基于S7-200PLC步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制—步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速起停、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn) ,所以常用作工業(yè)過(guò)程控制及儀器儀表，使用 PLC 可編程控制器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了模塊化結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分靈活，而且編程語(yǔ)言簡(jiǎn)短易學(xué)，便于掌握，可以進(jìn)行在線(xiàn)修改，柔性好，體積小，維修方便。 本設(shè)計(jì)是利用 PLC 做進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制核心，用按鈕開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)正 ,反轉(zhuǎn)控制，而且正，反轉(zhuǎn)切換無(wú)須經(jīng)過(guò)停車(chē)步驟。其次可以通過(guò)對(duì)按鈕的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高，低速度的控制。充分發(fā)揮 PLC 的功能，最大限度地滿(mǎn)足被控對(duì)象 的控制要求，是設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)最重要的一條原則。本設(shè)計(jì)更加便于實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的制動(dòng)化控制。其主要內(nèi)容如下： 1 了解 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的工作原理 2 掌握 PLC 的硬件構(gòu)成，完成硬件選型 3 設(shè)計(jì) PLC 的控制系統(tǒng) 4 用 STEP 7 完成 PLC 的編程 關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)； PLC 控制；電機(jī)正反轉(zhuǎn)；高低速控制 Abstract Stepper motor has a quick starts and stops, precision stepping and positioning features, commonly used for industrial process control and instrumentation, PLC programmable controller stepper motor drive can stepper motor anti-interference ability, high reliability, at the same time, due to the modular structure, the system structure is very flexible, and programming languages brief to learn, easy to master, can be modified online, good flexibility, small size, easy maintenance. This design is the use of PLC built into the core of the motor control button to switch on and off to the stepper motor is the reverse control, and positive, reverse switch without having to go through the parking step. Followed by the button control to achieve the high and low speed control. Give full play to the functions of PLC as possible to meet the control requirements of the controlled object is the most important prerequisite for the design PLC control system, which is designed to the most important principle. This design is easier to achieve braking control of the stepper motor. Its main contents are as follows: An understanding of PLC control the working principle of the stepper motor 2 grasp the PLC hardware structure, the completion hardware selection 3 Design of PLC control system 4 complete PLC programming with STEP 7 Key words: Stepper motor； PLC control； motor reversing； high and low speed control 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 1 緒論 . 1 1.1 PLC 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究和意義 . 1 1.2 國(guó)內(nèi)外 PLC 的發(fā)展 . 1 1.3 國(guó)內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況 . 2 1.4 PLC 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要研究工作 . 3 2 步進(jìn)電機(jī)及 PLC 簡(jiǎn)介 . 4 2.1 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 . 4 2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi) . 4 2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) . 4 2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) . 5 2.2 步 進(jìn)電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用 . 5 2.3 PLC 的特點(diǎn) . 6 2.4 PLC 技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用 . 6 3 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)工作方式 的選擇 . 8 3.1 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的工作方式 . 8 3.2 步進(jìn)電機(jī)控制原 理 . 8 3.2.1 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序 . 8 3.2.2 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 . 8 3.2.3 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 . 8 3.3 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的方法 . 9 3.4 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路 . 10 4 S7-200PLC 控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計(jì) . 12 4.1 S7-200PLC 的介紹 . 12 4.1.1 硬件系統(tǒng) . 12 4.1.2 軟元件 . 13 4.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 . 