CN113900021A - 一种基于plc的步进电机实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PLC的步进电机实验装置；包括实验台，所述实验台上设置有PLC控制器、人机交互界面、PC端、手动控制按钮、脉冲分配器、步进电机驱动电路、步进电机、光电编码器，所述人机交互界面用于控制所述PLC控制器的输入输出以及整个实验装置状态的监控，所述PC端用于对所述PLC控制器进行程序的修改和监控，所述PLC控制器通过脉冲分配器、步进电机驱动电路与所述步进电机相连，所述光电编码器用于对步进电机速度的测量并反馈给PLC控制器。通过设置人机交互界面，能够取代实际中那些繁杂的按钮、开关，进而完成人机交互界面对步进电机控制系统的直接控制，便于实现步进电机试验的各种操作，减少复杂的硬件电路设计。
Description
技术领域
本发明属于步进电机实验装置技术领域，尤其涉及一种基于PLC的步进电机实验装置及方法。
背景技术
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。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。
中国专利申请号202020807076.6公开了一种基于PLC的步进电机控制实验系统；包括箱体，所述箱体内设置有PLC控制器、步进电机驱动器、步进电机、计数器和角速度传感器；所述PLC控制器与步进电机驱动器相连，所述PLC控制器用于输出设定频率的脉冲信号并传送至步进电机驱动器，所述步进电机驱动器用于将接收到的脉冲信号转化为角位移信号进而驱动步进电机转动；所述PLC控制器与步进电机驱动器之间还串接有计数器，所述计数器用于计数脉冲数量；所述步进电机的输出轴出还设置有角度速度传感器，所述角速度传感器用来检测步进电机的角速度；所述计数器和角度速度传感器均与PLC控制器相连，所述PLC控制器还与显示器相连，所述显示器设置在箱体上，用于显示脉冲数量与步进电机的角速度。上述技术方案中，在实验时，需要预先对复杂的硬件电路进行设计，需要借助多个繁杂的按钮、开关进行操作，导致不方便实现步进电机试验的各种操作，极易导致实验过于繁杂，实验效率低下，无法满足人们的需求。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供了一种基于PLC的步进电机实验装置及方法，通过设置人机交互界面，人机交互界面用于控制PLC控制器的输入输出以及整个实验装置状态的监控，从而能够取代实际中那些繁杂的按钮、开关，进而完成人机交互界面对步进电机控制系统的直接控制，便于实现步进电机试验的各种操作，减少复杂的硬件电路设计。
本发明提供如下技术方案：
一种基于PLC的步进电机实验装置；包括实验台，所述实验台上设置有PLC控制器、人机交互界面、PC端、手动控制按钮、脉冲分配器、步进电机驱动电路、步进电机、光电编码器，所述人机交互界面用于控制所述PLC控制器的输入输出以及整个实验装置状态的监控，所述PC端用于对所述PLC控制器进行程序的修改和监控，所述PLC控制器通过脉冲分配器、步进电机驱动电路与所述步进电机相连，所述PLC控制器用于输出设定频率的脉冲信号并经脉冲分配器、步进电机驱动电路实现步进电机的运动，所述PLC控制器与所述步进电机之间还设置光电编码器，所述光电编码器用于对步进电机速度的测量并反馈给PLC控制器。
优选的，所述人机交互界面包括触摸屏，所述触摸屏通过RS232、FX3UPLC进行与所述PLC控制器的通信，所述触摸屏通过角度调节组件与所述实验台连接。
优选的，所述步进电机驱动电路为三相反应式步进电动机驱动电路，所述三相反应式步进电动机驱动电路包括整流电路、稳压电路、放大电路，所述整流电路用于对降压后的电源进行整流，所述稳压电路用于对整流电路输出电压进行稳压，所述放大电路用于放大电流进而放大输入信号功率。
优选的，所述PLC控制器还与电源模块相连，所述电源模块采用220V交流电源来供电，通过变压器将电压调节为13.6V，并通过所述整流电路整流成供所述放大电路使用的直流电源，所述整流电路为桥式整流电路，所述桥式整流电路包括四个IN4007大功率二极管。
