基于plc控制的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

1、基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械電子專(zhuān)業(yè) XXX指導(dǎo)教師 XXX摘要：以德國(guó)西門(mén)子公司小型可編程邏輯控制器S7200為中央處理單元，以步進(jìn)電機(jī)作為控制對(duì)象。介紹了PLC的概念原理以及控制的優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的概念及工作原理，現(xiàn)狀以及發(fā)展方向。PLC與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一起結(jié)合起來(lái)有很高的研究?jī)r(jià)值與意義。本文在介紹步進(jìn)電機(jī)控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了步進(jìn)電機(jī)的控制策略。設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件方案，并編寫(xiě)了相應(yīng)的控制流程，測(cè)試了實(shí)際控制效果，并提出相應(yīng)的整改措施，達(dá)到更加合理高效的目標(biāo)。對(duì)于使用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)控制系統(tǒng)，控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制關(guān)鍵在于控制脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。介紹了

2、使用該控制器產(chǎn)生控制脈沖信號(hào)的多種不同實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)不同控制方法。關(guān)鍵詞：可編程邏輯控制器；步進(jìn)電機(jī)；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(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛的推廣和普及，信息產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了它無(wú)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。可編程序控制器(pro

7、grammable logic controller)，俗稱(chēng)PLC，它是一種基于數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，現(xiàn)在在工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)中它產(chǎn)生了很高的價(jià)值，并帶來(lái)了很大的效益。PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用, 同時(shí)微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新，其功能也相應(yīng)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(yuǎn)程通信功能等高技術(shù)領(lǐng)域。所以PLC與CADCAM、機(jī)器人技術(shù)一起被稱(chēng)為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)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(shí)還兼具有高速脈沖輸出和采集功能。隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。從技術(shù)水平

8、上看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新，技術(shù)平臺(tái)的更加高效，可編程控制器可以以此作為平臺(tái)，在設(shè)計(jì)和制造上更加事半功倍，特別是在運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、智能化方面會(huì)變的更快、更大、更強(qiáng)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，PLC會(huì)基于計(jì)算機(jī)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(lèi)會(huì)更豐富、規(guī)格更加完善，人機(jī)操作界面方面會(huì)變得更加人性化，強(qiáng)大的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求；從技術(shù)研發(fā)方面上看，很多國(guó)家都很重視PLC技術(shù)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，并將它的發(fā)展水平作為科技發(fā)展水平的一項(xiàng)很重要的方面，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈，而激烈的市場(chǎng)效率競(jìng)爭(zhēng)會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)強(qiáng)大的品牌壟斷國(guó)際市場(chǎng)的局面，便會(huì)產(chǎn)生國(guó)際通用的編程語(yǔ)言，更

9、加適合技術(shù)的交流和應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和強(qiáng)大技術(shù)支持，可編程控制器將成為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國(guó)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(lái)越重要的作用，并創(chuàng)造著越來(lái)越大的效益2。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中扮演著很重要的角色，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(xiàn)增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)作為常用的一種電氣執(zhí)行元件，由于其具有精度精準(zhǔn)、慣性影響小、工作穩(wěn)定，能在高精度快速開(kāi)環(huán)控制的時(shí)候發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在各種不同的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。PLC與步進(jìn)電機(jī)的結(jié)合控制模式在各種工業(yè)化生產(chǎn)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密制造機(jī)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(gè)系統(tǒng)為對(duì)象，探討使用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的多種不同方法。1 概述1.1 關(guān)于PLC和步進(jìn)電機(jī)的狀況1.1.1 PLC方面 PLC，即可編程控制器(Programmable logic Controller)的簡(jiǎn)稱(chēng),它是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制自動(dòng)控制裝置。PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一

11、個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。PLC的性能特點(diǎn):配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)；可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小、維護(hù)方便、容易改造，易學(xué)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(jìn)電機(jī)方面 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線(xiàn)位移的離散值控制電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖就動(dòng)一步，所以又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)類(lèi)型上分，有反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)三種3。步進(jìn)電機(jī)是一種將電子數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)

