PLC電機控制系統(tǒng)的設(shè)計,plc,電機,機電,控制系統(tǒng),設(shè)計 PLC電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 PLC電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 The Design Of Step Motor Automatic Door Control System PLC電機控制系統(tǒng)的設(shè)計 [摘 要]本文主要通過對控制系統(tǒng)的功能要求和運行過程的分析，確定了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。系統(tǒng)的設(shè)計主要集中在硬件和軟件設(shè)計兩部分。并主要進行了控制驅(qū)動和控制系統(tǒng)的設(shè)計。針對控制系統(tǒng)的特點和設(shè)計要求，采用電機驅(qū)動方式，通過四相八拍電機來精確控制的開關(guān)，給設(shè)計要求創(chuàng)造了條件。在控制部分，應(yīng)用電機和可編程序控制器技術(shù)，對控制系統(tǒng)進行了硬件和軟件設(shè)計。實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的傳動和控制要求，滿足了環(huán)保、高效、可靠和低成本的要求。 [關(guān)鍵詞]電機；三菱可編程序邏輯控制器；；超聲波開關(guān)； The Design Of Step Motor Automatic Door Control System Electrical Engineering and Automation Specialty　FENG Jia－ying Abstract: This paper through the automatic control system and the working process of the functional requirements of analysis, the automatic control system of the overall design scheme. Automatic system is mainly focused on the design of hardware and software design. The automatic control and main drive and control system design. Automatic control system for the characteristics and design requirements, adopting step-motor drive mode, through the fourth phase eight clap stepper motor to precise control of the automatic switch, create conditions for design requirements. In control, application of stepping motor and programmable controller to automatic PLC control system, the hardware and software design. Automatic control system is achieved the transmission and control requirements are met, and the environmental protection, efficient, reliable and low cost. Key words: stepper motor；three mitsubishi programmer logic controller；automatic door；ultrasonic switch； 目 錄 1 引言 1 1.1研究的目的與意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 PLC介紹 2 2.1 PLC的主要介紹 2 2.2 PLC的主要編程元件 3 3 電機的介紹 4 4電機的控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計 7 4.1本設(shè)計的任務(wù)要求 7 4.2本設(shè)計的可行性分析 7 4.2.1電機的基本參數(shù) 9 4.2.2電機動態(tài)指標及術(shù)語 10 4.2.3電機運動速度和正、反的控制 11 4.3設(shè)計思想 12 4.3 1流程圖 12 4.3 2控制過程分析 12 4.3 3控制接線圖 13 5 電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 14 5.1 I/O口分配表 14 5.2 程序編寫 14 5.2 1梯形圖 14 5.2 2程序指令表(見附錄) 17 5.2 3驗證調(diào)試 17 結(jié)束語 18 參考文獻 19 附錄 20 致謝 22 II 1 引言 1.1 這項研究的目的和意義 理論上，應(yīng)該可以理解，延伸了電機的概念，是根據(jù)人攜帶的需求，開發(fā)并改進了電機的功能。 