基于PLC步進電機控制自動門系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 I 基于PLC 步進電機控制自動門系統(tǒng)的設(shè)計 The Design Of Step Motor Automatic Door Control System 基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 II 基于PLC 步進電機控制自動門系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要本文主要通過對自動門控制系統(tǒng)的功能要求和運行過程的分析，確定了自動門控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。自動門系統(tǒng)的設(shè)計主要集中在硬件和軟件設(shè)計兩局部。并主要進行了自動門控制驅(qū)動和控制系統(tǒng)的設(shè)計。針對自動門控制系統(tǒng)的特點和設(shè)計要求，采用步進電機驅(qū)動方式，通過四相八拍步進電機來精確控制自動門的開關(guān)，給設(shè)計要求創(chuàng)造了條件

2、。在控制局部，應(yīng)用步進電機和可編程序控制器技術(shù)，對自動門控制系統(tǒng)進行了硬件和軟件設(shè)計。實現(xiàn)了自動門控制系統(tǒng)的傳動和控制要求，滿足了環(huán)保、高效、可靠和低本錢的要求。 關(guān)鍵詞步進電機；三菱可編程序邏輯控制器；自動門；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 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 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 步進電機的介紹 . 4 4 步進電機的自動門控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計 . 7 4.1 本設(shè)計的任務(wù)要求 . 7 4.2 本設(shè)計的可行性分析 . 7 4.2.1 步進電機的根本參數(shù) . 9 4.2.2 步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 . 10 4.2.3 步進電機運動速度和正、反的控制 . 11 4.3 設(shè)計思想 . 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 步進電機控制自動門系統(tǒng)的軟件設(shè)計 . 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 驗證調(diào)試 . 17 結(jié)束語 . 18 參考文獻 . 19 附錄 . 20 致謝 . 22基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 1 1 引言 1.1 研究的目的與意義 自動門從理論上理解應(yīng)該是門的概念的延伸，是門的功能根據(jù)人的需要所進行的發(fā)展和完善。 自動門開始在建筑物上使用，是在二十世紀年以后。二十年代后期，美國的

8、超級市場的開放，自動門開始被使用，受此影響，世界第一自動門品牌多瑪在 1945 年開發(fā)出油壓式、空氣式自動門，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)建筑物用電源進行電動機的速度控制很難，只好進行油壓、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，直接控制電動機的電氣式自動門逐漸成為主流。 由于大規(guī)模集成電路與微型計算機技術(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，它將計算機的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點與繼電器系統(tǒng)的控制

9、簡單、使用方便、抗干擾能力強等優(yōu)點結(jié)合起來，其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點，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 自動門主要有:旋轉(zhuǎn)自動門、弧形自動門、平滑自動門、平開自動門、折疊自動門、重疊自動門、醫(yī)用自動門、卷閘自動門、車庫自動門、特種自動門。 兩翼旋轉(zhuǎn)自動門 新型兩翼自動旋轉(zhuǎn)門是集自動旋轉(zhuǎn)門和自動平滑門二者優(yōu)點于一身的完美結(jié)合，是旋轉(zhuǎn)門、平移門和豪華展箱的完美結(jié)合，是融合世界先進科技與現(xiàn)代時尚的經(jīng)典之作。中間的自動平開門可實現(xiàn)單、雙向通行和常開等運作模式。是最適合飯店、機場、大型商場、醫(yī)院、商戶會館、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)效果這兩個相對立的條件，適用于銀行、商店、酒店、商場、辦公樓、機場、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)自動門 四翼自動旋轉(zhuǎn)門是最美觀最經(jīng)濟實用的旋轉(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，入口較大的特點，運行平安可靠，故障率極低，免維護時間最長，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 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 2 用于銀行、商店、酒店、商場、辦公樓、機場、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)自動門 環(huán)柱旋轉(zhuǎn)門是先進的電子技術(shù)與現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(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)計使它和建筑物本身容為一體。有效地阻隔了嚴寒、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 系列機是F、F1、F2 等機型的更新?lián)Q代產(chǎn)品，屬于高性能疊裝式機種，也是三菱公司的典型產(chǎn)品。FX2N 型機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種。 本設(shè)計采用 FX2 系列PLC，F(xiàn)X2 系列 PLC 是三菱公司高性能小型機的代表作。系統(tǒng)最大I/O 點數(shù)為128 點，配置擴展單元后可達256

