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湘潭大學興湘學院
目錄
第一章 引言 1
1.1 電磁鐵概述 1
1.2 課題背景及意義 1
1.3 國內外基本研究情況 1
1.4 課題的主要研究內容 1
第二章 理論知識介紹 3
2.1 PLC簡介 3
2.1.1 PLC的結構及各部分的作用 4
2.1.2 PLC的工作原理 5
2.1.3 PLC編程語言 5
2.2 步進電機及其發(fā)展 6
2.3 步進電機的結構和工作原理 7
2.4 步進電機的特點 8
第三章 元器件選擇及I/O分配 10
3.1 系統(tǒng)基本框圖的確定 10
3.1.1 元器件的選擇 11
3.1.2 雷賽ND1182 步進驅動器 11
3.1.3 雷賽110HS20兩相混合式步進電機 15
3.2 系統(tǒng)控制過程 17
3.3 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配 17
第四章 系統(tǒng)控制過程設計 18
結束語 26
參考文獻 27
34
第一章 引言
1.1 電磁鐵概述
電磁鐵在我們的日常生活中到處可見，應用非常廣泛，生活中我們越來越離不開它。電磁鐵是一種電器，它被廣泛應用于機床、起重機等大型機電設備中。電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機械零件、工件于固定位置的一種電器。銜鐵的動作可使其他機械裝置發(fā)生聯(lián)動。當電源斷開時，電磁鐵的磁性隨之消失，銜鐵或其他零件即被釋放。
電磁鐵在生產中的應用極為普遍，工業(yè)上常用來制動機床和起重機的電動機。當接通電源時，電磁鐵動作而拉開彈簧，把抱閘提起，于是放開裝在電動機軸上的制動輪，這時電動機便可自由轉動。當電源斷開時，電磁鐵的銜鐵落下，彈簧便把抱閘壓在制動輪上，電動機就被制動。在起重機中采用這種方法，可以避免由于工作過程中的斷電而使重物滑下造成的事故。
隨著機械工業(yè)的發(fā)展，在機床中也常用電磁鐵操縱氣動或液壓傳和控制變速機構。電磁吸盤和電磁離合器也都是電磁鐵的具體應用
此外，現(xiàn)代物流業(yè)的集裝流程中，也使用電磁鐵進行起重提放鋼材等。不論是機床、起重機，還是物流裝卸的電磁繼電器和接觸器，電磁鐵的任務是開閉電路，起到一個開關的作用。
1.2 課題背景及意義
電磁鐵是一種基于電磁系統(tǒng)產生電磁力，使銜鐵做機械運動，從而對外做功的電-機轉換器，因此，電磁鐵力特性成為表征其主要性能的基本特性。作為一個轉換元件，電磁鐵的靜態(tài)力特性直接影響到由它所構成的元件及裝置的整體性能，國內外有許多機構、學者都曾做過電磁鐵的推拉力測試，可以測試量電磁鐵的靜動態(tài)力和位移特性。有的結構復雜，精度不高，且難以測量出雙向電磁鐵的靜動態(tài)力特性。因此，對電磁鐵進行推拉力的測試是非常必要的。
1.3 國內外基本研究情況
電磁鐵被廣泛應用于工業(yè)生產和日常生活之中，其作用不容忽視。電磁鐵的特性中力的特性是很重要的一部分，因此對電磁鐵進行推拉力測試具有非常的實際意義。國內外已經有很多學者和機構對其進行研究和探討過。此次，本人在前人的基礎上，基于PLC控制步進電機和滾珠絲桿組成的機構，應用力傳感器技術，再一次嘗試對電磁鐵的推拉力測試進行學習研究，以更好的學習掌握所學的相關內容。
1.4 課題的主要研究內容
電磁鐵推拉力測試系統(tǒng)——控制部分設計，其主要工作內容是：
1）確定電磁鐵測力系統(tǒng)的方案及系統(tǒng)的各組成部件
首先擬定一個大致方案，初步確定各組成部件的型號。再分析了解各組成部分的功能用途，掌握各部件的使用方法和工作原理。最后討論系統(tǒng)的可行性、連續(xù)性、完整性，不斷修正系統(tǒng)，確保系統(tǒng)能正常、穩(wěn)定的工作。握PLC基本指定和程序設計的方法。要弄清步進電機、驅動器的工作原理和其參數特性以及他們之間的接線問題。最終學會如何用PLC對步進電機實現(xiàn)精確的速度控制、正轉、反轉等。
2）對電磁鐵測力系統(tǒng)的控制部分進行學習和研究
為實現(xiàn)PLC對步進電機的精確控制，一定要掌握PLC應用技術的核心內容，如各種控制線路圖、功能圖、梯形圖、時序圖、語句表等，掌握PLC的基本指定和程序設計的方法；要弄清楚步進電機、驅動器的工作原理和參數特性以及他們之間的接線問題，最終學會如何用PLC對步進電機實現(xiàn)精確地速度控制、正轉、反轉等。
3）其他工作
要知道力傳感器、位移傳感器、滾珠絲杠和顯示終端的工作原理和特征參數，最終得到不同距離時電磁鐵推拉力的大小