它開始在建筑，在以后的歲月里二十世紀。二十年代末，美國開超市，開始被使用，受到了世界上第一個品牌在1945年開發(fā)的液壓多瑪，空氣風(fēng)格，新大樓的正電機也可以使用。 1962年，電動型已經(jīng)出現(xiàn)，隨著施工后的城市地區(qū)，技術(shù)每年都在增加。首先，與電機的速度控制的電源的建筑物的供給是困難的，但是，進行的液壓，氣動速度控制，但能量轉(zhuǎn)換效率非常低，但隨著電氣和控制技術(shù)的發(fā)展，電氣控制技術(shù)已經(jīng)成熟，現(xiàn)在是直接控制電動機的電動式已經(jīng)成為主流。 由于大規(guī)模集成電路和微型計算機技術(shù)，電氣控制技術(shù)的發(fā)展開辟新的前景。 PLC作為一個新的工業(yè)控制器，計算機編程靈活的它，功能，應(yīng)用范圍廣等，并控制繼電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，抗干擾能力強等優(yōu)點在一起，這本身具有體積小，重量輕，低功耗等特點，因此，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 它們分別是：旋轉(zhuǎn)，彎曲，表面光滑，平坦開闊，折疊，重疊，醫(yī)療，百葉窗，車庫，特殊的。 旋轉(zhuǎn)翼 新翼自動的完美結(jié)合設(shè)置自動，自動推拉電機在兩者的優(yōu)勢之一，，平移電機與豪華的完美結(jié)合框顯示，是世界先進技術(shù)的融合和現(xiàn)代的時尚經(jīng)典。在自動擺動中間可實現(xiàn)單，雙向通信和操作常開模式等。是最適合的酒店，機場，商場，醫(yī)院，營??業(yè)廳，賓館，寫字樓及其他大型建筑物入口系統(tǒng)。 三翼旋轉(zhuǎn) 三翼出生在一個全新的理念和功能之中。簡單，實用，安全，穩(wěn)定的，它旋轉(zhuǎn)的渠道體系和最大直徑的旋轉(zhuǎn)能力作為一個整體，同時滿足適用于銀行，商店的“最大流量”和“完美的除了風(fēng)的影響”這兩個對立的條件，酒店，商場，寫字樓，機場，酒店以及各種娛樂場所，所在的建筑是添加尊貴氣息。 四翼旋轉(zhuǎn) 四翼自動是最美麗，最經(jīng)濟實用的，其結(jié)構(gòu)堅固耐用，方便，操作簡單，它有很強的能力，入口設(shè)有一個大型的，安全可靠，故障率低，維修最長的，是非常安全的，舒適的通行，使得它容易得到行人通行，是最廣泛使用的。 。適用于銀行，商店，賓館，商場，寫字樓，機場，酒店以及各種娛樂場所，所在的建筑是添加尊貴氣息。環(huán)柱旋轉(zhuǎn) 環(huán)柱是先進的電子技術(shù)與現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)合，使圍柱式的使用非常安全和方便，現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)設(shè)計使它和建筑物本身容為一體。有效地阻隔了嚴寒、酷暑、風(fēng)沙的侵襲，減少了制冷和供暖的能源消耗，而且營造了清潔、安靜、四季宜人的綠色通行環(huán)境。 水晶旋轉(zhuǎn) 水晶電機可以大大減低紫外線的破壞力，防止室內(nèi)裝飾擺設(shè)及展品因受光照而導(dǎo)致出現(xiàn)老化和變黃等現(xiàn)象。水晶片的隔熱效果較玻璃優(yōu)勝10倍，同時也可保持室溫，節(jié)省能源。色澤鮮艷、顏色豐富，易清洗，造型多樣。晶瑩剔透，透視清晰，方便巡視，可增強保安效益。 2 PLC介紹 2.1 PLC的主要介紹 三菱公司是日本國生產(chǎn)PLC的主要廠家之一。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系列已停產(chǎn)。F1系列在我國曾有較廣泛的應(yīng)用。FX2系列機是F、F1、F2等機型的更新?lián)Q代產(chǎn)品，屬于高性能疊裝式機種，也是三菱公司的典型產(chǎn)品。FX2N型機是三菱公司的近期產(chǎn)品，按疊裝式配置。另外，三菱公司還生產(chǎn)A系列PLC，這是一種大型模塊式機種。 本設(shè)計采用FX2系列PLC，F(xiàn)X2系列PLC是三菱公司高性能小型機的代表作。系統(tǒng)最大I/O點數(shù)為128點，配置擴展單元后可達256點。FX2系列機執(zhí)行基本指令的速度為0.48us/步，用戶程序存儲器的容量可擴展至8K步。它有與F1兼容的20條基本指令和2條指令，此外還有功能很強的95種功能指令。它有6個和普通輸入口兼容的告訴計數(shù)器輸入點，最高計數(shù)頻率為10KHz。FX2系列PLC在我國應(yīng)用比較廣泛。 FX2系列PLC由基本單元、擴展單元、擴展模塊及特殊功能單元構(gòu)成?；締卧–PU、存儲器、輸入輸出口及電源，是PLC的主要部分。擴展單元是用于增加I/O點數(shù)的裝置，內(nèi)部設(shè)有電源。擴展模塊用于增加用于增加I/O點數(shù)及改變I/O比例，內(nèi)部無電源，用電由基本單元或擴展單元供給。因擴展單元及擴展模塊無CPU,必須與基本單元一起使用。特殊功能單元是一些專電機用途的裝置。如模擬量I/O單元、高速計數(shù)單元、位置控制單元、通信單元等；這些單元大多數(shù)通過基本單元的擴展口連接基本單元，也可以通過編程器接口接入或通過主機上并接的適配器接入，不影響原系統(tǒng)的擴展。 