基于PLC步进电机控制系统的设计

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基于PLC步进电机控制系统的设计

摘要

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

使转轴步进一个步距角增量，输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲频率成正比。步进电机的控制方式简单，属于开环控制，且无累积定位误差，有较高的定位精度，而PLC作为一种工业控制微机，是实现电机一体化的有力工具，因此基于PLC的步进电机控制技术已广泛用于数字定位控制中。本设计将步进电机控制系统用于控制数控机床滑台。

本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括步进电机的工作原理、步进电机的驱动电路设计、PLC的输入输出特性、PLC的外围电路设计以及PLC与步进电机的连接与匹配等问题的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

关键词 ：步进电机、PLC、转速控制、方向控制

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Stepping motor control system based on PLC

Abstract

With the development of microelectronics and computer technology, the stepper motor is increasing demanded, which is widely used in printers, electric toys and other consumer products, and CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and other electrical machinery products, and is applied in the national economy in various fields. Researching of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is so important.

Stepper motor is a device which will transform electrical pulses into mechanical angular displacement so that Shaft of each pulse to a step angle stepping increment, SO output angular displacement is proportional to the input pulses, speed is proportional to the input pulse speed and speed is proportional to input pulse frequency. Stepper motor control is simple, is open-loop control, and no accumulation of positioning error, a high positioning accuracy,and the PLC as an industrial control computer, is a powerful tool for the integration of the motor, Therefore, the stepper motor control based on PLC technology has been widely used for digital positioning control.

The control system consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design includes the working principle of stepper motor, stepper motor drive circuit design, PLC input and output characteristics, PLC and PLC external circuit connection with the stepper motor and matching Problem. Software design, including the main program and each module of the control program, ultimately realizes on the stepper motor rotation direction and rotation speed control This system has the intelligence, practicality and reliability features.

Keywords ：Stepper motor, PLC, speed control, direction control

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目录

基于PLC步进电机控制系统的设计 .............................................................................................. I 摘要 .................................................................................................................................................. I Stepping motor control system based on PLC ................................................................................. II Abstract ........................................................................................................................................... II 第一章 绪论 ................................................................................................................................. 1 1.1 PLC的发展及应用前景 ...................................................................................................... 1

1.1.1 可编程控制器（PLC）的发展趋势 .........................................................................................1 1.1.2 可编程控制器（PLC）的应用领域 .........................................................................................1 1.1.3 PLC的应用前景 ........................................................................................................................2

1.2 提出问题 ............................................................................................................................. 2

1.2.1 机床滑台类型及控制 ...............................................................................................................3 1.2.2 本文的工作目的及意义 ...........................................................................................................3 1.2.3 本文的主要目的及意义 ...........................................................................................................4

1.3 系统功能 ............................................................................................................................. 4 第二章 PLC概述 .......................................................................................................................... 5 2.1 PLC的产生与发展 .............................................................................................................. 5

2.1.1 PLC的产生及定义 ....................................................................................................................5 2.1.2 PLC的发展 ................................................................................................................................6

2.2 PLC的特点与功能 .............................................................................................................. 7

2.2.1 PLC的特点 ................................................................................................................................7 2.2.2 PLC的功能 ................................................................................................................................7

2.3 PLC的结构 .......................................................................................................................... 8 2.4 PLC的编程语言 .................................................................................................................. 9

2.4.1 梯形图 .......................................................................................................................................9 2.4.2 语句表 .................................................................................................................................... 11 2.4.3 顺序功能图 ............................................................................................................................ 11

第三章 步进电机概述 ............................................................................................................... 12 3.1 步进电机工作原理 ........................................................................................................... 12 3.2 步进电机的特性 ............................................................................................................... 12 3.3 步进电机的分类 ............................................................................................................... 13 3.4 步进电机驱动器的直流供电电源的确定 ....................................................................... 13

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3.5 步进电机使用时的注意事项 ........................................................................................... 14 3.6 步进电机驱动器的细分原理及一些相关说明 ............................................................... 14 3.7 反应式步进电机 ............................................................................................................... 15 3.8本设计所用步进电机 ........................................................................................................ 18 第四章 总体方案设计 ............................................................................................................... 19 4.1数控滑台的控制方法 ........................................................................................................ 19

4.1.2进给速度控制 ......................................................................................................................... 19 4.1.3 进给方向控制 ........................................................................................................................ 19

4.2 PLC控制系统设计 ............................................................................................................ 19 4.3 PLC控制系统的接地方法 ................................................................................................ 20 4.4步进电机的控制 ................................................................................................................ 20

4.4.1步进电机的起停控制 ............................................................................................................. 20 4.4.2步进电机的加减速控制 ......................................................................................................... 21 4.4.3 步进电机的换向控制 ............................................................................................................ 22

4.5 本章小结 ........................................................................................................................... 22 第五章 数控滑台的设计 ........................................................................................................... 23 5.1总体设计方案的确定 ........................................................................................................ 23 5.2 机械部分设计计算 ........................................................................................................... 23 第六章 设计硬件电路 ............................................................................................................... 36 6.1 硬件电路总体分析 ........................................................................................................... 36 6.2总体设计分析图 ................................................................................................................ 36 6.3电路总体设计 .................................................................................................................... 36 6.4步进电机的驱动电路 ........................................................................................................ 38 第七章 软件设计 ....................................................................................................................... 44 7.1 可编程控制器（PLC）的工作原理 ................................................................................. 44 7.2存储空间的计算 ................................................................................................................ 47 7.3可编程控制器（PLC）提供的编程语言 .......................................................................... 47 7.4 PLC编程中难点介绍 ........................................................................................................ 49

7.4.1驱动电源的特殊性 ................................................................................................................. 49 7.4.2用功能指令构建控制程序的有关问题 ................................................................................. 49

7.5 PLC梯形图 I/O分配表 ................................................................................................... 50

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第8章 GX Developer软件程序模拟运行 .............................................................................. 51 8.1 程序运行图文说明 ........................................................................................................... 51 结论 ............................................................................................................................................... 68 附录 ............................................................................................................................................... 69 1、流程图 ................................................................................................................................. 69 2、控制系统设计步骤 ............................................................................................................. 69 参考文献 ....................................................................................................................................... 71 1、参考资料 ............................................................................................................................. 71 2、参考论文 ............................................................................................................................. 72 外文文献 ....................................................................................................................................... 74 中文翻译 ....................................................................................................................................... 78 致谢 ............................................................................................................................................... 81