對本課題的研究，預期要達到能用PLC實現(xiàn)對步進電機的精確速度控制、正轉、反轉等，熟悉步進電機、驅動器、滾珠絲杠、推拉力傳感器、位移傳感器、電磁鐵的工作原理和特征參數，最終得到電磁鐵在每隔0.2mm時所對應的推拉力大小的目標。其中關鍵的理論和技術是PLC應用技術在工程實現(xiàn).中程序設計的方法，技術指標要達到精確的控制。其使用的方案是用電磁鐵 、位移傳感器、力傳感器、滾珠絲杠、顯示終端、步進電機、驅動器、電源所組成的系統(tǒng)進行電磁鐵的推拉力測試。
第二章 理論知識介紹
2.1 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用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC在開關量處理的基礎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、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。
作為離散控的制的首選產品，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。綜合相關資料，2004年全球PLC的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占據著十分重要的位置。
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只有開關量邏輯控制，首先應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、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，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容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數器自動加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CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。
相同I/O點數的系統(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，越來越多的中小設備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內PLC在我國仍將保持高速增長勢頭。
通用PLC應用于專用設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。
可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產工藝，因此可在初步設計階段選用可編程控制器，在實施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據用戶的訂貨要求專門設計控制器，適合批量生產。由于這些特點，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的應用。
2.1.1 PLC的結構及各部分的作用
可編程控制器的結構多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結構。通常由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源和編程器等幾個部分組成。
（一）中央處理單元（CPU）
CPU作為整個PLC的核心，起著總指揮的作用。CPU一般由控制電路、運算器和寄存器組成。這些電路通常都被封裝在一個集成電路的芯片上。CPU通過地址總線、數據總線、控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路連接。CPU的功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執(zhí)行指令，取下一條指令，處理中斷。
（二）存儲器
存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數據。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器;存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器；存放工作數據的存儲器稱為數據存儲器。常用的存儲器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一種可進行讀寫操作的隨機存儲器存放用戶程序，生成用戶數據區(qū)，存放在RAM中的用戶程序可方便地修改。RAM存儲器是一種高密度、低功耗、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池做備用電源。掉電時，可有效地保持存儲的信息。EPROM、EEPROM都是只讀存儲器。用這些類型存儲器固化系統(tǒng)管理程序和應用程序。
