《立体车库PLC控制系统的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《立体车库PLC控制系统的研究.doc（52页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、中 南 大 学CENTRAL SOUTH UNIVERSITY函授生毕业论文（设计） 论文题目： 立体车库PLC控制系统的研究 学生姓名： 指导老师： 专业班级： 电气工程及自动化09 完成时间： 2011年3月 摘 要自动化立体车库具有广阔的前景。本此我的设计是介绍立体车库模拟状况以及立体车库中的PLC应用和研究，并进一步给出了一个四层十二个车位立体车库的设计。本次的设计牵涉到松下系列的FPO 型的PLC ,以及步进电机驱动器的SH-2H057型，还有一些行程开关，直流电机，编码器以及数码管等。这次的设计主题的根本前提主要围绕现代城市地形面积的规划来定。随着城市的发展，土地面积的紧缺，急需要
2、合理性的取规划和利用，立体车库则在当今的社会扮演着重要的角色，它的优越性得到了极大多数人的欢迎。占地面积小，车库容量大，安全性能好，封闭式管理，不被人为损坏。这是其主要的特点。其次就是其软件部位的设施，如FPO型PLC的对其的控制，都极大的提高了安全性和简单化。关键词： 安全可靠；FPO型PLC；操作简单AbstractThe automated three-dimensional garage has the broad prospect.This this my design is in the introduction three-dimensional garage simulatio
3、n condition as well as the three-dimensional garage PLC application and the research, and further has given a four 12 berth three-dimensional garage design.This time design involves to Matushita series FPO PLC, as well as step-by-steps electrical machinery driver SH-2H057, but also has some limit sw
4、itch, the direct current machine, the encoder as well as the nixietube and so on. This time design subject basic premise main encompassment mon area plan decides.Along with the city development, the land area scarcity, urgently needs to want rational to take the plan and the use, the three-dimension
5、al garage is acting the important role in the now society, its superiority obtained extremely majority persons welcome.The area is small, the garage capacity is big, the safety performance is good, enclosed management, not by artificial damage.This is its main characteristic. Next is its software sp
6、ot facility, like FPO PLC to its control, all enormous enhancement security and simplification. Key word: Safe reliable; FPO PLC; Operates simply目 录摘 要IAbstractII目 录1第1章 绪 论11.1 研究意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状21.3 论文内容及安排3第2章 立体车库硬件设计及PLC的介绍52.1 立体车库控制面板的介绍52.1.1 立体车库设计方案52.1.2 立体车库设计控制面板