12、動(dòng)的電磁增量運(yùn)動(dòng)器件。典型的電機(jī)繞組固定在定子上，而轉(zhuǎn)子則由硬磁或軟磁材料組成。當(dāng)控制系統(tǒng)將一個(gè)電脈沖信號(hào)經(jīng)功率裝置加到定子繞組中，電機(jī)便會(huì)沿一定的方向旋轉(zhuǎn)一步。脈沖的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與所輸入的電脈沖個(gè)數(shù)成正比；所以，改變輸入脈沖的個(gè)數(shù)就就能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)行角度。步進(jìn)電機(jī)有以下特點(diǎn)： 運(yùn)行角度正比于輸入脈沖，便于開(kāi)環(huán)運(yùn)行，花費(fèi)少；具有鎖定轉(zhuǎn)矩；定位精度高，并且沒(méi)有累積誤差；具有優(yōu)良的起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)響應(yīng)；無(wú)電刷和可靠性高；可低速運(yùn)行，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載；不適宜的控制會(huì)引起振動(dòng)；不宜運(yùn)行于高速狀態(tài)。1.2 PLC控制步進(jìn)電機(jī)研究的意義基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)良好的控制和準(zhǔn)確定位特性，被廣

13、泛應(yīng)用在精確定位方面，諸如數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、扎鋼機(jī)、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。PLC作為簡(jiǎn)單化了的計(jì)算機(jī)，功能完備、靈活、通用、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易懂，價(jià)格便宜，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序，體積小、硬件維護(hù)方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用，帶來(lái)了巨大效益方便。由于將PLC作為控制器和把步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件組成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)牡湫托院屯ㄓ眯?，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，還有利于維護(hù)。以往的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要靠驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展完善，PLC具有了通過(guò)自身輸出脈沖直接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功能，這樣就有利于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)的控制 ，使用的PLC是西門(mén)子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY, 能對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，能對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、快速停止、正反轉(zhuǎn)互換控制及制動(dòng)操作等。2 步進(jìn)電機(jī)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(gè)輸入，10個(gè)輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O端子點(diǎn)，2個(gè)輸入，1個(gè)輸出共3個(gè)模擬量I/O

15、端子點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，可擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)38路模擬量I/O點(diǎn)。22K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，擁有獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器(100KHz)達(dá)6個(gè)，并且還有100KHz的高速脈沖輸出2個(gè)，上升沿和下降沿邊沿中斷各4個(gè)， RS485通訊/編程口2個(gè)，同時(shí)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(qiáng)大控制能力的新型CPU，所以可以很輕松的幫助步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位任務(wù)5

16、。步進(jìn)電機(jī)和PLC必須要相匹配才能達(dá)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(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速等。具體計(jì)算如下：脈沖當(dāng)量=（步進(jìn)電機(jī)步距角螺距）/（360傳動(dòng)速比）；脈沖上限頻率=（移動(dòng)速度步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)）/脈沖當(dāng)量；最大脈沖數(shù)量=（移動(dòng)距離步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)）/脈沖當(dāng)量；性能指標(biāo)的提高，在步進(jìn)電機(jī)工作方式的時(shí)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(shí)通電時(shí)轉(zhuǎn)矩，m表示電機(jī)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(jìn)電機(jī)工作方式的時(shí)候才能得到更高的提高。由于本設(shè)計(jì)用PLC控制三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，故選用36BF02型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作為

17、控制對(duì)象，三相步進(jìn)電動(dòng)的步距角為或。2.2 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)36BF02型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度在攝氏；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)在低速狀態(tài)下也可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于極限速度后，就無(wú)法啟動(dòng)?？蛰d啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率。如果脈沖頻率高于該脈沖頻率值時(shí)，步進(jìn)電機(jī)便不能正常啟動(dòng)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率會(huì)更低。如果要想步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，那么脈沖頻率就必須要有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻6。(1)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖如