（三）輸入輸出單元（I/O單元）
I/O單元實際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件。I/O單元有良好的電隔離和濾波作用。接到PLC輸入接口的輸入器件是各種開關、按鈕、傳感器等。PLC的各輸出控制器件往往是電磁閥、接觸器、繼電器，而繼電器有交流和直流型，高電壓型和低電壓型，電壓型和電流型。
（四）電源
PLC電源單元包括系統(tǒng)的電源及備用電池，電源單元的作用是把外部電源轉換成內部工作電壓。PLC內有一個穩(wěn)壓電源用于對PLC的CPU單元和I/O單元供電。
（五）編程器
編程器是PLC的最重要外圍設備。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。除此以外，在個人計算機上添加適當的硬件接口和軟件包，即可用個人計算機對PLC編程。利用微機作為編程器，可以直接編制并顯示梯形圖。
2.1.2 PLC的工作原理
PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為內部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當PLC處于停狀態(tài)時，只進行內部處理和通信操作服務等內容。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。
（一）輸入處理
輸入處理也叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通端狀態(tài)，并將讀入的信息存入內存中所對應的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時，輸入映象寄存器與外界隔離，即使輸入信號發(fā)生變化，其映象寄存器的內容也不會發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。
（二）程序執(zhí)行
根據PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。遇到程序跳轉指令，根據跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映象寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應映象寄存器，根據用戶程序進行邏輯運算，存入有關器件寄存器中。對每個器件來說，器件映象寄存器中所寄存的內容，會隨著程序執(zhí)行過程而變化。
（三）輸出處理
程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。
2.1.3 PLC編程語言
（一）梯形圖編程語言
梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，它是在電器控制系統(tǒng)中常用的繼電器、接觸器邏輯控制基礎上簡化了符號演變來的，形象、直觀、實用。
梯形圖的設計應注意以下三點：
(1)梯形圖按從左到右、從上到下的順序排列。每一邏輯行起始于左母線，然后是觸點的串、并聯(lián)接，最后是線圈與右母線相聯(lián)。
(2)梯形圖中每個梯級流過的不是物理電流，而是“概念電流”，從左流向右，其兩端沒有電源。這個“概念電流”只是形象地描述用戶程序執(zhí)行中應滿足線圈接通的條件。
(3)輸入繼電器用于接收外部輸入信號，而不能由PLC內部其它繼電器的觸點來驅動。因此，梯形圖中只出現(xiàn)輸入繼電器的觸點，而不出現(xiàn)其線圈。輸出繼電器輸出程序執(zhí)行結果給外部輸出設備，當梯形圖中的輸出繼電器線圈得電時，就有信號輸出，但不是直接驅動輸出設備，而要通過輸出接口的繼電器、晶體管或晶閘管才能實現(xiàn)。輸出繼電器的觸點可供內部編程使用。
（二）語句表編程語言
指令語句表示一種與計算機匯編語言相類似的助記符編程方式，但比匯編語言易懂易學。一條指令語句是由步序、指令語和作用器件編號三部分組成。
（三）控制系統(tǒng)流程圖編程圖
控制系統(tǒng)流程圖是一種較新的編程方法。它是用像控制系統(tǒng)流程圖一樣的功能圖表達一個控制過程，目前國際電工協(xié)會(IEC)正在實施發(fā)展這種新式的編程標準。
