基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) I 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì) The Design Of Step Motor Automatic Door Control System 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) II 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要本文主要通過對自動(dòng)門控制系統(tǒng)的功能要求和運(yùn)行過程的分析，確定了自動(dòng)門控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。自動(dòng)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要集中在硬件和軟件設(shè)計(jì)兩局部。并主要進(jìn)行了自動(dòng)門控制驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對自動(dòng)門控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，通過四相八拍步進(jìn)電機(jī)來精確控制自動(dòng)門的開關(guān)，給設(shè)計(jì)要求創(chuàng)造了條件

2、。在控制局部，應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)和可編程序控制器技術(shù)，對自動(dòng)門控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)門控制系統(tǒng)的傳動(dòng)和控制要求，滿足了環(huán)保、高效、可靠和低本錢的要求。 關(guān)鍵詞步進(jìn)電機(jī)；三菱可編程序邏輯控制器；自動(dòng)門；超聲波開關(guān)； The Design Of Step Motor Automatic Door Control System Electrical Engineering and Automation Specialty FENG Jiaying Abstract: This paper through the automatic control system and the worki

3、ng 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 charact

4、eristics 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 sy

5、stem, 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；

6、基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) III 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 FX2 系列的PLC . 2 2.1 FX2 PLC 的主要介紹 . 2 2.2 FX2 PLC 的主要編程元件 . 3 3 步進(jìn)電機(jī)的介紹 . 4 4 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) . 7 4.1 本設(shè)計(jì)的任務(wù)要求 . 7 4.2 本設(shè)計(jì)的可行性分析 . 7 4.2.1 步進(jìn)電機(jī)的根本參數(shù) . 9 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 . 10 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度和正、反的控制 . 11 4.3 設(shè)計(jì)思想 . 12 4.3 1 流程圖

7、 . 12 4.3 2 控制過程分析 . 12 4.3 3 控制接線圖 . 13 5 步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) . 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(yàn)證調(diào)試 . 17 結(jié)束語 . 18 參考文獻(xiàn) . 19 附錄 . 20 致謝 . 22基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 引言 1.1 研究的目的與意義 自動(dòng)門從理論上理解應(yīng)該是門的概念的延伸，是門的功能根據(jù)人的需要所進(jìn)行的發(fā)展和完善。 自動(dòng)門開始在建筑物上使用，是在二十世紀(jì)年以后。二十年代后期，美國的

8、超級(jí)市場的開放，自動(dòng)門開始被使用，受此影響，世界第一自動(dòng)門品牌多瑪在 1945 年開發(fā)出油壓式、空氣式自動(dòng)門，新建大樓的正門也開始使用了。到了 1962 年，電氣式己開始出現(xiàn)，之后伴隨著城市的建設(shè)，自動(dòng)門技術(shù)的領(lǐng)域每年都在增加。當(dāng)初，用供應(yīng)建筑物用電源進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的速度控制很難，只好進(jìn)行油壓、空壓速度控制，轉(zhuǎn)換但因能源利用效率很低，然而伴隨著電氣控制的技術(shù)開展，現(xiàn)在電氣控制技術(shù)已經(jīng)成熟，直接控制電動(dòng)機(jī)的電氣式自動(dòng)門逐漸成為主流。 由于大規(guī)模集成電路與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，給電氣控制技術(shù)開辟了新的前景。PLC 作為一種新型工業(yè)控制器，它將計(jì)算機(jī)的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)與繼電器系統(tǒng)的控制

9、簡單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點(diǎn)，因此，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用1。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 自動(dòng)門主要有:旋轉(zhuǎn)自動(dòng)門、弧形自動(dòng)門、平滑自動(dòng)門、平開自動(dòng)門、折疊自動(dòng)門、重疊自動(dòng)門、醫(yī)用自動(dòng)門、卷閘自動(dòng)門、車庫自動(dòng)門、特種自動(dòng)門。 兩翼旋轉(zhuǎn)自動(dòng)門 新型兩翼自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門是集自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門和自動(dòng)平滑門二者優(yōu)點(diǎn)于一身的完美結(jié)合，是旋轉(zhuǎn)門、平移門和豪華展箱的完美結(jié)合，是融合世界先進(jìn)科技與現(xiàn)代時(shí)尚的經(jīng)典之作。中間的自動(dòng)平開門可實(shí)現(xiàn)單、雙向通行和常開等運(yùn)作模式。是最適合飯店、機(jī)場、大型商場、醫(yī)院、商戶會(huì)館、酒店、辦公樓、大型大廈等的出入口系統(tǒng)。 三翼旋轉(zhuǎn)自動(dòng)門

