基于plc控制的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計-畢業(yè)論文

1、基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計機械電子專業(yè) XXX指導教師 XXX摘要：以德國西門子公司小型可編程邏輯控制器S7200為中央處理單元，以步進電機作為控制對象。介紹了PLC的概念原理以及控制的優(yōu)點，步進電機的概念及工作原理，現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。PLC與步進電動機一起結(jié)合起來有很高的研究價值與意義。本文在介紹步進電機控制特點的基礎(chǔ)上,重點研究了步進電機的控制策略。設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件方案，并編寫了相應的控制流程，測試了實際控制效果，并提出相應的整改措施，達到更加合理高效的目標。對于使用步進驅(qū)動器的步進控制系統(tǒng)，控制器對步進電機的控制關(guān)鍵在于控制脈沖信號的產(chǎn)生。介紹了

2、使用該控制器產(chǎn)生控制脈沖信號的多種不同實現(xiàn)方法，進而實現(xiàn)對步進電機不同控制方法。關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；步進電機；控制策略；控制流程The Research Of Stepper Control Method Motor Based On PLCStudent majoring in Machinery and electronics specialty XXXTutor XXXAbstract：With small Germany Siemens S7-200 programmable logic controller of the central processing unit, wit

3、h stepping motor as control object. This paper introduces the concept of PLC principle and advantage of the control, the concept and working principle of stepper motor, the current situation and development direction. PLC combined with stepper motor has a high research value and significance. In thi

4、s paper, based on the introduction to the characteristics of the stepper motor control, step motor control strategies are researched. Design the hardware of the control system scheme, and write the corresponding control process, test the actual control effect, and puts forward the corresponding rect

5、ification measures, achieve more reasonable and efficient. For using stepper drive stepper control system, the controller of stepper motor control is the key to control the generation of pulse signal. This paper introduces the control using the controller a variety of different implementation method

6、s of the pulse signal, then the method to realize different control the stepper motor.Key words: Programmable logic controller; Stepping motor; The control strategy; Control the process引言 伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，科技的日新月異，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短，生產(chǎn)效率有了更高的要求，特別是計算機技術(shù)的廣泛的推廣和普及，信息產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了它無與倫比的優(yōu)越性和高效性，其中可編程邏輯器件就有了更多的用武之地?？删幊绦蚩刂破?pro

7、grammable logic controller)，俗稱PLC，它是一種基于數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，現(xiàn)在在工業(yè)環(huán)境設(shè)計中它產(chǎn)生了很高的價值，并帶來了很大的效益。PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用, 同時微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的更新，其功能也相應的得到了很大的發(fā)展，PLC已經(jīng)不再局限于邏輯控制、順序控制的普通技術(shù)層面，現(xiàn)在已經(jīng)深入到模擬量控制，甚至遠程通信功能等高技術(shù)領(lǐng)域。所以PLC與CADCAM、機器人技術(shù)一起被稱為當代工業(yè)自動化的三大支柱1。PLC不僅僅具有數(shù)據(jù)采集、邏輯處理功能，同時還兼具有高速脈沖輸出和采集功能。隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。從技術(shù)水平

8、上看，計算機技術(shù)的不斷更新，技術(shù)平臺的更加高效，可編程控制器可以以此作為平臺，在設(shè)計和制造上更加事半功倍，特別是在運算速度、存儲容量、智能化方面會變的更快、更大、更強；從產(chǎn)品規(guī)模上看，PLC會基于計算機技術(shù)向超小型和超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，PLC產(chǎn)品的種類會更豐富、規(guī)格更加完善，人機操作界面方面會變得更加人性化，強大的通信設(shè)備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從技術(shù)研發(fā)方面上看，很多國家都很重視PLC技術(shù)的開發(fā)設(shè)計，并將它的發(fā)展水平作為科技發(fā)展水平的一項很重要的方面，國際競爭會更加激烈，而激烈的市場效率競爭會出現(xiàn)少數(shù)幾個強大的品牌壟斷國際市場的局面，便會產(chǎn)生國際通用的編程語言，更