14 4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) . 15 4.3.1 驅(qū)動(dòng)器的選擇 . 15 4.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 . 16 4.3.3 驅(qū)動(dòng)電路接口 . 16 4.3.4 電氣原理圖 . 17 4.4 PLC 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) . 17 5 S7-200PLC 控制步進(jìn)電機(jī)軟件設(shè)計(jì) . 19 5.1 STEP7-MICRO/WIN32 概述 . 19 5.1.1 基本功能 . 19 5.1.2 運(yùn)動(dòng)控制 . 19 5.1.3 創(chuàng)建調(diào)制解調(diào)模塊程序 . 19 5.2 程序的編寫(xiě) . 21 5.3 梯形圖程序設(shè)計(jì) . 22 5.3.1 CPU 的選擇 . 22 5.3.2 輸入輸出編址 . 22 5.3.3 狀態(tài)真值表 . 22 5.4 梯形圖程序 . 23 6 總結(jié) . 30 6.1 全文總結(jié) . 30 6.2 不足之處及展望 . 30 致謝 . 31 參考文獻(xiàn) . 32 1 緒論 1.1 PLC步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究和意義 基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)良好的控制和 準(zhǔn)確定位特性，被廣泛應(yīng)用在精確定位方面，諸如數(shù)控機(jī)床、噴繪機(jī)、工業(yè)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制計(jì)算裝置、自動(dòng)記錄儀表等自動(dòng)控制領(lǐng)域。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯控制器的功能不斷擴(kuò)展和完善，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制的范圍，具有了 A/D、 PID、 D/A、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)字量智能控制、通信聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控等多方面的功能，它已變成了實(shí)際意義上的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 PLC 作為簡(jiǎn)單化的計(jì)算機(jī)，以其可靠性高、通用性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單、體積小、維修工作少、現(xiàn)場(chǎng)接口安裝方便、易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，在全世界廣泛應(yīng)用，為生產(chǎn)生活帶來(lái) 巨大效益方便。PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于組合機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上的數(shù)控滑臺(tái)控制，可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng)使該單元的控制系統(tǒng)成本降低 70 90%，而且只占用自動(dòng)線(xiàn)控制單元 PLC 1KB 的內(nèi)存及 3 5 個(gè) I/O 接口。特別是在大型自動(dòng)線(xiàn)中可以使控制系統(tǒng)的成本明顯下降。因此，通過(guò)研究用 PLC 來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的，既可實(shí)現(xiàn)精確定位控制，又能降低控制成本，還有便于維護(hù)。 1.2 國(guó)內(nèi)外 PLC的發(fā)展 PLC 又稱(chēng)可編程序控制器 PC，是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相接合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī) 1。 PLC 是在 20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國(guó)科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算 、 順序控制等操作指令，并通過(guò)模擬的、 數(shù)字 的輸入和輸出，控生產(chǎn)過(guò)程 或 各種類(lèi)型的機(jī)械?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。 PLC 自產(chǎn)生至今只有 30 多年的歷史，卻得到了廣泛應(yīng)用 和 迅速發(fā)展，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。發(fā)展過(guò)程 和 產(chǎn)生 ， 現(xiàn)代社會(huì)要求生產(chǎn)廠家對(duì)市場(chǎng)的需 求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多規(guī)格、多品種 、 高質(zhì)量 和 低成本的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置 去 取代 它 。 自 1969 年針對(duì)工業(yè)自動(dòng)控制的需求和特點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的第一臺(tái) PLC 問(wèn)世以來(lái)，迄今已經(jīng)30 多年了，它的發(fā)展雖然包含了前期控制技術(shù)的演變和繼承，但又不同于通用的微機(jī)控制裝置和順序控制器。它不僅充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足各種領(lǐng)域的控制需求，同時(shí)也照顧到現(xiàn)場(chǎng)操作技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，擯棄了微機(jī)常用的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的表達(dá)形式，獨(dú)具風(fēng)格地形成一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的 模塊化的軟件結(jié)構(gòu)和形象編程語(yǔ)言，使用戶(hù)程序的編制方便易學(xué)、清晰直觀，查錯(cuò)和調(diào)試都很容易。用戶(hù)使用 PLC 只需按說(shuō)明書(shū)提示，做少量的安裝接線(xiàn)和用戶(hù)程序的編制工作，就可方便而靈活地將 PLC 應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。而用戶(hù)程序的編制、調(diào)試和修改不需要具有專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)。這樣就更加便于使用和修改，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的普遍應(yīng)用。可編程序控制器 PLC 在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中是最值得重視的先進(jìn)控制技術(shù)。 PLC 現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（ PLC、ROBOT、 CAD/CAM）之一，以其可靠性、體積小、邏輯功能強(qiáng)、在線(xiàn)修改控制程序 、遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能、對(duì)模擬量進(jìn)行控制、易于與計(jì)算機(jī)接口、具有位控等高性能模塊與告訴 計(jì)數(shù)等優(yōu)異性能，日益取代由大量時(shí)間繼電器、中間繼電器、計(jì)數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電器。 