得更多的市場份額，不斷展開激烈的競爭。它們的標準不一樣，所以無法很好的兼容在一起，這就導致用戶在使用的時候非常不方便，而且會造成維護費用增加。以后市場必然會高度開放，這已經被大多數生產廠家意識到了，形成了長時期妥協與競爭的過程，而且這一過程還在繼續。雖說目前的工具無法很好的兼容在一起，不過隨著系統的進步，用戶在使用的時候，已經能夠較好的應用各種性質的產品了。當前時期，該系統的網絡水平以及運算速率等都明顯的強化了，此時已經不再是單純的用

27、來進行邏輯控制了，更多的是用到過程控制之中。相關人士調查得出的結論是:目前除了石化等行業之外，這項系統在大部分的行業中都獲取了良好的成就。通過分析我們發現，該系統的優點非常明顯，比如它的結構非常緊湊，它的功能很多，穩定性強，速率較快，最主要的是它的價位不高，因此不管是目前還是今后的很長一段時間之內，該系統都能夠發揮出非常明顯的意義，它的存在必將帶動整個行業的進步。1.2 提出問題在電氣時代的今天，電動機一直在現代化的生產生活中起著十分重要的作用。無論是在工農業生產還是在日常生活中，都大量地使用著各種各樣的電動機。因此對電動機的控制變得越來越重要。電動機控制技術的發展得力于微電子技術、電力電子技

28、術、永磁材料技術、自動控制技術、微機應用技術的最新發展成就。正是這些技術的進步使電動機控制技術化。步進電機是機電控制中一種常用的執行機構，它的原理是通過對每相線圈中的電流和通電順序切換來使電機作步進式旋轉。驅動電路由脈沖信號來控制，所以調節脈沖信號的頻率可以改變步進電機的原先轉速。也就是說:當步進驅動器接收到一個脈沖信號，驅動步進電機就按設定的方向轉動一個固定的角度。通過改變脈沖個數即可以改變角位移量，以達到準確定位的目的。同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的，目前比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR)、永磁式步進電機(PM),混合式步進電機(HB)和單相

29、式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.50;反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.50，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。混合式步進電機是指混合了永磁式步進電機和反應式步進電機的優點。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。1.2.1 機床滑臺類型及控制在組合機床自動線中，一般根據不同的加工精度要求設置三種滑臺：1液壓滑臺，用于切削量大、加工精度要求較低的粗加工序中；2機械滑臺，用于切削量中等、具有一定加工

30、精度要求的半精加工工序中；數控滑臺，用于切削量小、加工精度要求很高的精加工工序中。可編程控制器（簡稱 PLC）以其通用性強、可靠性高、指令系統簡單、編程簡便易學、易于掌握、體積小、維修工作少、現場接口安裝方便等一系列優點，被廣泛應用于工業 自動控制中。特別是在組合機床自動生產線的控制及 CNC 機床的 S、T、M 功能控制中更顯示出其卓越的性能。PLC 控制的步進電機開環伺服機構應用于組合機床自動生產線上的數控滑臺控制，可省去該單元的數控系統，使該單元的控制系統成本降低70%90%，甚至只占用自動線控制單元 PLC的35 個 I/O 接口及小于1KB的內存。特別是大型自動線中可以使控制系統的成

31、本顯著下降。1.2.2 本文的工作目的及意義畢業設計做了以下工作：1.對數控滑臺控制進行了系統的學習，包括PLC及步進電機的主要應用，實際的需求。2.應用三菱公司的可編程控制器FZ2X-16MT及20BYJ46四相步進電機,在此基礎上搭建了實際的控制模型。 3.深入研究了位置控制系統的算法，利用三菱系統高速、大存儲、數據結構靈活等特點，實現了更簡便的數控位置的PLC控制。4.根據要求設計了仿真，以實現程序的模擬。1.2.3 本文的主要目的及意義1.以數控滑臺的邏輯控制為實例，對三菱系統的網絡組態、系統配置和梯形圖編程進行一次嘗試，為今后的更好地開發三菱系統的工程應用積累經驗。2.以一種全新的編