9、加適合技術(shù)的交流和應用。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和強大技術(shù)支持，可編程控制器將成為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，并將在工業(yè)及工業(yè)以外的許多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，并創(chuàng)造著越來越大的效益2。步進電機是機電一體化產(chǎn)品中扮演著很重要的角色，步進電動機經(jīng)常用在精確定位控制和定速控制，它能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。步進電機作為常用的一種電氣執(zhí)行元件，由于其具有精度精準、慣性影響小、工作穩(wěn)定，能在高精度快速開環(huán)控制的時候發(fā)揮它的優(yōu)勢，被廣泛應用在各種不同的自動化控制領(lǐng)域。PLC與步進電機的結(jié)合控制模式在各種工業(yè)化生產(chǎn)、自動化控制系統(tǒng)和精密制造機械行業(yè)等領(lǐng)域

10、的研究備受人們所關(guān)注和期待。本文以這樣一個系統(tǒng)為對象，探討使用PLC實現(xiàn)對步進電機控制的多種不同方法。1 概述1.1 關(guān)于PLC和步進電機的狀況1.1.1 PLC方面 PLC，即可編程控制器(Programmable logic Controller)的簡稱,它是基于計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制自動控制裝置。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一

11、個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。PLC的性能特點:配套齊全，功能完善，適用性強；可靠性高，抗干擾能力強；系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小、維護方便、容易改造，易學易用，體積小，重量輕，能耗低，故深受工程技術(shù)人員歡迎。1.1.2 步進電機方面 步進電動機是將電脈沖激勵信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。步進電機在結(jié)構(gòu)類型上分，有反應式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)三種3。步進電機是一種將電子數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運

12、動的電磁增量運動器件。典型的電機繞組固定在定子上，而轉(zhuǎn)子則由硬磁或軟磁材料組成。當控制系統(tǒng)將一個電脈沖信號經(jīng)功率裝置加到定子繞組中，電機便會沿一定的方向旋轉(zhuǎn)一步。脈沖的頻率決定電機的轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)動的角度與所輸入的電脈沖個數(shù)成正比；所以，改變輸入脈沖的個數(shù)就就能控制步進電機的轉(zhuǎn)子運行角度。步進電機有以下特點： 運行角度正比于輸入脈沖，便于開環(huán)運行，花費少；具有鎖定轉(zhuǎn)矩；定位精度高，并且沒有累積誤差；具有優(yōu)良的起動、停止、反轉(zhuǎn)響應；無電刷和可靠性高；可低速運行，直接驅(qū)動負載；不適宜的控制會引起振動；不宜運行于高速狀態(tài)。1.2 PLC控制步進電機研究的意義基于步進電動機良好的控制和準確定位特性，被廣

13、泛應用在精確定位方面，諸如數(shù)控機床、繪圖機、扎鋼機、自動控制計算裝置、自動記錄儀表等自動控制領(lǐng)域。PLC作為簡單化了的計算機，功能完備、靈活、通用、控制系統(tǒng)簡單易懂，價格便宜，可現(xiàn)場修改程序，體積小、硬件維護方便，價格便宜等優(yōu)點，在生產(chǎn)生活中廣泛應用，帶來了巨大效益方便。由于將PLC作為控制器和把步進電機作為執(zhí)行元件組成的運動控制系統(tǒng)具有相當?shù)牡湫托院屯ㄓ眯裕ㄟ^研究用PLC來控制步進電動機的，既可實現(xiàn)精確定位控制，又能降低控制成本，還有利于維護。以往的步進電動機需要靠驅(qū)動器來控制，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展完善，PLC具有了通過自身輸出脈沖直接步進電動機的功能，這樣就有利于步進電動機的精確控制4。1