13、 點。FX2 系列機執(zhí)行根本指令的速度為0.48us/步，用戶程序存儲器的容量可擴展至8K 步。它有與F1 兼容的20 條根本指令和2 條步進指令，此外還有功能很強的 95 種功能指令。它有 6 個和普通輸入口兼容的告訴計數(shù)器輸入點，最高計數(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、擴展單元、擴展模塊及特殊功能單元構(gòu)成。根本單元包括CPU、存儲器、輸入輸出口及電源，是PLC 的主要局部。擴展單元是用于增加I/O 點數(shù)的裝置，內(nèi)部設(shè)有電源。擴展模塊用于增加用于增加I/O 點數(shù)及改變I/O 比例，內(nèi)部無電源，用電由根本單元或擴展單元供應(yīng)。因擴展單元

14、及擴展模塊無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上并接的適配器接入，不影響原系統(tǒng)的擴展。 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 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 3 局部為數(shù)字，數(shù)字為該類器件的序號。FX2 系列PLC 中輸入繼電器及輸出繼電器的序號為八進制，其余器件的序號為十進制。從元件的

15、最大序列號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范圍為X0X177，為八進制編號，我們可以計算出FX2 系列PLC 可能接入的最大輸入信號數(shù)為128 點。 FX2 系列可編程控制器有根本指令20 條，步進指令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，且和梯形圖有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。梯形圖主要使用圖形符號及圖形符號間的相互關(guān)聯(lián)表達控制思想，而指令那么是圖形符號及它們間的關(guān)聯(lián)語句表達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，從物理實質(zhì)上講，這些器件是由電子電

16、路和存儲器組成的?？紤]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；定時器T、計數(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碼。這些號碼就是計算機存儲單元的地址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)量信號電路的一種等效表示。PLC 通過光電耦合器將外部信號的狀態(tài)讀入并存儲在輸入影像存放器中。輸入端可以外接動合觸電點或動斷觸點，也可以接多個觸點組成的串并聯(lián)電路或電子傳感器。 FX2 系列PLC 輸入繼電器編號范圍為X0-X177128 點。 (2)輸出繼電器Y 輸出繼電器是PLC 內(nèi)部輸出信號控制被控對象的電路的一種等效表示，它是用來將PLC 的輸出信號傳送給輸出模塊，再由后者驅(qū)動外部負載。 FX2 系列PLC 輸出繼電器編號范圍為Y0-Y177128 點。 (3)輔助繼電器M PLC 中配有大量的通用輔助繼電器，它是用軟件實現(xiàn)的，它們不能接受外部的輸入

18、信號，也不能直接驅(qū)動外部負載，只能由程序驅(qū)動，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，常用于邏輯運算的中間狀態(tài)存儲及信號類型的變換。 輔助繼電器分以下三種類型： a.通用型輔助繼電器M0-M99500 點。 基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 4 b.具有掉電保持的通用型輔助繼電器 M500-M1023524 點。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。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的特殊輔助繼電器，器線圈由PLC 自行驅(qū)動，用戶只能利用其觸點。這類特殊輔助繼電器常用做時基、狀態(tài)標(biāo)志或?qū)Ｓ每刂圃霈F(xiàn)在程序中。例如 M8000：運行標(biāo)志 RunPLC 運行時監(jiān)控接通。另一類是可驅(qū)動線圈型特殊輔助繼電器，用戶驅(qū)動線圈后，PLC 做特定動作。例如M8030：使BATT LED鋰電池欠壓指示燈熄滅。 (4)定時器T 定時器相當(dāng)于繼電器電路中的時間繼電器，可在程序中用作延時控制。由設(shè)定值寄存器、當(dāng)前值存放器和定時器觸點組成。FX2 系列可變程序控制器具有以下四種類型。 100ms 定時器： T0-T199 200 點 計時范圍：0.1-3276.