FX2系列PLC具有數(shù)十種編程元件。FX2系列PLC編程元件的編號分為兩部分，第一部分是代表功能的字母。如輸入繼電器用“X”表示，輸出繼電器用“Y”表示。第二部分為數(shù)字，數(shù)字為該類器件的序號。FX2系列PLC中輸入繼電器及輸出繼電器的序號為八進制，其余器件的序號為十進制。從元件的最大序列號我們可以了解可編程控制器可能具有的某類器件的最大數(shù)量。例如輸入繼電器的編號范圍為X0—X177，為八進制編號，我們可以計算出FX2系列PLC可能接入的最大輸入信號數(shù)為128點。 FX2系列可編程控制器有基本指令20條，指令2條，應(yīng)用指令85條。FX2系列可編程控制器的編程語言主要有梯形圖及指令表。指令表由指令集合而成，且和梯形圖有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。梯形圖主要使用圖形符號及圖形符號間的相互關(guān)聯(lián)表達控制思想，而指令則是圖形符號及它們間的關(guān)聯(lián)語句表達[3]。 2.2 PLC的主要編程元件 可編程序控制器內(nèi)部有許多具有不同功能的器件，從物理實質(zhì)上講，這些器件是由電子電路和存儲器組成的?？紤]到工程技術(shù)人員的習(xí)慣，常用繼電器電路種類類似器件名稱命名。為了明確它們的物理屬性，稱它們?yōu)椤败浝^電器”。例如輸入繼電器X是由輸入電路和輸入影像寄存器組成的，輸出繼電器Y是由輸出電路和輸出影像寄存器組成的；定時器T、計數(shù)器C、輔助繼電器M、狀態(tài)繼電器S、數(shù)據(jù)寄存器D、變址寄存器V/Z等都事由相應(yīng)的影像寄存器組成的。為了和通常的硬器件相區(qū)別，通常把上面的器件成為軟器件，是等效概念抽象的模擬器件。并非實際的物理器件。 在可編程序控制器中這種編程元件的數(shù)量往往是巨大的。為了區(qū)分它們的功能，通常給編程元件編上號碼。這些號碼就是計算機存儲單元的地址[5][10]。 (1)輸入繼電器X 輸入繼電器是PLC接收外部輸入的開關(guān)量信號電路的一種等效表示。PLC通過光電耦合器將外部信號的狀態(tài)讀入并存儲在輸入影像寄存器中。輸入端可以外接動合觸電點或動斷觸點，也可以接多個觸點組成的串并聯(lián)電路或電子傳感器。 FX2系列PLC輸入繼電器編號范圍為X0-X177（128點）。 (2)輸出繼電器Y 輸出繼電器是PLC內(nèi)部輸出信號控制被控對象的電路的一種等效表示，它是用來將PLC的輸出信號傳送給輸出模塊，再由后者驅(qū)動外部負載。 FX2系列PLC輸出繼電器編號范圍為Y0-Y177（128點）。 (3)輔助繼電器M PLC中配有大量的通用輔助繼電器，它是用軟件實現(xiàn)的，它們不能接受外部的輸入信號，也不能直接驅(qū)動外部負載，只能由程序驅(qū)動，是一種內(nèi)部的狀態(tài)標志，其主要的用途和繼電器電路中的中間繼電器類似，常用于邏輯運算的中間狀態(tài)存儲及信號類型的變換。 輔助繼電器分以下三種類型： a.通用型輔助繼電器M0-M99（500點）。 b.具有掉電保持的通用型輔助繼電器M500-M1023（524點）。掉電保持的通用型輔助繼電器具有記憶功能。所謂掉電保持是指在PLC外部電源停電后，由機內(nèi)電池為某些特殊工作單元供電，可以記憶它們在掉電前的狀態(tài)。 c.特殊輔助繼電器M8000-M8255（256點）。特殊輔助繼電器是具有特定功能的輔助繼電器。根據(jù)使用方式又可以分為二類。一類只能利用其觸點的特殊輔助繼電器，器線圈由PLC自行驅(qū)動，用戶只能利用其觸點。這類特殊輔助繼電器常用做時基、狀態(tài)標志或?qū)Ｓ每刂圃霈F(xiàn)在程序中。例如M8000：運行標志 （Run）PLC運行時監(jiān)控接通。另一類是可驅(qū)動線圈型特殊輔助繼電器，用戶驅(qū)動線圈后，PLC做特定動作。例如M8030：使BATT LED（鋰電池欠壓指示燈）熄滅。 (4)定時器T 定時器相當(dāng)于繼電器電路中的時間繼電器，可在程序中用作延時控制。由設(shè)定值寄存器、當(dāng)前值寄存器和定時器觸點組成。FX2系列可變程序控制器具有以下四種類型。 100ms定時器： T0-T199 200點 計時范圍：0.1-3276.7s 10ms定時器： T200-T245 46點 計時范圍：0.01-327.67s 1ms積算計時器：T246-T249 4點（中斷動作） 計時范圍：0.001-32.767s 100ms積算定時器：T250-T255 6點 計時范圍：0.1-3276.7s (5)計時器C a.16位增計數(shù)器（設(shè)定值：1-32767） 有兩種16位二進制增計數(shù)器。 通用：C0-C99（100點） 掉電保持用：C100-C199（100點） b.32位增/減計數(shù)器（設(shè)定值-2147483648- +2147483647） 有兩種32位的增/減計數(shù)器 通用：C200- C219（20點） 掉電保持用：C220- C234（15點） 3 電機的介紹 電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合電機用得最多。電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。 