14、.3 本課題研究的內(nèi)容本課題主要研究三相步進電機的控制 ，使用的PLC是西門子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY, 能對三相步進電動機的轉(zhuǎn)速進行控制，能對三相步進電動機的步數(shù)進行控制實現(xiàn)調(diào)速功能，實現(xiàn)快速啟動、快速停止、正反轉(zhuǎn)互換控制及制動操作等。2 步進電機和PLC的結(jié)構(gòu)及選用2.1 PLC的結(jié)構(gòu)PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY的基本結(jié)構(gòu)情況為：CPU224XPCN，24VDC電源，24VDC輸入，24VDC輸出，6ES7 214-2AD23-0XB8，有14個輸入，10個輸出共24個數(shù)字量I/O端子點，2個輸入，1個輸出共3個模擬量I/O

15、端子點，可連接7個擴展模塊，可擴展至168路數(shù)字量I/O點，還可以實現(xiàn)38路模擬量I/O點。22K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，擁有獨立的高速計數(shù)器(100KHz)達6個，并且還有100KHz的高速脈沖輸出2個，上升沿和下降沿邊沿中斷各4個， RS485通訊/編程口2個，同時具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY還具有其他的很多很有用的功能，例如內(nèi)置模擬量I/O，位控特性，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等，由于PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY具有模擬量I/O和強大控制能力的新型CPU，所以可以很輕松的幫助步進電機實現(xiàn)精準的定位任務(wù)5

16、。步進電機和PLC必須要相匹配才能達到給定的系統(tǒng)參數(shù)；比如PLC輸出的最高頻率決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速等。具體計算如下：脈沖當量=（步進電機步距角螺距）/（360傳動速比）；脈沖上限頻率=（移動速度步進電機細分數(shù)）/脈沖當量；最大脈沖數(shù)量=（移動距離步進電機細分數(shù)）/脈沖當量；性能指標的提高，在步進電機工作方式的時候要盡量提高其性能指Tn，調(diào)速范圍D等。式中，Tn是n相同時通電時轉(zhuǎn)矩，m表示電機相數(shù)。由上式可得其解決Tn的辦法是多采用多相通電的雙拍制，少采用單相通電的單拍制，在步進電機工作方式的時候才能得到更高的提高。由于本設(shè)計用PLC控制三相步進電動機，故選用36BF02型反應式步進電機作為

17、控制對象，三相步進電動的步距角為或。2.2 步進電機的結(jié)構(gòu)特點36BF02型反應式步進電機的特點：反應式步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積；反應式步進電機外表允許的最高溫度在攝氏；反應式步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降；反應式步進電機在低速狀態(tài)下也可以正常運轉(zhuǎn),但若高于極限速度后，就無法啟動?？蛰d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脈沖頻率值時，步進電機便不能正常啟動。在有負載的情況下，啟動頻率會更低。如果要想步進電機實現(xiàn)較高的高速轉(zhuǎn)動，那么脈沖頻率就必須要有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻6。(1)步進電機結(jié)構(gòu)剖面圖如

18、圖2-1所示。ACC勵磁線圈B定子轉(zhuǎn)子 圖2-1步進電機結(jié)構(gòu)剖面圖電機的定子齒有三個勵磁繞阻，轉(zhuǎn)子細分為均勻的40個小齒，勵磁繞阻的幾何軸線與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開，距離分別為0、1/3、2/3 (相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示)，那么A相與齒1相對齊，B相與齒2向右錯開1/3，C相與齒3向右錯開2/3，A與齒5相對齊，那么就是說A就是A，齒5就是齒17。定轉(zhuǎn)子的展開圖如圖2-2所示。(2) 旋轉(zhuǎn)其通電狀態(tài)。當采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導電狀態(tài)時，原來每步1/3會變成每步1/6，甚至可以組合不同的二相電流，使其1/3變?yōu)?/12，乃至于1/24，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。很