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第一章 绪论

1.1 PLC的发展及应用前景

PLC 工艺自从出现一直到今天，已经由最初的接线逻辑发展到了储存逻辑，目前被大量的应用到众多的行业之中。当今社会是一个高速发展的社会，目前的半导体工艺和电脑科技非常发达，PLC 借助这些技术的优势，已经可以非常好的处理网络接口了。总体来说，这项工艺很受行业人士的喜欢。这项系统是专门用于工艺生产工作的数控系统，它把电脑科技和自控工艺等技术有效的融合在一起，它是目前行业的关键设备，它的稳定性很高。此外，它还具有强大的抗干扰能力，编程步骤简单，而且易于维护。随着工艺不断发展，现今它的控制活动已经能够从原先的单一化逻辑控制发展到如今的持续性控制。

1.1.1 可编程控制器（PLC）的发展趋势

我们坚信这项技术一定会得更好的发展。从技术上来看，随着目前电脑等优秀的科学技术被广泛的应用到 PLC 上面，因此我们坚信不久的将来，就会出现运算速率更快，容量更加庞大，更为先进的产品。从规模上来说，完备的通信设备会更好地迎合各种工业控制场合的不同需求；从市场上来分析，今后的竞争将会更加的激烈，将会发生垄断现象，届时将会有全球通用的编程语言；通过分析网络的发展态势可以得知，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成的大型控制系统是可编程控制器技术的发展方向。伴随着计算机网络的高速发展，可编程控制器作为国际通用网络和自动化控制网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的大量领域发挥十分重要的作用。

1.1.2 可编程控制器（PLC）的应用领域

PLC 是以微计算机技术和通信技术和自动控制技术为基础发展起来的新的工业控制装置，随着微处理工艺的发展，这项技术必然会会在众多的行业之中获取良好的发展。当前它的应用范围非常广，比如：通用和专用机械，汽车制造，机床与工具，立体仓库，控制设备制造、控制与装置仪表，环保及文化娱乐等各个行业。而且还在朝着其它方向扩展。

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PLC 的自诊断占 18％，批量控制占26％，运动控制占 40％，过程控制占 58％，应用机械控制占 87％

1.1.3 PLC的应用前景

PLC制造商通过收购和联合大量的软件企业和发展软件产业。明显的提升了软件使用性能。大多的品牌都有与它们的设备相对应的平台甚至软件，将其有效的结合在一起，能够显著的提升系统的综合服务能力，而且节省投资，得到良好的控制体系，目前，PLC+网络+IPC+CRT 的模式被大规模应用。

可编程控制器（PLC）厂家在以前的CPU模板上提供物理层 RS232/422/485 接口的基础上，新添了很多不同的通讯接口，能够创造一体化的网络体系。近年来信息技术发展很快，用户对开放性有着更多的需求，而且此时的互联网也在迅速发展。例如：罗克韦尔 A-B公司大力主推的三层网络结构体系，即 Device Net、Ether Net，Contml Net。

工艺在发展的时候，生产厂家为了获得更多的市场份额，不断展开激烈的竞争。它们的标准不一样，所以无法很好的兼容在一起，这就导致用户在使用的时候非常不方便，而且会造成维护费用增加。以后市场必然会高度开放，这已经被大多数生产厂家意识到了，形成了长时期妥协与竞争的过程，而且这一过程还在继续。虽说目前的工具无法很好的兼容在一起，不过随着系统的进步，用户在使用的时候，已经能够较好的应用各种性质的产品了。

当前时期，该系统的网络水平以及运算速率等都明显的强化了，此时已经不再是单纯的用来进行逻辑控制了，更多的是用到过程控制之中。相关人士调查得出的结论是:目前除了石化等行业之外，这项系统在大部分的行业中都获取了良好的成就。

通过分析我们发现，该系统的优点非常明显，比如它的结构非常紧凑，它的功能很多，稳定性强，速率较快，最主要的是它的价位不高，因此不管是目前还是今后的很长一段时间之内，该系统都能够发挥出非常明显的意义，它的存在必将带动整个行业的进步。

1.2 提出问题

在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中，都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要。电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的原理是通过对每相线圈中的电流和

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通电顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率可以改变步进电机的原先转速。也就是说:当步进驱动器接收到一个脉冲信号，驱动步进电机就按设定的方向转动一个固定的角度。通过改变脉冲个数即可以改变角位移量，以达到准确定位的目的。同时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，目前比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR)、永磁式步进电机(PM),混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.50;反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.50，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式步进电机和反应式步进电机的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

1.2.1 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3~5 个 I/O 接口及小于1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。

1.2.2 本文的工作目的及意义

毕业设计做了以下工作：

1.对数控滑台控制进行了系统的学习，包括PLC及步进电机的主要应用，实际的需求。 2.应用三菱公司的可编程控制器FZ2X-16MT及20BYJ46四相步进电机,在此基础上搭建了实际的控制模型。

3.深入研究了位置控制系统的算法，利用三菱系统高速、大存储、数据结构灵活等特点，实现了更简便的数控位置的PLC控制。

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4.根据要求设计了仿真，以实现程序的模拟。

1.2.3 本文的主要目的及意义

1.以数控滑台的逻辑控制为实例，对三菱系统的网络组态、系统配置和梯形图编程进行一次尝试，为今后的更好地开发三菱系统的工程应用积累经验。

2.以一种全新的编程思想进行PLC的梯形图编程，对于将来高性能的PLC的编程具有开拓性的意义。

3.对于数控滑台位置控制实现的研究也给后续的研究开辟了一个全新的方式，为更简捷完善的多轴位置控制的实现打下了坚实基础，对位置理论及其实现、位置控制在实际工程的应用都有很大的指导意义和参考价值。

1.3 系统功能

设计的目的是设计出一个以步进电机为基础控制系统。本系统采用FX2N系列PLC作为控制单元，通过按键实现对步进电机转动方向以及转动速度的控制，

设计的步进电机控制系统有以下功能： 1. 步进电机的启停控制 2．步进电机的正反转控制 3. 步进电机的加速控制 4. 步进电机的减速控制 5. 步进电机通电方式改变的控制

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第二章 PLC概述

2.1 PLC的产生与发展

可编程控制器PC（Programmable Controller）是由美国电气制造协会（NEMA）命名的，但是PC又可表示为个人计算机（Personal Computer），为了区别，人们常把可编程控制器称为PLC（Programmable Logic Controller）。它是以微处理器为基础，在传统的继电器控制技术基础上，综合了计算机技术、半导体集成技术、数字技术和通信网络技术而发展起来的新型控制器，用作数字控制的专用计算机。由用户编写程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，再通过数字量和模拟量的输入/输出（I/O）来控制各种生产过程。