電機又稱為脈沖電動機，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個脈沖電信號，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步，如圖1（a）、圖1（b）所示。電機的角位移量w或線位移量s與脈沖數(shù)k成正比如圖2（a）所示；它的轉(zhuǎn)速n，或線速度v與脈沖頻率f成正比，如圖2（b）所示。在負載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化。因而可適用于開環(huán)系統(tǒng)中做執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡化。電動機可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速；能夠快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。它不需要變換能直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計算機控制[6][7]。 電機 圖1（a） 電機的功用圖 圖1（b） 電機的功用圖 圖2(a) 電機的控制特性圖 圖2(b) 電機的控制特性圖 按勵磁方式分類，電動機可以分為反應(yīng)式、永磁式、和感應(yīng)子式。其中反應(yīng)式電動機用得比較普遍，結(jié)構(gòu)也較簡單。反應(yīng)子式電動機又稱為磁阻式電動機。其中典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。這是一臺四相電機，定子鐵芯由硅鋼片疊成，定子上有8個磁極（大齒），每個磁極上又有許多小齒。四相電動機共有4套定子控制繞組，繞在徑向相對的兩個磁極上的一套繞組為一相。轉(zhuǎn)子也是由疊片鐵芯構(gòu)成，沿圓周有很多小齒，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。根據(jù)工作要求，定子磁極上小齒的齒距和轉(zhuǎn)子上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制[8]。 圖3 四相電動機的結(jié)構(gòu)圖 4電機的控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計 該設(shè)計包括信號傳送部分、電機運行部分、PLC控制部分，此系統(tǒng)是由PLC控制四相八拍電機根據(jù)人和車輛進出的狀況，產(chǎn)生信號傳送給PLC，PLC根據(jù)內(nèi)部編程設(shè)定，進行相關(guān)處理后輸出，以便控制電機線路等外部電路元件的通斷，實現(xiàn)電機的自動開關(guān)。此外為使此次設(shè)計的實用性更強、更具人性化，設(shè)計中應(yīng)滿足以下要求： (1)按下正向啟動按鈕，按正向轉(zhuǎn)動，按下反向啟動按鈕，按反向轉(zhuǎn)動； (2)電機慢步為1步/秒，快步為10步/秒； 4.1 本設(shè)計的任務(wù)要求 四相八拍電機控制的設(shè)計要求：當(dāng)人或車輛到來時，按下按鈕，安裝在電機上的超聲波開關(guān)將電機打開，打開到一定寬度后停止；當(dāng)人或車輛通過后按下反向按鈕超聲波開關(guān)發(fā)出信號，關(guān)閉。并且在打開或關(guān)閉的同時，可以通過開關(guān)按鈕來控制電機快步或慢步打開或關(guān)閉。 4.2 本設(shè)計的可行性分析 當(dāng)人或車輛到來時，按下按鈕，超聲波開關(guān)輸出一個信號，表示人或車輛要通過，請求打開，這個信號輸入控制系統(tǒng)的PLC，PLC根據(jù)程序，接通開啟電機使其工作，電機通過相應(yīng)的機械機構(gòu)開啟。當(dāng)打開一定的寬度后，停止按鈕，從而停止電機運行，保證的寬度合理；當(dāng)人或車輛通過后，按下反向按鈕，超聲波開關(guān)輸出一個信號，信號輸入到PLC，電機快步或慢步驅(qū)動關(guān)閉，達到下限位開關(guān)后，電機停止工作，關(guān)閉。電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位移的電機。其機械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比，每一個脈沖信號可使電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度.脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度。脈沖的頻率決定了電機運轉(zhuǎn)的速度.當(dāng)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。電機每輸入一個電脈沖就前進一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。因此可以根據(jù)電機的輸出位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)，即可實現(xiàn)對電機的步數(shù)控制。n=△L/δ，式中△L為電機的輸出位移量(mm)，δ為機構(gòu)的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。