7、图案72.2 PLC的产生及工作原理82.2.1 PLC的产生82.2.2 PLC的特点82.2.3 PLC的基本工作原理82.2.4 PLC产品的分类92.3 PLC的基本结构及PFO型PLC：92.3.1 PLC的基本结构9第3章 步进电机驱动器的介绍133.1 步进电机驱动器图案133.2 步进电机的工作原理153.2.1 反应式三相步进电机的工作原理：163.2.2 步进电机的励磁方式163.2.3 微处理器的连接方式183.2.4 局部总线与扩展总线183.2.5 步进电机模块的驱动电路183.2.6 开发板中的步进电机183.3 步进电机的一些基本参数：193.3.1 步进电机的选
8、择203.3.2 应用中的注意点203.4 步进电动机的特点213.4.1 步进电机的特点：213.5 步进电机驱动器的选择213.5.1 驱动器接线223.5.2 DM150系列开关电源(150W单路输出)233.6 步进电机驱动器、电源、步进电机的总接线图25第4章 车库系统总体程序设计264.1 立体车库I/O分配表264.2 系统主程序构图294.3 系统主程序294.4 车台程序32第5章 结论与展望375.1 结论375.2 展望37参考文献39致谢40附录41第1章 绪 论1.1 研究意义随着人类社会的不断进步和科学技术的发展，人类的生产、生活方式趋于集中，城市的规模越来越大，拥
9、有私家车的家庭越来越多，人们在城市里的生存空间却越来越小，而与此相对应的是城市停车状况的尴尬，于是出现了要利用车间的理念，城市中心开始建设立体建筑、立体交通和立体停车。作为现代大都市的标志，城市中心商住区高楼大厦林立，社区道路、高架交通干道、立交桥和地下铁路，编织出城市立体交通网，汽车的住宅停车场也有了长足的发展，由平面停车向立体停车，有简单的机械车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变，成为具有较强的实用性、观赏性和适合城市环境的建筑。伴随着汽车进入家庭，城市动态、静态交通管理制度的不断完善和人们对居住环境要求的提高，给停车产业提供了前所未有的发展机遇，停车产业市场前景广阔。作为现代大都
10、市的标志，立体建筑和立体交通都有了显著发展，道路拥挤、车满为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音，发展立体停车已成为人们的共识。目前我国经济正处于高速发展时期，随着人们生活水平的不断提高，汽车进入家庭的步伐正在加快，停车产业市场前景广阔。立体车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施，是解决城市停车难最有效的手段，也是停车生产业发展的必由之路。当前，我国许多大城市停车如北京、上海、广州、深圳都开始大力发展机械式立体停车也业。立体车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性。首先，立体车库具有突出的节地优势。以往的地下车库由于要留出足够得的行
11、车通道，平均一辆车就要占据40平方米的面积，而如果采用双层立体车库，可使地面的使用率提高80%-90%，如果采用地上多层（21层）立体式车库的话，50平方米的土地面积上便可存放40辆车，这可以大大地节省有限的土地资源，并节省土建开发车本。立体车库与地面车库相比可更加有效保证人身和车辆的安全，人在车库内或车不停准位置，由电子控制的整个设备便不会运转。应该说，立体车库从管理上可以做到彻底的人车分流。 在地下车库中采用机械存车，还可以免除采暖通风设施，因此，运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。机械车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势，在住宅区的每
12、个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状早在50多年前，立体停车就在国外就有所发展，先后出现了针对家庭使用的双层停车设备；利用住宅空地建起24层升降横移停车设备；适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔；利用广场、建筑物下面的空间建设地下车库。自70年代末起，世界经济高速发展，汽车逐渐普及，保有量不断增加，迫使地少人多、车多的国家、地区和一些发达国家积极开展了机械式停车技术的研究开发和制造应用。以日本、美国、德国等为代表的发达国家在停车技术的领域的研究处于世界领先水平，韩国和我国的港、台地区的
