基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计

介绍了步进电机的工作原理及特性, 重点阐述了步进电机的PLC 控制系统的原理, 并对基于位控模块EM253 和触摸屏的步进电机控制系统的设计方法作了详细的论述

基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计

江华生,欧阳玉霞,曾延波

(嘉兴学院生物与化学工程学院,浙江嘉兴314001)

DesignoftheControlSystemofStepMotorBasedonPLCandTouchScreen

JIANGHua sheng,OUYANGYu xia,ZENGYan bo

(SchoolofBiologicalandChemicalEngineering,JiaxingCollege,Jiaxing314001,China)

摘要:介绍了步进电机的工作原理及特性,重点阐述了步进电机的PLC控制系统的原理,并对基于

位控模块EM253和触摸屏的步进电机控制系统的设计方法作了详细的论述.

关键词:步进电机;PLC;EM253;触摸屏中图分类号:TP273文献标识码:A

文章编号:1001 2257(2008)10 0075 03Abstract:Thepaperpresentstheworkingprinciplesandbasiccharacteristicsofstepmotor,mainlydescribestheprinciplesofthesystemofstepmotorcontrolledbyPLC,andintroducesthedesignmethodofthecontrolsystemofstepmotorbasedonEM253andtouchscreenindetail.Keywords:stepmotor;PLC;EM253;touchscreen

将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构.由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的.

步进电机的种类很多,按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机3类,按相数分则可以分为单相、两相和多相3种.

步进电机的特点[1]:

a.步进电机角位移与输入脉冲数严格成正比,电机运转一周后没有累积误差,具有良好跟随性.b.由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统,既非常简单、廉价,又非常可靠.同时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统.

c.步进电机的动态响应快,易于启停、正反转及变速.

d.速度可在相当宽的范围内平滑调节,低速下仍能保证获得大转矩.

e.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,它不能直接使用交流电源和直流电源.

f.步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应的措施.

g.步进电机自身的噪声和振动较大,带惯性负载的能力较差.

1.2 系统控制原理

由于步进电机具有无累积误差、跟踪性能好的优点,步进电机的控制多以组成开环控制系统居多.一种基于PLC和触摸屏的步进电机控制方案其系统结构如图1所示.

系统硬件部分由控制器PLC、人机界面触摸

0 引言

PLC作为一种工业控制计算机,对步进电机具有良好的控制能力.传统的工业控制系统一般使用各种按钮、指示灯来控制、监视操作系统,但单纯的PLC控制系统不宜实现现场监控以及工艺参数的

现场设置和修改.若采用上位监控计算机与PLC通信的方式进行监控,则成本较高,人机界面由于具有操作简便、界面美观、节省控制面板空间、性价比高和人机交互性好等优点,得到了广泛的应用.

1 系统原理

1.1 步进电机原理及特点

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并

收稿日期:2008 05 21

介绍了步进电机的工作原理及特性, 重点阐述了步进电机的PLC 控制系统的原理, 并对基于位控模块EM253 和触摸屏的步进电机控制系统的设计方法作了详细的论述

屏、驱动器和被控对象步进电机等组成.控制器PLC是步进电机的上位控制单元,PLC输入到驱动器的信号有2类,一类是脉冲信号,它控制步进电机的速度和位置;一类是控制信号,如方向、脱机信号,分别决定步进电机的运行方向和启停.触摸屏负责人机交互界面管理和控制系统实时监控,它通过串口与PLC通信,可通过触摸按键方式实现对步进电机的启停、调速、转向等控制,在触摸屏上动态显示步进电机运行位置、速度等参数.

量输入点、1个模拟量输出点;扩展1个位控模块

EM253,24VDC电源,并通过扩展电缆与CPU224XP相连.

触摸屏是一种适用于工控的人机界面.系统采用台湾WEINVIEW公司生产的MT508TE彩色触摸屏,它为专门面向PLC控制应用而设计,可以与德国西门子S7 200系列的PLC连接.该触摸屏功能强大,使用方便;具有一个RS232串口,一个RS232/RS485串口和一个标准的并行通讯口.PLC通过串口总线与触摸屏连接.

2.2 EM253位控模块

EM253位控模块是S7 200系列PLC的扩展

图1 步进控制系统组成

功能模块,属于漏型晶体管输出,脉冲频率高达200kHz,它能够产生脉冲串用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制.EM253与S7 200系列PLC通过扩展的I/O总线通讯,带有9个数字输入/输出点,如表1所示.