PLC 自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世界總銷(xiāo)售額不斷上升、生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅上升但價(jià)格卻不斷的下降。 目前，世界上有 200 多個(gè)廠家生產(chǎn) PLC，比較有名的：美國(guó)：莫迪康公司、 AB 通用電氣；日本：富士、三菱、松下電工、歐姆龍；法國(guó)： TE 施耐德公司；德國(guó)：西門(mén)子公司；韓國(guó)： LG、三星公司等。 我國(guó)的 PLC 產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)經(jīng)歷了三個(gè)階段：順序控制器（ 1973 1979） 一位處理器為主的工業(yè)控制器（ 1979 1985） 8 位微處理器為主的可編程序控制器（ 1985以后）。在對(duì)外開(kāi)放政策的推動(dòng)下，國(guó)外 PLC 產(chǎn)品大量進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，一部分隨成套設(shè)備進(jìn)口。如寶鋼一、二期工程就引進(jìn)了 500 多套，還有秦皇島煤碼頭、汽車(chē)廠、咸陽(yáng)顯像管廠等?，F(xiàn)在， PLC 在國(guó)內(nèi)的各行各業(yè)也有了極大的應(yīng)用，技術(shù)含量也越來(lái)越高。 1.3 國(guó)內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)以外的第三 類(lèi)電動(dòng)機(jī)，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類(lèi)的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟?lèi)社會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿(mǎn)足工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中都有自己特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的一類(lèi)便是步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)有著密切關(guān)系。自從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動(dòng)機(jī)以后，使設(shè)備的性能顯著提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展 ，又把作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如小功率機(jī)械加工機(jī)床、電加工機(jī)床、光學(xué)、測(cè)量?jī)x器、和包裝機(jī)械以及醫(yī)療儀器等。任何一種產(chǎn)品成型的過(guò)程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡(jiǎn)化的過(guò)程。現(xiàn)在，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展已歸結(jié)為爪極結(jié)構(gòu)的永磁式、單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式和混合式三類(lèi)。爪極永磁式電機(jī)價(jià)格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動(dòng)機(jī)，由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制功率小，運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是五相 10 極 50 齒和一些轉(zhuǎn)子 100 齒的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，五相電動(dòng)機(jī)主要用 于運(yùn)行性能較高的場(chǎng)合，還有二相八極 50 齒的電動(dòng)機(jī)，步距角 1.8 0.9（全步半步）。到目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已極少見(jiàn)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大的生產(chǎn)國(guó)是日本，如日本伺服公司、 SANYO、東方公司、 DENKI、NPM 及 MINEBEA 公司等，特別是日本東方公司，無(wú)論是電動(dòng)機(jī)性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱(chēng)是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量（含國(guó)外獨(dú)資公司）近 2 億臺(tái)，德國(guó)也是世界上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)大國(guó)。德國(guó) B.L.公司 1994 年五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專(zhuān)利期滿(mǎn)后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系 列，為定子 6 極轉(zhuǎn)子 50 齒結(jié)構(gòu)，配套電流型驅(qū)動(dòng)器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為 200、 400、 1000、 2000、 4000、 10000 和 20000，它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，在此基礎(chǔ)上再 10 細(xì)分，分辨率提高 10 倍，這是一種很好的方案，充分運(yùn)用了電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的功能，讓三相電動(dòng)機(jī)同時(shí)具備二相和五相電動(dòng) 機(jī)的性能。與此同時(shí)，日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該公司阪正文博士研制了三種不同的永磁式三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，即 HB 型（混合式）、 RM 性（磁阻式）和爪極 PM 型。將三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較后得 出： （ 1） 在獲得小步距角方面，三相電動(dòng)機(jī)比二相電動(dòng)機(jī)要好。 （ 2） 三相電動(dòng)機(jī)的兩相勵(lì)磁最大保持力矩為 3T1（ T1 為單相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩），而二相電動(dòng)機(jī)為 2T1，所以三相電動(dòng)機(jī)的合成力矩大。 （ 3） 三相電動(dòng)機(jī)連續(xù) 2 步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動(dòng)機(jī)的要小。 （ 4） 三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比二相電動(dòng)機(jī)要小。 （ 5） 三相電動(dòng)機(jī)繞組可以星形連接，三個(gè)終端驅(qū)動(dòng)，勵(lì)磁電路晶體管 6 個(gè)； 而二相電動(dòng)機(jī)是 8 個(gè)。 （ 6） 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原因，磁通和電流的三次諧波被消除了，所以三相電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)力矩比二相電動(dòng)機(jī)的要小 .結(jié)論是顯而易見(jiàn)的。 