优选的，所述实验台上还设置有磁粉制动器和张力控制器，所述磁粉制动器与所述步进电机同轴连接，所述磁粉制动器用于使步进电机模拟带负载运行，所述张力控制器用于调节所述磁粉制动器转矩的大小。
优选的，所述张力控制器调节磁粉制动器转矩的调节方式设置有两种，两种所述调节方式包括手动控制和自动控制，所述手动控制方式为通过张力控制器上的旋钮手动调节张力控制器的张力大小，所述自动控制方式为所述张力控制器与所述PLC控制器连接，通过所述PLC控制器来控制张力控制器的张力大小。
优选的，该实验方法包括以下步骤：
S1:预先通过PC端对PLC控制器内部程序进行设置，使步进电机具备四种工作模式，四种所述工作模式包括单步运行模式、连续运行模式、加减速运行模式和调速运行模式，并预先对触摸屏内部操作界面进行设置；
S2:通过触摸屏主界面对步进电机工作模式进行选择；
S3:触摸屏通过对不同工作模式的选择，切换到对应的次级选择界面，通过次级界面对步进电机不同工作方式进行选择；
S4:步进电机根据选择的工作模式以及工作方式进行工作；
S5:在次级界面选择是否复位，复位则返回到步骤S2，不复位步进电机继续以该种工作模式以及工作方式进行工作。
优选的，在步骤S3中，当选择单步运行模式时，触摸屏切换到单步运行模式界面，在该界面中能够对步进电机的三种励磁方式以及对步进电机的正反转进行选择，在选择完成后，每按一下执行键，步进电动机以已选择的工作方式和方向转动一次，同时该界面上的三个指示灯能够按照所选工作方式和方向三相通电顺序依次点亮。
优选的，所述三种励磁方式分别为单三拍、双三拍和三相六拍运行方式。
优选的，在步骤S3中，当选择连续运行模式时，触摸屏切换到连续运行模式界面，在该界面中能够对步进电机的三种励磁方式以及对步进电机的正反转进行选择，在选择完成后，按下执行键，步进电动机以已选择的工作方式和方向进行连续转动，当需要步进电机停止转动时再按一次执行键即可，同时该界面上的三个指示灯能够按照所选工作方式和方向三相通电顺序依次点亮。
优选的，在步骤S3中，当选择加减速运行模式时，触摸屏切换到加减速运行模式界面，在该界面中因加减速运行是预先设置好的速度，故只需要按下执行键，步进电机就会开始加减速运行，同时该界面中的趋势图表能够显示出加减速运行曲线。
优选的，在步骤S3中，当选择调速运行时，触摸屏切换到调速运行界面，在该界面中需要先手动设置转速，转速范围在1-120r/min，设好转速按下执行键，步进电机开始工作调速到预设速度，同时该界面中的趋势图表能够显示出调速运行曲线，完成后可以按下执行键停止，并设置新的速度进行试验。
优选的，所述角度调节组件包括底座，所述底座的下端与所述实验台上端连接，所述底座的上端面左侧设置有支撑架，所述角度调节机构位于所述支撑架的上端，所述角度调节机构包括盒体，所述盒体内设置有第二步进电机，所述步进电机的转轴贯穿所述盒体的右侧面且设置有支杆，所述触摸屏通过延长杆与所述支杆平行连接，所述底座的右侧设置有第二支撑架，所述第二支撑架的上端设置有U型连接块，所述U型连接块内联接有轴承，所述支杆的另一端与所述轴承的内圈连接。
优选的，所述触摸屏主界面设置有四个按钮，四个所述按钮分别对应四种工作模式，所述单步运行、连续运行工作模式界面均设置有六个按钮和三个指示灯，六个所述按钮包括单三拍运行、双三拍运行、三相六拍运行、正反转切换、执行以及复位按钮，三个所述指示灯用于按照所选运行方式和方向三相通电顺序依次点亮；所述加减速运行工作模式界面设置有两个按钮和一个趋势图表，两个所述按钮包括执行和复位按钮，步进电机在做加减速运行时，所述趋势图表用于显示加减速运行曲线；所述调速运行工作模式包括速度调节界面，所述速度调节界面设置有两个按钮、一个趋势图表和一个数值输入框，两个所述按钮包括执行和复位按钮，所述数值输入框用于预先手动输入转速，所述转速范围在1-120r/min，所述趋势图表用于显示调速运行曲线。
优选的，为了提高步进电机在加速或减速过程中的加速度和速度变化时的平滑性，降低对步进电动机的损害，且能够保证很好的性能和平稳、精确的控制效果，步进电机在加速时应满足以下关系：