表1 位控模块EM253I/O功能表

序号输入/输出123456789

输入输入输入输入输入输出输出输出输出

符号STPRPSZPLIM-LIM+P0(P0+、P0-)P1(P1+、P1-)

DIS

CLR

功能说明

停止脉冲生成参考点开关输入零脉冲输入负限位开关输入正限位开关输入脉冲输出

脉冲输出或正向运动控制禁止/使能输出清除脉冲计数器

[3]

对于一个实际的控制系统,要根据负载的大小来选择步进电机.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,就能有效地对步进电机进行变速控制.

在对PLC选型前,应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量[2].

步进电机步距角!螺距

360!传动速比

移动速度!步进电机细分数

脉冲频率上限=

脉冲当量

移动距离!步进电机细分数

最大脉冲数量=

脉冲当量脉冲当量=

根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率,根据脉冲数量可以确定PLC的位宽.同时,考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命,PLC应选择晶体管输出型.

3 软件设计

3.1 PLC软件

西门子STEP7 Micro/WIN32是一种基于Windows操作系统环境下的编程软件,它支持梯形图、语句表、功能块图等3种编程语言.为方便用户编程更加方便快捷,软件提供了状态图表用于监视、调试程序及在线编辑程序等功能.对于位控模块EM253的编程,STEP7 Micro/WIN32V4.0提供一个位控向导,可生成组态/包络表和位控指令,很方便地组态位控模块.作为智能单元,位控向导能够自动读取到该模块的配置位置.通过EM253控制面板,可以方便地测试、操作和监视位控模块的工作状态,验证控制系统接线是否正确,调整配置运动控制参数,测试每一个预定义的运动轨迹包络.

要进行速度和位置控制,必须对EM253进行

2 硬件设计

2.1 硬件配置

被控制的步进电机型号是86BYG250BN,步距角为1.8 ,具有定位准确,转速范围大,分辨率高,低速运行平稳,功耗低等优点.与该电机相匹配的驱动器是SH 20806N DA.

PLC是整个控制系统的核心.系统选用西门子S7 200系列的CPU224XP,直流24V供电,直流数字量输入,晶体管直流电路输出类型.该PLC具有14个数字量输入点、10个数字量输出点、2个模拟

介绍了步进电机的工作原理及特性, 重点阐述了步进电机的PLC 控制系统的原理, 并对基于位控模块EM253 和触摸屏的步进电机控制系统的设计方法作了详细的论述

组态.组态时,根据系统的硬件配置和控制要求、按位控向导的组态步骤即可完成.组态内容包括选择测量系统、配置模块输入响应、指定电机速度、设置手动参数、设置加速和减速时间、设置跳动时间参数、配置参考点和定义移动包络等,其中指定电机速度时应参考如图2所示的电机力矩与速度曲线[4]

.

LDOFF(装载参考点偏移量),POS0 LDPOS(装载位置),POS0 SRATE(设置速率),POS0 DIS(禁止输出),POS0 CLR(触发CLR输出),POS0 CFG(重新装载组态).每一个指令就是一个子程序,在应用程序中调用这些子程序实现相应的功能.EM253组态后,大部分参数并不一定准确,在调试过程中,需要不断改变参数来测试系统,寻求最优参数.需要修改参数时不必重新组态,通过EM253控制面板可测试EM253的输入输出、接线、组态以及移动路径的执行状况,直接调用面板修改参数即可.在完成组态及测试通过后,即可根据控制系统的工艺要求,选择需要的位控子程序插入到应用程序中,并可把未使用的子程序删除以减小程序所占容量.要确保使能位控模块,在应用程序中必须调用 POS0 CTRL"指令.

图2 电机力矩与速度曲线

程序编写、调试、编译后,即可下载到PLC中.至此,程序创建完毕,创建流程如图3所示

.

针对系统的硬件配置,要求对步进电机实现可控制的正向与反向定位控制、限定最大与最小速度的控制,响应速度为1s,具有急停等功能,根据电机

与驱动器的细分倍数计算出电机旋转一周需要6400个脉冲信号,产生5mm位移.

完成如下组态内容:

a.测量类型选择工程量,以mm为单位.

b.电机旋转一周需要6400个脉冲数,产生5mm位移.

c.激活等级设为高.

d.滤波时间设为默认值.

e.脉冲极性指定为负极,PT0+表示脉冲输出,PT0-表示方向.

f.模块对物理输入的响应选择缺省.

g.最大速度设置为20mm/s,最小速度2mm/s,启动/停止速度3mm/s,最大拖动速度3mm/s.

h.拖动命令能够移动的距离为1mm.

i.加速时间1000ms,减速时间1000ms,急停时间0.

j.配置参考点快速查找速度13mm/s,参考点逼近速度3mm/s,参考点查找起始方向、最后逼近方向分别为负向、正向,参考点搜索序列选择1类.