2.2 步進電機及其發(fā)展
步進電機又稱脈沖電機或階躍電機，是一種將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的電磁元件，從能量的轉換角度看，它和普通電機無異。國外一般稱為Stepmotor或Stepping motor，Pulse motor，Stepper servo，Stepper等等。
步進電機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制頻率同步的同步電機。步進電機的工作過程為，每輸入一個脈沖信號，則改變一次勵磁狀態(tài)使轉子轉過一定角度，若沒有脈沖信號輸入，則轉子保持在某一位置靜止不動。
步進電機原始模型起源于1830年至1860年間，工作的機理是基于最基本的電磁鐵作用，步進電機的控制是從1870年前后開始的，應用于氫弧燈的電極輸送機構中，這被認為是最初的步進電機。此后，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中廣泛使用。
隨著永磁材料的發(fā)展，在20世紀60年代后期，各種實用性步進電機應運而生，半導體技術的發(fā)展又推動了步進電機在眾多領域的應用。在近30年間，步進電機迅速發(fā)展并成熟起來。步進電機已經能與直流電機、異步電機，以及同步電機并列，從而成為電動機的一種基本類型。
上世紀50年代后期，我國開始進行步進電機的研究及制造。從50年代后期到60年代后期，主要是科研機構為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產品。這些產品以多段結構三相反應式步進電機為主。70年代初期，步進電機的生產和研究有所突破。主要在驅動器設計方面和反應式步進電機本體設計研究方面。70年代中期至80年代中期為產品發(fā)展階段，主要是新品種高性能電機不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對步進電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進電機及其驅動器作為產品廣泛利用。
步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5 度 或15 度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)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。
2.3 步進電機的結構和工作原理
步進電機是機電一體化的關鍵部件之一，被廣泛應用于需要精確定位、同步、行程控制等場合。
一、步進電動機有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅動。若每旋轉一圈以200個勵磁信號來計算，則每個勵磁信號前進1.8 度，其旋轉角度與脈沖數成正比，正、反轉可由脈沖順序來控制。
二、步進電動機的勵磁方式可分為全部勵磁及半步勵磁,其中全步勵磁又有1相勵磁及2相勵磁之分，而半步勵磁又稱1-2相勵磁。圖為步進電動機的控制等效電路，適應控制A、B、/A、/B 的勵磁信號，即可控制步進電動機的轉動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號，即可步進電動機連續(xù)轉動。
分述如下：
A、1 相勵磁法：在每一瞬間只有一個線圈導通。消耗電力小，精確度良好，但轉矩小，振動較大，每送一個勵磁信號可走1.8 度。若欲以1 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖2-1所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。
圖2-1 1相勵磁法
B、2 相勵磁法：在每一瞬間會有二個線圈同時導通。因其轉矩大，振動小，故為目前用最多的勵磁方式，每送一勵磁信號可走1.8 度。若以2 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉
圖2-2 2相勵磁法
C、1-2 相勵磁法：為1 相與2 相輪流交替導通。因分辨率提高，且運轉平滑，每送一勵磁信號可走0.9 度，故亦廣泛被采用。若以1 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖2-3所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。
圖2-3 1-2 相勵磁法