32、程思想進行PLC的梯形圖編程，對于將來高性能的PLC的編程具有開拓性的意義。3.對于數控滑臺位置控制實現的研究也給后續的研究開辟了一個全新的方式，為更簡捷完善的多軸位置控制的實現打下了堅實基礎，對位置理論及其實現、位置控制在實際工程的應用都有很大的指導意義和參考價值。1.3 系統功能設計的目的是設計出一個以步進電機為基礎控制系統。本系統采用FX2N系列PLC作為控制單元，通過按鍵實現對步進電機轉動方向以及轉動速度的控制，設計的步進電機控制系統有以下功能：1. 步進電機的啟停控制2步進電機的正反轉控制3. 步進電機的加速控制4. 步進電機的減速控制5. 步進電機通電方式改變的控制第二章 PLC概

33、述2.1 PLC的產生與發展可編程控制器PC（Programmable Controller）是由美國電氣制造協會（NEMA）命名的，但是PC又可表示為個人計算機（Personal Computer），為了區別，人們常把可編程控制器稱為PLC（Programmable Logic Controller）。它是以微處理器為基礎，在傳統的繼電器控制技術基礎上，綜合了計算機技術、半導體集成技術、數字技術和通信網絡技術而發展起來的新型控制器，用作數字控制的專用計算機。由用戶編寫程序進行邏輯控制、定時、計數和算術運算等，再通過數字量和模擬量的輸入/輸出（I/O）來控制各種生產過程。2.1.1 PLC的產

34、生及定義20世紀60年代以前，用以對工業生產進行自動控制的裝置是繼電器-接觸器控制系統。該系統存在一些缺陷。例如：系統的能耗較多，噪聲大；通用性、靈活性差，工藝流程的更新需要大量的人力物力；不具備現代工業控制所需的數據通信、網絡控制等功能。到了20世紀60年代以后，美國汽車制造業為適應市場需求不斷更新汽車型號，要求及時改變相應的加工生產線。而汽車生產流水線基本上都采用傳統的繼電器接觸器控制，所以整個系統就必須更新設計和配置。汽車生產流水線的更換越來越頻繁，原有的繼電器接觸器控制系統就經常需要重新設計安裝，這不但造成巨大浪費，而且新系統的安裝費時，從而延長了汽車的設計生產周期。在這種情況下，采用

35、傳統的繼電器接觸器控制就有許多不足。1968年，美國GM（General Motors）公司首次公開招標要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出了著名的十項招標指標，即著名的“GN十條”。如果說電子技術和電氣控制技術是可編程控制器出現的物質基礎，“GM十條”就是可編程邏輯控制器出現的技術要求基礎，也是當今PLC最基本功能。1987年2月，國際電工委員會（IEC）頒布的可編程控制器（PLC）標準草案中對PLC做了如下定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部定時、存儲程序、執行邏輯運算、順序控制、計數與算術

36、運算操作等指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關外圍設備，都應按易于與工業控制系統連成一個整體，易于擴充其功能的原則設計”。2.1.2 PLC的發展PLC的發展歷程PLC產生至今，歷經50載，其發展大體經歷了4個階段。19701980年，PLC結構定型階段。在這一階段，隨著PLC剛誕生，各種類型的順序控制器不斷出現（如邏輯電路型、1位機型、通用計算機型、單板機型等），但都被迅速淘汰。最終以微處理器為核心的現有PLC結構形式取得了市場認可，得以迅速發展。本階段為PLC原理、結構、軟件、硬件趨向統一與的階段，PLC的應用領域也開始由最初的小范圍

37、邏輯控制、有選擇使用，逐步開始向機床、生產線領域拓展。19801990年，PLC普及與系列化階段。在這一階段，PLC的生產規模不斷擴大，價格一直下跌，PLC被廣泛普及。各個PLC生產單位產品的規模、品種開始系列化，并且形成了固定的模塊化結構型、I/O端子型、基本單元加擴展模塊型這三種延續至今的基本結構模式。PLC的應用范圍不斷向順序控制的全部領域擴展。在本階段三菱公司以最早的F系列PLC產品為主，包括了小、中、大型各規格產品。19902000年，PLC高性能與小型化階段。在這一階段，隨著工業電氣自動化程度的提高和微電子技術的進步，PLC的功能日益增強，PL由單CPU轉向多CPU，16位和32位