19、容易得出一般規(guī)律：如果電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m，2/m(m-1)/m，1。36BF003型步進電動機的三個繞組分別用A、B、C表示。三拍運行時，正轉(zhuǎn)通電順序為ABCA，反轉(zhuǎn)通電順序為CBAC；或正轉(zhuǎn)通電順序為ABBCCAAB，反轉(zhuǎn)通電順序為ACCBBAAC。六拍運行時，正轉(zhuǎn)通電順序為AABBBCCCAA；反轉(zhuǎn)通電順序為AACCCBBBAA。 圖2-2定轉(zhuǎn)子的展開圖 (3)頻率關(guān)系和轉(zhuǎn)速的關(guān)系 式中， M、Z、K同上；n為每分鐘轉(zhuǎn)速 r/min；當M相M拍通電時，K=1，當M相2M拍通電時，K=2。(4)力矩步進電機通電后，就會在定子和轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(磁通量)

20、，當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度，力F與(d/d)成正比，其磁通量（Br為磁密，S為導磁面積），F(xiàn)與成正比，L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑。在線性狀態(tài)下，得出力矩公式 V:半徑力矩與電機有效 N:安匝數(shù)因此，力矩與電機有效體積、勵磁安匝數(shù)成正比，而與定轉(zhuǎn)子間氣隙成反比，反之亦然8。2.3 步進電機的驅(qū)動系統(tǒng) 步進電機在單單僅給予電壓時，電機是不會動作的，必須透過脈波產(chǎn)生器提供位置（脈波數(shù)）、速度的脈波信號指令，以及驅(qū)動器驅(qū)動電流流過電機內(nèi)部線圈、依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機運轉(zhuǎn),開環(huán)伺服系統(tǒng)圖2-3，而欲使步進電機動作的必要系統(tǒng)組成有：(1)脈沖產(chǎn)生器：給予角度（位置移動量）、動作速度及運轉(zhuǎn)

21、方向之脈沖信號的電機驅(qū)動指令。(2)步進驅(qū)動器：依控制器所投入的脈沖信號指令，提供電流來驅(qū)動步進電機動作。(3)步進電機：提供轉(zhuǎn)矩動力輸出來帶動負載。所以步進電機系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應器（ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機）、位置傳感器（SENSOR），即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制9。工作臺步進電動機驅(qū)動指令驅(qū)動電路圖2-3 開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖源采用555定時器產(chǎn)生，它工作頻率易于改變從而可以控制步進電機的速度并且工作可靠，簡單易行，占空比可調(diào)的方波發(fā)生器如圖2-4, 。在實現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應使程序盡量簡潔緊湊。同一控制對象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求或控制時序會

22、發(fā)生變化，即要求程序有較好的柔性。圖2-4占空比可調(diào)的方波發(fā)生器3 驅(qū)動電路電源設(shè)計方案3.1 方案設(shè)計(1)方案一 步進電機選反應式步進電機，驅(qū)動電路選用高低壓切換電源。高低壓切換型電源的原理線路如圖3-1所示。圖中當分配器輸出端出現(xiàn)控制信號U,要求繞組通電時，三極管的基極都有信號輸入使導通，于是在高壓電源的作用下，繞組電流迅速上升，電流迅速上升，電流前沿很陡。當電流達到或稍微超過額定穩(wěn)態(tài)電流時,利用定時電路或者電流檢測反饋等措施使基極上信號電壓消失，因此繞組電流立即轉(zhuǎn)而由低壓電源經(jīng)過二極管 供給。低壓電源的電壓值應使繞組中的電流限制在額定穩(wěn)態(tài)電流值。當分配輸出端信號電壓U消失，要求繞組斷電