四相八拍的電動機其通電方式為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A………即單相通電和兩相通電相間時。當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)到A、B兩相同時通電時，定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置如圖4所示（只畫出A、B兩個極下的齒），轉(zhuǎn)子按順時針方向只轉(zhuǎn)過1/8齒距角，即0.9度，A極和B極下的齒軸線和轉(zhuǎn)子齒軸線都還錯開1/8齒距角。轉(zhuǎn)子受到兩個極的作用力距大小相等，方向相反，故仍處于平衡。當(dāng)B相一相通電時，轉(zhuǎn)子齒軸線和B極下齒軸線相重合，轉(zhuǎn)子按順時針方向又轉(zhuǎn)過1/8齒距角。這樣繼續(xù)下去，每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/8齒距角?？梢娝南喟伺碾妱訖C的運行是受脈沖控制的。 圖4 A、B兩相通電時定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置圖 根據(jù)上述的工作原理可以歸納電動機基本特點如下： (1)電動機工作時，每相繞組由專電機驅(qū)動電源通過“環(huán)形分配器”按一定規(guī)律輪流通電。例如一個按三相雙三拍運行的環(huán)形分配器輸入是一路，輸出有A、B、C三路。若開始是A、B這兩路有電壓，輸入一個控制脈沖后，就變成B、C這兩路有電壓，再輸入一個電脈沖，則變成C、A這兩路有電壓，再輸入一個脈沖，又變成A、B這兩路有電壓了。環(huán)形分配器輸出的各路脈沖電壓信號，經(jīng)過各自的放大器放大后送入電動機的各相繞組，使電機一步步轉(zhuǎn)動。圖5表示三相電動機控制方框圖，圖6表示三相雙三拍運行時控制電脈沖及各相控制電壓隨時間變化的波形圖。 圖5 控制方框圖 圖6 三相雙三拍運行時各相控制電壓波形圖 電動機這種輪流通電的方式稱為“分配方式”。每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“狀態(tài)數(shù)”或“拍數(shù)”。狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的稱為單拍制分配分配方式（如三相雙三拍、四相雙四拍等），狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的兩倍的稱為雙拍制分配方式（如三相六拍，四相八拍等）。同一臺電機可有多種分配方式。不管分配方式如何，每循環(huán)一次，控制電脈沖Uk的個數(shù)總等于拍數(shù)N，而加在每相繞組上的脈沖電壓（或電流）個數(shù)卻等于1，因而控制電脈沖頻率f是每相脈沖電壓（或電流）頻率fx的N倍，即fx=f/N。 (2)每輸入一個脈沖電信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用符號w表示。從上面分析可見，當(dāng)電機在四相八拍運行，即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA……順序通電時，換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為1/8齒距角；轉(zhuǎn)子需要走8步才轉(zhuǎn)過一個齒距角。由于轉(zhuǎn)子相鄰兩齒間的夾角，即齒距角為w=360度/Zr(式中，Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù))，所以轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間角度（機械角度），即齒距角為w=360度/Zr*N,式中N為運行拍數(shù)，N=km(k=1,2;m為相數(shù))。 (3)電動機可以按特定指令進行角度控制，也可以進行速度控制。角度控制時，每輸入一個脈沖，定子繞組就換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過一個角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。速度控制時，送入電動機的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個圓周角的1/Zr*N，也就是轉(zhuǎn)過1/Zr*N轉(zhuǎn)，因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為n=60f/Zr*N(r/min),式中f為控制脈沖的頻率，即每秒輸入的脈沖數(shù)。 另外，若改變通電順序，即改變定子磁場旋轉(zhuǎn)的方向，就可以控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以，電動機是用電脈沖進行控制的電機。改變電脈沖輸入的情況，就可方便地控制它，使它快速啟動、反轉(zhuǎn)、制動或改變轉(zhuǎn)速。 (4)電機具有自鎖能力。