式中，a为预先设定的加速度；
Vt为步进电机运行实际速度；
Vm为步进电机运行最大速度；
Vs为步进电机的起始速度；
Ve为步进电机的终止速度；
式中，当t＝T1时：
设加速段总时间为T，则
T2＝T，则
假设加减速时加速度都为a，Sa和Sb分别为加速段和减速段的位移，则：S＝Sa＝Sb＝(V2m-V2s)/a
从而得出式中：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明一种基于PLC的步进电机实验装置及方法，通过设置人机交互界面，人机交互界面用于控制PLC控制器的输入输出以及整个实验装置状态的监控，从而能够取代实际中那些繁杂的按钮、开关，进而完成人机交互界面对步进电机控制系统的直接控制，便于实现步进电机试验的各种操作，减少复杂的硬件电路设计。
(2)本发明一种基于PLC的步进电机实验装置及方法，通过将人机交互界面设置为触摸屏，触摸屏能够通过RS232与FX3UPLC进行通信，且能够通过GT Designer3编程各种位元件、字元件、图表等，模拟仿真各种开关取代实际的器件，减少杂乱的实际电路，不但可以提高系统简约美观,还能很好的节约按键等成本的使用，同时可以输入或监控设备中的数据变化，用户还能够设置不同操作界面进行不同功能的操作，使设备的控制方式多样化，从而实现人机简单、自然的交互。
(3)本发明一种基于PLC的步进电机实验装置及方法，通过对步进电机在加速时的实际速度与时间之间关系的限定，从而能够保证速度、加速度的连续，抑制步进电机失步和过冲现象，避免机械柔性冲击，使步进电机寿命得以延长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明的步进电动机控制系统框图。
图2是本发明的步进电机驱动电路图。
图3是本发明的桥式整流电路图。
图4是本发明的PMM 8713引脚图。
图5是本发明的脉冲分配电路图。
图6是本发明的光电编码器接线图。
图7是本发明的PLC控制器整体接线图。
图8是本发明的实验方法流程图。
图9是本发明的步进电机单步运行模式时程序图。
图10是本发明的步进电机连续运行模式时程序图。
图11是本发明的步进电机加减速运行模式时部分加减速程序图。
图12是本发明的PID运算指令说明示意图。
图13是本发明的步进电机调速运行模式时速度测量程序图。
图14是本发明的步进电机调速运行模式时速度调节程序图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参考图1-7，一种基于PLC的步进电机实验装置；包括实验台，所述实验台上设置有PLC控制器、人机交互界面、PC端、手动控制按钮、脉冲分配器、步进电机驱动电路、步进电机、光电编码器，所述人机交互界面用于控制所述PLC控制器的输入输出以及整个实验装置状态的监控，所述PC端用于对所述PLC控制器进行程序的修改和监控，所述PLC控制器通过脉冲分配器、步进电机驱动电路与所述步进电机相连，所述PLC控制器用于输出设定频率的脉冲信号并经脉冲分配器、步进电机驱动电路实现步进电机的运动，所述PLC控制器与所述步进电机之间还设置光电编码器，所述光电编码器用于对步进电机速度的测量并反馈给PLC控制器。
所述PLC控制器的型号为三菱PLC FX3U，采用交流220V作为电源，有24个输入和24个输出端口，其中三个脉冲输出口，分别是Y0、Y1和Y2，其他21个端口为电平输出，输入输出最大扩展点数为256点。存储器可以储存64000步的指令，支持多种通讯方式且通讯速度也很迅速。可以使用指令表ST、梯形图LD以及顺序功能图SFC编程。另外FX3U可以扩展很多单元、模块，如输入输出模块、AD模块、定位控制模块等，可扩展性非常强；
所述触摸屏的型号为三菱GS2107-WTBD触摸屏，它可以通过RS232与FX3UPLC进行通信，通过GT Designer3编程各种位元件、字元件、图表等，模拟仿真各种开关取代实际的器件，减少杂乱的实际电路，不但可以提高系统简约美观,还能很好的节约按键等成本的使用，同时可以输入或监控设备中的数据变化，用户还可以设置不同操作界面进行不同功能的操作，使设备的控制方式多样化，实现人机简单、自然的交互。