23、時，基極上的信號電壓也消失了。繞組中的電流經(jīng)二極管及電阻向高壓電源放電，電流迅速下降。(2)方案二 驅(qū)動電路選擇單一電壓型電源。圖3-2是單一電壓型電源的一相功放電路（m相電機有m個這樣的功放的電路）的原理圖。來自分配器的信號經(jīng)過幾級電流放大后加到三極管V1的基極，控制的導通和截止。V1是功放電路的末級功放管，它與步進電機一相繞組串聯(lián)，所以通過功放管V1的電流與通過步進電機的電流是相等的。由步進電機的工作原理可知道這樣的電流波形會使步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩減小，動態(tài)特性變壞。若要提高轉(zhuǎn)矩，應縮短電流上升的時間常數(shù)Ta，使電流前沿變陡，這樣，電流波形接近矩形。由于Ta=R/L，要減少Ta就要在設(shè)計電機

24、時盡量要減小繞組電感L。另外，如果加大圖3-1中串聯(lián)的電阻R1也就可以使時間常數(shù)Ta下降，但是加大R1以后，為了達到同樣的穩(wěn)態(tài)電流值，電源電壓就要作相應的提高；圖3-3中曲線I和I分別表示串聯(lián)電阻R1和R1（ R1 R1）時的繞組電流波形圖?？梢钥闯觯擱1增大后，電流幅值增大，波形更加接近于矩形。這樣可以增大轉(zhuǎn)矩，提高啟動和連續(xù)運行頻率，并使啟動和運行矩頻特性下降緩慢，如圖3-4所示曲線T和T分別表示串聯(lián)電阻為R1和R1時候的特性。(3)方案比較和選擇單一電壓型電源只有一種電壓，功放元件少，成本低。但是它的最主要缺點是電流流過串聯(lián)電阻R1后要消耗非常可觀的電能，這部分消耗的電功率變成了熱量白

25、白的浪費掉了。而且功耗隨著R1值及其電機功率的增大而增大。這樣，一方面是電源設(shè)備的效率大為下降，同時所散發(fā)的熱量又使控制柜內(nèi)溫度升高，為了不影響電子元件的性能，還需要增添許多散熱設(shè)備，因而增大了電源體積，提高了成本。而使用高低壓切換型電源則不存在這樣的問題，因為電機繞組上不需要串聯(lián)電阻或者只需要串聯(lián)一個很小的電阻R1（為平衡各相電流，其值一般約為0. 1 0.5），所以電源功耗也比較小。而且高低壓切換電源加在繞組中的電壓和電流波形圖也會得到很大改善如圖3-5，所以導致電機的轉(zhuǎn)矩特性很好，啟動和運行頻率都得到很大的提高。在實現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應使程序盡量簡潔緊湊，要求程序修改方便、簡單。通過對

26、方案一和方案二的比較，本次設(shè)計選擇方案一。(4)步進電機驅(qū)動電源的選擇步進電機是由專門的驅(qū)動電源供電的，驅(qū)動電源和步進電機是一個有機整體，步進電機的運行性能是電動機及其驅(qū)動電源二者配合的綜合表現(xiàn)。(5)調(diào)速范圍的確定由于技術(shù)參數(shù)已經(jīng)給定，所以在選用步進電機的時候要注意在調(diào)速時在調(diào)速范圍內(nèi)的脈沖頻率不能小于步進電機的自由振動頻率的1/k，否則轉(zhuǎn)子會發(fā)生強烈振蕩甚至失步。解決辦法是為削弱振蕩現(xiàn)象，一般都會裝有機械阻尼器。圖3-1 高低電壓驅(qū)動電路原理圖 圖3-2單電壓驅(qū)動電路原理圖 I ITTITrf 圖3-3 不同串聯(lián)電阻值對電流的影響 圖3-4不同串聯(lián)電阻對矩頻特性的影響 U1t圖3-5 繞組