步進電動機的負載轉矩與速度成反比，速度愈快負載轉矩愈小，當速度快至其極限時，步進電動機即不再運轉。所以在每走一步后，程序必須延時一段時間。
2.4 步進電機的特點
步進電機由于它的運行原理、驅動原理及控制方式的特殊性，使其具有如下特點：
(1)步進電機只能在一定脈沖電源供電下才能運行。
(2)采用脈沖供電方式，即勵磁繞組上施加的不是一個恒定的直流或交流電壓，而是采用電子開關斷續(xù)加以直流電壓。
(3)電機的轉速與脈沖頻率保持嚴格的同步關系。
(4)定位能力高，具有自鎖能力。
(5)具有較大的加速轉矩，其性能的提高與控制方式、驅動電路的參數等有密切關系。
(6)正反轉及變速響應性好，易于啟動、停止。
(7)電機本體部件少，無刷，可靠性高；
(8)步距角選擇范圍大，可在幾十角分至180范圍內選擇，在小步距角情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D矩穩(wěn)定運行，通?？梢圆唤洔p速器直接驅動負載。
(9)同時用一臺控制器控制幾臺步進電機可使它們完全同步運行。速度可在相當寬范圍內平滑調節(jié)。
(10)步進電機帶慣性負載的能力較差。
(11)由于存在失步和共振，因此步進電機的加速、減速方法根據利用狀態(tài)不同而復雜化。
(12)不能直接使用普通的交流電源驅動。
第三章 元器件選擇及I/O分配
3.1 系統(tǒng)基本框圖的確定
電磁鐵推拉力測試系統(tǒng)的基本框圖如圖3-1所示
圖3-1 系統(tǒng)基本框圖
系統(tǒng)測試原理如圖3-2所示
1-力傳感器安裝座 2-測試臺 3-步進電機 4-滾珠絲桿副 5-移動工作臺 6-力傳感器 7-被測電磁鐵 8-工件安裝座 9-工件安裝工作臺
圖3-2 系統(tǒng)測試原理圖
3.1.1 元器件的選擇
PLC選用西門子S7-200 CPU222 PLC系列，無需擴展。
步進電機選用雷賽公司110HS20兩相混合式步進電機。
驅動器選用與步進電機相配套的雷賽ND1182 步進驅動器。
滾珠絲桿型號為2504-4，導程角4mm。
力傳感器為上海天沐NS-WL1型拉壓力傳感器。
離合器型號為天津市首達永恒離合器廠DLY0-20A。
顯示終端選用國光CJ6812系列液晶顯示終端
3.1.2 雷賽ND1182 步進驅動器
驅動器接口和接線介紹
P1 端口控制信號接口描述如圖3-3所示
圖3-3 P1端口控制信號接口
P2 端口強電接口描述如圖3-4所示
圖3-4 P2端口強電接口
輸入接口電路
輸入接口電路（共陽極接法）控制器集電極開路輸出如圖3-5所示
圖3-5 輸入接口電路（共陽極接法）控制器集電極開路輸出
西門子PLC 系統(tǒng)和驅動器共陽極的連接如圖3-6所示
圖3-6 西門子PLC 系統(tǒng)和驅動器共陽極連接
控制信號時序圖
為了避免一些誤動作和偏差，PUL、DIR 和ENA 應滿足一定要求，如圖3-7所示：
圖3-7 控制信號時序圖
注釋：
（1）t1：ENA（使能信號）應提前DIR 至少5μs，確定為高。一般情況下建議ENA+和ENA-懸空即可。
（2）t2：DIR 至少提前PUL 下降沿5μs 確定其狀態(tài)高或低。
（3）t3：脈沖寬度至少不小于1.2μs。
（4）t4：低電平寬度不小于1.2μs。
ND1182兩相步進電機的典型接線如圖3-8所示
圖3-8 ND1182兩相步進電機的典型接線
工作（動態(tài)）電流設定
四位撥碼開關SW5-SW8 一共可設定16 個電流級別，參見下表3-1。
表3-1 ND1182驅動器工作（動態(tài)）電流設定
輸出峰值電流
輸出均值電流
SW5
SW6
SW7
SW8
0.7A
0.5A
off
off
off
off
1.2A
0.86A
off
off
off
on
1.72A
1.23A
off
off
on
off
2.2A
1.57A
off
off
on
on
2.75A
1.96A
off
on
off
off
3.28A
2.34A
off
on
off
on
3.75A
2.68A
off
on
on
off
4.22A
3.01A
off
on
on
on
4.72A
3.37A
On
off
off
off
5.2A
3.71A
On
off
off
on
5.78A
4.13A
On
off
on
off
6.25A
4.46A
On
off
on
on
6.78A
4.84A
On
on
off
off
7.31A
5.22A
On
on
off
on
7.81A
5.58A
On
on
on
off
8.2A
5.86A
On
on
on
on
細分設定
細分精度由SW1-SW4 四位撥碼開關設定，參見表3-2所示。
表3-2 ND1182驅動器細分設定
步數/轉
SW1