38、微處理器被大量應用于PLC中，使其運算速度、圖像顯示和數據處理功能都大大增強。許多公司在加強各種特殊控制功能模塊研制的同時，還加強了軟件技術的開發，PLC的體積大大減小，出現了各種類型的小型化、微型化PLC。PLC的應用范圍由單一的順序控制向現場控制拓展。本階段，三菱公司的PLC產品開始有F系列向FX系列過渡，而后陸續推出了Q/K型小、中、大型系列產品。2000至今，PLC功能開發與網絡化階段。在本階段，為了適應工廠自動化的需求與信息技術的發展，PLC的功能不斷開發與完善。一方面，PLC在不斷提高CPU運算位數、速率的同時，開發了適用于運動控制、過程控制的特殊模塊，使PLC的應用范圍開始涉及工

39、業自動化的全部領域。同時隨著通信聯網技術的不斷發展，新通信協議的不斷產生，PLC的通信和網絡功能得到迅速發展，PLC不僅可以連接通用輸入/輸出設備和傳統的編程，還可以通過總線構成網絡系統，為工廠自動化奠定了基礎。PLC已經真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數據處理和聯網通信等功能的多功能控制器。本階段，三菱公司的PLC產品仍然以Q/K系列為主要產品，只是其性能在不斷完善，并有新的CPU模塊推出。PLC的發展趨勢從世界上第一臺PLC誕生至今，PLC技術得到了迅猛的發展。PLC的應用領域從最初的單一的邏輯控制發展到包括模擬量控制、數字控制以及機器人控制等在內的各種工業控制場合，成為工業控制

40、領域占主導地位的基礎自動化裝備。PLC的發展趨勢主要表現為以下四個方面。1、向微型化、網絡化、開放性方向發展。微型化、網絡化、開放性是PLC未來發展的主要方向。2、向系列化、標準化、模塊化方向發展。3、向大容量、高速度、高性能方面發展。4、向自診斷、容錯性、高性能方面發展。2.2 PLC的特點與功能2.2.1 PLC的特點PLC技術的迅猛發展，除了得益于工業的需求外，主要還是由于它具有許多獨特的特點。PLC是傳統的繼電器技術和現代的計算機技術相結合的產物。而在工業控制方面，PLC還具有計算機控制或繼電器控制所無法比擬的特點。可靠性高，抗干擾能力強應用靈活，編程方便功能完善，適用性強易于安裝、調

41、試、維修體積小、質量輕、能耗低2.2.2 PLC的功能PLC作為工業控制的多功能控制器，不僅能滿足一般工業控制需要，而且能夠適應工業控制的特殊控制要求，并可實現聯網和通信控制。雖然不同類型PLC的性能，價格有差異，但其主要功能是相近的。基本功能邏輯運算功能是PLC必備的基本功能。本質上，它以計算機“位”運算位基礎，按照程序的要求，通過對來自設備外圍的按鈕、接觸器觸電、行程開關等開關量信號進行邏輯運算處理，并控制外圍指示燈、接觸器線圈、電磁閥的通斷。在早期的PLC上，順序控制所需要的定時、計數功能需要通過定時模塊與計數模塊實現，但是，他已經成為PLC的基本功能之一。此外，邏輯控制中常用的數據比較

42、與處理、代碼轉換等，也是PLC常用的基本功能。特殊功能PLC的特殊控制功能包括模/數（A/D）轉換、數/模（D/A）轉換、高速處理、溫度控制、位置控制等。這些特殊控制功能的實現一般需要PLC的特殊功能模塊完成。A/D轉換與D/A轉換多用于過程控制或閉環調節系統。在PLC中，通過特殊的功能模塊與功能指令，可以對過程中的溫度、壓力、速度、流量、電流、電壓、位移等連續變化的物理量進行采樣，并通過必要的運算實現閉環自動調節，必要時也可以對這些物理量進行各種形式的顯示。位置控制一般通過對PLC的特殊應用指令的寫入與狀態讀取，對位置控制模塊的位移量、速度、方向等進行控制。位置控制模塊一般以位置給定的指令脈