27、換接時電流和電壓的變化3.2 步進電機的速度控制 步進電機的運轉(zhuǎn)速度會與輸入的脈沖速度成等比例的關(guān)系，所以在脈沖的速度愈快時，步進電機的轉(zhuǎn)速也會跟著加快；脈波速度愈慢時，電機的轉(zhuǎn)速自然也跟著變慢。電機的運轉(zhuǎn)速度（RPM）與脈沖速度（PPS，又稱Hz）間的關(guān)系式如下：電機的運轉(zhuǎn)速度（RPM） 脈沖速度（PPS或 Hz） 60步進電機分割數(shù)/圈說明：(1)RPM為一般電機的速度單位，即 rev / min，為每分鐘電機所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PPS為步進、伺服電機的速度單位，即pulse per second，為每秒所送出的脈沖數(shù)。(2)由于RPM與PPS的單位不同，所以于轉(zhuǎn)換的過程中要先將PPS的秒鐘乘以6

28、0變?yōu)榉昼?。(3)步進電機分割數(shù)/圈，又代表要讓電機轉(zhuǎn)一圈所必須送出的脈沖數(shù)。(4)上述公式拆解后之單位表示為 rev/min = pulse/sec 60 1/分割數(shù)FP1有一條SPD0指令，指令配合HSC和Y7的脈沖輸出功能便可實現(xiàn)對速度及位置控制10。速度控制梯形圖見圖3-6，控制方式參數(shù)見表3-1，脈沖輸出頻率設(shè)定曲線見圖3-7。位置控制：步進電機不需要位置傳感器（SENSOR），就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動量，并將負載順利、正確的送達指定位置點上。而移動量的大小，是依照電機分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)來決定。脈沖數(shù)（PULSE）與移動量間的關(guān)系式如下：位置移動量 步進電機分辨率輸入脈

29、沖數(shù)3.3 脈沖和角度的關(guān)系(1)步距角：對應一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示 式中，M為定子繞組相數(shù)；Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K為通電方式系數(shù)，當M相M拍通電時，K=1，當M相2M拍通電時，K=2。3.4 減小步距角的途徑方法本課題使用的步進電機未細分時能達到的最小步距角為1.5（三相六拍模式）。轉(zhuǎn)速較高時，由于轉(zhuǎn)子本身的慣性，電機可近似看作勻速轉(zhuǎn)動。但在低速運行時，較大的步距角造成兩步之間的時間間隔較長，在下一個電脈沖到來之前轉(zhuǎn)子已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，由此造成運行的不連續(xù)及低頻振動。此外實際應用中 1.5的步距角往往不能滿足精度需要，為了提高精度，要求一個脈沖對應的位移量小，即步進電機的步距角小9。

30、減小步距角有以下四種方法： (1) 增加步進電機控制繞組的數(shù)量。步距角Q與繞組數(shù)Mc成反比，Mc越大則Q越小。三相步進電機單拍運行時的步距角為3（40轉(zhuǎn)子齒），如果采用四相電機，則步距角減小到1.8（50轉(zhuǎn)子齒）。但是相數(shù)越多電機結(jié)果越復雜，制造越困難，靠增加相數(shù)減小步距角的成本很高。(2) 增加拍數(shù)。即增大狀態(tài)系數(shù)C。狀態(tài)系數(shù)也與步距角成反比，增加拍數(shù)相當于增加繞組相數(shù)。三相步進電機單三拍運行時步距角為3，采用三相六拍模式后步距角減小到原來的一半。但步進電機所能實現(xiàn)的拍數(shù)同繞組相數(shù)直接相關(guān)，三相步進電機最多能實現(xiàn)的拍數(shù)是六拍，四相電機最多八拍?？吭黾优臄?shù)減小的步距角有限。圖3-6 速度控制梯

31、形圖SS+1F1設(shè)定初始脈沖頻率S+2M1設(shè)定目標位置對應的脈沖個數(shù)S+3S+4F2設(shè)定下一個脈沖頻率S+5M2設(shè)定下一個目標位置對應的脈沖頻率S+6.S+NFn設(shè)定最終目標頻率，該值應為“0”表3-1 控制方式參數(shù)f/hz 400030002000 1000 頻率常數(shù) 0 100 200 300圖3-7 脈沖輸出頻率設(shè)定曲線(3) 增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)Zr。由于Zr與步距角Q成反比，增加轉(zhuǎn)子齒數(shù)也能減小步距角。但受加工精度、制造成本限制，轉(zhuǎn)子齒數(shù)不能無限增多。 (4) 采用細分電路。對于一個步進電機，采用細分電路后其步距角減小為原來的1/N（N為細分數(shù)）。理論上N可以無限增大，從而步距角Q可以無限減