SW2
SW3
SW4
200
on
on
on
on
400
off
on
on
on
800
on
off
on
on
1600
off
off
on
on
3200
on
on
off
on
6400
off
on
off
on
12800
on
off
off
on
25600
off
off
off
on
1000
on
on
on
off
2000
off
on
on
off
4000
on
off
on
off
5000
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8000
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10000
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20000
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25000
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3.1.3 雷賽110HS20兩相混合式步進電機
技術規(guī)格如圖3-9所示
圖3-9雷賽110HS20兩相混合式步進電機技術規(guī)格
外形尺寸如圖3-10所示
圖3-10雷賽110HS20兩相混合式步進電機外形尺寸
接線圖如圖3-11所示
圖3-11 雷賽110HS20兩相混合式步進電機接線圖
3.2 系統(tǒng)控制過程
電磁鐵推拉力測力系統(tǒng)的控制過程：
步進電機的步進角是1.8度，步進電機每轉一圈需要200個脈沖，滾珠絲杠每轉一圈前進4mm。正轉、反轉行程是30mm，所以一個單行程需要1500個脈沖。
現(xiàn)擬定讓步進電機正轉，用100個高速脈沖讓步進電機的速度從0到一個穩(wěn)速，然后穩(wěn)速運行1300個脈沖，再用100個脈沖讓步進電機從穩(wěn)速到0。再讓步進電機反轉，整個反轉過程同正轉一樣，步進電機正轉，反轉各一次，用高速計數器實時記錄脈沖個數值。
3.3 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配
控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配如圖3-12
圖3-12 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配
第四章 系統(tǒng)控制過程設計
主程序網絡1如圖4-1。
圖4-1 主程序網絡1
主程序網絡1中SM0.1是首次掃描接通，用于初始化，也就是說PLC啟動后第一次掃描置位Q0.1，即給步進驅動器方向端子高電平，步進處于正轉狀態(tài)。S就是置位指令，就是將此置為1。下面的R就是復位指令，將位置為0
主程序網絡2如圖4-2。
圖4-2 主程序網絡2
主程序網絡2中，SM0.1還是初次掃描接通，即PLC接通瞬間第一次掃描周期調用高速輸出子程序，至于為什么用SM0.1調用，這是因為西門子PLC中高速輸出的程序調用必須用脈沖調用，也就是說子程序不能處于一直調用狀態(tài)。而復位Q0.0這是高速輸出子程序的格式，防止Q0.0處于高電平而不能進行高速輸出。因為除了正轉調用高速輸出外，在正轉結束后電機還要反轉，也就是需要二次調用高速輸出子程序，因為SM0.1只有PLC初次掃描時接通，以后都處于關閉狀態(tài)，所以二次調用需要用到另外一個中間位，這里本人用了M0.0（也可以是其他中間位），前面說過，高速輸出子程序的調用必須是脈沖調用，所以M0.0不能一直接通，而是接通瞬間又要關閉，故后面加一個上升沿|P|復位掉M0.0，這樣M0.0接通時調用高速輸出，然后又斷開，這樣就形成了一個脈沖來調用高速輸出子程序，M0.0的置位是在后面做的，后面再講。
如圖4-3所示的主程序網絡3中，由于還要對當前輸出的脈沖進行實施觀測，所以還需要對脈沖進行高速計數，這里就是調用高速計數的子程序，至于為什么用SM0.1，解釋同高速輸出，這個子程序的調用也必須是脈沖調用。
圖4-3 主程序網絡3
高速輸出子程序中網絡1中（如圖4-4所示），SM0.0是PLC中一個特殊寄存器，就是一直接通的一個開關。MOV就是寫數據的指令，就是將數據寫入地址。這是對脈沖三段輸出的輪廓表格式字寫入，因為PTO脈沖輸出是有一個加速段，一個勻速段，一個減速段，一共三段，所以要對這三段的參數進行設置。西門子PLC脈沖輸出PTO三段輸出的參數設置格式就是這個樣子的。這是西門子PLC規(guī)定的。
