【毕业论文】基于PLC控制步进电机的数控滑台的设计与开发.doc

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1、 毕业设计(论文) 基于PLC控制步进电机的数控滑台系 别自动化工程系专 业测控技术与仪器班 级姓 名指导教师 2008年06月2基于PLC控制步进电机的数控滑台摘 要随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程PLC（可编程控制器）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。论文在介绍了数控滑

2、台的工作原理及方法后具体介绍了可编程控制器S7-200工作原理、各种参数、特点等，给出了控制系统的硬件设计方案、软件设计方法。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件, 在工业上有着广泛的应用。论文介绍了步进电机的工作原理和控制原则, 以及步进电机的驱动器工作方式。光栅尺传感器系统主要应用于直线移动导轨机构或精密位移量的测量，可实现移动量的高精确显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。采用西门子触摸屏TP170为人机界面，实现了人际信息的交互。本系统简单实用，成本低，完全满足系统的控制要求，具有很好的实用性。在附录中，本文还将给出一些必要的系统设计资料，供参考之

3、用关键词：PLC、步进电机、光栅尺 NC slider control system based on PLC and Stepper MotorAbstractWith the rapid development of micro-electronics technology, computer technology and software technology ，NC control system is becoming to tendency of small-scale and multi-functional, has improved self-diagnostic featur

4、es, greatly reliability and the NC system itself will generally have Characteristics of automatic programming. PLC is a specialist in industrial environments for the application of digital design and operation of electronic computing devices. It uses programming process memory, to implement its inte

5、rnal storage logical, sequential computing, timing, counting and arithmetic operations, and control all types of machinery or production process through input and output digital or analog. Papers presented at the NC slider working principle and the specific control methods and the PLC- S7-200s worki

6、ng principle, the parameters and characteristics, i the hardware design, software design methods of the control system. Stepper motor is a electrical and mechanical components that signals can be converted into electrical impulses angular displacement or displacement of the mechanical and electrical

7、 componentsin a wide range of industrial applications. Papers states the stepper motor control methods and the principle of principles and the stepper motor driver working methods. Grating-foot sensor system is mainly used in a straight line or mobile guide precision measurement of displacement, can

8、 achieve high-precision movement of the display and automatic control, has been widely used in machining and precision measurement equipment. The system uses touch-screen TP170 for the man-machine interface, and implement the interpersonal exchange of information The system is simple and practical,

9、low cost, to fully meet the requirements of the control system, has a good practical. In the appendix, the paper will be given the necessary system design information for the reference .Key words: PLC, Stepper motor, Grating feet目 录第一章 绪论11.1数控技术及其发展11.2机床滑台类型及控制11.3本文的工作目的及意义2第二章 总体方案设计42.1数控滑台的控制方

10、法42.1.1行程控制42.1.2进给速度控制42.1.3进给方向控制42.2 PLC控制系统的设计52.2.1控制系统的设计方案52.2.2PLC控制系统的接地方法62.3步进电机的控制72.3.1步进电机的起停控制72.3.2步进电机的加减速控制72.3.3步进电机的换向控制82.4本章小结8第三章 系统硬件设计103.1系统硬件组成103.2系统硬件介绍113.2.1 S7-200控制器113.2.2和利时步进电机123.2.3步进电机驱动133.2.4丝杠163.2.5光栅尺173.2.6人机界面设计183.3本章小结21第四章 系统软件设计224.1PLC编程语言介绍224.2 ST

11、EP7-Micro/WIN32软件及其开发环境介绍234.3流程控制及信号清单254.4编写程序284.4建立通讯和下载程序36第五章 总结38致谢39参考文献40附录41 第一章 绪论1.1数控技术及其发展数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括

12、计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。 现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用 计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行 业（IT、汽车、轻

13、工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋 势来看，其主要研究热点有以下几个方面： 高速、高精加工技术及装备的新趋势 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势1.2机床滑台类型及控制在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台：1液压滑台，用于切削量大、加工精度要求较低的粗加工序中；2机械滑台，用于切削量中等、具有一定加工精度要求的半精加工工序中；3数控滑台，用于切削量小、加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称 PLC）以其通用性强、可靠

14、性高、指令系统简单、编程简便易学、易于 掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业 自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及 CNC 机床的 S、T、M 功能控制中更显示出其卓越的性能。PLC 控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统，使该单元的控制系统成本降低 70%90%，甚至只占用自动线控制单元 PLC 的35 个 I/O 接口及4 时，因此大型生产线应对此予以充分考虑采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用 PLC 的 I/O 口点数。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的