10、三翼旋轉(zhuǎn)門誕生于一種全新的構(gòu)思和功能之中。簡單實(shí)用，平安穩(wěn)定，它將旋轉(zhuǎn)通道體系和最大旋轉(zhuǎn)直徑容為一體，同時(shí)滿足了“最大程度的通行量與“完美無缺的除風(fēng)效果這兩個(gè)相對立的條件，適用于銀行、商店、酒店、商場、辦公樓、機(jī)場、賓館及各種娛樂場所內(nèi)，為所在的建筑增添一份尊貴氣息。 四翼旋轉(zhuǎn)自動(dòng)門 四翼自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門是最美觀最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的旋轉(zhuǎn)門，其結(jié)構(gòu)鞏固耐用，操作方便簡單，它具備通行能力強(qiáng)，入口較大的特點(diǎn)，運(yùn)行平安可靠，故障率極低，免維護(hù)時(shí)間最長，是非常平安和舒適的通道，能使行人很方便得出入，是應(yīng)用最廣泛的一種旋轉(zhuǎn)門。適基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 用于銀行、商店、酒店、商場、辦公樓、機(jī)場、賓館

11、及各種娛樂場所內(nèi)，為所在的建筑增添一份尊貴氣息。 環(huán)柱旋轉(zhuǎn)自動(dòng)門 環(huán)柱旋轉(zhuǎn)門是先進(jìn)的電子技術(shù)與現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合，使圍柱式旋轉(zhuǎn)門的使用非常平安和方便，現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使它和建筑物本身容為一體。有效地阻隔了嚴(yán)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)自動(dòng)門 水晶門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(shí)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(qiáng)保安效益。 2 FX2 系列的PLC 2.1

12、 FX2 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(jī)是F、F1、F2 等機(jī)型的更新?lián)Q代產(chǎn)品，屬于高性能疊裝式機(jī)種，也是三菱公司的典型產(chǎn)品。FX2N 型機(jī)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(jī)種。 本設(shè)計(jì)采用 FX2 系列PLC，F(xiàn)X2 系列 PLC 是三菱公司高性能小型機(jī)的代表作。系統(tǒng)最大I/O 點(diǎn)數(shù)為128 點(diǎn)，配置擴(kuò)展單元后可達(dá)256

13、 點(diǎn)。FX2 系列機(jī)執(zhí)行根本指令的速度為0.48us/步，用戶程序存儲(chǔ)器的容量可擴(kuò)展至8K 步。它有與F1 兼容的20 條根本指令和2 條步進(jìn)指令，此外還有功能很強(qiáng)的 95 種功能指令。它有 6 個(gè)和普通輸入口兼容的告訴計(jì)數(shù)器輸入點(diǎn)，最高計(jì)數(shù)頻率為10KHz。FX2 系列PLC 在我國應(yīng)用比擬廣泛。 FX2 系列PLC 由根本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊及特殊功能單元構(gòu)成。根本單元包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出口及電源，是PLC 的主要局部。擴(kuò)展單元是用于增加I/O 點(diǎn)數(shù)的裝置，內(nèi)部設(shè)有電源。擴(kuò)展模塊用于增加用于增加I/O 點(diǎn)數(shù)及改變I/O 比例，內(nèi)部無電源，用電由根本單元或擴(kuò)展單元供應(yīng)。因擴(kuò)展單元