另外的結(jié)論是混合式型電動(dòng)機(jī)更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途；磁阻式型適用于平穩(wěn)運(yùn)行以及轉(zhuǎn)速大于 1000r/min 的用途；而爪極型成本低，在高轉(zhuǎn)速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)方面，三相 PM 型電動(dòng)機(jī)比兩相電動(dòng)機(jī)的性能要好。因此，當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 3。 我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的研究及制造起始于本世紀(jì) 50 年代后期。從 50 年代后期到 60 年代后期，主要是科研機(jī)構(gòu)和高等院校為研究一些裝置而開(kāi)發(fā)或使用少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。 70 年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映 在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究發(fā)展到一個(gè)較高水平。70 年代中期至 80 年年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電機(jī)不斷被開(kāi)發(fā)。自 80 年代中期以來(lái)，由于對(duì)步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛利用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)步進(jìn)電機(jī)形成一種品種規(guī)格繁多的局面，其中最主要的產(chǎn)品系列，一是 70 年代形成的磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品在低端應(yīng)用仍有較多的市場(chǎng)，繼續(xù)生產(chǎn)；二是混合式步進(jìn)電機(jī)的系列產(chǎn)品，包括生產(chǎn)設(shè)備和引進(jìn)技術(shù)，按照國(guó)外的設(shè)計(jì)生產(chǎn)的二相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)， 以及國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，仍然擁有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，短期內(nèi)很難統(tǒng)一到幾個(gè)限定的規(guī)格品種上。 這種現(xiàn)狀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展是不利的 4。 1.4 PLC步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要研究工作 掌握步進(jìn)電機(jī)的原理及其驅(qū)動(dòng)方法，掌握西門(mén)子 S7-200 PLC 的原理與程序設(shè)計(jì)方法。掌握步進(jìn)電機(jī)的電氣控制試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理，基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì) S7-200 PLC 程序，實(shí)現(xiàn)PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制。主要研究工作如下： （ 1）了解 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的工作原理 （ 2）掌握 PLC 的硬件構(gòu)成，完成硬件選型 （ 3）設(shè)計(jì) PLC 的 控制系統(tǒng) （ 4）用 STEP 7 完成 PLC 的編程 2 步進(jìn)電機(jī)及 PLC 簡(jiǎn)介 2.1 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€(xiàn)位移或角位移的執(zhí)行元件 。 在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于電動(dòng)機(jī)的工作原理和其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別，具有其它電動(dòng)機(jī)所沒(méi)有的特性。因此，沿著小型、高效、低價(jià)的方向發(fā)展。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由此而得名。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是在專(zhuān)用的脈沖電源供電下進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)子的角位移量，或者說(shuō)轉(zhuǎn)子走過(guò)的步數(shù)，與輸入脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，只需改變輸入脈沖的順序， 就能方便地改變其轉(zhuǎn)向。另外， 可以通過(guò)控制 脈沖頻率 來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度和速度，從而達(dá)到調(diào) 節(jié) 速 度 的目的 。這些特點(diǎn)使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別。由上述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，使得由它和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既具有較良好的控制性能，高的控制精度，又能可靠穩(wěn)定地工作。因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)剛出現(xiàn)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷過(guò)一個(gè)巨大的發(fā)展階段 5。 2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi) 按其工作方式分為功率式和伺服式：功率式輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)較大的負(fù)載；伺服式輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動(dòng)較小的負(fù)載，對(duì)于大負(fù)載需通過(guò)液壓放大 元件來(lái)傳動(dòng)。 按結(jié)構(gòu)分為單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。 按使用頻率分為高頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和低頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 按運(yùn)動(dòng)方式：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)和滾切運(yùn)動(dòng)。 按工作原理：反應(yīng)式（磁阻式）、永磁式、永磁感應(yīng)子式（混合式）。 反應(yīng)式： 定子上有轉(zhuǎn)子、繞組由軟磁材料組成。步距角小，成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但效率低、動(dòng)態(tài)性能差、發(fā)熱大，可靠性難 以 保證。 永磁式 ：永磁式 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，定子的極數(shù)與轉(zhuǎn)子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，但 是 電機(jī)精度差，步矩角大（一般為 7.5或 15）。 