43、沖形式輸出，指令脈沖再通過伺服驅動器或步進驅動器、驅動伺服電動機或步進電動機帶動進給傳動系統實現閉環位置控制高速處理功能一般通過PLC的特殊應用指令和高速處理模塊，如高速計數、快速響應模塊等實現，PLC通過高速處理命令的寫入與狀態的讀取，對高速變化的速度、流量、位置等值進行處理控制。高速計數模塊可以對幾十千赫甚至上百千赫的脈沖進行計數處理，保證負載信息的及時處理并驅動。快速響應模塊將輸入量的變化較快的反映到輸出量上。總之，PLC的高速處理功能對變化快、脈沖寬度小于PLC掃描周期的輸入/輸出信號進行處理，避免了丟失部分關鍵信號，從而影響控制過程的及時性和準確性。網絡與通信功能PLC早期的通信一般

44、局限于PLC與外圍設備（編程器或變成計算機等）間的簡單串行口通信。現代工業控制中的網絡與通信不僅可以進行PLC與外圍設備間的通訊，而且可以在PLC與PLC之間、PLC與其他工業控制設備之間、PLC與上位機之間、PLC與工業網絡間進行通訊，并可以通過現場總線、網絡總線組成系統，從而使得PLC可以方便的進入工廠自動化系統。2.3 PLC的結構在硬件結構上PLC可以分為整體式固定I/O型、模塊式PLC、基本單元加擴展型分布式PLC和集成式PLC五種結構形式。2.4 PLC的編程語言PLC是專為工業控制而研發的裝置，主要使用者是企業電器工作人員。為了適應工人的傳統習慣和掌握能力，通常PLC不采用計算機

45、編程語言，而采用面向控制工程、面向問題的“自然語言”編程。國際電工委員會（IEC）1994年5月公布的IEC611313可編程控制器語言標準詳細的說明了語義、句法和五種編程語言。2.4.1 梯形圖梯形圖是目前為止使用最多的圖形編程語言，梯形圖和繼電器控制系統的電路圖相似，梯形圖常被稱為電路或者程序，梯形圖的設計稱為編程。梯形圖由線圈、觸點和指令組成。線圈通常代表邏輯輸出結果和輸出標志位。觸點代表邏輯輸入條件。梯形圖編程的基本概念能流。在梯形圖中為了分析各個元件間的輸入與輸出關系，就要假象一個概念電流。認為電流按照從左往右的方向流動，這一方向與執行用戶順序時的邏輯運算關系是一致的。利用能流這一概

46、念，可以幫助我們很好地理解和分析梯形圖。能流只能從左往右流動，層次改變只能從上往下。母線。梯形圖兩側的垂直公共線稱為母線。母線之間有能流從左往右流。通常梯形圖中母線有左右兩條。軟觸點。PLC梯形圖中的一些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器等，但是他們不是真實的物理繼電器，而是一些存儲單元，每個軟繼電器的觸點與PLC存儲器中映像存儲器的一個存儲單元相對應，所以這些觸點稱為軟觸點。這些軟觸點的0/1狀態代表相應繼電器觸點或線圈的接通或者斷開。而且對于PLC內部，如果存儲單元狀態為“1”則表示梯形圖中對應軟繼電器的通電，常開觸點接通，常閉觸點斷開，在繼電器控制系統的接線中，觸點數

47、量有限，而PLC內部軟觸點的數量和使用次數沒限制，用戶可根據具體要求在梯形圖中多次使用同一觸點。梯形圖的特點PLC的梯形圖源于繼電器邏輯控制系統的描述，并和電氣控制系統梯形圖的基本思路一致，只是在符號和表達方式上有一定區別。它采用梯形圖的圖形符號來描述程序設計，是PLC程序設計中最常用的一種設計語言。這種設計語言采用因果關系來描述系統發生的條件和結果。其中每個梯級是一個因果關系。在梯級中描述系統發生的條件在左邊，事件發生的結果在右邊。PLC梯形圖使用的內部輔助繼電器、計數/定時器等，都是有軟件實現的，它的最大優點是使用方便、形象、直觀、實用和修改靈活。這是傳統電氣控制的繼電器硬件接線所無法比擬