當(dāng)控制脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時，電機可以保持在固定的位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。這樣，電動機可以實現(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子定位。 綜上所述，由于電動機工作時的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動和負載變化的影響（在允許負載范圍內(nèi)），也不受環(huán)境條件（溫度、壓力、沖擊、振動等）變化的影響，只與控制脈沖同步，同時它又能按照控制的要求，實現(xiàn)啟動、停止、反轉(zhuǎn)和改變轉(zhuǎn)速。因此，電動機被廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中[2]。 4.2.1電機的基本參數(shù) (1)空載啟動頻率: 即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，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率更低。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）。 (2)電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”， 它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。 (3)電機的相數(shù)： 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 (4)保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING? TORQUE）： 是指電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是電機最重要的參數(shù)之一，通常電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的電機。 4.2.2電機動態(tài)指標及術(shù)語 (1)步距角精度： 電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。 (2)失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 (3)失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 (4)最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 (5)最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 (6)運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如圖7所示： (7)電機的共振點： 電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 頻率 圖7 力矩頻率曲線圖 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)流）平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如下圖8所示： 其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。 頻率 圖8 力矩頻率特性曲線圖 4.2.3 電機運動速度和正、反的控制 ??? 電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。從圖9可以看出，當(dāng)改變輸入脈沖的周期時，ABCD四相繞組高低電平的寬度將發(fā)生變化。這就導(dǎo)致通電和斷電變化的速率發(fā)生變化，使電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。所以調(diào)節(jié)輸入脈沖的周期就可以控制電機的運動速度。 圖9 脈沖分配波形圖 ??? 電機的正、反轉(zhuǎn)控制可通過改變電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向，四相八拍電機通電順為A—AB—B—BC—C—CD—D—DA……時電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)繞組按A—DA—D—CD—C—BC—B—BA……順序通電時電機反轉(zhuǎn)．因此，可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。通過控制四相八拍電機的正傳和反轉(zhuǎn)來控制的打開或關(guān)閉。 4.3設(shè)計思想 在電機控制系統(tǒng)的設(shè)計中，根據(jù)設(shè)計要求，確定了硬件的設(shè)計和軟件程序的編寫，應(yīng)用電機和可編程序控制器技術(shù)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的傳動和控制要求。 