所述人机交互界面包括触摸屏，所述触摸屏通过RS232、FX3UPLC进行与所述PLC控制器的通信，所述触摸屏通过角度调节组件与所述实验台连接。
所述触摸屏的设计是用GT Designer3进行设计的。它的编程较为简单，对于开关可直接选择位开关、字开关、画面切换开关等，点开开关设置可设置其对应继电器及继电器的点动、置位、位反转等。对于数值输入、显示也有对应的字符框，点开数值设置后可直接设置数值输入或输出的继电器，只要与PLC控制器通信上就可以直接输入或监控数值了。此外，还可以设置图表、时间显示、滑杆等，极其的方便快捷。
所述角度调节组件包括底座，所述底座的下端与所述实验台上端连接，所述底座的上端面左侧设置有支撑架，所述角度调节机构位于所述支撑架的上端，所述角度调节机构包括盒体，所述盒体内设置有第二步进电机，所述步进电机的转轴贯穿所述盒体的右侧面且设置有支杆，所述触摸屏通过延长杆与所述支杆平行连接，所述底座的右侧设置有第二支撑架，所述第二支撑架的上端设置有U型连接块，所述U型连接块内联接有轴承，所述支杆的另一端与所述轴承的内圈连接，所述第二步进电机与所述PLC控制器连接。通过该设置，能够保证通过对第二步进电机的调节，能够对触摸屏的倾斜角度进行调节，从而能够使触摸屏正对使用者的脸部，方便实验。
所述步进电机驱动电路为三相反应式步进电动机驱动电路，所述三相反应式步进电动机驱动电路包括整流电路、稳压电路、放大电路，所述整流电路用于对降压后的电源进行整流，所述稳压电路用于对整流电路输出电压进行稳压，所述放大电路用于放大电流进而放大输入信号功率。
所述稳压电路主要应用KA7812稳压芯片对整流电路输出电压进行稳压。其中KA7812是+12V三端稳压模块，采用TO-220封装方式，输出电压为12V，输出电流为1A。
所述放大电路中，本设计以共集电极放大电路作为输入级，使用的是2N5551三极管，因为它的输入电阻很大，而信号输入电路电流很小，所以对信号输入电路工作情况影响很小，它主要放大电流进而放大输入信号功率。共发射极放大电路使用的是2N5685大功率三极管。其中2N5685大功率三极管的主要作用是功率放大。本设计用共发射极放大电路作为输出级是因为它的功率增益高、有电压放大作用。能够将电压提到步进电动机额定电压。
所述步进电机的型号为70BF10C，它的步距角β＝
1.5°/3°，也就是说当给步进电动机240/120个脉冲，步进电动机旋转一圈，最大静力矩为0.588N·m。因其运行稳定、带负载能力较强以及较宽的调速范围，所以常被用于各种试验教学。
所述脉冲分配器中的脉冲分配电路主要是由PMM 8713对PLC的Y0口发出的脉冲进行三相分配，适用于三相和四相步进电动机的脉冲分配，PMM 8713可以对输入的脉冲进行三相分配，通过其引脚电平控制三种励磁工作方式、三相四相转换、正反转等，并通过其输出引脚监控其脉冲输出和励磁方式，可简化本实验设计、减少不必要的用工作量，非常适合本设计。
所述光电编码器是增量式AB相光电编码器600P/R，它是将转速转化为数字量后输入给PLC端口进而计数的，其中600P/R表示它每转发出600个脉冲，可用5～24V直流电压供电，最大机械转速为5000r/min。
所述PLC控制器还与电源模块相连，所述电源模块采用220V交流电源来供电，通过变压器将电压调节为13.6V，并通过所述整流电路整流成供所述放大电路使用的直流电源，所述整流电路为桥式整流电路，所述桥式整流电路是由四个IN4007大功率二极管构成。
因为三相反应式步进电动机所需要驱动功率较大以及方便起见，故本设计采用220V交流电源来供电，并通过变压器使电压变为13.6V，放大电路供电电源一般为直流电源，故需要对降压后的电源进行整流，桥式整流电路包括4个IN4007大功率二极管，具有散热性好、稳定性高、整流效率高的优点。
所述实验台上还设置有磁粉制动器和张力控制器，所述磁粉制动器与所述步进电机同轴连接，所述磁粉制动器用于使步进电机模拟带负载运行，所述张力控制器用于调节所述磁粉制动器转矩的大小。