2.1.1 PLC的产生及定义

20世纪60年代以前，用以对工业生产进行自动控制的装置是继电器-接触器控制系统。该系统存在一些缺陷。例如：系统的能耗较多，噪声大；通用性、灵活性差，工艺流程的更新需要大量的人力物力；不具备现代工业控制所需的数据通信、网络控制等功能。到了20世纪60年代以后，美国汽车制造业为适应市场需求不断更新汽车型号，要求及时改变相应的加工生产线。而汽车生产流水线基本上都采用传统的继电器—接触器控制，所以整个系统就必须更新设计和配置。汽车生产流水线的更换越来越频繁，原有的继电器—接触器控制系统就经常需要重新设计安装，这不但造成巨大浪费，而且新系统的安装费时，从而延长了汽车的设计生产周期。在这种情况下，采用传统的继电器—接触器控制就有许多不足。

1968年，美国GM（General Motors）公司首次公开招标要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出了著名的十项招标指标，即著名的“GN十条”。

如果说电子技术和电气控制技术是可编程控制器出现的物质基础，“GM十条”就是可编程逻辑控制器出现的技术要求基础，也是当今PLC最基本功能。

1987年2月，国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器（PLC）标准草案中对PLC做了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用

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而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部定时、存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、计数与算术运算操作等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。

2.1.2 PLC的发展

⑴PLC的发展历程

PLC产生至今，历经50载，其发展大体经历了4个阶段。

1970—1980年，PLC结构定型阶段。在这一阶段，随着PLC刚诞生，各种类型的顺序控制器不断出现（如逻辑电路型、1位机型、通用计算机型、单板机型等），但都被迅速淘汰。最终以微处理器为核心的现有PLC结构形式取得了市场认可，得以迅速发展。本阶段为PLC原理、结构、软件、硬件趋向统一与的阶段，PLC的应用领域也开始由最初的小范围逻辑控制、有选择使用，逐步开始向机床、生产线领域拓展。

1980—1990年，PLC普及与系列化阶段。在这一阶段，PLC的生产规模不断扩大，价格一直下跌，PLC被广泛普及。各个PLC生产单位产品的规模、品种开始系列化，并且形成了固定的模块化结构型、I/O端子型、基本单元加扩展模块型这三种延续至今的基本结构模式。PLC的应用范围不断向顺序控制的全部领域扩展。

在本阶段三菱公司以最早的F系列PLC产品为主，包括了小、中、大型各规格产品。 1990—2000年，PLC高性能与小型化阶段。在这一阶段，随着工业电气自动化程度的提高和微电子技术的进步，PLC的功能日益增强，PL由单CPU转向多CPU，16位和32位微处理器被大量应用于PLC中，使其运算速度、图像显示和数据处理功能都大大增强。许多公司在加强各种特殊控制功能模块研制的同时，还加强了软件技术的开发，PLC的体积大大减小，出现了各种类型的小型化、微型化PLC。PLC的应用范围由单一的顺序控制向现场控制拓展。

本阶段，三菱公司的PLC产品开始有F系列向FX系列过渡，而后陆续推出了Q/K型小、中、大型系列产品。

2000至今，PLC功能开发与网络化阶段。在本阶段，为了适应工厂自动化的需求与信息技术的发展，PLC的功能不断开发与完善。一方面，PLC在不断提高CPU运算位数、速率的同时，开发了适用于运动控制、过程控制的特殊模块，使PLC的应用范围开始涉及工业自动化的全部领域。同时随着通信联网技术的不断发展，新通信协议的不断产生，PLC的通信和网络功能得到迅速发展，PLC不仅可以连接通用输入/输出设备和传统的编程，还

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可以通过总线构成网络系统，为工厂自动化奠定了基础。PLC已经真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理和联网通信等功能的多功能控制器。

本阶段，三菱公司的PLC产品仍然以Q/K系列为主要产品，只是其性能在不断完善，并有新的CPU模块推出。 ⑵PLC的发展趋势

从世界上第一台PLC诞生至今，PLC技术得到了迅猛的发展。PLC的应用领域从最初的单一的逻辑控制发展到包括模拟量控制、数字控制以及机器人控制等在内的各种工业控制场合，成为工业控制领域占主导地位的基础自动化装备。PLC的发展趋势主要表现为以下四个方面。

1、向微型化、网络化、开放性方向发展。微型化、网络化、开放性是PLC未来发展的主要方向。

2、向系列化、标准化、模块化方向发展。 3、向大容量、高速度、高性能方面发展。 4、向自诊断、容错性、高性能方面发展。

2.2 PLC的特点与功能

2.2.1 PLC的特点

PLC技术的迅猛发展，除了得益于工业的需求外，主要还是由于它具有许多独特的特点。PLC是传统的继电器技术和现代的计算机技术相结合的产物。而在工业控制方面，PLC还具有计算机控制或继电器控制所无法比拟的特点。

⒈可靠性高，抗干扰能力强 ⒉应用灵活，编程方便 ⒊功能完善，适用性强 ⒋易于安装、调试、维修 ⒌体积小、质量轻、能耗低

2.2.2 PLC的功能

PLC作为工业控制的多功能控制器，不仅能满足一般工业控制需要，而且能够适应工业控制的特殊控制要求，并可实现联网和通信控制。虽然不同类型PLC的性能，价格有差异，但其主要功能是相近的。 ⒈基本功能

逻辑运算功能是PLC必备的基本功能。本质上，它以计算机“位”运算位基础，按照

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程序的要求，通过对来自设备外围的按钮、接触器触电、行程开关等开关量信号进行逻辑运算处理，并控制外围指示灯、接触器线圈、电磁阀的通断。

在早期的PLC上，顺序控制所需要的定时、计数功能需要通过定时模块与计数模块实现，但是，他已经成为PLC的基本功能之一。此外，逻辑控制中常用的数据比较与处理、代码转换等，也是PLC常用的基本功能。 ⒉特殊功能

PLC的特殊控制功能包括模/数（A/D）转换、数/模（D/A）转换、高速处理、温度控制、位置控制等。这些特殊控制功能的实现一般需要PLC的特殊功能模块完成。

A/D转换与D/A转换多用于过程控制或闭环调节系统。在PLC中，通过特殊的功能模块与功能指令，可以对过程中的温度、压力、速度、流量、电流、电压、位移等连续变化的物理量进行采样，并通过必要的运算实现闭环自动调节，必要时也可以对这些物理量进行各种形式的显示。