13、停车业通过引进移植制造，得到了蓬勃发展，较好地解决了本地区的停车难，并开始向外输出技术和出口产品。目前世界停车产业正向多元发展，其停车技术几乎包含了当今机械、电子、液压、光学、磁控和计算机技术等领域所有成熟先进技术。机械方面，应用了许多新材料、新工艺。设备结构采用模块化设计，便于组合使用，易于安装拆卸。钢结构选用新型优质钢材，既提高了设备的强度和刚度，又使设备轻巧美观，载车班采用一次成型的镀锌板或涂彩板组装，美观、强韧、耐用。控制技术方面，广泛采用可编程控制器和矢量变频变压调速闭环控制技术，使运行高速平稳，节省电力、振动和噪音也趋于最小。控制形式有：按钮式、锁匙式、IC卡式、键盘式、触摸屏式、
14、遥控式等。安全元件采用各种光栅显示屏、光电管、机械式行程开关、磁性接近开关、光敏感应开关等，安全保护装置目臻完善，如汽车出入声光引导和定位、汽车尺寸和重量自动识别、限速保护与多重机构连锁、停车泊位自动跟踪、链条和钢丝绳长度超范围报警和弹性变形自动补偿、汽车图象摄影对比安全检测、自动消防灭火系统等。日本是最早应用机械式车库的国家之一，其在上世纪60年代初就开始开发并使用最大限度利用空间的机械式停车设备，当时日本全国汽车保有量约为500万辆，大多采用的是垂直循环式停车设备。从80年代开始，日本开始向亚洲地区的韩国、中国及台湾地区出口产品及技术。韩国机械车库技术是日本机械停车技术的诞生。其机械停车产
15、业从20世纪70年代中期开始起步，80年代开始引进日本技术，经过消化生产和本土化，90年代开始为供应使用阶段。由于这几个阶段得到政府的高度重视，各种机械停车设备得到普遍开发和利用，韩国近几年增长速度都在30%左右。目前韩国停车设备行业进入稳步发展阶段。1.2.2 国内研究现状我国机械式车库的早期研究开发工作是从80年代中期开始，90年代开始引进和生产停车设备，在北京、上海、广州、深圳等地都有使用。参照日本等国标准制定的我国行业标准也于近几年出台，目前停车设备生产厂已经发展到几百家，生产各种类型的停车设备，有些停车设备已开始出口。机械式立体车库是一种具有综合性能的建筑，不仅包含了机械停车设备，其
16、规划建设涉及到区域整体景观、交通疏导、建筑结构、供电照明、通讯监视、通风排水、环境保护、安全消防、收费管理等各学科领域，就停车设备本身而言，其机械结构的发展已形成了停车设备独有的技术特征，需要多科学、多专业的复合型人才积极参与，把国外停车技术和各领域的成熟技术移植到我国停车产业，开发出安全、经济、高效、节能、省地的产品，满足国内外市场的需求。在我国的停车产业发展中还存在一些问题，如没有统一的技术标准；多数产品是仿效或引进国外技术制造，技术水平低；缺少具有一定规模的企业，生产能力不足；市场竞争无序，个别企业为抢占市场，采取低价竞争；缺少科研设计单位的参与，技术创新能力严重不足；政策不配套，对停车
17、产业发展和管理严重滞后等。解决上述问题，需要我们在政策市场、管理和技术多方面做努力。政策方面应参照发达国家的有关政策法规，规划确定出专用和公共停车位的合理数量，实际投资主体多元化，确定车库的管理属性和停车收费标准，给予投资和经营者相应的优惠政策，使其有利可图。市场方面应建立车库市场运行机制，利用价格杠杆调高占路停车收费标准，逐步消除“路满库空”现象。鼓励按市场规则经营车库，并实施政府监督和政府调控，使停车产业良性发展。见参考文献11.3 论文内容及安排（1）设计一个四层十二个仓位的立体车库自动控制系统，控制对象为四层立体车库模型，立体仓库主体由底盘、四层十二个仓位库体、运动机械及电气控制四部分
18、组成。 （2）PLC具有工作稳定、可靠、抗干扰能力强、编程灵活，功能强大使用方便等优点，本电气控制系统采用松下FP0型PLC为控制器、步进电动机驱动电源模块、开关电源、行程开关、光电位置传感器等。（3）四层立体车库自动控制系统具有手动和自动两种控制方式，控制X、Y、Z轴协调控制实现位置控制，并且各轴具有必要的硬件和软件保护。本次设计目的是用PLC控制立体车库的自动化运动，并达到车库结构简单，控制灵活、方便。升降横移式立体车库的控制系统采用PLC控制，使整个控制系统的可靠性大大提高，尤其是当串连车位较多时可实现车位的自动调配，满足了车位的控制功能和使用性要求，实现了进出车的自动控制。软件设计上的