48、的。梯形圖的格式一般有如下一些要求：每個梯形圖網絡由多個梯級構成。每個輸出元素可構成一個梯級，每個梯級有多個支路。通常每個支路可容納11個編程元素，最右邊的元素必須是輸出元素。一個網絡最多允許16條支路。梯形圖有以下8個特點：PLC梯形圖和電氣操作原理圖相對應，具有對應性和直觀性，并與傳統的繼電器邏輯控制技術相一致。梯形圖中的能流不是實際的電流，而是一個虛擬的電流，是用戶程序運算中滿足輸出條件的形象表達。能流只能從左往右。梯形圖中個編程元件所描述的常開常閉觸點可在編程時無限使用，不受次數限制。梯形圖格式中繼電器和物理繼電器是不同的。在PLC中編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、內部輔助

49、繼電器、輸出繼電器等。對于PLC來說，其內部的繼電器并不是實際存在的繼電器，而是指軟件中的編程元件。編程元件中的每個軟觸點都和PLC存儲器中的一個存儲單元相對應。因此，在應用時，需與原繼電器邏輯控制技術的概念區別。梯形圖中輸入繼電器的狀態只取決于外部輸入電路的通斷狀態，所以 在梯形圖中沒有輸入繼電器線圈。輸出線圈只對應輸出映像區的相應位，不能用該編程元件直接驅動現場機構。根據梯形圖中個觸點的狀態和邏輯關系，可以求出與圖中各線圈對應的編程元件的1/0狀態，稱為梯形圖的邏輯運算。邏輯運算按照梯形圖從左至右、從上至下的原則進行。邏輯運算是根據輸入映像寄存器中的值，而不是根據邏輯運算瞬時外部輸入狀態來

50、進行。梯形圖中用戶的邏輯運算結果馬上可為后面用戶程序的邏輯運算所運用。梯形圖與其他設計語言有一一對應關系，便于相互轉換和對程序的檢查。但是對于較復雜的控制系統。與順序功能圖等設計語言相比較，梯形圖的邏輯描述還不夠清晰。梯形圖設計規則由于梯形圖中的線圈和觸點均為“軟繼電器”，因此同一標號的觸點可反復使用，這也是PLC區別于傳統控制的一大優點。每個梯形圖有多層梯級組成，每層邏輯行起始于做母線，經過觸點的各種連接最后結束于線圈，觸點不能出現在線圈右邊，只能在觸點右邊連接線圈，每一個邏輯行實際代表一個邏輯方程。梯形圖中的輸入觸點只受外部信號控制，而不能有內部繼電器的線圈將其接通或斷開，及線圈不能直接和

51、做母線相連，所以在梯形圖中不會出現“輸入繼電器的線圈”。在幾個串聯回路相并聯時，應該將觸點多的放在梯形圖上面。在幾個并聯回路相串聯時，應該將觸點最多的回路放在梯形圖的最左面。這種安排指令較少。觸點因花在水平線上，不能花在垂直分支上，被畫在垂直分支上的觸點，很難正確識別它和其他觸點的關系，也難以判斷通過觸點對輸出線圈的控制方向。所以梯形圖的書寫順序自左向右、自上至下，CPU也按此順序執行。梯形圖中的觸點可以任意串聯、并聯，但輸出線圈不能串聯，只能并聯。2.4.2 語句表PLC的指令是一種與計算機的匯編語言中的指令相似的助記符表達式。語句表表達式與梯形圖有對應關系，由指令組成的程序叫指令程序。在用

52、戶程序存儲器中，指令按步序號順序排列。每一條語句指令都包含操作數和操作碼兩部分，操作數一般由標識符和地址碼組成。2.4.3 順序功能圖順序功能圖，又叫狀態轉移圖，是一種較新的編程方法。他將一個完整的程序分成若干段，各階段具有不同的動作，階段之間有一定的轉換條件，轉換條件滿足就實現階段轉移，上一階段動作結束，下一階段動作開始。它提供了一種組織程序的圖形方法。在順序功能圖中可以用其它語言嵌套編程，轉換、路徑和步是順序功能圖的三種主要元素。順序功能圖主要用來描述開關量順序控制系統，根據它可以很容易畫出順序控制梯形圖程序。整個程序完全按動作順序直接編程，非常直觀簡便，思路很清楚，很合適順序控制場合。第