位置控制一般通过对PLC的特殊应用指令的写入与状态读取，对位置控制模块的位移量、速度、方向等进行控制。位置控制模块一般以位置给定的指令脉冲形式输出，指令脉冲再通过伺服驱动器或步进驱动器、驱动伺服电动机或步进电动机带动进给传动系统实现闭环位置控制

高速处理功能一般通过PLC的特殊应用指令和高速处理模块，如高速计数、快速响应模块等实现，PLC通过高速处理命令的写入与状态的读取，对高速变化的速度、流量、位置等值进行处理控制。高速计数模块可以对几十千赫甚至上百千赫的脉冲进行计数处理，保证负载信息的及时处理并驱动。快速响应模块将输入量的变化较快的反映到输出量上。总之，PLC的高速处理功能对变化快、脉冲宽度小于PLC扫描周期的输入/输出信号进行处理，避免了丢失部分关键信号，从而影响控制过程的及时性和准确性。 ⒊网络与通信功能

PLC早期的通信一般局限于PLC与外围设备（编程器或变成计算机等）间的简单串行口通信。现代工业控制中的网络与通信不仅可以进行PLC与外围设备间的通讯，而且可以在PLC与PLC之间、PLC与其他工业控制设备之间、PLC与上位机之间、PLC与工业网络间进行通讯，并可以通过现场总线、网络总线组成系统，从而使得PLC可以方便的进入工厂自动化系统。

2.3 PLC的结构

在硬件结构上PLC可以分为整体式固定I/O型、模块式PLC、基本单元加扩展型分布

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式PLC和集成式PLC五种结构形式。

2.4 PLC的编程语言

PLC是专为工业控制而研发的装置，主要使用者是企业电器工作人员。为了适应工人的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用计算机编程语言，而采用面向控制工程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC61131—3《可编程控制器语言标准》详细的说明了语义、句法和五种编程语言。

2.4.1 梯形图

梯形图是目前为止使用最多的图形编程语言，梯形图和继电器控制系统的电路图相似，梯形图常被称为电路或者程序，梯形图的设计称为编程。梯形图由线圈、触点和指令组成。线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位。触点代表逻辑输入条件。 ⒈梯形图编程的基本概念

⑴能流。在梯形图中为了分析各个元件间的输入与输出关系，就要假象一个概念电流。认为电流按照从左往右的方向流动，这一方向与执行用户顺序时的逻辑运算关系是一致的。。利用能流这一概念，可以帮助我们很好地理解和分析梯形图。能流只能从左往右流动，层次改变只能从上往下。

⑵母线。梯形图两侧的垂直公共线称为母线。母线之间有能流从左往右流。通常梯形图中母线有左右两条。

⑶软触点。PLC梯形图中的一些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等，但是他们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元，每个软继电器的触点与PLC存储器中映像存储器的一个存储单元相对应，所以这些触点称为软触点。这些软触点的0/1状态代表相应继电器触点或线圈的接通或者断开。而且对于PLC内部，如果存储单元状态为“1”则表示梯形图中对应软继电器的通电，常开触点接通，常闭触点断开，在继电器控制系统的接线中，触点数量有限，而PLC内部软触点的数量和使用次数没限制，用户可根据具体要求在梯形图中多次使用同一触点。 ⒉梯形图的特点

PLC的梯形图源于继电器逻辑控制系统的描述，并和电气控制系统梯形图的基本思路一致，只是在符号和表达方式上有一定区别。它采用梯形图的图形符号来描述程序设计，是PLC程序设计中最常用的一种设计语言。这种设计语言采用因果关系来描述系统发生的条件和结果。其中每个梯级是一个因果关系。在梯级中描述系统发生的条件在左边，事件发生的结果在右边。PLC梯形图使用的内部辅助继电器、计数/定时器等，都是有软件实现

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的，它的最大优点是使用方便、形象、直观、实用和修改灵活。这是传统电气控制的继电器硬件接线所无法比拟的。

梯形图的格式一般有如下一些要求：每个梯形图网络由多个梯级构成。每个输出元素可构成一个梯级，每个梯级有多个支路。通常每个支路可容纳11个编程元素，最右边的元素必须是输出元素。一个网络最多允许16条支路。

梯形图有以下8个特点：

⑴PLC梯形图和电气操作原理图相对应，具有对应性和直观性，并与传统的继电器逻辑控制技术相一致。

⑵梯形图中的能流不是实际的电流，而是一个虚拟的电流，是用户程序运算中满足输出条件的形象表达。能流只能从左往右。

⑶梯形图中个编程元件所描述的常开常闭触点可在编程时无限使用，不受次数限制。 ⑷梯形图格式中继电器和物理继电器是不同的。在PLC中编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、内部辅助继电器、输出继电器等。对于PLC来说，其内部的继电器并不是实际存在的继电器，而是指软件中的编程元件。编程元件中的每个软触点都和PLC存储器中的一个存储单元相对应。因此，在应用时，需与原继电器逻辑控制技术的概念区别。

⑸梯形图中输入继电器的状态只取决于外部输入电路的通断状态，所以 在梯形图中没有输入继电器线圈。输出线圈只对应输出映像区的相应位，不能用该编程元件直接驱动现场机构。

⑹根据梯形图中个触点的状态和逻辑关系，可以求出与图中各线圈对应的编程元件的1/0状态，称为梯形图的逻辑运算。逻辑运算按照梯形图从左至右、从上至下的原则进行。逻辑运算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据逻辑运算瞬时外部输入状态来进行。

⑺梯形图中用户的逻辑运算结果马上可为后面用户程序的逻辑运算所运用。 ⑻梯形图与其他设计语言有一一对应关系，便于相互转换和对程序的检查。但是对于较复杂的控制系统。与顺序功能图等设计语言相比较，梯形图的逻辑描述还不够清晰。 ⒊梯形图设计规则

⑴由于梯形图中的线圈和触点均为“软继电器”，因此同一标号的触点可反复使用，这也是PLC区别于传统控制的一大优点。

⑵每个梯形图有多层梯级组成，每层逻辑行起始于做母线，经过触点的各种连接最后结束于线圈，触点不能出现在线圈右边，只能在触点右边连接线圈，每一个逻辑行实际代

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表一个逻辑方程。

⑶梯形图中的输入触点只受外部信号控制，而不能有内部继电器的线圈将其接通或断开，及线圈不能直接和做母线相连，所以在梯形图中不会出现“输入继电器的线圈”。

⑷在几个串联回路相并联时，应该将触点多的放在梯形图上面。在几个并联回路相串联时，应该将触点最多的回路放在梯形图的最左面。这种安排指令较少。

⑸触点因花在水平线上，不能花在垂直分支上，被画在垂直分支上的触点，很难正确识别它和其他触点的关系，也难以判断通过触点对输出线圈的控制方向。所以梯形图的书写顺序自左向右、自上至下，CPU也按此顺序执行。

