基于PLC的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、機電工程系基于PLC的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師： xxx 姓名： xxx _(2011年5月9日)目錄一、步進電機工作原理11.步進電機簡介12.步進電機的運轉(zhuǎn)原理及結(jié)構(gòu)13.旋轉(zhuǎn)14.步進電動機的特征21)運轉(zhuǎn)需要的三要素：控制器、驅(qū)動器、步進電動機22)運轉(zhuǎn)量與脈沖數(shù)的比例關(guān)系23)運轉(zhuǎn)速度與脈沖速度的比例關(guān)系3二、西門子S7-200 CPU 224 XP CN3三、三相異步電動機DF3A驅(qū)動器31.產(chǎn)品特點32.主要技術(shù)參數(shù)3四、PLC與步進電機驅(qū)動器接口原理圖5五、PLC控制實例的流程圖及梯形圖61.控制要求62.流程圖63.梯形圖7六、參考文獻(xiàn)9七、控

2、制系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)9基于PLC的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計一、 步進電機工作原理1. 步進電機簡介步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等

3、控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單2. 步進電機的運轉(zhuǎn)原理及結(jié)構(gòu)電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3，C與齒3向右錯開2/3，A與齒5相對齊，（A就是A，齒5就是齒1）3. 旋轉(zhuǎn) 如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力，以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為

4、1/3對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-

5、DA-A. 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。4. 步進電動機的特征1) 運轉(zhuǎn)需要的三要素：控制器、驅(qū)動器、步進電動機驅(qū)動器步進電機提供電力脈沖信號控制器以上三部分是步進電機運轉(zhuǎn)必不可少的三部分?？刂破饔纸忻}沖產(chǎn)生器，目前主要有PLC、單片機、運動板卡等等。2) 運轉(zhuǎn)量與脈沖數(shù)的比例關(guān)系3) 運轉(zhuǎn)速度與脈沖速度的比例關(guān)系二、 西門子S7-200 CPU 224 XP C

6、N本機集成14輸入/10輸出共14個數(shù)字量I/O點。2輸入/1輸出3個模擬量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或38路模擬量I/O點。22K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，2個獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS458通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強能力的控制器。三、 三相異步電動機DF3A驅(qū)動器1.產(chǎn)品特點可靠性高:數(shù)字技術(shù)和單片機的應(yīng)用,使得驅(qū)動器線路簡單可靠;合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得整機結(jié)構(gòu)緊湊、防護性能好；短路、過流、超溫、欠壓保護線路提供全面、

7、可靠的保護、大大提高了步進驅(qū)動器的可靠性。低速性能好：引入單片機進行軟環(huán)分及矢量細(xì)分，實現(xiàn)1:1平滑細(xì)分及5、10、20倍矢量細(xì)分，使得步進電機低速運行平穩(wěn)，避免振蕩及失步。矢量細(xì)分技術(shù)的應(yīng)用，使得與m級位置控制器配套的步進系統(tǒng)輸出精度接近m級。高速性能優(yōu)：輸入信號頻率不大于250kHz（20細(xì)分時），輸出電流頻率可達(dá)15kH。由于采用單高壓（300V）恒流斬波，高速特性好，驅(qū)動步進電機空載運行最高速不低于7.0mm/min適用面廣：輸出電流3A10A可調(diào)，可驅(qū)動90BF、110BF、130BF步進電機，輸出轉(zhuǎn)矩2Nm25Nm。2.主要技術(shù)參數(shù)驅(qū)動器型號DF3A-03DF3A-04DF3A-0

8、5DF3A-06DF3A-08DF3A-10適配電機90BF-110BC380B130BC380C130BC380D110BC380C130BC380E輸入電源AC110V -15%+10% 50/60HZ3A(Max)AC220V -15%+10% 50/60HZ 3A(Max)輸出相電流（A）3A4A5A6A8A10A電機最高轉(zhuǎn)速不低于 1300rpm工作環(huán)境045 10%85%RH、不結(jié)露。無腐蝕性、易燃、易爆、導(dǎo)電性氣體、液體和粉塵。保存環(huán)境-2080 10%85%RH、不結(jié)露。驅(qū)動方式單高壓恒流斬波半橋方式細(xì)分選擇4位DIP開關(guān)上電前設(shè)定1/5/10/20細(xì)分。輸入脈沖方式單脈沖方式

9、： CP+DIR（脈沖+方向）；雙脈沖方式：CW+CCW（正轉(zhuǎn)脈沖+反轉(zhuǎn)脈沖）。脈沖頻率不大于 250KHZ（20細(xì)分時）脈沖寬度不小于 1s換向間隔不小于 10s使能輸入FREE信號有效時驅(qū)動器有電流輸出、電機受控。輸入信號電平5V、3mA10mA，12V時串入1K電阻，24V時串入2.2K電阻。輸入回路有電流時輸入有效。初始相位輸出信號B相為上電初始輸出相位，僅B相輸出有效時PH.OUT輸出(NPN型OC)有效:與OUT.COM接通,吸入電流不大于6mA電流,負(fù)載電壓不大于24V。保護功能過流、短路保護；過熱保護；欠壓保護。報警輸出FREE無效或過流短路過熱欠壓保護時，ALM輸出（NPN型

10、OC）無效。FREE有效、無報警時，ALM與OUT.COM接通,吸入電流不大于100mA，負(fù)載電壓不大于24V。狀態(tài)指示綠色 LED：H.POWER(電源指示) A.PHASE/B.PHASE/C.PHASE(相電流指示)紅色 LED：ALARM（報警指示，保護有效時亮）四、 PLC與步進電機驅(qū)動器接口原理圖五、 PLC控制實例的流程圖及梯形圖1. 控制要求1) 要求點機能正反轉(zhuǎn)2) 電機有高低速兩檔3) 電機位移和距離有兩檔4) 要求說明用PLS原理5) 所有換擋均需要在電機停止時進行2. 流程圖I0.5（高速）I0.5（低速）I0.4（關(guān)）I0.4（開）啟動時能信號選擇方向速度及控制步數(shù)PLS脈沖輸入3. 梯形圖六、 參考文獻(xiàn)1 張運剛、宋小春 主編.西門子S7-200系列. 北京：人民郵電出版社. 2010.12 徐國林主編. PLC應(yīng)用技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社. 2003七、 控制系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)這次二十來天的學(xué)習(xí)和實際，是我們一次較全面，較深刻的對PLC知識的綜合運用，通過這次學(xué)習(xí)，使得我們對PLC有了一個較為系統(tǒng)全面的認(rèn)識，加深了對所學(xué)知識的理解和運用，將原來看來比較抽象的內(nèi)容實現(xiàn)了具體化，初步掊養(yǎng)了我們理論聯(lián)系實際的設(shè)計思想，訓(xùn)練了綜合運用相關(guān)課程的理論，結(jié)合生產(chǎn)實際分析和解決工程實際問題的能力，鞏固、加深和擴展了有關(guān)PLC關(guān)于工業(yè)控制方面的知識。通過制訂設(shè)計方