19、优化处理，使得本系统车位的扩展较为方便，同时，软件设计采用了“并行分支与汇合”技巧，大大缩短了进出车时间，提高了工作效率。如果进行二次开发，只需增加通讯模块就可以实现上位机的通讯，实现计算机现代化管理。世界发展当今，土地资源变得异常紧张，立体仓库在当今社会解决这个问题的探索中扮演着重要角色，仓库的安全使用及控制，直接关系到人们的财产安全，因此需要设计一个结构简单、操作方便的立体车库，这就需要我们开发研究立体车库系统。第2章 立体车库硬件设计及PLC的介绍立体车库主体由主盘，四层十二个车位，传动机械及电气控制等四部分组成。传动机械部分采用滚珠丝杠，滑杠，普通丝杠等机械元件组成，电气控制采用步进电
20、机，直流电机作为拖动元件。由松下电工生产的FP0型可编程控制器（PLC），步进电机驱动电源模快，开关电源，位置传感器等器件组成。设有自动和手动两种控制方式。通过传感器信号采集，PLC编程，实现对步进电机及直流电机进行复杂的位置控制及时序逻辑控制等功能。 图2.1 立体车库模型2.1 立体车库控制面板的介绍本系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。它分为上下两层，上层为货台，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。当
21、堆垛机平台移动到原点车位板位置时，伸叉电机驱动铲叉向前伸出可将车位板和车一起取出或送入，当取到车或车已送入，则铲叉向后缩回。整个系统需要三维的位置控制。2.1.1 立体车库设计方案单车位尺寸20002500(高宽),举升重量2.5.模型尺寸所有尺寸改为原来的1/10。单位模型尺寸：200mm250mm(高宽)，总体尺寸：600mm750mm（高宽）举升重量：150Kg为了实现对模型的停放，要求系统能实现X、Y、Z三个坐标轴的运动。1.把汽车模型搬运到指定层。（Z方向）2.把汽车模型搬运到指定的车位。（Y方向）3.把汽车模型拖入车位。（X方向）立体车库设计要求1将选择开关置于手动位置（此时16号
22、有效），分别点动按键1、2、3、4、5、6，观察水平（X轴）、垂直（Y轴）、前后（Z轴）各丝杠运行情况，运行应平稳，在接近极限位置时，应执行限位保护（运行自动停止）。2.将选择开关置自动位置（通电状态下，各机构复位，即返回零位）。3.将一带托盘汽车模型置零号仓位，放置模型时，入位要准确，并注意到仓位底部检测开关已动作。4.执行送指令（1）选择欲送仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。（2）按动送指令按钮，观察送入动作（若被选择仓位内已有汽车，则该指令不被执行）。（3）指令完成后，机械自动返回。（4）零号仓位已无汽车，则下一个送指令（误操作）将不被执行。5.执行取指令（1）选
23、择欲取仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。（2）按动取指令按钮，观察取出动作（若被选择仓位内无汽车，则该指令不被执行）。（3）指令完成后，机构自动复位。（4）零号仓位已有汽车，则下一个取指令（误操作），将不被执行。6、当零号仓位上有货物时，若无外部操作指令，“就绪”灯亮，延时10秒后，自动将货物放在仓库号最小的空位上，依次类推。如1#、2#、3#、4#都已有货物，程序延时10秒，10秒内若无外部操作指令，自动将货物放在5#仓库。如1#、3#、4#都已存放货物， 10秒内若无外部操作指令，自动将货物放在2#仓库。在延时的10秒内，若按下数字5#，然后按下“送”键，则运行机构
24、将货物放入5#库，若按下5#键后，想取消此操作，可按下“放弃”键。此时，程序又处在待命状态，“就绪”灯亮，又可进行其它操作。7当零号仓位上无货物时，若无人操作，“就绪”灯亮10秒后，程序将把数值最大仓库号里的物品转运至没有放货物的仓号比它小的仓库里。如1#、2#、5#有物，该程序将自动把5#物品转至3#仓库。若需从5#取回物品，放入4#库，操作步骤如下：“就绪”灯亮时，按下按钮键“5”，再按“取”键，运行机构执行程序要求取回货物后，停在起初位置。此时按按键4#，再按“送”键，运行机构将把货物放在4#库，然后停在起初位置，“就绪”灯亮10秒后，若无外部操作指令，程序又将4#库货物转至3#库。2.