⑹梯形图中的触点可以任意串联、并联，但输出线圈不能串联，只能并联。

2.4.2 语句表

PLC的指令是一种与计算机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式。语句表表达式与梯形图有对应关系，由指令组成的程序叫指令程序。在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列。每一条语句指令都包含操作数和操作码两部分，操作数一般由标识符和地址码组成。

2.4.3 顺序功能图

顺序功能图，又叫状态转移图，是一种较新的编程方法。他将一个完整的程序分成若干段，各阶段具有不同的动作，阶段之间有一定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。它提供了一种组织程序的图形方法。在顺序功能图中可以用其它语言嵌套编程，转换、路径和步是顺序功能图的三种主要元素。顺序功能图主要用来描述开关量顺序控制系统，根据它可以很容易画出顺序控制梯形图程序。整个程序完全按动作顺序直接编程，非常直观简便，思路很清楚，很合适顺序控制场合。

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第三章 步进电机概述

步进电机是一种将脉冲信号转换成角位移或直线位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输人的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到各相绕组的相序有关。因此只要控制指令脉冲的电机绕组通电的相序、频率及数量，便可控制步进电机的输出方向、速度和位移量。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，并且可获得较高的控制精度，因而广泛应用在数控机床、数字系统、程序控制系统及航天工业装置中。

3.1 步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的转动方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步步运行的。可以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；同时可以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。

步进电动机的工作原理实际上是和电磁铁的作用原理一样。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过，如果控制线路按A→B→C→A?的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地做顺时针转动。若将通电顺序改为A→C→B→A?，步进电动机的转子将逆时针转动，这种通电方式称为三相三拍。而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A?及A→AC→C→CB→B→BA→A?，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15度。

3.2 步进电机的特性

步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰恰是计算机所擅长处理的类型。自从20世纪80年代以来开始开发出专用的驱动电路，今天在磁盘、打印机等的OA装置的位置控制中，步进电机都是重要的组成部分。总体来说步进电机特点如下：

1、不需要反馈，控制简单。

2、与微机的连接、速度控制及驱动电路的设计较简单。

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3、没有角度累积误差 4、停止时也可保持转距。 5、不需要保养，故造价较低。 6、即使没有传感器，也能精确定位。

7、根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。难以获得较大的转矩。 8、不宜用作高速转动

9、在体积重量方面没有优势，能源利用率低。

10、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

11、步进电机的角位移与输人脉冲数严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。

12、由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统，既简单、廉价，又可靠。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。

13、步进电机的动态响应快，易于启停、正反转以及变速控制。 14、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。

15、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。

3.3 步进电机的分类

步进电机的结构形式和分类方法较多。按照励磁方式分类，可将步进电机分为三类： ⒈反应式步进电动机（VR）。

采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。使用简单，使用较多。 ⒉永磁式步进电动机（PM）。

转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

⒊混合步进电动机（HB）。

这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。这类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

3.4 步进电机驱动器的直流供电电源的确定

⒈电压的确定

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混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如ASD545R的供电 电压为18～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。 ⒉电流的确定

供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源（环行变压器），电源电流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围，电源电压通常根据电机 的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值 也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器

3.5 步进电机使用时的注意事项

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，(0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

3、若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也因从工作频率下降到适当频率再停车。 4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止时的定位精度。 6、在工作过程中，因尽量使负载均匀，避免负载突变引起误差。

7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 8、若在工作中发生失步现象，首先应检查负载是否过大，电源电压是否正常。再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时，不应随意变换元件。 9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

10、驱动电源的选择对步进电动机控制系统的运行影响极大。应该根据运行的具体要求，尽量选用先进的驱动电源。

3.6 步进电机驱动器的细分原理及一些相关说明

在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。 但在

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国内，广大用户对“细分”还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如下：步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3A，如果使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10 细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。注 意，国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分。

3.7 反应式步进电机

反应式步进电机，是一种传统的步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。反应式步进电机工作原理比较简单，转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。

应用领域：反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、

图3-1、四相反应式步进电动机的结构

阀门控制、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。

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图3-1是一台四相反应式步进电机的结构示意图。定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个均匀分布的磁极，每个磁极上又有若干小齿（本例为5个）。各个磁极上套有线圈，径向相对的两个磁极上的线圈是一相。转子也是由硅钢片叠成的，若干小齿（本例为50个）在圆周上均匀分布，但转子上没有绕组。根据工作要求，定子小齿的齿距必须等于转子小齿的齿距，且转子的齿数有一定限制。

定义每个小齿所占有的角度为齿距角：

360??t?Zr (2-1）

式中

?t为齿距角。Zr为转子小齿数。

Zrq?2m（2-2）

定子一个极距所对的转子小齿数为：

式中 m为相数。

设电机为四相四拍通电方式。当A相控制绕组通电时，产生了沿A-A’极轴方向的磁通，由于磁通力图通过磁阻最小路径，使转子的作用而转动，直到转子磁轴线和定子磁极A-A’上的磁轴线对齐为止。因为转子共有50个齿极，每个齿距角

?t?7.2?，定子一个

1q?64，不是整数，因此当A-A’极下的定、转子齿轴线对齐时，极距所对的转子齿数为

相邻的两对磁极B-B’和D-D’极下的齿和转子齿必然错开1/4齿距角，即时，各相磁极的定子齿与转子齿的相对位置如图3-2所示。

如果断开A相而接通B相，产生沿B-B’极轴线方向的磁通，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向转过1.8?，是转子齿轴线和定子磁极B-B’下的齿轴线对齐。这时，A-A’和C-C’极下的齿与转子齿又错开1.8?。以此类推，控制绕组按A→B→C→D→A?的顺序循环通电时，转子就按顺时针方向一步一步连续地转动起来。每换接一次绕组，转子转过1/4齿距角。

?b?1.8?。这

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1?t 0 4

11?t?t24

图3-2、 A相通电时定、转子齿的相对位置

显然，如果要使步进电机反转，只要改变通电顺序，即按A→D→C→B→A?的顺序循环通电时，则转子便按逆时针方向一步一步地转动起来，步距角同样为1/4齿距角，即

?b?1.8?。

如果运行方式改为四相八拍，通电方式为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A?，即单相通电和两相通电相间时，步距角为四相四拍运行时的一半，即