混合式 ：混合式 步進(jìn)電機(jī)綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有轉(zhuǎn)子、多相繞組上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上 都 有多 數(shù) 小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是步距角小 、 輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，但成本相對(duì)較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 按定子上繞組來(lái)分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，約占 97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性?xún)r(jià)比高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為 1.8/步，配上半步驅(qū)動(dòng)器后，步距角減少為 0.9，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后其步距角可細(xì)分達(dá) 256 倍（ 0.007/微步）。由于制造摩擦力 和精度等原因，實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器以改變精度和效果 6。 2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) （ 1） 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)生產(chǎn)時(shí)給出了一個(gè)步距角，這個(gè)步距角可稱(chēng)之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正步距角與驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 （ 2） 保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)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)在低速運(yùn)行時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的輸出力矩是隨著速度的 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。例如，當(dāng)人們說(shuō) 4Nm 的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 4Nm 的步進(jìn)電機(jī)。 （ 3） 鉗制轉(zhuǎn)矩 鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有鉗制轉(zhuǎn)矩。 （ 4） 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線(xiàn)圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)不同，其步距角也會(huì)不同，一般二相電機(jī)的步距角為 0.9 /1.8、三 相的為 0.75 /1.5、五相的為 0.36 /0.72 。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿(mǎn)足自己步距角的需求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)就變得毫無(wú)意義，用戶(hù)只要在驅(qū)動(dòng)器上更改細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角 7。 2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)如下： （ 1） 步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有積累誤差：一般步進(jìn)電機(jī)的精度為實(shí)際步距角的百分之三到五，且不累積 ，具有良好的跟隨性。 （ 2） 電動(dòng)機(jī)輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比；轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)向與通電相序有關(guān)。當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，沒(méi)有累積誤 差，具有良好的跟隨性。 （ 3）由驅(qū)動(dòng)電路與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常非常可靠、廉價(jià)又簡(jiǎn)單。同時(shí)，它也能與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 （ 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及變速。 （ 5）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。 （ 6）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進(jìn)電機(jī)使用在對(duì)速度和位置都有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。 （ 7）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 （ 8）步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 （ 9）步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源以及直流電源 8。 2.2 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用 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，由于步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，通過(guò)控制脈沖數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，且步進(jìn)電機(jī)的 誤差不累積，能夠達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過(guò)控制頻率改變步進(jìn)電機(jī)的加速度和轉(zhuǎn)速，達(dá)到任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種不同的系統(tǒng)領(lǐng)域中。 步進(jìn)電機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)超過(guò)其他電動(dòng)機(jī)，這些優(yōu)勢(shì)與精密控制有關(guān)，以及其相對(duì)較低的成本，步進(jìn)電機(jī)有許多高科技技術(shù)應(yīng)用在程序上， 例如機(jī)械手臂、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)、錄像機(jī)、 機(jī)器人和遙控車(chē) 等。另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。 2.3 PLC的特點(diǎn) （ 1） 通用性強(qiáng)，使用方便。由于 PLC 產(chǎn)品的模塊化和系列化， PLC 配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶(hù)選用。當(dāng) 控制對(duì)象的硬件配置確定以后就可通過(guò)修改用戶(hù)程序，快速方便地適應(yīng)工藝條件的 種種 變化。 （ 2） 功能性強(qiáng)，適 用 面廣?，F(xiàn)代 PLC 不僅具有計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、邏輯運(yùn)算、順序控制等功能，而且還具有 D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值運(yùn)算等功能。 