18、圖2-1所示。ACC勵(lì)磁線(xiàn)圈B定子轉(zhuǎn)子 圖2-1步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖電機(jī)的定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，轉(zhuǎn)子細(xì)分為均勻的40個(gè)小齒，勵(lì)磁繞阻的幾何軸線(xiàn)與轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)錯(cuò)開(kāi)，距離分別為0、1/3、2/3 (相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)間的距離為齒距以表示)，那么A相與齒1相對(duì)齊，B相與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3，C相與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3，A與齒5相對(duì)齊，那么就是說(shuō)A就是A，齒5就是齒17。定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖如圖2-2所示。(2) 旋轉(zhuǎn)其通電狀態(tài)。當(dāng)采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)，原來(lái)每步1/3會(huì)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(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。很

19、容易得出一般規(guī)律：如果電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線(xiàn)分別與轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)偏移1/m，2/m(m-1)/m，1。36BF003型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組分別用A、B、C表示。三拍運(yùn)行時(shí)，正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳BCA，反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)镃BAC；或正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳BBCCAAB，反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳CCBBAAC。六拍運(yùn)行時(shí)，正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA；反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳ACCCBBBAA。 圖2-2定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)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(dāng)M相M拍通電時(shí)，K=1，當(dāng)M相2M拍通電時(shí)，K=2。(4)力矩步進(jìn)電機(jī)通電后，就會(huì)在定子和轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)(磁通量)

20、，當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開(kāi)一定角度，力F與(d/d)成正比，其磁通量（Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積），F(xiàn)與成正比，L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑。在線(xiàn)性狀態(tài)下，得出力矩公式 V:半徑力矩與電機(jī)有效 N:安匝數(shù)因此，力矩與電機(jī)有效體積、勵(lì)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)在單單僅給予電壓時(shí)，電機(jī)是不會(huì)動(dòng)作的，必須透過(guò)脈波產(chǎn)生器提供位置（脈波數(shù)）、速度的脈波信號(hào)指令，以及驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)電機(jī)內(nèi)部線(xiàn)圈、依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)圖2-3，而欲使步進(jìn)電機(jī)動(dòng)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(dòng)量）、動(dòng)作速度及運(yùn)轉(zhuǎn)

21、方向之脈沖信號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令。(2)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：依控制器所投入的脈沖信號(hào)指令，提供電流來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。(3)步進(jìn)電機(jī)：提供轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸出來(lái)帶動(dòng)負(fù)載。所以步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，不需要速度感應(yīng)器（ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)）、位置傳感器（SENSOR），即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來(lái)做到速度及位置的控制9。工作臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)指令驅(qū)動(dòng)電路圖2-3 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖源采用555定時(shí)器產(chǎn)生，它工作頻率易于改變從而可以控制步進(jìn)電機(jī)的速度并且工作可靠，簡(jiǎn)單易行，占空比可調(diào)的方波發(fā)生器如圖2-4, 。在實(shí)現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)使程序盡量簡(jiǎn)潔緊湊。同一控制對(duì)象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求或控制時(shí)序會(huì)

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(dòng)電路電源設(shè)計(jì)方案3.1 方案設(shè)計(jì)(1)方案一 步進(jìn)電機(jī)選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路選用高低壓切換電源。高低壓切換型電源的原理線(xiàn)路如圖3-1所示。圖中當(dāng)分配器輸出端出現(xiàn)控制信號(hào)U,要求繞組通電時(shí)，三極管的基極都有信號(hào)輸入使導(dǎo)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(dāng)電流達(dá)到或稍微超過(guò)額定穩(wěn)態(tài)電流時(shí),利用定時(shí)電路或者電流檢測(cè)反饋等措施使基極上信號(hào)電壓消失，因此繞組電流立即轉(zhuǎn)而由低壓電源經(jīng)過(guò)二極管 供給。低壓電源的電壓值應(yīng)使繞組中的電流限制在額定穩(wěn)態(tài)電流值。當(dāng)分配輸出端信號(hào)電壓U消失，要求繞組斷電