?b?0.9?。

当步进电机运行方式为四相双四拍时，当AB→BC→CD→DA→AB?方式通电时，步距角与四相单四拍运行时一样，为1/4齿距角，即

?b?1.8?。

由此可见，步进电机的步距角?b由转子齿数Zr、定子相数m和通电方式所决定，即：

36003600?t?b???mCZrNZrN（2-3）

式中 C为状态系数，采用单双通电方式时C=2,采用单或双通电方式时C=1。 N为拍

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数。

既然每个控制脉冲使步进电机转过一个中N’——控制脉冲的个数。

若步进电机所加的通电脉冲频率为f，则其转速为：

?b，电机实际角位移?应为：??N'?b 式

?b60fn??fmcZr6（2-4）

由于在一个通电循环内控制脉冲的个数为N（拍数），而每相绕组的供电脉冲个数却只

有一个，因此定子相绕组的供电频率

f?为：

f??fN

可见，步进电动机在不失步、不丢步的前提下，其转速和转角与电压、负载、湿度等因素无关，因而步进电机可直接采用开环，简化控制系统。

3.8本设计所用步进电机

本设计中所用的是四相反应式步进电动机，其工作原理上述已经说清楚。其转子小齿为50个，因此齿距角

?t?7.2?。其采用三种运行方式，分别为“四相单四拍”

、“四相单

双八拍”和“四相双四拍”。

四相单四拍的通电顺序为A→B→C→D→A?,不断接通与断开控制绕组，转子就按顺时针方向一步步地转动起来，每换接一次绕组，转子转过1/4齿距角，即

?b?1.8?。如果要

使电动机反转，只要改变通电顺序，即按A→D→C→B→A?顺序循环通电。

当运行方式改为四相单双八拍时，通电方式为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A?,即单相通电与两相通电相间，步距角为四相单四拍运行时的一半，即

?b?0.9?。其四相

绕组的波形图如图3-3所示。当步进电机反转时，其通电方式应该为A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→A?,其步进角与正转相同。

当步进电机再改为四相双四拍运行时，其通电方式为AB→BC→CD→DA→AB?，步距角与四相单四拍时一样，为1/4齿距角，即DC→CB→BA→AD?。

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?b?1.8? 。当其反转时，通电方式改变为AD→

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第四章 总体方案设计

4.1数控滑台的控制方法

4.1.1 行程控制

一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器 （行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。而步进电机的总转角正

比于所输入的控制脉冲个数，因此可以根据伺服机构的位移量确定 PLC 输出的脉冲个数：

n= DL/d （1）

式中： DL 为伺服机构的位移量（mm）；

d为伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）。

4.1.2进给速度控制

伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。因此，可以根据该工序要求的进给速度，确定其 PLC 输出的脉冲频率：

f=Vf / 60d (Hz) （2）

式中： Vf 为伺服机构的进给速度（mm/min）。

4.1.3 进给方向控制

进给方向控制即步进电机的转向控制.可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来其转向，如三相步进电机通电顺序为： A-AB-B-BC-C-CA-A ?时电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A ?顺序通电时电机反转。因此，可以通过 PLC 输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。

4.2 PLC控制系统设计

在采用 PLC对步进电机进行控制的设计中控制方案为：用软件来产生控制步进电机的 步进电机 驱动电路 环型脉冲信号,并用 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PLC 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,相应的频率只电源 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。应注意,PLC要选用晶体管输出型的,继电器输出型的实际输出频率很有限,不能满足控制要求。采用这种方案,步

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进电机控制系统的硬件组成非常简单,即 由PLC、直流电源和大功率管子组成的驱 动电路等组成,其结构框图如图4-1所示。

整个系统 具有结构简单、成本低廉、可靠 图4-1 传动方案

性高、使用方便、通用性强等特点。在控制系统的工作过程中,根据具体要求确定步进电机的工作方式(正反转)、加减速控制、恒速控制、正反转切换控制、起停控制。根据实际的工作情况计算出相应的脉冲频率,继而计算出定时中断的设定值,建立控制常数表。

选定的工作方式不断地从控制常数表中取出速度参数送给定时器 ,即可实现相应的控制功能。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。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。

4.3 PLC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4Ω，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。

4.4步进电机的控制

4.4.1步进电机的起停控制

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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 ,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。

4.4.2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 3～4 kHz ,而最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)Δf = 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4-2所示。

在一般的应用中,经过大量实 践和反复验证,频率如按直线上升 图4-2 频率曲线

t/或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。用 PL实现步进电机的加减速控制,实际上21

Hz fh fo

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就是控制发脉冲的频率。

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 v1～v2 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。

4.4.3 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0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求

4.5 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式

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第五章 数控滑台的设计

5.1总体设计方案的确定

1、为降低生产成本,满足使用要求,故确定总体设计方案如下:

采用FX2N-16MT三菱系统对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲驱动步进电机，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现数控平台的纵向、横向进给运动。

方案如下：

图5-1 步进电机带动机床工作台示意图

工作台总体结构的确定 初步采用

（1）、步进电机2个（X、Y向分别控制）

（2）、滚珠丝杆2套，由于所受的力以及行程长短不一样，所以要分别选择计算

（3）、滚动导轨：双导轨、四滑块（分别为X、Y向，长短选择不同） （4）、带有三条“?”槽的工作台面 2、传动方案的确定

步进电机→（是否需要齿轮减速装置？减速比取多少？）→滚珠丝杆→工作台X、Y方向满足：

???Y?2?m/step

X5.2 机械部分设计计算

1、纵向进给系统设计计算

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已知条件：

工作台重量： W=800N 时间常数： T=25ms 滚珠丝杆基本导程： L0=6mm 行程： S=320mm 脉冲当量： ???2?m/step

步进角： ??0.75?/step 快速进给速度： ?max?1m/min 电机功率 ： N=1.5kw

(1)、切削力计算 由《机床设计手册》可知，切削功率

Nc?N?K

查机床说明书，得电机功率N=1.5kw；系统总效率??0.65；系统功率系数K=0.96。则Nc?1.5?0.65?0.96?0.936W

Nc?Fz?6120NcFz??6120 ；

式中－－切削线速度V=100m/min 主切削：

Fz?6120?0.936?57.283kgf?527.83N100

由《金属切削原理》可知，主切削力：

XFzFz?CFzaPfYFzKFz

XFZ?1,YFZ?0.75,

KFZ?1

则可计算出FZ如下所示：

apmm 1 0.1 334 1 0.2 562 1 0.3 762

2 0.1 668 2 0.2 1124 2 0.3 1524 24

fmm FZ(N)