15、晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几至几十伏特、几十至几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十至上百伏特、几安至十几安的驱动能力，要采用驱动器对输出脉冲进行放大。步进电机功率驱动器可将 PLC 输出的控制脉冲放大到几十至上百伏特、几安至十几安。在 PLC对步进电机的控制中 ,需要根据下面计算出3个参数:脉冲当量 = (步进电机步距角螺距)/(360传动速比)脉冲频率上限 = (移动速度步进电机细分数)/脉冲当量最大脉冲数量 = (移动距离步进电机细分数)/脉冲当量根据这3个参数 ,才能计算出相应的控制数据。步进电机的控制以开环控制居多。如果用光栅尺做速度或位置反馈 ,结合 PLC的高速脉冲计数功

16、能 ,就可实现闭环控制。2.2.2PLC控制系统的接地方法 1. 由于PLC机柜和操作台、配电柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电的金属部分，由于各种原因（如腐蚀、绝缘破损等）而有可能带危险电压，所以应该进行保护接地，低于36V供电的设备，无特殊要求可不做接地保护。2. PLC控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位，基准电位的连接线称为系统地，通常是控制回路直流电源的零伏导线，系统接地的方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地方式。 3.为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子应做屏蔽接地。其中信号回路接地和屏蔽接地又通称为工作接地。 一般以上接地方法的控制原则是：保护地和工作地不

17、能混用，这是由于在每一段电源保护地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏的电位差，这对低电平信号电路来说是一个非常严重的干扰。屏蔽地，当信号电路是单点接地时，低频电缆的屏蔽层也应单点接地，如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上时，将产生噪声电流，形成噪声干扰源。本系统采用的接地电阻都需要在规定的范围内，对于PLC组成的控制系统一般应小于4，而且要有足够的机械强度，事前都需要进行防腐处理。PLC组成的控制系统进行单独设置接地系统，也可以利用现场条件进行“等电位联结”进行接地设计。 2.3步进电机的控制2.3.1步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动

18、,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。2.3.2步进电机的加减速控制在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化 ,这时就会产生堵转和丢步现象。所以步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时必须有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规

19、律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为 “启动频率”,与此类似，“停止频率” 是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程由突跳频率加加速曲线组成(减速过程反之) 。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率 f 0。步进电机的最高起动频率(突跳频率)一般为 0. 1 kHz 到 34 kHz ,而最

20、高运行频率则可以达到 N 100kHz ,以超过最高起动频率的频率直接起动 ,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即阶梯加速法。一般可按2种情况处理:(1)已知突跳频率则按突跳频率分段起动,分段数 n = f/f0 ;(2)未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量(后称阶梯频率)f = f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中,将起始的速度(频率)分为 n 分,作为阶梯频率,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图2-2所示。t/sfofhhHz在一般的应用中,经过大

21、量实践和反复验证,频率如按直线上升或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。用 PLC实现步进电机的加减速控制,实际上就是控制发脉冲的频率。 图2-2加速时,使脉冲频率增高,减速时则相反。如果使用定时器来控制电机的速度 ,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从 v1v2 变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加减速;如果是突变,则按阶梯加速法处理。在此过程中要处理好2个问题:(1)速度转换时间应尽量短。(2)保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。2.3.3步进电机的换向控制步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率

22、范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、 反向切换实质包含了降速 换向 加速3个过程。将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.010.05mm,进给速度为Vf=315m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求2.4本章小结本章介绍了数控滑台的控制方法，PLC系统设计两种方案以及步进电机的控制方法。用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,并

23、用 PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电机驱动器,降低硬件成本。但由于 PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到 PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响 ,步进电机不能在高频下工作,无法实现高速控制。并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响 ,相应的控制精度就降低了。利用 PLC的高速脉冲输出功能输出脉冲信号 ,经过专用的步进电机驱动器去控制步进电机，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用 PLC 的 I/O 口点数，步进电机功率驱动器可将 PLC 输出的控制脉冲放大到几十至上百伏特、几安至十几安。步进电机的起停控制可在步进电机控