因此，它既可對(duì)模擬量進(jìn)行控制，也可對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，既可控制 1 條生產(chǎn)線(xiàn)、 1 臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械，也可控制 1個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。 PLC 還具有通訊聯(lián)絡(luò)功能，可與上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控功能。 （ 3） 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。絕大多數(shù)用戶(hù)都 把 可靠性作為選擇控制裝置的 前提條件。針對(duì) PLC 是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán) 境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，故采取了一系列軟件和硬件抗干擾措施。硬件方面，隔離是抗干擾的主要措施之一。 PLC 的輸入、 輸出電路一般用光電耦合器來(lái)傳遞信號(hào)，使外部電路與 CPU 之間無(wú)電路聯(lián)系， 有效地抑制了外部干擾源對(duì) PLC 的影響，同時(shí)，還可防止外部高電壓竄入 CPU 模塊。濾波是抗干擾的另一主要措施，在 PLC的 I/O 模塊和電源電路中， 設(shè)置了多種濾波電路，對(duì)高頻干擾信號(hào)有 很好 的抑制作用。軟件方面，設(shè)置故障檢測(cè)與診斷程序。釆用以上抗干擾措施后，一般 PLC 無(wú)故障 平均 時(shí)間 可達(dá)到 4 萬(wàn) 5 萬(wàn)小時(shí)。 （ 4） 編程方法簡(jiǎn)單，容易掌握。 PLC 配備有易于掌握和接受的梯形圖語(yǔ)言。 該語(yǔ)言編程表達(dá)方式和元件的符號(hào)與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。 （ 5） 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維修方便。 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的計(jì)數(shù)器等部件、時(shí)間繼電器、中間繼電器，控制柜的設(shè)計(jì)、安裝接線(xiàn)工作量大為減少。 PLC 的用戶(hù)程序大都可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，調(diào)試好后再將 PLC 控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)。在維修方面， PLC 的故障率很低，且有完善的診斷和實(shí)現(xiàn)功能，一旦 PLC 外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障，就可根據(jù) PLC 上發(fā)光二極管或編程器上提供的 信息， 快速 查明原因。若是 PLC 本身問(wèn)題，則可更換模塊， 快速 排除故障，維修極為方便。 （ 6） 質(zhì)量小、體積小、功耗低，由于 PLC 是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備的新型產(chǎn)品，因而結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，體積小，質(zhì)量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和適應(yīng)環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此， PLC 很容易裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化較理想的控制設(shè)備 9。 PLC 控制 系統(tǒng)既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。 2.4 PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用 隨計(jì)算著微電子技術(shù)發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā) 展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類(lèi)整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來(lái)越小。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電 動(dòng)機(jī)更好一些 10。 目前利用可編程序控制器（即 PLC 技術(shù)）可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。 用 PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能，現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出軸便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù) (即脈沖頻率 )成正 比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的頻率、數(shù)量及電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的速度、輸出位移量和轉(zhuǎn)向。 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由 PLC 和步進(jìn)電機(jī)組成， PLC 具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且， PLC 有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù) 10V 級(jí)脈沖電壓、 1A 級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。 3 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇 3.1 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的工作方式 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的工作方式有以下三種： 1.三相單三拍： A B C A 圖 3.1 三相單三拍工作方式時(shí)序圖 2.三相雙三拍： AB BC CA AB 圖 3.2 三相雙三拍工作方式時(shí)序圖 3.三相六拍： A AB B BC C CA A 圖 3.3 三相六拍工作方式時(shí)序圖 3.2 步進(jìn)電機(jī)控制原 理 3.2.1 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序 通電換向這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式，其各相通電順序 為 A B C A，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、 B、 C、 D 相的通斷 。 3.2.2 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序通電換相，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 3.2.3 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 每次給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)動(dòng)一步。兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)得越快。調(diào)節(jié)發(fā)出的脈沖頻率，就能對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。 3.3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法 在本設(shè)計(jì)中使用 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)，可使用 PLC 產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各種時(shí)序的脈沖。