14、及擴(kuò)展模塊無CPU,必須與根本單元一起使用。特殊功能單元是一些專門用途的裝置。如模擬量I/O 單元、高速計(jì)數(shù)單元、位置控制單元、通信單元等；這些單元大多數(shù)通過根本單元的擴(kuò)展口連接根本單元，也可以通過編程器接口接入或通過主機(jī)上并接的適配器接入，不影響原系統(tǒng)的擴(kuò)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(hào)分為兩局部，第一局部是代表功能的字母。如輸入繼電器用“X表示，輸出繼電器用“Y表示。第二基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 局部為數(shù)字，數(shù)字為該類器件的序號(hào)。FX2 系列PLC 中輸入繼電器及輸出繼電器的序號(hào)為八進(jìn)制，其余器件的序號(hào)為十進(jìn)制。從元件的

15、最大序列號(hào)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(hào)范圍為X0X177，為八進(jìn)制編號(hào)，我們可以計(jì)算出FX2 系列PLC 可能接入的最大輸入信號(hào)數(shù)為128 點(diǎn)。 FX2 系列可編程控制器有根本指令20 條，步進(jìn)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(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。梯形圖主要使用圖形符號(hào)及圖形符號(hào)間的相互關(guān)聯(lián)表達(dá)控制思想，而指令那么是圖形符號(hào)及它們間的關(guān)聯(lián)語句表達(dá)3。 2.2 FX2 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(shí)質(zhì)上講，這些器件是由電子電

16、路和存儲(chǔ)器組成的。考慮到工程技術(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存放器組成的，輸出繼電器Y 是由輸出電路和輸出影像存放器組成的；定時(shí)器T、計(jì)數(shù)器C、輔助繼電器M、狀態(tài)繼電器S、數(shù)據(jù)存放器D、變址存放器V/Z等都事由相應(yīng)的影像存放器組成的。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(shí)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(hào)碼。這些號(hào)碼就是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元的地址510。 (1)輸入繼電器X 輸

17、入繼電器是PLC 接收外部輸入的開關(guān)量信號(hào)電路的一種等效表示。PLC 通過光電耦合器將外部信號(hào)的狀態(tài)讀入并存儲(chǔ)在輸入影像存放器中。輸入端可以外接動(dòng)合觸電點(diǎn)或動(dòng)斷觸點(diǎn)，也可以接多個(gè)觸點(diǎn)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(hào)范圍為X0-X177128 點(diǎn)。 (2)輸出繼電器Y 輸出繼電器是PLC 內(nèi)部輸出信號(hào)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(hào)傳送給輸出模塊，再由后者驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 FX2 系列PLC 輸出繼電器編號(hào)范圍為Y0-Y177128 點(diǎn)。 (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(shí)現(xiàn)的，它們不能接受外部的輸入

18、信號(hào)，也不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，只能由程序驅(qū)動(dòng)，是一種內(nèi)部的狀態(tài)標(biāo)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(yùn)算的中間狀態(tài)存儲(chǔ)及信號(hào)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-M99500 點(diǎn)。 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 b.具有掉電保持的通用型輔助繼電器 M500-M1023524 點(diǎn)。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(jī)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-M8255256 點(diǎn)。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

19、又可以分為二類。一類只能利用其觸點(diǎn)的特殊輔助繼電器，器線圈由PLC 自行驅(qū)動(dòng)，用戶只能利用其觸點(diǎn)。這類特殊輔助繼電器常用做時(shí)基、狀態(tài)標(biāo)志或?qū)Ｓ每刂圃霈F(xiàn)在程序中。例如 M8000：運(yùn)行標(biāo)志 RunPLC 運(yùn)行時(shí)監(jiān)控接通。另一類是可驅(qū)動(dòng)線圈型特殊輔助繼電器，用戶驅(qū)動(dòng)線圈后，PLC 做特定動(dòng)作。例如M8030：使BATT LED鋰電池欠壓指示燈熄滅。 (4)定時(shí)器T 定時(shí)器相當(dāng)于繼電器電路中的時(shí)間繼電器，可在程序中用作延時(shí)控制。由設(shè)定值寄存器、當(dāng)前值存放器和定時(shí)器觸點(diǎn)組成。FX2 系列可變程序控制器具有以下四種類型。 100ms 定時(shí)器： T0-T199 200 點(diǎn) 計(jì)時(shí)范圍：0.1-3276.