23、時(shí)，基極上的信號(hào)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(dòng)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(jī)有m個(gè)這樣的功放的電路）的原理圖。來(lái)自分配器的信號(hào)經(jīng)過(guò)幾級(jí)電流放大后加到三極管V1的基極，控制的導(dǎo)通和截止。V1是功放電路的末級(jí)功放管，它與步進(jìn)電機(jī)一相繞組串聯(lián)，所以通過(guò)功放管V1的電流與通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的電流是相等的。由步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知道這樣的電流波形會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小，動(dòng)態(tài)特性變壞。若要提高轉(zhuǎn)矩，應(yīng)縮短電流上升的時(shí)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(jì)電機(jī)

24、時(shí)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(shí)間常數(shù)Ta下降，但是加大R1以后，為了達(dá)到同樣的穩(wěn)態(tài)電流值，電源電壓就要作相應(yīng)的提高；圖3-3中曲線(xiàn)I和I分別表示串聯(lián)電阻R1和R1（ R1 R1）時(shí)的繞組電流波形圖?？梢钥闯?，當(dāng)R1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(dòng)和連續(xù)運(yùn)行頻率，并使啟動(dòng)和運(yùn)行矩頻特性下降緩慢，如圖3-4所示曲線(xiàn)T和T分別表示串聯(lián)電阻為R1和R1時(shí)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(diǎn)是電流流過(guò)串聯(lián)電阻R1后要消耗非?？捎^的電能，這部分消耗的電功率變成了熱量白

25、白的浪費(fèi)掉了。而且功耗隨著R1值及其電機(jī)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(shí)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(wèn)題，因?yàn)殡姍C(jī)繞組上不需要串聯(lián)電阻或者只需要串聯(lián)一個(gè)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(huì)得到很大改善如圖3-5，所以導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性很好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率都得到很大的提高。在實(shí)現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)使程序盡量簡(jiǎn)潔緊湊，要求程序修改方便、簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)

26、方案一和方案二的比較，本次設(shè)計(jì)選擇方案一。(4)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選擇步進(jìn)電機(jī)是由專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源供電的，驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)有機(jī)整體，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能是電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)的時(shí)候要注意在調(diào)速時(shí)在調(diào)速范圍內(nèi)的脈沖頻率不能小于步進(jìn)電機(jī)的自由振動(dòng)頻率的1/k，否則轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振蕩甚至失步。解決辦法是為削弱振蕩現(xiàn)象，一般都會(huì)裝有機(jī)械阻尼器。圖3-1 高低電壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖 圖3-2單電壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖 I ITTITrf 圖3-3 不同串聯(lián)電阻值對(duì)電流的影響 圖3-4不同串聯(lián)電阻對(duì)矩頻特性的影響 U1t圖3-5 繞組

27、換接時(shí)電流和電壓的變化3.2 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度會(huì)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(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)跟著加快；脈波速度愈慢時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速自然也跟著變慢。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度（RPM）與脈沖速度（PPS，又稱(chēng)Hz）間的關(guān)系式如下：電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度（RPM） 脈沖速度（PPS或 Hz） 60步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)/圈說(shuō)明：(1)RPM為一般電機(jī)的速度單位，即 rev / min，為每分鐘電機(jī)所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PPS為步進(jìn)、伺服電機(jī)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(guò)程中要先將PPS的秒鐘乘以6

28、0變?yōu)榉昼?。(3)步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)/圈，又代表要讓電機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)速度及位置控制10。速度控制梯形圖見(jiàn)圖3-6，控制方式參數(shù)見(jiàn)表3-1，脈沖輸出頻率設(shè)定曲線(xiàn)見(jiàn)圖3-7。位置控制：步進(jìn)電機(jī)不需要位置傳感器（SENSOR），就可依照輸入的脈沖數(shù)決定移動(dòng)量，并將負(fù)載順利、正確的送達(dá)指定位置點(diǎn)上。而移動(dòng)量的大小，是依照電機(jī)分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)來(lái)決定。脈沖數(shù)（PULSE）與移動(dòng)量間的關(guān)系式如下：位置移動(dòng)量 步進(jìn)電機(jī)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(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)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(dāng)M相M拍通電時(shí)，K=1，當(dāng)M相2M拍通電時(shí)，K=2。3.4 減小步距角的途徑方法本課題使用的步進(jìn)電機(jī)未細(xì)分時(shí)能達(dá)到的最小步距角為1.5（三相六拍模式）。轉(zhuǎn)速較高時(shí)，由于轉(zhuǎn)子本身的慣性，電機(jī)可近似看作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。但在低速運(yùn)行時(shí)，較大的步距角造成兩步之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，在下一個(gè)電脈沖到來(lái)之前轉(zhuǎn)子已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由此造成運(yùn)行的不連續(xù)及低頻振動(dòng)。此外實(shí)際應(yīng)用中 1.5的步距角往往不能滿(mǎn)足精度需要，為了提高精度，要求一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量小，即步進(jìn)電機(jī)的步距角小9。