25、1.2 立体车库设计控制面板图案图2.2 控制面板上的开关及按钮功能 图2.3控制面板上的车位号表2.1 控制面板上的按钮功能表按键号功能选择定义1自动选择1号车位手动机构水平向左移动2自动选择2号车位手动机构垂直向下移动3自动选择3号车位手动机构水平向右移动4自动选择4号车位手动机构水平向后移动5自动选择5号车位手动机构垂直向上移动6自动选择6号车位手动机构水平向前移动7自动选择7号车位手动无意义8自动选择8号车位手动无意义9自动选择9号车位手动无意义10自动选择10号车位手动无意义11自动选择11号车位手动无意义12自动选择12号车位手动无意义2.2 PLC的产生及工作原理2.2.1 PL
26、C的产生60年代末期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1968年美国通用汽车公司（GM）首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为:a、它的继电控制系统设计周期短，更改容易，接线简单，成本低；b、它能把计算机的功能和继电控制系统结合起来。但编程又比计算机简单易学、操作方便；c、系统通用性强。1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世间上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动控制。其后日本、德国等相继引入，可编程序控制器迅速发展起来。但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运
27、算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）。70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程逻辑控制器更多地具有计算机功能，不仅用逻辑编程取代硬接线逻辑，而且做到了小型化和超小型化。这种采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为可编程序控制器，简称PC（Programmable Controller）。但由于PC容易和个人计算机（Personal Computer）混肴，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。属于存储程序控制的可编程序控制器，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的
28、，若要对控制功能作必要的修改，只需改变软件指令即可，使硬件软件化。可编程序控制器的优点与这个“可”字有关，从软件来讲，它的程序可编、也不难编，从硬件上讲，它的配置可变、也易变。2.2.2 PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强；2.配套齐全，功能完善，适用性强，性价比高；3.易学易用，深受工程技术人员欢迎；4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，改造容易；5.体积小，重量轻，能耗低。2.2.3 PLC的基本工作原理PLC采用循环扫描工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU（Central Processing Unit,中央处理器）从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一
29、条，如此周而复始这种方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个过程可分为五个阶段。自诊断与编程器、计算机通讯、输入采样，用户程序执行，输出刷新。每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。PLC检查是否有与编程器，计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，如接收有与计算机等的通信请求，也在着段时间完成数据的接受和发送任务。PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入寄存器着就是输入采样阶段。中央处理器CPU将指令逐条掉出并执行，以对输入和输出状态进行处理，即按程序对数据进行逻辑，算术运算，再将正确的结果送到输出
30、扎寄存器中，这就是程序执行阶段。当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态,通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。总之，采用循环扫描的工作方式也是PLC区别与微机的最大特点。2.2.4 PLC产品的分类（1）按硬件的结构类型分类：可编程控制器是专门为工业生产环境设计的，为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大的区别，通常可有单元式、模块式及叠装式三种结构。（2）按可应用规模及功能分类：为了适应不同工业生产过程的应用要求，不同型号的可编程控制器处理输入输出信号数常常设计成不一样。一般将一路信号叫做一个点，将输入点和输出点数