53、三章 步進電機概述步進電機是一種將脈沖信號轉換成角位移或直線位移的執行元件。步進電機的輸出位移量與輸人脈沖個數成正比，其速度與單位時間內輸人的脈沖數(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到各相繞組的相序有關。因此只要控制指令脈沖的電機繞組通電的相序、頻率及數量，便可控制步進電機的輸出方向、速度和位移量。步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉及其它任何運行方式的改變都可在少數脈沖內完成，并且可獲得較高的控制精度，因而廣泛應用在數控機床、數字系統、程序控制系統及航天工業裝置中。3.1 步進電機工作原理步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進

54、電機按設定的轉動方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 步進電動機的工作原理實際上是和電磁鐵的作用原理一樣。當A相繞組通電時，轉子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電，B相通電，由于磁力的作用，轉子的齒與定子BB上的齒對齊，轉子沿順時針方向轉過，如果控制線路按ABCA的順序控制步進電動機繞組的通斷電，步進電動機的轉子便不停地做順時針轉動。若將通電順序改為ACBA，步進電動機的轉子將逆時針轉動，這種通電方式稱為三相三拍。而通

55、常的通電方式為三相六拍，其通電順序為AABBBCCCAA及AACCCBBBAA，相應地，定子繞組的通電狀態每改變一次，轉子轉過15度。3.2 步進電機的特性步進電機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數字信號，這恰恰是計算機所擅長處理的類型。自從20世紀80年代以來開始開發出專用的驅動電路，今天在磁盤、打印機等的OA裝置的位置控制中，步進電機都是重要的組成部分。總體來說步進電機特點如下：1、不需要反饋，控制簡單。2、與微機的連接、速度控制及驅動電路的設計較簡單。3、沒有角度累積誤差4、停止時也可保持轉距。5、不需要保養，故造價較低。6、即使沒有傳感器，也能精確定位。7、根椐給定的脈沖周期，能夠以任意

56、速度轉動。難以獲得較大的轉矩。8、不宜用作高速轉動9、在體積重量方面沒有優勢，能源利用率低。10、超過負載時會破壞同步，高速工作時會發出振動和噪聲。11、步進電機的角位移與輸人脈沖數嚴格成正比，電機運轉一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。 12、由步進電機與驅動器電路組成的開環數字控制系統，既簡單、廉價，又可靠。同時，它也可以與角度反饋環節組成高性能的閉環數字控制系統。 13、步進電機的動態響應快，易于啟停、正反轉以及變速控制。 14、速度可在相當寬的范圍內平滑調節，低速下仍能保證獲得大轉矩。 15、步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。3.3 步進電機的分

57、類步進電機的結構形式和分類方法較多。按照勵磁方式分類，可將步進電機分為三類：反應式步進電動機（VR）。采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產成本低，步距角可以做的相當小，但動態性能相對較差。使用簡單，使用較多。永磁式步進電動機（PM）。轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產生轉動，轉動步的角度一般是7.50。它的出力大，動態性能好；但步距角一般比較大。混合步進電動機（HB）。這是PM和VR的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。這類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點，步距角小，出力大，動態性能好，是性能較好的

58、一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。3.4 步進電機驅動器的直流供電電源的確定電壓的確定混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如ASD545R的供電電壓為1848VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。電流的確定供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源（環行變壓器），電源電流一般可取I的1.11.3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I的1.52.0倍。混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一

59、個較寬的范圍，電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器3.5 步進電機使用時的注意事項1、步進電機應用于低速場合每分鐘轉速不超過1000轉，(0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。2、步進電機最好不使用整步狀態，整步狀態時振動大。3、若所帶負載轉動慣量較大，則應在低頻下啟動，然后再上升到工作頻率，停車時也因從工作頻率下降到適當頻率再停車。4、轉動慣量大的負載應選擇大機座

60、號電機。5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止時的定位精度。6、在工作過程中，因盡量使負載均勻，避免負載突變引起誤差。7、電機不應在振動區內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。8、若在工作中發生失步現象，首先應檢查負載是否過大，電源電壓是否正常。再檢查驅動電源輸出波形是否正常，在處理問題時，不應隨意變換元件。9、應遵循先選電機后選驅動的原則。10、驅動電源的選擇對步進電動機控制系統的運行影響極大。應該根據運行的具體要求，盡量選用先進的驅動電源。3.6 步進電機驅動器的細分原理及一些相關說明在國外，