三相步進(jìn)電機(jī)可采用三 種工作方式：三相單三拍，三相雙三拍，三相單六拍。這三種方式的主要區(qū)別是 :電機(jī)繞組的通電、放電時(shí)間不同。工作方式是單三拍時(shí)通電時(shí)間最短，雙三拍時(shí)允許放電時(shí)間最短，六拍時(shí)通電時(shí)間和放電時(shí)間最長(zhǎng)。因此，同一脈沖頻率時(shí)，六拍的工作方式出力最大。而且，電機(jī)是三拍的工作方式時(shí)，其分辨率為 3 度，六拍的工作方式時(shí)，分辨率是 1.5 度。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性好，步進(jìn)電機(jī)分辨率最高。 三相六拍步進(jìn)電機(jī)是一典型徑向分相、單定子、反應(yīng)式伺服電機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理圖與普通電機(jī)一 樣 , 分為轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)部分 , 其中定子又可分為定子繞組和定子鐵芯。定子鐵芯由電工鋼片疊壓而成。定子繞組繞制在定子鐵芯上 , 六個(gè)均勻分布齒上的線(xiàn)圈 , 在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線(xiàn)圈串聯(lián)在一起 , 構(gòu)成一相控制繞組。三相步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成三相控制繞組 , 若任一相繞組通電 , 便形成一組定子磁極。在定子的每個(gè)磁極上 , 即定子鐵芯上的每個(gè)齒上開(kāi)了五個(gè)小齒 , 齒槽等寬 , 齒間夾角為 9 , 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組 , 只有均勻分布的個(gè) 40 小齒 , 齒槽也是等寬的 , 齒間夾角也是 , 與磁極上的小齒一致。此外 , 三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開(kāi) 1 3 齒距 ,。當(dāng) A 相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊時(shí) , B 相磁極上的齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子齒輪 1 3 齒距角 , C 相磁極齒超前或滯后轉(zhuǎn)子齒 2 3齒距角。 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的工作原理：當(dāng) A 相繞組通電時(shí) , 轉(zhuǎn)子的齒與定子 AA 上的齒對(duì)齊。若 A 相斷電 , B 相通電 , 由于磁力的作用 , 轉(zhuǎn)子的齒與定子 BB 上的齒對(duì)齊 , 轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò) 3 , 如果控制線(xiàn)路不停地按 A B C A的循環(huán)順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通電、斷電 , 步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn) 子便不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) , 這是三相三拍工作原理。而當(dāng) AB同時(shí)通電時(shí) , 由于兩個(gè)磁力的作用 , 定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次 , 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 1.5，原理與三相三拍相同 ,從而形成三相六拍 , 其通電順序?yàn)椋?正轉(zhuǎn) A AB B BC C CA A 反轉(zhuǎn) A AC C CB B BA A 可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式，以及所要求的頻率（步進(jìn)電機(jī)的速度），畫(huà)出 A、 B、 C各相的時(shí)序圖。并使用 PLC 產(chǎn)生各種時(shí)序的脈沖。例如：本設(shè)計(jì)采用西門(mén)子 S7-200PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過(guò)程 。 圖 3.4 三相單六拍正向時(shí)序圖 3.4 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖 3.5 所示： 圖 3.5 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)位移或者角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個(gè)大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量 、頻率及電機(jī)繞組通電的順序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡(jiǎn)單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長(zhǎng)度，若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動(dòng)機(jī) :從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法很多，按照使用的控制裝置來(lái)分可以分為 :普通集成工業(yè)控制機(jī)控制電路控制、可編程控制器控制、單片機(jī)控制等幾種；按照控制結(jié)構(gòu)可分為 :硬 脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu) (硬 -硬結(jié)構(gòu) )、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu) (軟 -軟結(jié)構(gòu) )、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu) (軟 -硬結(jié)構(gòu) ) 11。 （ 1） 硬 硬結(jié)構(gòu) 如圖 3.6 所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動(dòng) 器組成。這種控制驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行速度比較快，但是功能單一，電路復(fù)雜。 （ 2） 軟 軟結(jié)構(gòu) 如圖 3.7 所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。用工業(yè)控制機(jī) 、單片機(jī)、可編程序控制器控制步進(jìn)電機(jī)、普通個(gè)人計(jì)算機(jī)一般均可采用這種結(jié)構(gòu)。這種控制驅(qū)動(dòng)方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，但是占用 CPU 時(shí)間多，給微處理器運(yùn)行其他工作造成困難。 （ 3） 軟 硬結(jié)構(gòu) 如圖 3.8 所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和 硬件驅(qū)動(dòng)器組成。硬件脈沖分配器是通過(guò)脈沖分配器芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)通電換相控制的。這種控制驅(qū)動(dòng)方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，同時(shí)占用 CPU 時(shí)間較少，用可編程控制器全部實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器和控制器的功能。在 PLC 中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配 器，直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制，并且