32、小。細分電路對于任何反應式步進電機都適用，尤其是步距角較大的低端步進電機，能顯著減小步距角，提高運動精度，從而在某些場合可以代替高端步進電機11。4 三相步進電機控制系統(tǒng)程序設(shè)計本設(shè)計中使用的PLC為西門子S7-200 CN系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY，借助于實驗室實驗平臺，選用36BF02型反應式步進電機。要實現(xiàn)功能：通過PLC控制步進電動機在單步、連續(xù)運行的情況下實現(xiàn)三拍、六拍的正、反轉(zhuǎn)運動及實現(xiàn)無級調(diào)速。4.1 方案設(shè)計在步進電動機控制系統(tǒng)中，步進電動機作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差的特點，廣泛應用于各種控制中，其控制主要有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)控制。（

33、1） 方案一：開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)步進電機控制系統(tǒng)框圖4-1環(huán)形分配器功率驅(qū)動器步進電動機負載指令脈沖輸出圖4-1開環(huán)步進電機控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)沒有使用位置、速度檢測裝置及反饋裝置，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、可靠性高、制造成本低等優(yōu)點。另外，步進電動機受控于脈沖量，它比直流電機或交流電機組成的開環(huán)精度高，適用于精度要求不太高的機電一體化伺服傳動系統(tǒng)。（2） 方案二：半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性，不過精度不高，較少使用。半閉環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖4-2。（3） 方案三：閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)定位精度高，但調(diào)試和維修都較困難，系統(tǒng)復雜，成本高。綜合三種方案

34、，根據(jù)步進電動機的特點，從制造成本與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜程度考慮，本設(shè)計采用方案一，在開環(huán)控制系統(tǒng)中，用PLC控制三相步進電動機。閉環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖4-3。4.2 控制流程分析控制要求：當按鈕開關(guān)撥到單步時，必須每按一次起動，電機才能旋轉(zhuǎn)一個角度；當按鈕開關(guān)撥到連續(xù)時，按一次起動，電機旋轉(zhuǎn)，直到按停止；當按鈕開關(guān)撥到三拍時，旋轉(zhuǎn)的角度為3；當按鈕開關(guān)撥到六拍時，旋轉(zhuǎn)角度為1.5；當按鈕開關(guān)撥到正轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)按順時針旋轉(zhuǎn)；當按鈕開關(guān)撥到反轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)按逆時針旋轉(zhuǎn)；當單步要轉(zhuǎn)到連續(xù)或是連續(xù)轉(zhuǎn)到單步，可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換；(通過編程)當三拍要轉(zhuǎn)到六拍或六拍要轉(zhuǎn)到三拍，可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換；(

35、通過編程)當正轉(zhuǎn)要轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)要轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換(通過編程)10。此設(shè)計使用開環(huán)控制步進電機。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖如圖4-4所示。而本課題使用PLC為西門子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY，可以直接輸出脈沖驅(qū)動36BF02型反應式步進電機運行，指令可通過程序代替，而“變頻信號源”、“脈沖分配器”、“脈沖放大器”則全部由PLC替代，進而取代了具有以上四項功能的驅(qū)動器，使得控制十分簡單，所以本課題的控制框圖可簡單用圖4-5表示。速度控制電路負載步進電動機位置比較電路指令脈沖輸出 速度傳感器 速度反饋速度傳感器 位置反饋 圖4-2 半閉環(huán)步進