所述张力控制器调节磁粉制动器转矩的调节方式设置有两种，两种所述调节方式包括手动控制和自动控制，所述手动控制方式为通过张力控制器上的旋钮手动调节张力控制器的张力大小，来达到控制所述磁粉制动器的转矩，以达到调节步进电机负载的大小的目的，所述自动控制方式为所述张力控制器与所述PLC控制器连接，所述PLC控制器通过控制张力控制器张力的大小来达到控制磁粉制动器。通过该设置，能够增加实验种类，即矩频特性、静力矩特性的实验。
实施例二：
在实施例一的基础上，请参考图8，该实验方法包括以下步骤：
S1:预先通过PC端对PLC控制器内部程序进行设置，使步进电机具备四种工作模式，四种所述工作模式包括单步运行模式、连续运行模式、加减速运行模式和调速运行模式，并预先对触摸屏内部操作界面进行设置；
S2:通过触摸屏主界面对步进电机工作模式进行选择；
S3:触摸屏通过对不同工作模式的选择，切换到对应的次级选择界面，通过次级界面对步进电机不同工作方式进行选择；
S4:步进电机根据选择的工作模式以及工作方式进行工作；
S5:在次级界面选择是否复位，复位则返回到步骤S2，不复位步进电机继续以该种工作模式以及工作方式进行工作。
在步骤S3中，当选择单步运行模式时，触摸屏切换到单步运行模式界面，在该界面中能够对步进电机的三种励磁方式以及对步进电机的正反转进行选择，在选择完成后，每按一下执行键，步进电动机以已选择的工作方式和方向转动一次，同时该界面上的三个指示灯能够按照所选工作方式和方向三相通电顺序依次点亮。
所述三种励磁方式分别为单三拍、双三拍和三相六拍运行方式。
在步骤S3中，当选择连续运行模式时，触摸屏切换到连续运行模式界面，在该界面中能够对步进电机的三种励磁方式以及对步进电机的正反转进行选择，在选择完成后，按下执行键，步进电动机以已选择的工作方式和方向进行连续转动，当需要步进电机停止转动时再按一次执行键即可，同时该界面上的三个指示灯能够按照所选工作方式和方向三相通电顺序依次点亮。
在步骤S3中，当选择加减速运行模式时，触摸屏切换到加减速运行模式界面，在该界面中因加减速运行是预先设置好的速度，故只需要按下执行键，步进电机就会开始加减速运行，同时该界面中的趋势图表能够显示出加减速运行曲线。
在步骤S3中，当选择调速运行时，触摸屏切换到调速运行界面，在该界面中需要先手动设置转速，转速范围在1-120r/min，设好转速按下执行键，步进电机开始工作调速到预设速度，同时该界面中的趋势图表能够显示出调速运行曲线，完成后可以按下执行键停止，并设置新的速度进行试验。
所述触摸屏主界面设置有四个按钮，四个所述按钮分别对应四种工作模式，所述单步运行、连续运行工作模式界面均设置有六个按钮和三个指示灯，六个所述按钮包括单三拍运行、双三拍运行、三相六拍运行、正反转切换、执行以及复位按钮，三个所述指示灯用于按照所选运行方式和方向三相通电顺序依次点亮；所述加减速运行工作模式界面设置有两个按钮和一个趋势图表，两个所述按钮包括执行和复位按钮，步进电机在做加减速运行时，所述趋势图表用于显示加减速运行曲线；所述调速运行工作模式包括速度调节界面，所述速度调节界面设置有两个按钮、一个趋势图表和一个数值输入框，两个所述按钮包括执行和复位按钮，所述数值输入框用于预先手动输入转速，所述转速范围在1-120r/min，所述趋势图表用于显示调速运行曲线。
请参考图9，在单步运行模式中，因为脉冲分配器芯片可以自动进行脉冲分配，故只需要控制脉冲分配器芯片的引脚即可。因控制励磁方式的端口有两个，故需要用M0、M1、M2的其中一个置位，而其他两个不置位状态进而控制Y4、Y5置0或置1，当M0置位时Y4、Y5分别为1、0，这时步进电机为单三拍励磁方式，当M1置位时Y4、Y5分别为1、1，这时步进电机为双三拍工作方式，当M2置位时Y4、Y5分别为0、0，这时步进电机为三相六拍工作方式。用辅助继电器M3来控制端口Y3进而控制步进电机正反转。用辅助继电器M5控制Y7进而控制脉冲分配器芯片复位，同时复位步进电机的励磁和正反转以及执行的辅助继电器。辅助继电器M10控制单步运行的数据写入，当通过触摸屏选择单步运行时就会置位辅助继电器M10。通过特定的频率和脉冲数，在点动M15时就可以实现三相反应式步进电动机单步运行。另外通过程序可以使三个指示灯按脉冲分配器分配三相脉冲顺序点亮，更直观的观察三相反应式步进电机的运行方式。