4.3 1 流程圖 電機控制系統(tǒng)的設(shè)計流程圖如圖10，根據(jù)流程圖所示，進行電機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。 4.3 2 控制過程分析 (1)人或車輛到來 當(dāng)人或車輛到來時，按下手動按鈕，超聲波開關(guān)傳送信號給PLC，PLC控制電機正轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動快步或慢步開啟，當(dāng)打開一定的寬度后，松開手動開關(guān)，電機停止運行，人或車輛通過。 (2)人或車輛過后 當(dāng)人或車輛通過后，按下反向手動按鈕，超聲波開關(guān)傳送信號給PLC，PLC控制電機反轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動快步或慢步關(guān)閉，達到下限位開關(guān)后，電機停止運行，緊閉。 4.3 3 控制接線圖 四相八拍電機接線原理如圖11所示，其中A、B、C、D為脈沖電源輸入端，E、F為公共端。 圖11 四相八拍電機接線原理圖 5 電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 5.1 I/O口分配表 電機控制系統(tǒng)的設(shè)計PLC的I/O分配如表1、表2所示： 表1 輸入信號 名稱 代號 輸入點編號 正啟 SB1 X000 反啟 SB2 X001 停止 SB3 X002 速度控制 SA X003 表2 輸出信號 名稱 代號 輸出點編號 A相輸入端 A Y0 B相輸入端 B Y1 C相輸入端 C Y2 D相輸入端 D Y3 5.2 程序編寫 5.2 1 梯形圖 電機控制軟件設(shè)計如圖12所示 圖12 電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計梯形圖 ⑴當(dāng)人或車輛到來時，按下SB1按鈕，X000閉合，狀態(tài)位S0置1并自鎖。通過SB1按鈕控制電機的正轉(zhuǎn)啟動，電機按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A時序正向啟動。通過SA控制按鈕來控制電機的快慢速運行，當(dāng)常開觸點X3閉合時，通過MOV指令把K5送入D0中，定時器T201作用，T200線圈計時到0.05s后，線圈T200得電，使狀態(tài)寄存器S2置1，使繼電器M10在上升沿導(dǎo)通。電機按照10步/s快速運行。當(dāng)常閉觸點X3工作時，通過MOV指令把K50送入D0中，定時器T201作用，T200線圈計時到0.5s后，線圈T200得電，使狀態(tài)寄存器S2置1，使繼電器M10在上升沿導(dǎo)通。電機按照1步/s 慢速運行。繼電器線圈M0也通電。線圈M10導(dǎo)通，狀態(tài)寄存器S0自鎖，通過位右移指令SFTR，使得電機的四相繞組按正向時序依次導(dǎo)通。當(dāng)打開一定的寬度后，按下SB3按鈕，控制X2斷開，電機停止工作。 (2)當(dāng)人或車輛通過后，按下SB2按鈕，X001閉合，狀態(tài)位S1置1并自鎖。通過SB2按鈕控制電機的反向啟動，電機按A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A時序反向啟動。通過SA控制按鈕來控制電機的快慢速運行，當(dāng)常開觸點X3閉合時，通過MOV指令把K5送入D0中，定時器T201作用，T200線圈計時到0.05s后，線圈T200得電，使狀態(tài)寄存器S2置1，使繼電器M10在上升沿導(dǎo)通。電機按照10步/s快速運行。當(dāng)常閉觸點X3工作時，通過MOV指令把K50送入D0中，定時器T201作用，T200線圈計時到0.5s后，線圈T200得電，使狀態(tài)寄存器S2置1，使繼電器M10在上升沿導(dǎo)通。電機按照1步/s 慢速運行。繼電器線圈M0也通電。線圈M10導(dǎo)通，狀態(tài)寄存器S1自鎖，通過位左移指令SFTL，使得電機的四相繞組按反向時序依次導(dǎo)通。當(dāng)關(guān)閉到位后，按下SB3按鈕，控制X2斷開，電機停止工作。 5.2 2 程序指令表(見附錄) 5.2 3 驗證調(diào)試 本次四相八拍電機的控制系統(tǒng)設(shè)計是在三菱軟件GX-DEVEIOPER和仿真軟件GX-SIMULATOR軟件里實現(xiàn)驗證的，在用軟件驗證之前要反復(fù)多次檢查程序的準確性，減小失誤，然后啟動GX-DEVELOPER軟件，打開PLC程序，接著啟動GX-SIMULATOR仿真，把程序輸入到其中，對常開或常閉按鈕實行強制ON或是OFF，觀察PLC運行動作情況，驗證程序。 驗證過程中會發(fā)現(xiàn)忽略的細節(jié)問題將影響到程序，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試修改。經(jīng)過驗證本次電機的控制系統(tǒng)的設(shè)計程序可以實現(xiàn)自動控制的設(shè)計要求，而驗證過程中出現(xiàn)的問題值得我認真思考。 結(jié)束語 經(jīng)過這幾個月的學(xué)習(xí)，我終于完成了電機的控制系統(tǒng)設(shè)計，從一開始接到論文題目到設(shè)計的實現(xiàn)，再到論文的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)，這也是我在大學(xué)期間完成的最大的任務(wù)。