PLC与电机控制技术.doc

PLC与电机控制技术

第六组:
指导教师：高晓霞
组长：崔明阳
组员：马立业 穆建军
张天雷 张美山
小组分工：
程序设计：张美山 穆建军
接 线：崔明阳
调 试：张天雷
Word编写：马立业

2011年12月12日

项目八:行车机构控制系统

【项目功能】
本站的功能是完成向输送辊床站(2号站)输送汽车模型，系统分为机械抓手和直线位移位置精确控制两部分，系统上电后，先执行回原点操作，当到达原点位置后，若系统启动，上料站物料台（1号站）检测传感器检测到有汽车模型时，机械抓手抓取汽车模型按设定的距离送往输送滚床站，辊床输送站传感器检测到有物料信号时，机械抓手返回原点，等待执行下一周期动作；采用单片机控制的显示模块可精确显示伺服移动的距离、步进电机所走步数等。
行车机械手站的组成:
步进电机
伺服电机
涡轮蜗杆减速箱
齿轮齿条
平行气夹
限位开关
滚丝杠
直线导轨

工业铝型材

1、步进电机：用来驱动滚珠丝杠旋转带动气动手爪上下移动。根据PLC发出的脉冲数量实现升降精确定位。
2、伺服电机：用来驱动涡轮蜗杆减速机带动齿轮在齿条上旋转，达到行车左右移动的功能。根据PLC发出的脉冲数量实现行车精确定位。
3、限位开关：用于行车左右移动限位，提升上下运动限位。当碰到限位开关后，运动停止同时给PLC发出一个限位信号。
【知识点和技能点】
1、工业用步进机的基本结构和工作原理。
2、西门子PLC对步进电机的控制方法
3、掌握步进电机与步进、伺服电机驱动器的接线方法以及PLC与步进电机驱动器的接线方法。
4、掌握PLC高频脉冲的控制方法
5、伺服电机的基本结构和工作原理
6、西门子PLC对伺服电机的控制方法
7、具有利用PLC实现对步进机。伺服电机位置控制的能力
【项目知识准备】
一、步进机的分类、基本结构和工作原理
（一）定义：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。一般电动机是连续旋转的，而步进电机的转动是一步一步进行的。每输入一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度。通过改变脉冲频率和数量，即可实现调速和控制转动的角位移大小，具有较高的定位精度，其最小步距角可达0.75°，转动、停止、反转反应灵敏、可靠。在开环数控系统中得到了广泛的应用
（二）步进机的分类
永磁式步进电机
反应式步进电机
混合式步进电机
1、永磁式步进电机：
特点：（1）一般为二相，
（2）转矩和体积较小，
（3）步进角一般为7.5°或15°。
2、反应式步进电机：
特点：（1）一般为三相，
（2）可实现大转矩输出，
（3）步距角一般为1.5°，
（4）噪声和振动很大。
3、混合式步进电机：混合了永磁式和反应式的优点
特点：（1）它又分为两相和五相。
（2）两相步距角一般为1.8°，而五相步距角一般为0.72°。
(三)步进机的基本结构和工作原理
1、三相反应式步进电机的结构和工作原理
定子：定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C三相。

在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。如图所示

结论：
（1）电机的位置由绕组通电的次数（脉冲 数）有关；
（2）步进机的速度与绕组的通电频率有关 ；
（3）步进机的方向由绕组 通电的顺序决定
2、步进机的基本参数
（1）电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”。
步进电机的相数是指电机内部的线圈组数。
常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
PLC直接控制步进电机
使用PLC直接控制步进电机时，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。例如三相步进电机可采用三种工作方式：
三相单三拍