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查表，可知当FZ=562.3N时，切削力深度

ap?1mm，走刀量f?0.2mm

从《机械设计手册》中可知，在一般外团圆车削时；

Fx?1.1FzFy?0.7Fz

即： Fx?1.1Fz?1.1?572.83?630.11N

Fy?0.7Fz?0.7?572.83?400.98N

(2)、滚珠丝杆设计计算：

对于矩形槽： P?KFx?f'(Fz?W)

K=1.15,摩擦系数f’=0.16

P?1.15?630.11?0.16?(572.83?800)?944.3N 1）、 强度计算：

nf1000vf60niTin??Li?i6L0?DL0 10寿命值： ；

取工件直径：D=80mm;查表T1=15000h

n1?1000?100?0.2?13.3r/min3.14?80?6 60?13.3?15000?11.97106

L1?3最大动负载： Q?L1PfwfH

查表： fw?1.2；fH?1

Q?3L1PfwfH?311.97?944.3?1.2?1?2549.6N根据Q选择滚珠丝杆型号：

CMD2504－2.5－E其额定动载荷Q=14462N，所以强度足够用。d1=22.5mm。螺母长度L=71mm,余程le=16mm,螺纹长度l=320+71+2×16=423mm. 2 )、效率计算：

根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：

??

tg?tg(???)

25

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其中摩擦角??10'，螺旋升角??3?25'

??因此：

tg?tg3?25'??0.953tg(???)tg(3?25'?10')

3）、 刚度验算：

受工作负载P引起导程变化量：

?L1??PL0EF

L0=6mm=0.6cm, E=20.6×106N/cm2

?d??2.25?F??0??????22?? ??22?L1??PL0??EF944.3?0.6?2.25?20.6?10????3.14?2?62??6.91?10?6cm

滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化?L2很小，可忽略。即?L??L1 导程变形总误差为：

??100100?L??6.91?10?6?11.52?m/mL00.6

查表知E级精度丝杆允许的螺距误差（1m长）为15?m/m故刚度足够。 4）、 稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不验算。 4）、稳定性验算：

由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不用验算。

（3）、齿轮及转矩的有关计算 1）、有关齿轮计算：

i??L00.75?6??6.25360?p360?0.002 ,??20?

传动比：

取第一级为：Z1=2.5

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取：Z1=18,Z2=45,m=2,b=20mm,??20?

d1?mZ1?2?18?36mm d2?mZ2?2?45?90mm

dh*a1?d1?2a?40mm dd*a2?2?2ha?94mm

a1?(d1?d2)/2?63mm

取二级齿轮转动比：i?2.5mm , Z3=18,Z4=45，m=2,b=20mm,??20?

d3?mZ3?2?18?36mm

d4?mZ4?2?45?90mm 中心距：a2?(d3?d4)/2?63mm 2)、转动惯量计算：

工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：

22J?180?p??????180?0.002?21???W???3.14?0.75???80?1.87kg?cm

丝杠的转动惯量：

J4S?7.8?10?D4L?7.8?10?4?2.54?42.3?1.29kg?cm2?12.9N?cm2 齿轮的转动惯量：

J4Z1?7.8?10?4?4?2?0.4kg?cm2?4N?cm2 JZ2?7.8?10?4?124?2?323.35N?cm2

JZ3?7.8?10?4?3.64?2?2.62N?cm2

JZ4?7.8?10?4?104?2?156N?cm2 电机的转动惯量很小可以忽略。

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J?11(J?J)?(JZ2?JZ3)?J1?JZ1SZ422ii1

22?1??1?22J??12.9?156???????323.35?2.62??18.7?4?0.726N?cm?7.26kg?cm?2.5??2.5?3）、齿轮的转动惯量：

JZ1?7.8?10?4?64?2?2.02kg?cm2?20.2N?cm2 JZ2?7.8?10?4?12.54?2?38.1kg?cm2?381N?cm2 电机的转动惯量很小可以忽略。

J?1i2(JS?JZ2)?J1?JZ1

J??2?1??2.5???0.51?38.1??2.02?0.169?8.37kg?cm2?83.7N?cm2

4）、所需转动力矩计算：

○1、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：

n?maximax?L?1000?6.2506?1042r/min

MJnmax?4a9.6T?7.26?1042max?9.6?0.025?10?3.15N?m?31.5Kgf?cm

○2、 切削时折算到电机轴上的加速度力矩：

1000?n?nf1i主f11000?100?0.2L??D??6.2513.14?80?6?82.94r/min0L0

MJnat?9.6T?7.26?82.949.6?0.025?10?4?0.25N?m?2.5kgf?cm

○3、 折算电机轴上的摩擦力矩： 当??0.8 , f'?0.16时：

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Mf?F0L0f'WL00.16?80?0.6???0.244kgf?cm?2.44N?cm2??i2??i2?3.14?0.8?6.25

○4、 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩： 当?0?0.9时，预加载荷P0?1/3FX,则：

263.011?0.6?1?0.9???0.76N?cmP0L0FL22X0M0?1???1????0?6??i?0?6?3.14?0.8?6.252??i

○5、 折算到电机轴上的切削负载力矩：

Mt?FXL063.011?0.5??0.602kgf?cm?6.02N?cm2??i2?3.14?0.8?10.41

所以，快速空载启动所需力矩

M?Mamax?Mf?M0?315?2.44?0.76?318.2N?cm

切削时进给所需力矩：

M?Mat?Mf?M0?Mt?25?2.44?0.76?6.02?34.22N?cm

快速 进给所需力矩：

M?Mf?M0?2.44?0.76?3.2N?cm

由以上分析可知：

所需最大力矩Mmax 发生在快速启动时：

Mmax?318.2N?cm

2、横向进给系统设计计算

经济型数控改造的横向进给系统的设比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。

已知条件：

工作台重量： W=300N 时间常数： T=25ms 滚珠丝杆基本导程： L0=6mm 行程： S=200mm 脉冲当量： ??

?2?m/step

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步进角： ??0.75?/step 快速进给速度： ?max?1m/min （1）、切削力计算

横向进给为纵向的1/2～1/3,取1/2，则切削力为纵向的1/2

F.83z?5722?286.43N

切断工件时：

Fy?0.5?286.43?143.2N

取K=1.15, 滚动摩擦系数为f'?0.16

则P?1.15?143.2?0.16?(286.43?300)?258.5N

60niTi60?19寿命值：

Li?106?.9?15000106?17.91

(2)、滚珠丝杆设计计算：

1）、 强度计算：

对于矩形槽： P?KFx?f'(Fz?W) K=1.15,摩擦系数f’=0.16

则P?1.15?132.2?0.16?(264.4?300)?242.3N

60nnf1000vf 寿命值：

LiTii?106ni?? ；L0?DL0 取工件直径：D=80mm;查表T1=15000h

n1000?100?0.21?3.14?80?4?19.9r/min L60?19.9?150001?106?17.91

查表： fw?1.2；fH?1 最大动负载：

Q?3L1PfwfH?317.91?258.5?1.2?1?811.6N

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根据Q选择滚珠丝杆型号：

CMD2004－2.5－E其额定动载荷Q=5862N，所以强度足够用。d1=17.5mm。螺母长度L=72mm,余程le=16mm,螺纹长度l=200+72+2×16=304mm.