24、制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。步进电机的加减速段的处理可采用按直线拟合的方法。 第三章 系统硬件设计3.1系统硬件组成I0.0I0.7对偶码定位角度24V人机界面CPU224SH-20806C型功率驱动器步进电机B路A路I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 编程电缆Q0.2 旋转方向Q0.0 脉冲输出工作台光栅尺本系统由西门子S7-200控制器、和利时86系列两相混合步进电机、和利时86N驱动、七海光栅尺、西门子TP170人机界面组成。系统框图如图3-1： 图3-13.2系统硬件介绍3.2.1 S7-200控制器

25、S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美的满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7-200的编程软件：STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。 主要组成部分：一台S7-200 Micro PLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展的模块。S7-200 M

26、icro PLC模块包括一个中央处理单元，电源及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或者开关）中采集信号，输出部分则控制电机、泵、以及工业过程中的其他设备。 电源向CPU所连接的任何模块提供电力。 通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他设备连接起来。 状态信息号灯显示了CPU的工作模式（运行或者停止），本机I/O的当前状态，以及检查出错的系统错误。 通过扩展模块可增加CPU的I/O点数。 通过扩展模块可提供其他通讯性能。 一些CPU具有内置的

27、实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。 EEPROM可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。 通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间本系统中选CPU224，主要参数如表3-1：外形尺寸（mm）120.58062程序存储器4K本机I/O14输入10输出用户数据2K内置高速计数器6H/W（20KHz）数据后备50小时 表3-13.2.2和利时步进电机步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当定子上绕组通电时,可产生

28、激励磁场,并与转子形成回路。如果转子和定子之间的齿没有对齐,由于磁力线力图走磁阻最小的线路,从而带动转子旋转一角度,使转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子绕组矢量磁场旋转一个角度,转子也随着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。随着电力电子技术的发展,可以实现细分驱动,即将一个步距角细分成若干

29、小步来驱动。步进电机必须使用专用的步进电机驱动设备才能够正常工作。步进电机系统的运行性能,除与电机自身的性能有关外,在很大程度上还取决于驱动设备性能的优劣。本系统采用和利时86BYG250A-SAFRBL-030-2步进电机，具有如下特点： 小体积、高转矩、低振动 绝缘电阻 500VDC 100MW Min 轴向间隙 0.10.3mm 径向跳动 0.02mm Max 温 升 65K Max 绝缘强度 750V 50Hz 1Minute 环境温度 2055 绝缘等级 B 驱动方式：双极恒流 步距 角： 0.9 接线方式：高速方式 1.电机接线图如图3-2： 注意事项: A+（红）A-（绿）B+（

30、黄）B-（蓝）高速并联方式220vAC 电机安装时务必用电机前端盖安装止口定位并注意公差配合，严格保证电机轴与负载轴的同心度。 对于电机引线方式 ,由厂家接好线,用户不必自己改动。 电机与驱动器连接时，请勿接 错相。 图3-23.2.3步进电机驱动SH-20806C型驱动器用于驱动四通86BYG系列以及其他品牌两相混合式步进电机，采用改善半步运行模式。由于采用了H桥恒相流驱动方式，并允许较大的输入电压范围，保证了电机的快速响应。尤其是采用特殊技术消除了标准半步驱动方式下的力矩波动，从而使电机出力提高约40，同时抑制了振动，降低了噪音。超大规模集成电路的使用结合四通电机成熟完善的功率电子技术，使

31、该款驱动器具有高功率，小体积，性能突出，成本低廉的特点。特点如下： 全新的双极恒相流加细分控制模式 创新的动态寻优电路使性能最优化 最大64细分的八种运行模式 提供在线细分切换功能 直流电源DC10V70V供电 最大输出驱动电流6A/相（峰值） 输入信号TTL兼容且光电隔离 输出电流可方便设定 过流、过压、错相保护 脱机(FREE)保持功能 精巧的外形尺寸便于安装其他功能： 自动半电流 。若上位控制机在1秒钟内没有发出步进脉冲信号，驱动器将自动进入节电的半电流运行模式，电机绕组的相电流将减为设定值的一半，在此状态下电机和驱动器的功耗得以降低，但电机的输出力矩也相应下降。在下一个脉冲到来时驱动器