36、電動機控制系統(tǒng)框圖 (2)三相步進電機流程圖如圖4-6所示。步進電動機速度控制電路位置比較電路負載指令脈沖輸出速度傳感器速度反饋位置反饋圖4-3 閉環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖步進電機脈沖分配器變頻信號源工作機構(gòu)脈沖放大器指令脈沖圖4-4 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖24V直流電源步進電機S7-200CN系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY工作機構(gòu) 圖4-5 基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)框圖開始系統(tǒng)上電撥到連續(xù)檔位撥到單步檔位按三拍按六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)按三拍按六拍反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)實現(xiàn)連續(xù)三拍正轉(zhuǎn)實現(xiàn)連續(xù)三拍反轉(zhuǎn)實現(xiàn)連續(xù)六拍正轉(zhuǎn)實現(xiàn)連續(xù)六拍反轉(zhuǎn)實現(xiàn)單拍三拍正轉(zhuǎn)實現(xiàn)單拍三拍反轉(zhuǎn)實現(xiàn)單拍六拍正轉(zhuǎn)

37、實現(xiàn)單拍六拍反轉(zhuǎn) 圖 4-6三相步進電機流程圖5 硬件的設(shè)計5.1 確定I/O點數(shù) PLC的輸入信號包括啟動開關(guān)、電機慢速、中快和快速控制按紐，正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)，電機單步、10步和100步按紐開關(guān)，以及暫停開關(guān)共9個。 PLC的輸出信號有三個輸出繼電器，根據(jù)I/O端子的數(shù)量和種類，選擇FX2-32MR PLC機一臺。（1）畫系統(tǒng)框圖，PLC控制步進電機系統(tǒng)框圖5-1?？刂泼姘迳系奈恢冒粹o控制移動的距離，在控制面板上設(shè)定好移動距離、速度和方向等參數(shù)后，PLC讀入這些設(shè)定值，通過運算產(chǎn)生脈沖、方向信號，控制步進電機的驅(qū)動器，達到對距離、速度和方向控制的最終目的。（2）I/O分配表，根據(jù)控制面板和相應

38、的命令，作I/O分配表5-1。 暫停 位置 方向 速度 啟動輸 輸入 出驅(qū)動電機步進電機負載圖5-1 PLC控制步進電機系統(tǒng)框圖表5-1 I/O分配表元 件I/O號信號定義元 件I/O號信號定義S0X0啟動SBX5單步S1X1慢速S6X610步S2X2中速S7X7100步S3X3快速S8X8100000步S4X4正反轉(zhuǎn)S9X10暫停SARUN5.2 繪制I/O端子接線圖根據(jù)I/O分配表繪制I/O端子接線圖5-2圖5-2 I/O端子接線5.3 主要程序詳細見附錄。5.4 三相步進電機實時運行、接線圖圖5-3三相步進電機實時運行整體圖 圖5-4三相步進電機實時運行圖圖5-5 PLC的I/O口實時狀

39、態(tài)顯6 結(jié)論通過對PLC控制三相步進電機運行控制的方法研究，通過實驗得到驗證實現(xiàn)，當在控制三相步進電機時，可以選擇手動開關(guān)和自動開關(guān)，實現(xiàn)對步進電機在單步和連續(xù)工作方式的情況下的正反轉(zhuǎn)運行切換，同時也可以實現(xiàn)三拍和六拍的步進時序。在設(shè)計過程中，遇到了很多阻力，知識的匱乏，諸如程序的編寫，包括循環(huán)移位指令的使用、調(diào)速指令的采用等等，自己在查閱書籍資料同時也向老師同學請教，這些問題最終才得以解決。通過PLC發(fā)出脈沖來控制步進電機運行的方式，在工業(yè)生產(chǎn)等很多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的采用，比如磁頭定位系統(tǒng)，數(shù)控機床，線切割機等領(lǐng)域。利用步進電機較準確的定位和能輸出一定大小的力矩的特點，已成為位置定位控制系統(tǒng)中首