请参考图10，在连续运行模式中，连续运行的工作方式和单步运行的工作方式相似，通过Y4、Y5两个端口控制步进电机励磁方式，用辅助继电器M3控制Y3的得失电进而控制步进电动机的正反转，通过辅助继电器M5控制系统进行复位。当在触摸屏上选择连续运行模式时，将会自动置位M11，写入连续运行数据。设定转速为2.5r/min，以便能够通过三个指示灯看清楚三相反应式步进电机三种励磁方式的通电顺序。
请参考图11，在加减速运行模式中，为了提高步进电机在加速或减速过程中的加速度和速度变化时的平滑性，降低对步进电动机的损害，且能够保证很好的性能和平稳、精确的控制效果，步进电机在加速时应满足以下关系：
式中，a为预先设定的加速度；
Vt为步进电机运行实际速度；
Vm为步进电机运行最大速度；
Vs为步进电机的起始速度；
Ve为步进电机的终止速度；
式中，当t＝T1时：
设加速段总时间为T，则
T2＝T，则
假设加减速时加速度都为a，Sa和Sb分别为加速段和减速段的位移，则：S＝Sa＝Sb＝(Vm2-Vs2)/a
从而得出式中：
通过第一个式和最后一个式可以求出加速曲线方程，减速曲线公式同理求出。在求出S型加减曲线后对其进行离散化，其中离散化方法使用定时脉冲串输出法，即整个加减速时间分成若个时间段并通过定时器发出一段频率不变的脉冲，脉冲数量为时间与频率相乘。在离散化后，把计算出的频率、脉冲数量按照先后顺序依次输入给步进电机，即可实现步进电机的S型曲线加减速。本发明输入给步进电机的方法是通过定时器给定规定离散化时间，并用定时器带定时计算，同时传送1给左移指令，每隔一次离散化时间就会置位T203，则左移指令里的数据向左移动一位，其中k4M130表示的是辅助继电器从M130开始到M146，故每当一个周期就会顺序置位一个辅助继电器并中断上一个输入数据的辅助继电器。用比较指令对左移指令里的数据寄存器D10和1024比较，当D10里的数据等于1024时就会置位辅助继电器M122从而进行复位，使左移循环停止并开始下一步。S型曲线的下降曲线和上升部分程序相似，只不过把左移指令更换为右移指令。
在调速运行模式中，本发明速度调节是使用步进电机作为执行机构、使用光电编码器作为反馈机构形成的闭环调速系统，通过输入任意步进电机最大转速之内得速度，进行自动调节。
请参考图12，速度调节主要使用PLC得PID指令调节，它的使用能很大程度的简化程序，只需要输入设定值、测量值以及系统的参数就能够对系统进行调节。PID调节被称为比例微分积分调节。比例调节会增大比例增益会减小系统稳态误差，但会降低相对稳定性。积分调节能够提高系统型别，但会降低系统稳定性。微分调节助于改善系统的动态性能，但微分时间常数过大，会使系统不稳定。
PID指令在使用中，设定正确得参数是PID指令正常运行的基本，其中TS、ACT、α、KP、TI、KD、TN七个参数是必须设定的。它们的工程整定方法主要有：临界比例法、阶跃响应法、试凑法等。本发明使用的是试凑法，它是目前工业生产中应用最广泛的一种方法，即先用优选法进行比例增益P的整定，选出最佳值，然后对积分增益整定，按照P、I一起增大或一起减小的原则进行整定，最后在对微分环节进行整定。
请参考图13，速度的测量是用光电编码器把步进电机的速度转化为数字量输入给PLC中的高速计数器中，通过PLC的内部计算从而实现速度的输出。其中高速计数器只对应固定的输入端口X0～X5进行计数，本发明使用的是1型AB相计数输入型高速继数器，主要是通过A相进行计数，B相是方向辨别端。本发明速度测量程序是光电编码器在1秒中把速度转换的脉冲输入到C251中，通过计算最后把速度存储到D25寄存器中运用。程序M160为起动速度测量，开始后定时器T2开始计数循环时间为1s，也就是说每个一秒刷新一次C251计数器的数据，通过mov指令把C251里的数据写到寄存器D15中，然后把D15里的数据转为实数，再除以600，此时为每秒的转速，需要再乘以60转变为转每分钟，在进行整数化。