31、的总和称为机器的点数。按点数的多少，PLC可分为超小（微）、小、中、大、超大等五种类型。可编程控制器还可以按功能分为低档机、中档机、高档机。可编程控制器的按功能划分及按点数规模划分是有一定联系的。一般大型、超大型机都是高档型。机型和机器的结构形式及内部存储器的容量一般也有一定的联系，大型机一般都是模块式机，都有很大的内存容量。2.3 PLC的基本结构及PFO型PLC：2.3.1 PLC的基本结构可编程控制器主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几部分组成，其结构方框图如图2.4所示。见参考文献9图2.4 PLC结构框图(1) 中央处理单元（CPU）中央处理
32、单元是PLC的大脑，主要采用通用微处理器，单片机和双极型位片式微处理器三种类型，是PLC 的核心部件，它的主要功能为，从存储器中读取指令，执行指令，准备取下一条指令，处理中断。(2) 存储器存储器是用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息。系统程序存储器是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造厂家用相应的CPU指令系统编写的。用户程序存储器是用来存放由编程器或计算机输入的用户程序，是使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。(3)输入输出单元（I/O）是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备需输入PLC的各种控制信号，如操作按钮、限位开关、继电器触
33、点等。通过输入接口将信号转换成中央处理器能够接受和处理的信号。输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。输入接口电路：直流（12V24V）输入，交流输入，交、直流输入三种，采用光电耦合隔离，并设有RC滤波，输入信号指示。 图2.5 直流输入电路 图2.6 交流输入电路 输出接口电路：有继电器、晶体管、晶闸管三种输出图2.7继电器输出电路 图2.8 晶体管输出电路 图2.9 晶闸管输出电路电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，为了使PLC能正常工作，采用开关稳压电源供电。
34、编程器编程器是PLC必不可少的重要外围设备，用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视PLC的工作状态。 FP0型PLCFP0机型小巧精致，其外形尺寸高90mm，长60mm，一个控制单元只有25mm宽，甚至I/O扩充至128点，总宽度也只有105mm，超小型的外型设计打破了以往人们对小型PLC的看法。其安装面积在同类产品中是最小的，所以FP0可安装在小型机器，设备及越来越小的控制板上。下面简述其特点：品种规格品种型号以C字母开头的为主控单元（或称主机），以E字开头的为扩展单元（或称扩展机），后面跟的数字代表I/O点数。FP0主控单元有C10C32多种规格，扩展模块也有E8E32多种规
35、格。表5.1列出了FP0的主要产品规格类型。其型号中后缀为R、T、P三种，它们是含义是：R是继电器输出型，T是NPN型晶体管输出型，P是PNP型晶体管输出型。FP0可单台使用，也可多模块组合，最多可增加3个扩展模块。I/O点从最小10点至最大128点，用户可根据自己的需要选取合适的组合。FP0机型可实现轻松扩展，扩展单元不需要任何电缆即可直接连接到主控单元上。运行速度FP0的运行速度在同类产品中是最快，每个基本指令执行速度为0.9us。500步的程序只需0.5ms的扫描时间。还可读取短至50us的窄脉冲，即FP0有脉冲捕捉功能。1.程序容量FP0具有5000步的大容量内存及大容量的数据寄存器，
36、可用于复杂控制及大数据量处理。2.特殊功能FP0具有两路脉冲输出功能，可单独进行运动位置控制，互不干扰。具有双相、双通道高速计数功能。同时拥有双相双频高速计数功能。此外。FP0具有PWM（脉宽调制）输出功能。利用它可以很容易地实现温度控制，而且该PWM脉冲还可以用来直接驱动松下电工微型变频器VF0，构成小功率变频调速系统。3.通信功能FP0可经RS232口直接连接调制解调器，通信时若选用“调制解调器”通信方式，则FP0可使用AT命令自动拔号，实现远程通信。如果使用CNET通信单元，还可将多个FP0单元连接在一起构成分布式控制网络。松下电工的各种编程工具软件适用于任何FP系列可编程控制器，所以也
37、可用于FP0。而且，由于FP0的编程工具接口是RS232C，所以连接个人电脑仅须一根电缆，不须适配器。第3章 步进电机驱动器的介绍3.1 步进电机驱动器图案采用中美合资SH系列步进电机驱动器（见参考文献10），主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。（见下图3.1）图3.1 步进电机驱动器的组成（1） 输入信号接口驱动器的输入信号共有三路信号，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE（此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，点机可正常运行）。OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接
38、外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流。（参见下图3.2和表3.1）图3.2 输入信号接口电路表3.1 输入三路信号的参数信号幅值外接限流电阻R5V不加12V680R24V1.8K（2） 连接电机1二和四相电机：对于二相四根线电机，可以直接和驱动器相连（见图3.3第一部分）；对于四相六根线电机，中间抽头的二根线悬空不接，其它四根线和驱动器相连（见图3.3第二部分）；对于四相五根线电机，由于绕组都不独立，此电机不能使用（见图3.3第三部分）。 图3.3 三种连接电机与驱动器的连接3.2 步进电机的