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

21、0- C23415 點 3 步進電機的介紹 步進電機最早是在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)用在步進電機上，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，使得今日步進電機已廣泛運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械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 5 應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機

22、技術(shù)的開展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進電機又稱為脈沖電動機，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變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個脈沖電信號，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步，如圖1a、圖1b所示。步進電機的角位移量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。在負載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化。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。步進電動機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、反轉(zhuǎn)和制動。它不需要變換能直接將

23、數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用微型計算機控制67。 步進電機 脈沖分配器和功放輸出軸控制脈沖圖1a 步進電機的功用圖 控制脈沖tt轉(zhuǎn)角圖1b 步進電機的功用圖 基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 6 K w s圖2(a) 步進電機的控制特性圖 fv圖2(b) 步進電機的控制特性圖 按勵磁方式分類，步進電動機可以分為反響式、永磁式、和感應(yīng)子式。其中反響式步進電動機用得比擬普遍，結(jié)構(gòu)也較簡單。反響子式步進電動機又稱為磁阻式步進電動機。其中典型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。這是一臺四相電機，定子鐵芯由硅鋼片疊成，定子上有8 個磁極大齒，每個磁極上又有許多小齒。四相步進電動機共有4 套定子控制繞組，繞

24、在徑向相對的兩個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 四相步進電動機的結(jié)構(gòu)圖 基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 7 4 步進電機的自動門控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計 該設(shè)計包括信號傳送局部、電機運行局部、PLC 控制局部，此系統(tǒng)是由PLC 控制四相八拍步進電機根據(jù)人和車輛進出的狀況，產(chǎn)生信號傳送給 PLC，PLC 根據(jù)內(nèi)部編程設(shè)定，進行相關(guān)處理后輸出，以便控制電機線路等外部電路元件的通斷，實現(xiàn)門的自動開關(guān)。此外為使此次設(shè)計的實用性更強、更具人性化，設(shè)計中

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

26、C 根據(jù)程序，接通開啟電機使其工作，電機通過相應(yīng)的機械機構(gòu)開啟自動門。當(dāng)自動門翻開一定的寬度后，停止按鈕，從而停止步進電機運行，保證自動門的寬度合理；當(dāng)人或車輛通過后，按下反向按鈕，超聲波開關(guān)輸出一個信號，信號輸入到PLC，步進電機快步或慢步驅(qū)動自動門關(guān)閉，到達下限位開關(guān)后，步進電機停止工作，自動門關(guān)閉。步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位移的電機。其機械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機繞組的脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而到達準確定位的目的。步進電機每輸入一個電脈

27、沖就前進一步，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)步進電機的輸出位移量確定 PLC 輸出的脈沖個數(shù)，即可實現(xiàn)對步進電機的步數(shù)控制。n=L/，式中L 為步進電機的輸出位移量(mm)， 為機構(gòu)的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從 而 達 到 調(diào) 速 的 目 的 。 四 相 八 拍 的 步 進 電 動 機 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。當(dāng)A 相通電轉(zhuǎn)到A、B 兩相同時通電時，定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置如圖4 所示只畫出A、B 兩個極下的齒，轉(zhuǎn)子按順時針方向只轉(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)子齒軸線都還錯開1/8 齒距角。轉(zhuǎn)子受到兩個極的作用力距大小相等，方向相反，故仍處于平衡。基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 8 當(dāng)B 相一相通電時，轉(zhuǎn)子齒軸線和B 極下齒軸線相重合，轉(zhuǎn)子按順時針方向又轉(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?？梢娝南喟伺牟竭M電動機的運行是受脈沖控制的。 A1/8 1/8B圖4 A、B 兩相通電時定、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電動機根本特點如下： (1)步進電動機工作時，每相繞組由專門驅(qū)動電源通過“環(huán)形分配器按一定規(guī)律輪流通電。例如一個按三相雙三拍運行的環(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，輸入一個控制脈沖后，就變成B、C 這兩路有電壓，再輸入一個電脈沖，那么變成C、A 這兩路有電壓，再輸入一個脈沖，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，經(jīng)過各自的放大器放大后送入步進電動機的各相繞組，使步進電機一步步轉(zhuǎn)動。圖5 表示三相步進電動機控制方框圖，圖6 表示三相雙三拍運行時控制電脈沖及各相控制電壓隨時間變化的波形圖。 環(huán)形分配器 放大器放大器放大器步進電動機脈沖輸入圖5 控制方框圖 ttttUaUbUcUk圖6 三相雙三拍運行時各相控制電壓波形圖 步進電動機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 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 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。同一臺電機可有多種分配方式。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)每輸入一個脈沖電信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用符號w 表示。從上面分析可見，當(dāng)電機在四相八拍運行，即按A-AB-B-BC-C-CD-D-DA順序通電時

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)過的空間角度機械角度，即齒距角為 w=360 度/Zr*N,式中 N 為運行拍數(shù)，N=km(k=1,2;m為相數(shù))。 (3)步進電動機可以按特定指令進行角度控制，也可以進行速度控制。角度控制時，每輸入一個脈沖，定子繞組就換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過一個角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。速度控制時，送入步進電動機的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比