在這段時間里，我不僅溫習(xí)了以前學(xué)習(xí)的專業(yè)課知識還學(xué)習(xí)到了很多新知識，同時也有很多感受，這段時間，我開始獨立的學(xué)習(xí)和試驗，查看相關(guān)的資料和書籍，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，使自己的設(shè)計從開始的雛形一步步完善起來，每一次改進都有新的收獲。從中我更充分認識我的設(shè)計課題，把自己在課堂上學(xué)過的知識運用到實際生活中，這使我由衷的高興和欣慰。 雖然我的設(shè)計還有不足之處，但這里面都有我的勞動，這次設(shè)計經(jīng)歷將會使我終生受益，我深深的明白了做好一件事要認認真真用心去做，是真正學(xué)習(xí)的過程。希望這次經(jīng)歷能讓我在以后的學(xué)習(xí)中激勵著自己繼續(xù)進步。 參考文獻 [1] 李仁定.電機的微機控制.北京：機械工業(yè)出版社 1999； [2] 程明.微特電機及系統(tǒng).北京：中國電力出版社2004； [3] 宮淑珍.可編程控制器原理及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社 1994； [4] 陳隆昌.控制電機（第三版）.西安：西安電子科技大學(xué)出版社 2000； [5] 劉涳.常用低壓電器與可編程序控制器.西安：西安電子科技大學(xué)出版社 2005； [6] 常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器.北京：機械工業(yè)出版社 2007； [7] 吳浩烈.電機及電力拖動基礎(chǔ).重慶：重慶大學(xué)出版社 2005； [8] 詹躍東.電機及拖動基礎(chǔ).重慶：重慶大學(xué)出版社 2002； [9] 丁煒 魏孔平.可編程控制器在工業(yè)控制中的應(yīng)用.北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社 2004； [10] 林春方.可編程控制原理及其應(yīng)用.上海：上海交通大學(xué)出版社 2004； [11] Speed regulator for motor drives,IEEE Trans.Vol.IE-29No.3,1982； [12] C.G.Veinott.Theory and Design of small Iduction Motors [M].McGraw-Hill,1959； 附錄 程序指令表： 0 LD X000 1 OR S0 2 ANI X001 3 ANI X002 4 OUT S0 6 LD X001 7 OR S1 8 ANI XO00 9 ANI X002 10 OUT S1 12 LD X003 13 MOV K5 D0 18 LDI X003 19 MOV K50 D0 24 LDI T201 25 OUT T200 D0 28 LD T200 29 OUT T201 D0 32 OUT S2 34 LD S2 35 PLS M10 37 LDI M1 38 ANI M2 39 ANI M3 40 ANI M4 41 ANI M5 42 ANI M6 43 ANI M7 44 AND S1 45 LDI M2 46 ANI M3 47 ANI M4 48 ANI M5 49 ANI M6 50 ANI M7 51 ANI M8 52 AND S0 53 ORB 54 OUT M0 55 LD M10 56 MPS 57 AND S0 58 SFTR M0 M8 K8 K1 67 MPP 68 AND S1 69 SFTL M0 M1 K8 K1 78 LD M1 79 OR M2 80 OR M8 81 OUT Y000 82 LD M2 83 OR M3 84 OR M4 85 OUT Y001 86 LD M4 87 OR M5 88 OR M6 89 OUT Y002 90 LD M6 91 OR M7 92 OR M8 93 OUT Y003 94 END 致謝 經(jīng)過半年的忙碌，本次畢業(yè)論文設(shè)計已接近尾聲，由于經(jīng)驗的匱乏，在完成本次設(shè)計過程中難免有許多考慮不全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在設(shè)計的過程中，得到了老師的親切關(guān)懷和耐心的指導(dǎo)。她嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，老師都始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。她的治學(xué)嚴謹和科學(xué)研究精神也是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。在此謹向張老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！最后還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們！ 最后我還要感謝電子系和我的母校對我的栽培。 22