请参考图14，通过上述方法求出七个主要参数后写入相应的寄存器中，并对调节后的参数进行处理，写入步进电机中。
其中D35里写入的为采样时间，为0.5S、D36里写入的是动作方向、D37里写入的是滤波常数，本发明选用百分之五十的滤波、寄存器D38、寄存器D39、寄存器D40以及寄存器D40分别写入的是KP、TI、KD以及Tn。然后用触摸屏把预设转速写入到寄存器D60里，在执行速度调节时就可以把D60的数据用传送指令写入到D30里进行速度调节。然后把调节好的数据D32进行数据处理后写入到脉冲输出程序中。
本发明中未详细阐述的其它技术方案均为本领域的现有技术，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于PLC的步进电机实验装置；包括实验台，其特征在于，所述实验台上设置有PLC控制器、人机交互界面、PC端、手动控制按钮、脉冲分配器、步进电机驱动电路、步进电机、光电编码器，所述人机交互界面用于控制所述PLC控制器的输入输出以及整个实验装置状态的监控，所述PC端用于对所述PLC控制器进行程序的修改和监控，所述PLC控制器通过脉冲分配器、步进电机驱动电路与所述步进电机相连，所述PLC控制器用于输出设定频率的脉冲信号并经脉冲分配器、步进电机驱动电路实现步进电机的运动，所述PLC控制器与所述步进电机之间还设置光电编码器，所述光电编码器用于对步进电机速度的测量并反馈给PLC控制器。
2.根据权利要求1所述一种基于PLC的步进电机实验装置，其特征在于，所述人机交互界面包括触摸屏，所述触摸屏通过RS232、FX3UPLC进行与所述PLC控制器的通信，所述触摸屏通过角度调节组件与所述实验台连接。
3.根据权利要求1所述一种基于PLC的步进电机实验装置，其特征在于，所述步进电机驱动电路为三相反应式步进电动机驱动电路，所述三相反应式步进电动机驱动电路包括整流电路、稳压电路、放大电路，所述整流电路用于对降压后的电源进行整流，所述稳压电路用于对整流电路输出电压进行稳压，所述放大电路用于放大电流进而放大输入信号功率。
4.根据权利要求3所述一种基于PLC的步进电机实验装置，其特征在于，所述PLC控制器还与电源模块相连，所述电源模块采用220V交流电源来供电，通过变压器将电压调节为13.6V，并通过所述整流电路整流成供所述放大电路使用的直流电源，所述整流电路为桥式整流电路，所述桥式整流电路包括四个IN4007大功率二极管。
5.根据权利要求1所述一种基于PLC的步进电机实验装置，其特征在于，所述实验台上还设置有磁粉制动器和张力控制器，所述磁粉制动器与所述步进电机同轴连接，所述磁粉制动器用于使步进电机模拟带负载运行，所述张力控制器用于调节所述磁粉制动器转矩的大小。
6.一种基于PLC的步进电机实验方法，其特征在于，该方法使用权利要求1-5任一项所述的实验装置，包括以下步骤：
S1:预先通过PC端对PLC控制器内部程序进行设置，使步进电机具备四种工作模式，四种所述工作模式包括单步运行模式、连续运行模式、加减速运行模式和调速运行模式，并预先对触摸屏内部操作界面进行设置；
S2:通过触摸屏主界面对步进电机工作模式进行选择；
S3: 触摸屏通过对不同工作模式的选择，切换到对应的次级选择界面，通过次级界面对步进电机不同工作方式进行选择；
S4:步进电机根据选择的工作模式以及工作方式进行工作；
S5:在次级界面选择是否复位，复位则返回到步骤S2，不复位步进电机继续以该种工作模式以及工作方式进行工作。
7.根据权利要求6所述一种基于PLC的步进电机实验方法，其特征在于，在步骤S3中，当选择单步运行模式时，触摸屏切换到单步运行模式界面，在该界面中能够对步进电机的三种励磁方式以及对步进电机的正反转进行选择，在选择完成后，每按一下执行键，步进电动机以已选择的工作方式和方向转动一次，同时该界面上的三个指示灯能够按照所选工作方式和方向三相通电顺序依次点亮。
8.根据权利要求7所述一种基于PLC的步进电机实验方法，其特征在于，所述三种励磁方式分别为单三拍、双三拍和三相六拍运行方式。
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