39、工作原理 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。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，在各个国民经济领域都有应用。 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一步运行的。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制
40、。 现在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7.5度 或15度； 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1.5度，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和反应式的优点。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，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。3.2.1 反应式三相步进电机的工作原理
41、：三相步进电机的定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60 度。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一相绕组。各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开正负1/3 的齿距，形成“齿错位”，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。和反应式步进电动机不同，永磁式步
42、进电动机的绕组电流要求正，反向流动，故驱动电路一般要做成双极性驱动。混合式步进电动机的绕组电流也要求正，反向流动，故驱动电路通常也要做成双极性。3.2.2 步进电机的励磁方式 ABCDT11000T20100T30010T40001步进电机有2相、4相和5相电机。在4相电机中有4组线圈，若电流按顺序通过线圈则使电机产生转动。2相电机中有2组线圈。在各线圈中引出中间端子，因此若以中间端子为基准即可实现4相，称这4为A、B、C、D的励磁相。本实验使用的就是这种方式的4相电机，而励磁方式中有1相（单向）励磁、2相（双向）励磁和12相（单双向）励磁方式。此外，如果转动的方向不正确，可以交替1、2端子或
43、3、4号端子表3.2 1相在4个脉冲周期的励磁方式(1) 1相励磁方式按ABCD的顺序总是仅有一个励磁相有电流通过，因此，对应1个脉冲信号电机只会转动一步，这使电机只能产生很小的转矩并会产生振动，故很少使用。 T1T4表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有。 (2) 1-2相励磁方式表3.3 1-2相在8个脉冲周期的励磁方式ABCDT11000T21100T30100T40110T50010T60011T70001T81001即实验中所有的励磁方式，它按A、AB、B、BC、C、CD、D、DA的顺序交替进行线圈的励磁。与前述的2个线圈励磁方式相比，电机的转速是原来
44、的1/2，应答频率范围变为原来的2倍。转子以滑动的方式转动。 表3,3 T1T8表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有脉冲。3.2.3 微处理器的连接方式步进电机并不是直接与CPU相连的。由于开发板上外部设备很多，各功能模块与微处理器的连接方式有专用线路，局部总线与扩展总线。3.2.4 局部总线与扩展总线局部总线与微处理器直接相连，扩展总线通过一个总线控制器74LVCH6245与局部总线相连。从CPU 出来的数据、地址、读写控制等信号构成局部总线。NAND FLASH、SDRAM和网卡芯片AX88796 直接挂在局部总线上的。局部总线经过四片74LVCH1624
45、5 驱动后作为扩展总线引到其他外设以及168Pin 扩展槽。由于数据线是双向的，所以16245芯片必须有方向控制信号，这里采用经过隔离后的写控制信号OE 作为数据线所在16245 芯片的方向控制线。当OE 有效时16245 芯片把扩展总线上的数据传输到局部总线上；当OE无效时反之。另外，必须注意，当系统对局部总线上的芯片读数据时OE 一样会起作用，这样就必须对局部总线和扩展总线进行总线仲裁，这里是外设所具有的四个片选信号nGCS1、3、4、5 用74HC21 相与后作为数据线所在的16245 芯片的输出使能控制线，只有当系统对扩展总线读操作，也就是上述四个片选之一有效时，16245 才能对局部
46、总线输出数据，否则无论OE 如何都呈现高阻态。（注：LDATA表示局部总线的数据线；DATA表示扩展总线的数据线。74LVCH16425芯片共有四块，限于篇幅仅举一片为例，其它三片芯片，一片用于数据线的低位连接，两片用于地址线的连接。由于片选线使用的负逻辑电平有效，所有此处用的是与门）3.2.5 步进电机模块的驱动电路74HC573芯片的输出IO4IO7用于用来驱动步进电机的转动。数据线要首先接在步进电机模块的一个接口上。接口对信号进行放大，使之能够驱动步进电机。放大后的信号就可以直接的来使步进电路进行工作了。3.2.6 开发板中的步进电机本开发板中使用的步进电机为四相步进电机。转子小齿数为64。系统中采用四路I/O 进行