30、減小步距角有以下四種方法： (1) 增加步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)單拍運(yùn)行時(shí)的步距角為3（40轉(zhuǎn)子齒），如果采用四相電機(jī)，則步距角減小到1.8（50轉(zhuǎn)子齒）。但是相數(shù)越多電機(jī)結(jié)果越復(fù)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(dāng)于增加繞組相數(shù)。三相步進(jìn)電機(jī)單三拍運(yùn)行時(shí)步距角為3，采用三相六拍模式后步距角減小到原來(lái)的一半。但步進(jìn)電機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的拍數(shù)同繞組相數(shù)直接相關(guān)，三相步進(jìn)電機(jī)最多能實(shí)現(xiàn)的拍數(shù)是六拍，四相電機(jī)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(biāo)位置對(duì)應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)S+3S+4F2設(shè)定下一個(gè)脈沖頻率S+5M2設(shè)定下一個(gè)目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的脈沖頻率S+6.S+NFn設(shè)定最終目標(biāo)頻率，該值應(yīng)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(xiàn)(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(wú)限增多。 (4) 采用細(xì)分電路。對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，采用細(xì)分電路后其步距角減小為原來(lái)的1/N（N為細(xì)分?jǐn)?shù)）。理論上N可以無(wú)限增大，從而步距角Q可以無(wú)限減

32、小。細(xì)分電路對(duì)于任何反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)都適用，尤其是步距角較大的低端步進(jìn)電機(jī)，能顯著減小步距角，提高運(yùn)動(dòng)精度，從而在某些場(chǎng)合可以代替高端步進(jìn)電機(jī)11。4 三相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中使用的PLC為西門(mén)子S7-200 CN系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY，借助于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用36BF02型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。要實(shí)現(xiàn)功能：通過(guò)PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在單步、連續(xù)運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)三拍、六拍的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。4.1 方案設(shè)計(jì)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種控制中，其控制主要有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)控制。（

33、1） 方案一：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖4-1環(huán)形分配器功率驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載指令脈沖輸出圖4-1開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有使用位置、速度檢測(cè)裝置及反饋裝置，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受控于脈沖量，它比直流電機(jī)或交流電機(jī)組成的開(kāi)環(huán)精度高，適用于精度要求不太高的機(jī)電一體化伺服傳動(dòng)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(guò)精度不高，較少使用。半閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(fù)雜，成本高。綜合三種方案

34、，根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，從制造成本與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度考慮，本設(shè)計(jì)采用方案一，在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，用PLC控制三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖4-3。4.2 控制流程分析控制要求：當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)撥到單步時(shí)，必須每按一次起動(dòng)，電機(jī)才能旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度；當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)撥到連續(xù)時(shí)，按一次起動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到按停止；當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)撥到三拍時(shí)，旋轉(zhuǎn)的角度為3；當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)撥到六拍時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度為1.5；當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)撥到正轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)按鈕開(kāi)關(guān)撥到反轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)單步要轉(zhuǎn)到連續(xù)或是連續(xù)轉(zhuǎn)到單步，可以通過(guò)停止也可以直接轉(zhuǎn)換；(通過(guò)編程)當(dāng)三拍要轉(zhuǎn)到六拍或六拍要轉(zhuǎn)到三拍，可以通過(guò)停止也可以直接轉(zhuǎn)換；(