32、自动恢复输出电流额定值。可以通过驱动器侧面拨码开关 的第四位选择关闭该功能。 改善半步运行模式 。本驱动器采用改善半步运行模式。驱动整步步距角1.8度的两相电机时可实现每步0.9度的分辨率，即400步/转。在这一点上与标准半步运行方式相同，但是由于采用了力矩补偿技术，可以提高电机的低速力矩（理论上最大可以提升40%），并且可有效解决相邻两拍之间的力矩波动，即强弱步问题，使电机的加速性和平稳性得到改善。对于不同的电机由于其电感电阻参数的差异改善的效果不尽相同，对于高速运行（一般500转/分以上），采用改善半步和标准半步差别不大。 错相保护 。两相电机与驱动器连接时，用户极易接错相，从而严重损坏驱

33、动器。本驱动器设计了错相保护电路，用户接错相时，驱动器不会损坏，但电机运行不正常，主要表现在出力极小。遇此情况，应检查电机接线是否错误。 输出电流调整 。本驱动器采用双极恒流方式最大输出电流值为6A/相（峰值），根据驱动器侧板开关（1、2、3）的不同组合可以方便的选择8种电流值从1.4A到6.2A，要注意的是这里所说的电流是指驱动器每相输出电流的峰值，使用串电流表的方式不能得到正确的读数。电气特性如表3-2：电源电压24VDC-70VDC绝缘强度在常温常压下0.5KV,1分钟输入电流610mA步进脉冲频率050KHz输出相电流最大6A（峰值）绝缘电阻在常温常压下 100MW 表3-2使用环境及

34、参数如表3-3：冷却方式 强制冷风场 合避免金属粉尘、油污及腐蚀性气体温 度050震 动5.9平方米每秒 Max外形尺寸1117946 mm重 量约 0.45Kg表3-31.电源供给。本驱动器采用直流电源供电，电源电压在DC24VDC 70V（峰值）之间都可以正常工作，可直接采用交流整流加滤波电容滤波后提供。电源容量根据所配电机和所设相电流的大小而异。由于电机高速制动、电源电压的脉动及惯性负载的影响都会导致驱动器电源电压的异常波动，为了确保驱动器的正常使用，在这种情况的应用场合的做法是适当降低驱动器的电源电压值以保证留有裕量。接线时务必要注意电源正负，切勿反接！2.控制信号。本驱动器采用单脉冲

35、控制方式。输入控制信号通过驱动器内置光耦隔离，采用公共端接法，兼容共阳和共阴两种模式。要求控制信号提供至少 6mA的驱动电流。驱动器内部已串入光耦的限流电阻510W，信号可使用标准TTL电平，较高的信号幅值有利于提高信号的抗干扰能力。当 VCC 电压较高时， 应根据需要在各控制信号端口 （公共端 COM 端口除外） 外串电阻进行限流。 例如： VCC=24时，外串电阻约为 2K。 脉冲信号。最大通过频率为50KHz。信号有效电平（共阳为低电平、共阴为高电平使驱动器内部光耦导通，驱动器对脉冲信号有效沿（共阳为下降沿、共阴为上升沿）响应。有效脉冲电平的宽度不应小于10s。过大的脉冲宽度和较低的信号

36、幅度都会影响对信号的良好响应并易引入扰动。 方向信号 。外加电平变化控制电机运转方向。为确保响应，方向信号应先于STEP信号至少20s建立。电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换两相可以改变电机初始运行方向。 脱机信号。脱机控制端外加有效电平（共阳为低电平、共阴为高电平）时，驱动器将切断电机绕组电流使电机轴处于自由状态，此时的步进脉冲将不能被响应。此状态可显著降低驱动器和电机的功耗和温升。当不需用此功能时，FREE端可悬空。 公共端 COM。本驱动器的输入信号采用公共端接线方式，应将输入信号的公共端（共阳为电源正极、共阴为电源负极）连接到该端子上，将输入信号连接到对应的信号端子上。 3.驱动器及电机接线。本驱动器的设计为配合两相混合式步进电机使用，所采用的是双极恒流的控制方式，可以最大限度的利用电机的铁磁材料。可以配合4线，6线及8线的电机使用。要特别提出注意的是，本驱动器不能配合5线两相电机使用！为了更好的使用本驱动器，在系统接线时，应遵循强电线（电机相线，电源线）与弱电信号线分开的原则，以避免控制信号被干扰。在无法分别布线或有强干扰源（变频器，电磁阀等）存在的情况下，最好使用屏蔽电缆传送控制信号；采用较高电平的控制信号也对抵抗干扰有积极的意义。接线图如图3-3：PLC Q0.0Q0.2 220vACGND SH20806C脉冲信号 A+方向信号 B+脱机信号 B-