三相双三拍

三相单六拍

二、西门子PLC与步进电机驱动器控制步进电机
（一）步进机驱动器
特点：
（1）步进电机驱动器采用超大规模的硬件集成电路，具有高度的抗干扰性以及快速的响应性，不易出现死机或丢步现象。
（2）使用步进电机驱动器控制步进电机，可以不考虑各相的时序问题（由驱动器处理），只要考虑输出脉冲的频率（控制驱动器PUL端），以及步进电机的方向（控制驱动器的DIR端）。
（3）使用步进电机驱动器时，往往需要较高频率的脉冲。
（二）PLC高频脉冲输出的控制过程（CPU313C－2DP）
1、PLC高频脉冲输出通道
（1）数量：3个
（2）位置：位于CPU 313C－2DP集成数字量输出点首 位字节的最低三位：Q124.0、Q124.1、Q124.2
注意：
1)这三位在通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。
2)在需要高频脉冲输出时，可通过硬件设置将这三位作为高频脉冲输出通道来使用。通道号为0通道、1通道、2通道。（地址用户可根据需要自行修改，通道号为固定值，用户不能自行修改）
3)每个通道都可输出最高频率为2.5kHz（周期为0.4ms）的高频脉冲
4）每个通道都有自己的硬件控制门：0通道：I124.2；1通道：I124.5；2通道：I125.0修改地址后:0通道：I0.2；1通道：I0.5；2通道：I1.0
1）硬件设置
计数器属性：
通道：0、1、2
工作模式：五种。要在通道中产生高频脉冲，必须选择最后一种工作模式：脉宽调制
简述：作为高频脉冲输出时，最大频率为2.5kHz；进行高速计数或频率测量时，最大频率可达30kHz。
设置脉冲参数（脉宽调制选项卡）
输出格式：
每密尔：输出格式取值范围0～1000;
S7模拟量值：输出格式取值范围0～27648
注意：输出格式的取值在调用SFB49时设置，这一设置的取值会影响到输出脉冲的占空比。
时基：（1ms、0.1ms）
用户可根据需要选择合适的时基。一般要产生较高频率的脉冲，可选择较短的时基（0.1ms）.
接通延时时间值：当控制条件成立时，对应通道将延时指定时间后输出高频脉冲。延时时间＝设置值×时基（取值范围0～65535）
周期：指定输出脉冲的周期。周期＝设置值×时基（4～65535）
最小脉冲宽度：输出脉冲的最小脉宽取值范围为2～周期/2
注意：在指定了最小脉冲宽度后，应保证根据占空比计算出来的高电平时间不小于最小脉 冲宽度，否则脉冲将不能正常输出。
控制脉冲参数
CHANNEL：通道号，数据类型为整数，此参数指定启用的通道号。
SW_EN：软件控制门，数据类型为BOOLSW_EN为1时，高频脉冲输出；SW_EN为0时，高频脉冲停止输出
OUTP－VAL：输出值设置，用来设置占空比。
占空比设置方法：输出形式为每密尔，则此项的取值范围为0～1000，输出脉冲高电平时间长度为：脉宽＝（OUTP－VAL/1000）*周期
修改脉冲参数：
JOB－REQ：作业操作信号。
作用：可修改硬件设置时指定指定的某些参数（延时时间、周期等）。JOB－REQ端的状态 由0变为1时，将进行作业操作功能 ，具体事件由作业ID和作业值决定。
JOB－ID：作业号
作用：作业号决定了具体的作业事件
作业号设置
作用
W＃16＃1
修改脉冲周期
W＃16＃2
修改延时时间
W＃16＃81
读取周期
三、伺服电机
（一）定义：伺服电机的功能是将输入的电压信号转换成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为执行元件，所以又称为控制电动机或执行电动机。
（二）分类：直流伺服电动机和交流伺服电动机
（三）伺服电机结构和工作原理
1、结构：定子和转子
（1）定子：定子上装有两个空间位置互差90度的两相绕组，工作时励磁绕组与交流励磁电源相连，控 制绕组加控制信号电压。
（2）转子:转子有笼形和杯形两种

2、工作原理：
交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uc。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。 为了在电机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压Uf和控制电压Uc之间应有90度的相位差
(四)伺服电机驱动器
1、伺服：伺服就是一个提供闭环反馈信号来控制位置和转速，
2、伺服电机驱动器：接收电机编码器的反馈信号，并和指令脉冲进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制，使被控系统工作在设定状态
速度反馈
负载
工作台
运动
控制器
伺服
放大器
0 to ±10VDC
位置环
速度环
编码器
丝杠
减速器
电机电源

【项目内容】
控制要求：
1、当气爪不在初始位置时，黄灯以1HZ频率闪烁；按下复位按钮（SB4）复位时，黄灯常亮；复位完成回到初始位置时，绿灯以1HZ频率闪烁；按下启动按钮（SB5）后，绿灯常亮，可以开始工作。
2、当行车在初始位置时，若1号站有车，则气爪向下抓取车，碰到下限行程开关时停止，延时5秒气爪向上至上限位。
3、当2号站有滑橇时，行车向左移动至左限位时停止左移，气爪向下移动至中限位时停止，延时5秒后，气爪向上移动至上限位时，行车向右移动至初始位置。如果2号站没滑橇，机械手装置在2号站上方等待。
4、当按下停止按钮时，行车停止运行红灯亮。
硬件说明：
1、行车左限位X1 ： I1.2 （17）
2、行车右限位X2 ：I1.3 （18）
3、行车上限位X4：I1.4 （20）
4、行车中限位X5：I1.5 （21）
5、行车下限位X3：I1.6 （19）
6、步进电机和伺服电机切换（103）
步进电机：Q0.0＝0
伺服电机：Q0.0＝1
7、行车机械手站脉冲信号PUL：Q0.2（104）
8、行车机械手站方向信号DIR：Q0.3（105）Q0.3=0 伺服向右运动；步进机向下运动Q0.3=1 伺服向左运动；步进机向上运动
PLC的I/O分配
1、输入点分配

输入信号名称
地址
台号
输入信号名称
地址
台号
复位按钮SB4
I1.7

行车上限位X4
I1.4
20
起动按钮SB5
I0.0

行车中限位X5
I1.5
21
停止按钮SB6
I0.6

行车下限位X3
I1.6
19
行车左限位X1
I1.2
17
1号站传感器SB1
I1.1
10
行车右限位X2
I1.0
18
2号站右传感器1B2

I1.3
12

2、输出点分配

输出信号名称
地址
台号
电机切换
Q0.3
103
脉冲信号PUL：
Q0.0
104
方向信号DIR：
Q0.4
105