VB500（首地址，這個首地址也可以是其他地址），這里寫入的是一個字節(jié)，固定為3，意思就是三段輸出；VW501，下一個地址，這里是寫入的一個字，寫入的是初始周期，本人這里寫入的是300微秒，VW503是加速段平均變化周期，寫入-2意思是每個脈沖周期大小減2，周期減小，脈沖輸出頻率就會增加，步進速度 加快；VD505，這里寫入的是一個雙字，是加速段的脈沖數，按照設計要求是100個脈沖，寫入100；VW509是勻速段的脈沖輸出周期，這里寫入100微秒，VW511是勻速段平均變化周期，但是因為勻速段周期是不變的，所以這里固定寫入0；VD513是勻速段的脈沖個數，按設計要求是1300個脈沖，寫入1300；VW517是減速段的初始周期，也就是勻速段的周期，100微秒；VW519是減速段平均變化周期，寫入2，即每個脈沖周期加2，這樣脈沖頻率就會慢慢降低，電機速度就會 下降；VD521是減速段的脈沖數，按設計要求是100個，寫入100。
圖4-4 高速輸出子程序中網絡（接上一頁）
圖4-5 高速輸出子程序網絡2
高速輸出子程序網絡2中（如圖4-5），SMB67是高速PTO脈沖輸出的控制字，控制字各個位的意思如圖4-6所示：
圖4-6 高速脈沖輸出控制字
由于用的是Q0.0作為脈沖輸出，所以要用到SMB67，而不是SMB77，SMB67是一個字節(jié)，有8個位組成，分別是SM67.0~SM67.7，每個位的意思如上圖所示。這里寫入的是2#10100000，這是一個二進制數，也就是只有SM67.7和SM67.5為1，其他幾個位都是0，這個意思就是啟用PTO/PWM高速脈沖輸出（SM67.7為1），選擇PTO模式（SM67.6為0），多段操作（SM67.5為1），異步更新（SM67.4為0，這個參數一般不常用，影響不大），周期單位選擇為微秒（SM67.3為0），脈沖計數無更新（SM67.2為0.，因為脈沖數都在多段輪廓表里規(guī)定過了，所以不需要更新），脈寬無更新（SM67.1為0，PTO輸出的脈寬是不變的，占空比一直都是50%，所以這個參數只針對PWM模式才有效），周期無更新（SM67.0為0，周期值輪廓表已規(guī)定，這里不需要更新）。
SMW168這里要寫入前面我們三段輪廓表的首地址，首地址是VB500，所以這里寫入數據500，至于為什么寫到SMW168里面，這是西門子PLC規(guī)定的。
ATCH這是連接中斷，INT0是進入中斷子程序INT0，19是中斷號，19號中斷就是PTO0輸出完成。這個指令的意思就是Q0.0的PTO脈沖輸出完成后程序就進入中斷子程序INT0進行一周期的掃描。
PLS是脈沖輸出的指令，在前面對各種參數設置完成后就要調用這個指令開始脈沖輸出了。
圖4-7 高速計數子程序
高速計數子程序如圖4-7所示，用SM0.1調用，這是西門子PLC高速計數的格式，規(guī)定是SM0.1調用，SMB37，這個地址里是寫入高速計數的控制字，如圖4-8所示。一般采用的是計數器HSC0，所以控制字是SMB37，同上面講到的高速輸出控制字，這個控制字也是一個字節(jié)，由8位組成，為SM37.0--SM37.7。這里寫入的數據是16#F8，這是一個十六進制數，換成二進制就是2#11111000，意思就是啟用HSC，更新當前計數值（因為下面要想當前計數值里寫入數據0，所以要更新），更新預設值（理由同計數值），更新方向（因為我們這里只是計數當前輸出脈沖，并不管脈沖的方向，所以這里無所謂），向上計數（就是增計數，每給驅動器一個脈沖，計數值就加1），其他三個位用不到。
圖4-8 高速計數的控制字
HDEF是定義高速計數器的模式，參數HSC為0的意思就是使用高速計數器HSC0，參數MODE是9的意思就是采用模式9，模式的意思如圖4-9。模式9是A/B相正交計數器，因為有AB兩相，所以采用了模式9，這樣A相就接I0.0，B相就接I0.1。
圖4-9 （接上一頁）
SMD38這個地址里放的是當前計數值，因為計數從0開始計數，所以寫入0。SMD42這個地址放的是預設值，這個一般用于高速計數中斷，因為用不到高速計數中斷，所以這里的預設值只需要大于前面輸出脈沖個數的最大值就可以了。HSC就是調用高速計數了，在各種參數都寫入規(guī)定好后就要調用了。
圖4-10 中斷子程序INTO網絡1
中斷子程序INT0網絡1如上圖4-10所示，前面說過這個中斷子程序是PTO高速輸出完成后所要掃描的程序，網絡1的意思就是在PTO高速輸出完成后，也就是正轉完成后，復位掉方向輸出Q0.1，即這時驅動器的方向控制端子為低電平，電機進入反轉狀態(tài)，因為反轉也需要脈沖驅動，并且也是加速、勻速、減速三個階段，并且加減速的各種參數以及脈沖數都和正轉是相同，所以需要二次調用高速脈沖輸出，所以這里置位M0.0、M0.0置位后，在主程序網絡2中高速輸出子程序的前面又接通了，所以就實現(xiàn)了二次調用。至于為什么在置位M0.0前面加上一個Q0.1的常開點，這是因為如果不加這個常開點在反轉脈沖輸出結束后程序再次進入中斷子程序，再次置位M0.0，這樣就會出現(xiàn)三次調用高速輸出，電機就會在反轉結束后再次轉動，與要求不符，所以加個Q0.1的常開點，這樣在第一次正轉結束后進入中斷時，因為此時是正轉狀態(tài)方向Q0.1是1（在主程序網絡1中初始化置位），所以這個時候Q0.1的常開點是接通的，就能成功置位M0.0實現(xiàn)高速輸出子程序的二次調用，而在反轉脈沖輸出完成后進入中斷時，這是是反轉狀態(tài)，Q0.1是0，Q0.1的常開點是斷開的，所以這時就不能置位M0.0，就不會出現(xiàn)三次調用。