20、7s 10ms 定時(shí)器： T200-T245 46 點(diǎn) 計(jì)時(shí)范圍：0.01-327.67s 1ms 積算計(jì)時(shí)器：T246-T249 4 點(diǎn)中斷動(dòng)作 計(jì)時(shí)范圍：0.001-32.767s 100ms 積算定時(shí)器：T250-T255 6 點(diǎn) 計(jì)時(shí)范圍：0.1-3276.7s (5)計(jì)時(shí)器C a.16 位增計(jì)數(shù)器設(shè)定值：1-32767 有兩種16 位二進(jìn)制增計(jì)數(shù)器。 通用：C0-C99100 點(diǎn) 掉電保持用：C100-C199100 點(diǎn) b.32 位增/減計(jì)數(shù)器設(shè)定值-2147483648- +2147483647 有兩種32 位的增/減計(jì)數(shù)器 通用：C200- C21920 點(diǎn) 掉電保持用：C22

21、0- C23415 點(diǎn) 3 步進(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電機(jī)最早是在1920 年由英國人所開發(fā)。1950 年后期晶體管的創(chuàng)造也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改進(jìn)，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)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(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場合步進(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)

22、技術(shù)的開展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，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(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，如圖1a、圖1b所示。步進(jìn)電機(jī)的角位移量w 或線位移量s 與脈沖數(shù)k 成正比方圖2a所示；它的轉(zhuǎn)速n，或線速度v 與脈沖頻率f 成正比，如圖2b所示。在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)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。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。它不需要變換能直接將

23、數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計(jì)算機(jī)控制67。 步進(jìn)電機(jī) 脈沖分配器和功放輸出軸控制脈沖圖1a 步進(jìn)電機(jī)的功用圖 控制脈沖tt轉(zhuǎn)角圖1b 步進(jìn)電機(jī)的功用圖 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 K w s圖2(a) 步進(jìn)電機(jī)的控制特性圖 fv圖2(b) 步進(jìn)電機(jī)的控制特性圖 按勵(lì)磁方式分類，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以分為反響式、永磁式、和感應(yīng)子式。其中反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用得比擬普遍，結(jié)構(gòu)也較簡單。反響子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其中典型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。這是一臺(tái)四相電機(jī)，定子鐵芯由硅鋼片疊成，定子上有8 個(gè)磁極大齒，每個(gè)磁極上又有許多小齒。四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)共有4 套定子控制繞組，繞

24、在徑向相對的兩個(gè)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 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 4 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)包括信號(hào)傳送局部、電機(jī)運(yùn)行局部、PLC 控制局部，此系統(tǒng)是由PLC 控制四相八拍步進(jìn)電機(jī)根據(jù)人和車輛進(jìn)出的狀況，產(chǎn)生信號(hào)傳送給 PLC，PLC 根據(jù)內(nèi)部編程設(shè)定，進(jìn)行相關(guān)處理后輸出，以便控制電機(jī)線路等外部電路元件的通斷，實(shí)現(xiàn)門的自動(dòng)開關(guān)。此外為使此次設(shè)計(jì)的實(shí)用性更強(qiáng)、更具人性化，設(shè)計(jì)中

25、應(yīng)滿足以下要求： (1)按下正向啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)門按正向轉(zhuǎn)動(dòng)，按下反向啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)門按反向轉(zhuǎn)動(dòng)； (2)步進(jìn)電機(jī)慢步為1 步/秒，快步為10 步/秒； 4.1 本設(shè)計(jì)的任務(wù)要求 四相八拍步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門的設(shè)計(jì)要求：當(dāng)人或車輛到來時(shí)，按下按鈕，安裝在門上的超聲波開關(guān)將門翻開，翻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(hào)，關(guān)閉自動(dòng)門。并且在自動(dòng)門翻開或關(guān)閉的同時(shí)，可以通過開關(guān)按鈕來控制步進(jìn)電機(jī)快步或慢步翻開或關(guān)閉。 4.2 本設(shè)計(jì)的可行性分析 當(dāng)人或車輛到來時(shí)，按下按鈕，超聲波開關(guān)輸出一個(gè)信號(hào)，表示人或車輛要通過，請求翻開自動(dòng)門，這個(gè)信號(hào)輸入自動(dòng)門控制系統(tǒng)的 PLC，PL