32、。每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個圓周角的 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，就可以控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以，步進電動機是用電脈沖進行控制的電機。改變電脈沖輸入的情況，就可方便地控制它，使它快速啟動、反轉(zhuǎn)、制動或改變轉(zhuǎn)速。 (4)步進電機具有自鎖能力。當(dāng)控制脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時，電機可以保持在固定的位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。這樣，步進電動機可以實現(xiàn)停車

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

34、于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 10 (2)電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A 型電機給出的值為0.9°/1.8°表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°，這個步距角可以稱之為“電機固有步距角， 它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。 (3)步進電機的相數(shù)： 是指電機內(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°。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，那么相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。 (4)保持轉(zhuǎn)矩HOLDING TORQUE： 是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機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電機最重要的參數(shù)之一。比方，當(dāng)人們說 2N.m 的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保

36、持轉(zhuǎn)矩為2N.m 的步進電機。 4.2.2 步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 (1)步距角精度： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。 (2)失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(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，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 (4)最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 (5)最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額

37、定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 (6)運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如圖7 所示： 基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 11 (7)電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(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，電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，那么共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(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、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流而非靜態(tài)流平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。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，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。 123力矩頻率 圖8 力矩頻率特性曲線圖 4.2.3 步進電機運動速度和正、反的控制 步進電機的轉(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 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)

39、計 12 時，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電機的運動速度。 A相B相C相D相輸入脈沖圖9 脈沖分配波形圖 步進電機的正、反轉(zhuǎn)控制可通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向，四相八拍步進電機通電順為 AABBBCCCDDDA?時電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)繞組按ADADCDCBCBBA?順序通電時電機反轉(zhuǎn)因此，可以通過PLC 輸出的方向控制信號改變硬件環(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電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。通過控制四相八拍步進電機的正傳和反轉(zhuǎn)來控制自動門的打開或關(guān)閉。 4.

40、3 設(shè)計思想 在步進電機控制自動門系統(tǒng)的設(shè)計中，根據(jù)設(shè)計要求，確定了硬件的設(shè)計和軟件程序的編寫，應(yīng)用步進電機和可編程序控制器技術(shù)，實現(xiàn)了自動門控制系統(tǒng)的傳動和控制要求。 4.3 1 流程圖 步進電機控制自動門系統(tǒng)的設(shè)計流程圖如圖10，根據(jù)流程圖所示，進行步進電機控制自動門系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。 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，按下手動按鈕，超聲波開關(guān)傳托藕鷗?PLC，PLC 控制電機正轉(zhuǎn)，步進電機驅(qū)動自動門快步或慢步開啟，當(dāng)自動門翻開一定的寬度后，松開手動開關(guān)，電機停止運行，人或車輛通過。 (2)人或車輛過后 當(dāng)人或車輛通過后，按下反向手動按鈕，超聲波開關(guān)傳送信

41、號給 PLC，PLC 控制步進電機反轉(zhuǎn)，步進電機驅(qū)動自動門快步或慢步關(guān)閉，到達下限位開關(guān)后，步進電機停止運行，自動門緊閉。 基于PLC 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 13 當(dāng)人或車輛到來時電動機正傳自動門翻開電動機停止電動機反轉(zhuǎn)自動門關(guān)閉電動機停止按下手動按鈕按下快步或慢步按鈕翻開一定寬度后松開手動按鈕按下手動反向按鈕快步或慢步到達下限位開關(guān)，松開按鈕圖10 步進電機控制自動門系統(tǒng)設(shè)計的流程圖 4.3 3 控制接線圖 四相八拍步進電機接線原理如圖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 步進電機的自動門控制系統(tǒng)設(shè)計 14 X0X1X2X3X4X5X6COMCOM1Y0Y1Y2Y3COM2Y4SB1SB2SB3MAECBFD+ DCSB4FX2 PLC圖11 四相八拍步進電機接線原理圖 5 步進電機控制自動門系統(tǒng)的軟件設(shè)計 5.1 I/O 口分配表 步進電機控制自動門系統(tǒng)的設(shè)計PLC 的I/O 分配如表1、表2 所示： 表1 輸入信號 名稱 代號 輸入點編號 正啟 SB1 X000 反啟 SB2 X001 停