圖4-11 中斷子程序INT0網絡2
中斷子程序INTO網絡2如上圖4-11所示，在正轉脈沖輸出完成后進入中斷，然后就將0寫入SMD38，前面說過SMD38這個地址的數據是高速計數的當前值，所以正轉結束進入中斷后就清零當前值，為下次反轉做準備；同樣反轉結束后也是清零，為下次使用電機正傳的計數做準備。
SMB37是16#C0，這是高速計數的控制字，各個位的意思前面已經介紹過，16#C0換算成二進制數就是2#11000000，即啟用高速計數，更新當前值。因為要重新清零當前值，所以要對當前值更新的這個位置1。下面就是調用HSC0，前面對當前值的更改只有在調用這個HSC指令后才能生效。
至此整個設計過程結束。
符號表見圖3-12
結束語
本次畢業(yè)論文設計是基于PLC控制步進電機，借助于力傳感器技術實現(xiàn)對電磁鐵推拉力測試，是在指導老師的指導和嚴格監(jiān)督下完成的。通過這次設計，本人對所學的知識在實際應用中有了更感性的認識和全新的體會。本次論文設計讓我學會了怎樣實現(xiàn)PLC對步進電機的控制。對PLC、步進電機、電磁鐵等有了更深刻了解。學會了用PLC編程、PLC的基本指令及其功能指令。理解了步進電機、驅動器、電磁鐵等的工作原理和使用方法。
這次畢業(yè)設計不僅增強了我的專業(yè)方面的能力，在與小組成員的合作中，也學會了溝通和合作，學會共同解決問題，互幫互助。對于各自的問題也有更深的理解。也鍛煉了我們在問題和困難面前的耐心與毅力，不輕易放棄，一遍不行就試第二遍，相信自己最終都能解決。當然要感謝毛老師在整個設計中對我們耐心詳細的講解和輔導，及理論和技術等各方面的支持。使我們能更好的完成畢業(yè)設計。
參考文獻
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附錄I 程序梯形圖
主程序
子程序 高速脈沖輸出:
子程序 高速計數器
子程序 中斷程序
附錄Ⅱ 程序語句表
主程序:
Network 1 Q0.1接步進驅動器方向脈沖，初始化置位Q0.1，步進正傳
LD SM0.1
S Q0.1, 1
Network 2 調用高速脈沖輸出，同時M0.0作為第一次正傳脈沖輸出結束后使能反轉脈沖輸出
LD SM0.1
O M0.0
CALL SBR0
R Q0.0, 1
EU
R M0.0, 1
Network 3 調用高數計數
LD SM0.1
CALL SBR1
子程序高速脈沖輸出:
Network 1 這是西門子PLC中高速PTO脈沖輸出3段輸出的格式字，3是指三段（加速段，勻速段，減速段），Q0.0是脈沖輸出點，接驅動器脈沖信號端
LD SM0.0
MOVB 3, VB500
MOVW 100, VW501
MOVW -2, VW503
MOVD 100, VD505
MOVW 100, VW509
MOVW 0, VW511
MOVD 1300, VD513
MOVW 100, VW517
MOVW 2, VW519
MOVD 100, VD521
Network 2 這是執(zhí)行PTO高速輸出指令，同時在輸出結束進入中斷
LD SM0.0
MOVB 2#10100000, SMB67
MOVW 500, SMW168
ATCH INT0, 19
ENI
PLS 0
子程序高速計數:
Network 1 這是西門子高速計數器格式，采用HSC0計數器9號模式（AB相正交，A接I0.0，B接I0.1）
LD SM0.1
MOVB 16#F8, SMB37
HDEF 0, 9
MOVD 0, SMD38
MOVD 99999999, SMD42
HSC 0
中斷程序:
Network 1 在正傳脈沖輸出結束后復位Q0.1，反轉，同時置位M0.0，在主程序中再次調用脈沖輸出，實現(xiàn)反轉運行
LD SM0.0
LPS
A Q0.1
S M0.0, 1
LPP
R Q0.1, 1
Network 2
// 正傳脈沖輸出結束后，高速計數器清零，為反轉脈沖計值做初始化
LD SM0.0
MOVD 0, SMD38
MOVB 16#C0, SMB37
HSC 0
附錄Ⅲ 控制系統(tǒng)外部接線圖