26、C 根據(jù)程序，接通開啟電機(jī)使其工作，電機(jī)通過相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)開啟自動(dòng)門。當(dāng)自動(dòng)門翻開一定的寬度后，停止按鈕，從而停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，保證自動(dòng)門的寬度合理；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(gè)信號(hào)，信號(hào)輸入到PLC，步進(jìn)電機(jī)快步或慢步驅(qū)動(dòng)自動(dòng)門關(guān)閉，到達(dá)下限位開關(guān)后，步進(jìn)電機(jī)停止工作，自動(dòng)門關(guān)閉。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相位移的電機(jī)。其機(jī)械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而到達(dá)準(zhǔn)確定位的目的。步進(jìn)電機(jī)每輸入一個(gè)電脈

27、沖就前進(jìn)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)步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量確定 PLC 輸出的脈沖個(gè)數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)控制。n=L/，式中L 為步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量(mm)， 為機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從 而 達(dá) 到 調(diào) 速 的 目 的 。 四 相 八 拍 的 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 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(shí)。當(dāng)A 相通電轉(zhuǎn)到A、B 兩相同時(shí)通電時(shí)，定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置如圖4 所示只畫出A、B 兩個(gè)極下的齒，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向只轉(zhuǎn)過1/8 齒距角，即0.9

28、 度，A 極和B 極下的齒軸線和轉(zhuǎn)子齒軸線都還錯(cuò)開1/8 齒距角。轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)極的作用力距大小相等，方向相反，故仍處于平衡?；赑LC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 當(dāng)B 相一相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒軸線和B 極下齒軸線相重合，轉(zhuǎn)子按順時(shí)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。可見四相八拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是受脈沖控制的。 A1/8 1/8B圖4 A、B 兩相通電時(shí)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步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根本特點(diǎn)如下： (1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，每相繞組由專門驅(qū)動(dòng)電源通過“環(huán)形分配器按一定規(guī)律輪流通電。例如一個(gè)按三相雙三拍運(yùn)行的環(huán)形分配器輸入

29、是一路，輸出有 A、B、C 三路。假設(shè)開始是A、B 這兩路有電壓，輸入一個(gè)控制脈沖后，就變成B、C 這兩路有電壓，再輸入一個(gè)電脈沖，那么變成C、A 這兩路有電壓，再輸入一個(gè)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(hào)，經(jīng)過各自的放大器放大后送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)一步步轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5 表示三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方框圖，圖6 表示三相雙三拍運(yùn)行時(shí)控制電脈沖及各相控制電壓隨時(shí)間變化的波形圖。 環(huán)形分配器 放大器放大器放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖輸入圖5 控制方框圖 ttttUaUbUcUk圖6 三相雙三拍運(yùn)行時(shí)各相控制電壓波形圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)這種輪流通電的方式稱為“分配方式。每循

30、環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 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(tái)電機(jī)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(gè)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(gè)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(gè)脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用符號(hào)w 表示。從上面分析可見，當(dāng)電機(jī)在四相八拍運(yùn)行，即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA順序通電時(shí)

31、，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(gè)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(jī)械角度，即齒距角為 w=360 度/Zr*N,式中 N 為運(yùn)行拍數(shù)，N=km(k=1,2;m為相數(shù))。 (3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以按特定指令進(jìn)行角度控制，也可以進(jìn)行速度控制。角度控制時(shí)，每輸入一個(gè)脈沖，定子繞組就換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。速度控制時(shí)，送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比

32、。每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個(gè)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，假設(shè)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(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖進(jìn)行控制的電機(jī)。改變電脈沖輸入的情況，就可方便地控制它，使它快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)或改變轉(zhuǎn)速。 (4)步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力。當(dāng)控制脈沖停止輸入，而讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時(shí)，電機(jī)可以保持在固定的位置上，即停在最后一個(gè)脈沖控制的角位移的終點(diǎn)位置上。這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)停車