组态完成后,位控向导自动生成11条位控子程序:POS0 CTRL(使能位控),POS0 MAN(手动模式),POS0 GOTO(指定运行到位置),POS0 RUN(运行包络),POS0 RSEEK(参考点查找),POS0

图3 程序创建流程

3.2 触摸屏软件

触摸屏画面是在WEINVIEWMT500系列触摸屏的专用组态工具EasyBuilder500软件环境下

开发的.设计触摸屏画面时,应考虑设置初始画面和主画面.触摸屏开机时自动打开初始画面,通常在初始画面显示系统的一些基本信息,操作人员可以在初始画面中完成某些初始化的操作.触摸屏画面设计,其主要步骤如下:

a.打开EB500软件,点击[文件]菜单新建工程,选择触摸屏类型.

b.打开[编辑]下拉菜单,进入系统参数设定,包括触摸屏硬件参数的设定、PLC类型的选择和通信参数的设置等.

c.进入编辑画面后,依据需要选择合适的元件及适当数量的窗口进行界面设计.

d.界面设计完毕,进行文件保存、编译和离线/在线模拟等顺序操作后,即可将工程文件下载到触摸屏.

[5]

介绍了步进电机的工作原理及特性, 重点阐述了步进电机的PLC 控制系统的原理, 并对基于位控模块EM253 和触摸屏的步进电机控制系统的设计方法作了详细的论述

基于Pro/E软件的马克杯造型及模具设计

陈 峰

(武汉职业技术学院机电工程学院,湖北武汉430074)

ApplicationofPro/EinCupProductDevelopmentandMouldDesign

CHENFeng

(SchoolofMechatronicsEngineering,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan430074,China)

摘要:以马克杯为例,介绍了运用Pro/E软件进行产品造型及模具设计的过程.详细论述了该产品的三维造型设计方法,重点介绍了模具设计流程及分型面、模具型腔和型芯的设计.阐述了利用Pro/E进行塑料模具设计的高效率特性.

关键词:Pro/E;马克杯;三维造型;模具设计

中图分类号:TP391.7文献标识码:B

文章编号:1001 2257(2008)10 0078 03

Abstract:Takecupastheexample,introducedtheprocessofproductmodellingandmoulddesignusingthePro/Esoftware.Elaboratedthisproduct3Ddesignmethodindetail,introducedwithempha

收稿日期:2008 06 03

基金项目:武职机电科研基金资助项目(08002)

sisthemoulddesigncycleanddesignofthepartingsurface,themoulddiespaceandthecore.Elabora tedtheplasticmoulddesignusingPro/Einthehighefficiencycharacteristic.

Keywords:Pro/E;cup;3Dmodel;mouldde sign

0 引言

在传统的异型产品设计、模具设计和加工当中,往往是根据经验设计零件外形.通过手工做模来进行模具设计和加工,加工出来的产品,往往一次不能满足要求,这就要求不断修改产品设计,从而导致修模,甚至整个模具报废,致使产品开发周期加长,成本大大增加;采用CAD/CAE/CAM#Pro/E软件机交互性好,对于小型速度、位置控制系统来说,提高了可靠性和效率,降低了成本,在工控行业中有着较为广阔的应用前景.参考文献:

[1] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航

天出版社,2002.

[2] 宣财鑫.PLC脉冲控制步进电机技术[J].机车车辆工

艺,2002,(1):31-32.

[3] 西门子公司.SIMATICS7 200PLC系统编程手册[Z].

2000.

[4] 赵 丹,等.人机界面、位控模块在对中性测量仪中的

应用[J].机械与电子,2005,(9):72-75.

[5] 台湾WEINVIEW公司.EasyBuilder500使用手册

[Z].2005.

作者简介:江华生 (1978-),男,江西赣州人,助教,研究方

向为过程装备计算机控制技术.

系统工作时,通过触摸控制操作画面的相关元

件,可以实现步进电机的步进、步退和连续正反转.数据显示画面则可以动态显示步进电机当前位置参数、设定电机运行速度等.

4 结束语

触摸屏替代了传统的指示、记录仪表、指示灯和按钮等实物,减少了繁杂的连接导线,使得系统更加简洁,故障率也大为降低.同时,还方便了下位机参数的输入、状态的监控以及设备运行的控制.

EM253位控模块作为西门子S7 200系列PLC的智能模块,能够实现电机的速度和位置控制,凭其强大的组态功能,实现了参数设置的可视化,降低了程序编制的复杂性和出错率,模块生成的11个位控子程序指令实现了程序的模块化,极大提高了系统开发的效率.触摸屏和位控模块的结合使速度和位置控制操作更加简便、精确,速度、位置任意调节,人

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5wui.html