35、通過(guò)編程)當(dāng)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(guò)停止也可以直接轉(zhuǎn)換(通過(guò)編程)10。此設(shè)計(jì)使用開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)。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(mén)子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY，可以直接輸出脈沖驅(qū)動(dòng)36BF02型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，指令可通過(guò)程序代替，而“變頻信號(hào)源”、“脈沖分配器”、“脈沖放大器”則全部由PLC替代，進(jìn)而取代了具有以上四項(xiàng)功能的驅(qū)動(dòng)器，使得控制十分簡(jiǎn)單，所以本課題的控制框圖可簡(jiǎn)單用圖4-5表示。速度控制電路負(fù)載步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)

36、電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖 (2)三相步進(jìn)電機(jī)流程圖如圖4-6所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制電路位置比較電路負(fù)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(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器變頻信號(hào)源工作機(jī)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(jìn)電機(jī)S7-200CN系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY工作機(jī)構(gòu) 圖4-5 基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖開(kāi)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(shí)現(xiàn)連續(xù)三拍正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)三拍反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)六拍正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)六拍反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)單拍三拍正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)單拍三拍反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)單拍六拍正轉(zhuǎn)

37、實(shí)現(xiàn)單拍六拍反轉(zhuǎn) 圖 4-6三相步進(jìn)電機(jī)流程圖5 硬件的設(shè)計(jì)5.1 確定I/O點(diǎn)數(shù) PLC的輸入信號(hào)包括啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、電機(jī)慢速、中快和快速控制按紐，正反轉(zhuǎn)控制開(kāi)關(guān)，電機(jī)單步、10步和100步按紐開(kāi)關(guān)，以及暫停開(kāi)關(guān)共9個(gè)。 PLC的輸出信號(hào)有三個(gè)輸出繼電器，根據(jù)I/O端子的數(shù)量和種類(lèi)，選擇FX2-32MR PLC機(jī)一臺(tái)。（1）畫(huà)系統(tǒng)框圖，PLC控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框圖5-1?？刂泼姘迳系奈恢冒粹o控制移動(dòng)的距離，在控制面板上設(shè)定好移動(dòng)距離、速度和方向等參數(shù)后，PLC讀入這些設(shè)定值，通過(guò)運(yùn)算產(chǎn)生脈沖、方向信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，達(dá)到對(duì)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(yīng)

38、的命令，作I/O分配表5-1。 暫停 位置 方向 速度 啟動(dòng)輸 輸入 出驅(qū)動(dòng)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)負(fù)載圖5-1 PLC控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框圖表5-1 I/O分配表元 件I/O號(hào)信號(hào)定義元 件I/O號(hào)信號(hào)定義S0X0啟動(dòng)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(xiàn)圖根據(jù)I/O分配表繪制I/O端子接線(xiàn)圖5-2圖5-2 I/O端子接線(xiàn)5.3 主要程序詳細(xì)見(jiàn)附錄。5.4 三相步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行、接線(xiàn)圖圖5-3三相步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行整體圖 圖5-4三相步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行圖圖5-5 PLC的I/O口實(shí)時(shí)狀

39、態(tài)顯6 結(jié)論通過(guò)對(duì)PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制的方法研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，當(dāng)在控制三相步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可以選擇手動(dòng)開(kāi)關(guān)和自動(dòng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)在單步和連續(xù)工作方式的情況下的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行切換，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)三拍和六拍的步進(jìn)時(shí)序。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了很多阻力，知識(shí)的匱乏，諸如程序的編寫(xiě)，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(shū)籍資料同時(shí)也向老師同學(xué)請(qǐng)教，這些問(wèn)題最終才得以解決。通過(guò)PLC發(fā)出脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(jī)床，線(xiàn)切割機(jī)等領(lǐng)域。利用步進(jìn)電機(jī)較準(zhǔn)確的定位和能輸出一定大小的力矩的特點(diǎn)，已成為位置定位控制系統(tǒng)中首