33、時(shí)轉(zhuǎn)子定位。 綜上所述，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響在允許負(fù)載范圍內(nèi)，也不受環(huán)境條件溫度、壓力、沖擊、振動(dòng)等變化的影響，只與控制脈沖同步，同時(shí)它又能按照控制的要求，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和改變轉(zhuǎn)速。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中2。 4.2.1 步進(jìn)電機(jī)的根本參數(shù) (1)空載啟動(dòng)頻率: 即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率更低。如果要使電機(jī)到達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速。 基

34、于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 (2)電機(jī)固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A 型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°，這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角， 它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 (3)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)： 是指電機(jī)內(nèi)部的呷槭殼俺玫撓卸唷唷南唷逑嗖澆緇緇?相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1

35、.5°、五相的為 0.36°/0.72°。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，那么相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 (4)保持轉(zhuǎn)矩HOLDING TORQUE： 是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比方，當(dāng)人們說 2N.m 的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保

36、持轉(zhuǎn)矩為2N.m 的步進(jìn)電機(jī)。 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 (1)步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。 (2)失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 (4)最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 (5)最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額

37、定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 (6)運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如圖7 所示： 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 (7)電機(jī)的共振點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，那么共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 力矩頻率

38、圖7 力矩頻率曲線圖 其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流而非靜態(tài)流平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。如下列圖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(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 123力矩頻率 圖8 力矩頻率特性曲線圖 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度和正、反的控制 步進(jìn)電機(jī)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基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)

39、計(jì) 12 時(shí)，ABCD 四相繞組上下電平的寬度將發(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(jī)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步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。 A相B相C相D相輸入脈沖圖9 脈沖分配波形圖 步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制可通過改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向，四相八拍步進(jìn)電機(jī)通電順為 AABBBCCCDDDA?時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)繞組按ADADCDCBCBBA?順序通電時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)因此，可以通過PLC 輸出的方向控制信號(hào)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步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。通過控制四相八拍步進(jìn)電機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)來控制自動(dòng)門的打開或關(guān)閉。 4.

40、3 設(shè)計(jì)思想 在步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定了硬件的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫，應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)和可編程序控制器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)門控制系統(tǒng)的傳動(dòng)和控制要求。 4.3 1 流程圖 步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖如圖10，根據(jù)流程圖所示，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。 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(shí)，按下手動(dòng)按鈕，超聲波開關(guān)傳托藕鷗?PLC，PLC 控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)門快步或慢步開啟，當(dāng)自動(dòng)門翻開一定的寬度后，松開手動(dòng)開關(guān)，電機(jī)停止運(yùn)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(dòng)按鈕，超聲波開關(guān)傳送信

41、號(hào)給 PLC，PLC 控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)門快步或慢步關(guān)閉，到達(dá)下限位開關(guān)后，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，自動(dòng)門緊閉。 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 當(dāng)人或車輛到來時(shí)電動(dòng)機(jī)正傳自動(dòng)門翻開電動(dòng)機(jī)停止電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)自動(dòng)門關(guān)閉電動(dòng)機(jī)停止按下手動(dòng)按鈕按下快步或慢步按鈕翻開一定寬度后松開手動(dòng)按鈕按下手動(dòng)反向按鈕快步或慢步到達(dá)下限位開關(guān)，松開按鈕圖10 步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖 4.3 3 控制接線圖 四相八拍步進(jìn)電機(jī)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。 基于PLC 步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 X0X1X2X3X4X5X6COMCOM1Y0Y1Y2Y3COM2Y4SB1SB2SB3MAECBFD+ DCSB4FX2 PLC圖11 四相八拍步進(jìn)電機(jī)接線原理圖 5 步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 5.1 I/O 口分配表 步進(jìn)電機(jī)控制自動(dòng)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)PLC 的I/O 分配如表1、表2 所示： 表1 輸入信號(hào) 名稱 代號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) 正啟 SB1 X000 反啟 SB2 X001 停