2)、效率计算：

根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：

??tg?tg(???)

其中摩擦角??10'，螺旋升角??3?25'

??因此：

tg?tg3?25'??0.953tg(???)tg(3?25'?10')

3）、刚度验算：受工作负载P引起导程变化量：

?L1??PL0EF

L0=6mm=0.6cm, E=20.6×106N/cm2

?d??1.75?F??0??????22?? ???L1??PL0??EF258.5?0.6?1.75?20.6?10????3.142??6222??3.25?10?6cm

滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化?L2很小，可忽略。即?L??L1 寻程变形总误差为：

??100100?L??2.6?10?6?4.33?m/mL00.6

查表知E级精度丝杆允许的螺距误差（1m长）为15?m/m故刚度足够。 4）、稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不验算。

(3)、齿轮及转矩的有关计算

i?6.25,??20?,m=2

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传动比：

取第一级为：i?2.5,Z1=18,Z2=45, d1=36,d2=90 取二级：i?2.5, Z1=18,Z2=45, d3=36,d4=90 2)、转动惯量计算：

工作台质量折算到电机轴上的传动惯量：

22J?180?p??????W???180?0.002??3.14?0.75???30?0.0458kg?cm21??

丝杠的转动惯量：

J?4S?7.8?10D4L?7.8?10?4?24?30.4?0.379kg?cm2?3.79N?cm2 齿轮的转动惯量：

J2Z1?7.8?10?4?44?2?0.4kg?cm2?4N?cm J?4Z2?7.8?10?124?2?323.35N?cm2

JZ3?7.8?10?4?3.64?2?2.62N?cm2

JZ4?7.8?10?4?104?2?156N?cm2 电机的转动惯量很小可以忽略。

J?1i2(JS?JZ4)?1i2(JZ2?JZ3)?J1?JZ11

J???1?2?2.5???3.79?156????1?2?2.5?2??323.35?2.62??1.75?4?54.27N?cm?5.427kg?cm2

3）、所需转动力矩计算：

○1、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：

nmaxi?6.25max??L?100006?1042r/min

Mmaxa9.6T?5.427?1042max?Jn9.6?0.025?10?4?2.354N?m?25.34kgf?cm

○2、 切削时折算到电机轴上的加速度力矩：

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1000?n?nDf主f1L??1i?1000?100?0.2?6.251?82.9r/min0L03.14?80?6

Mat?Jn9.6T?5.427?10419.6?0.025?10?4?0.235N?m?2.35kgf?cm

○3、 折算电机轴上的摩擦力矩：

当??0.8 , 滚动摩擦系数f'?0.16时：

ML0f'WL00.16?30?0.6f?F02??i?2??i?2?3.14?0.8?6.25?0.92kgf?cm?9.26N?cm

○4、 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩： 当?0?0.9时，预加载荷P0?1/3FX,则：

F2MP0L0yL14.32?0.6??1?0.9?2??i?1??201??20?0??6??i?0??6?3.14?0.8?6.25?0.018kgf?cm?0.087N?cm○5、 折算到电机轴上的切削负载力矩：

MFyL014.32?0.6t?2??i?2?3.14?0.8?6.25?0.027kgf?cm?2.27N?cm

所以，快速空载启动所需力矩

M?Mamax?Mf?M0?253.4?9.26?0.188?262.848N?cm

切削时进给所需力矩：

Mmax?11.6N?m

快速进给所需力矩：

M?Mf?M0?9.26?0.188?9.448N?cm

由以上分析可知：

所需最大力矩Mmax 发生在快速启动时：

Mmax?9.448N?m 3、步进电机的选择

(1)、纵向进给系统的电机的确定：

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根据启动力矩的选择

Mq?ML00.3~0.5 ; Mq－－电机启动力矩；ML0－－电机静负载力矩

ML0则：

Mq?0.5?413.60.5?827.2N?cm

为满足最小步角要求，电机选用四相八拍工作方式，查表知:

MqM?0.866jm

所以，步进电机最大静转距为：

Mq827.2jm?M0.866?0.866?955.2N?cm

步进电机最高工作频率：

fmax??max60??1000?0.002?8333.3Hzp60

综合考虑，查表选用20BYJ46型四相步进电机。 (2)、横向进给系统步进电机的确定：

ML0384.65 则：

Mq?0.5?0.5?733.28

为满足最小步角要求，电机选用四相八拍工作方式，查表知:

MqM?0.866jm

所以，步进电机最大静转距为：

MMq733.28jm?0.866?0.866?847.2N?cm

步进电机最高工作频率：

fmax??max100060??.002?8333.3Hzp60?0

综合考虑，查表选用 20BYJ46型四相步进电机。 4、滚动导轨的选择

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综合考虑机床的基本额定载荷及其它方面的因素，选取HTSD－－WAA(宽幅矩型滑块)的滚珠导轨。初步选用4滑块，工作台大小400×300，工作台自重300N，外载荷700N。

R?300?700300?70?700?130300?100?700?160???271.542?2402?320 300?630.1300?70?630.1?120300?100?630.1?160???229.442?2402?320

R?(1)、摩擦力计算：

摩擦力计算公式 F??P?f(N)

式中?为滚动摩擦系数取??0.003,P为法向载荷纵向P=349.2,横向P=229.4，f为密封件阻力，取f=0.5N.

纵向F=0.003×349.2+0.5=1.55N 横向F=0.003×229.4+0.5=1.19N (2)、寿命计算：

纵向行程为0.32m

目标寿命L=0.32×2×5×60×8×300×5×10-3=2304km

C?fmPfHfTfc3L1.5?0.349232304??2.33kN501?1?0.8150

选择HTSD－LG20WAA型导轨，额定动载Ca为10.28W，根据计算可知，满足强度要求。

横向行程为0.2m，

目标寿命L=0.2×2×5×60×8×300×5×10-3=1440km

C?fmPfHfTfc3L1.5?0.229432304??1.3kN501?1?0.8150

选择HTSD－LG20WAA型导轨。额定动载Ca为4.51W.

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