五相步进电机的模拟控制

目录1、 系统简介 21.1 步进电动机简介 .21.2 PLC系统概述 .32、系统设计 .52.1 控制要求 .52.2 I/O地址分配 .62.3 PLC选型 .62.4西门子 PLC应用中需要注意的问题 .62.5西门子 PLC控制步进电机 .73、程序设计 .83.1 五相步进电机控制梯形图 .83.2五相步进电机控制语句表 .94、总结 .92题目：五相步进电机的模拟控制1、 系统简介1.1 步进电动机简介步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，日前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不变的，即：是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输人的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机:从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种。 步进电机的分类：1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或15 度。2）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。3）混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。两相步进角一般分为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度，这种步进电机的应用最为广泛。步进电机主要特点：1）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。2）步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以3步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 4。步进电机在工业控制领域的主要应用：步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。1.2 PLC 系统概述可编程控制器(简称 PLC) 是种数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有 30 多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同:1）中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，4然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。图 1-1：PLC 的系统组成PLC 技术在步进电机控制中的应用：随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。目前利用可编程序控制器（即 PLC 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。用 PLC 对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机的控制。5EDCBA步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。PLC 直接控制步进电机系统由 PLC 和步进电机组成，PLC 具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且，PLC 有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数 10V级脉冲电压、1A 级脉冲电流的驱动要求。有以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子 PLC 本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为 10KHz，能够满足步进电动机的要求。对 PLC 提出两个特性要求。一是在此应用的 PLC 最好是具有实时刷新技术的 PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是 PLC 本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如图 1-2 所示：图 1-2 步进电机的 PLC 直接控制2、系统设计2.1 控制要求按下启动按钮 SB1,A 相通电（A 亮）B 相通电（B 亮） C 相通电（ C 亮）D 相通电（D 亮）E 相通电（E 亮）AAB BBC C CDDDEEEAAB 循环下去。按下停止按扭 SB2，所有操作都停止需重新起动。 图 2-1：五相步进电机控制示意图PLC 步进电机输入信号62.2 I/O 地址分配I/O 地址分配：输入 输出Q0.1 控制 A 相绕组Q0.2 控制 B 相绕组I0.0 起动按钮Q0.3 控制 C 相绕组Q0.4 控制 D 相绕组I0.1 停止按钮Q0.5 控制 E 相绕组2.3 PLC 选型控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子 PLC 本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为 10KHz，能够满足步进电动机的要求。对 PLC 提出两个特性要求。一是在此应用的 PLC 最好是具有实时刷新技术的 PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是 PLC 本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。S7-200 系列 PLC 是西门子公司生产的一种小型 PLC，其许多功能达到了大中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 接近。特别是 S7-200CPU 系列 PLC，它具有多种功能模块和人机界面可供选择，便于系统的集成，并很容易地组成PLC 网络；此外，它还具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得 S7-200系列 PLC 在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-200 系列的 PLC 按 CPU 模块 I/O 点数的多少和效能分为：CPU221、CPU222、CPU224 、CPU224XP 和 CPU226，以下是这 5 种 CPU 的功能对比。通过以上 S7-200 系列的 PLC 的对比，结合本次设计系统，选用 CPU224以上的 PLC 就可以满足设计要求。2.4 西门子 PLC 应用中需要注意的问题71）温度：PLC 要求环境温度在 0 55 ，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。2）湿度：为了保证 PLC 的绝缘性能，空气的相对湿度应小于 85%( 无露珠) 。3）震动：应使 PLC 远离强烈的震动源，防止振动频率为 10 Hz55Hz 的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。4）空气：避免有腐蚀和易燃的气体，如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。5）电源：PLC 对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般 PLC 都有直流 24 V 输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使 PLC 接收到错误信息2.5 西门子 PLC 控制步进电机由以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子 PLC 本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为 10KHz，能够满足步进电动机的要求。对 PLC 提出两个特性要求。一是在此应用的 PLC 最好是具有实时刷新技术的 PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是 PLC 本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。对输入电机的相关脉冲控制，从而达到对步进电机三相绕组的 48V 直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。8图 2-2：PLC 的运行示意图9RQ0.2M10.2M0.17M1.0Q0.303M1.2TONIP +2037TONIP38I0.1I0.M0.M10. +0T37M0.1M. Q0.43M1.304Q0.54M10.5M1.TONI39M0.2P M1.67I0.1ENOSHRB_ITDAT38M0.21T39 +217M10. +5M0.M10.6M10.7Q0 M10.53、程序设计3.1 五相步进电机控制梯形图103.2 五相步进电机控制语句表 1 LD I0.0 19 TON T39，+20 35 O M11.12 O M0.1 20 AN T39 36 O M11.23 A I0.1 21 = M0.2 37 O M11.34 = M0.1 22 LD M0.0 38 = Q0.35 LD M0.1 39 LD M10.46 AN M0.0 23 SHRBM10.0，M10.1，+15 40 O M11.37 TON T37，+20 24 LD M10.1 41 O M11.48 LD T37 25 O M10.6 42 O M11.59 = M0.0