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步进
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调速
往复
成型
系统
设计
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目录
1引言1
1.1 步进电机的发展1
1.2 本课题的研究意义3
1.3 本课题的研究内容3
2 PLC与步进电机简介3
2.1 PLC4
2.2 步进电机8
3步进电机控制系统的整体设计12
3.1 系统控制框架图12
3.2 系统控制流程图12
3.3 I/O点的分配14
3.4PLC的选型14
3.5 步进电机的选型15
3.6 驱动器的选型16
3.7 步进电机系统控制I/O接线图19
4 步进电机控制系统控制梯形图设计21
4.1 PLC编程指令21
4.2梯形图设计23
4.3程序调试27
总结与致谢28
参考文献29
附录30
原始数据（资料）：
步进电机转数0-1000R/MIN，
加减速时间50-5000MS，
丝杠螺母副行程200MM，
丝杠螺距4MM，
PLC数据手册，
PLC编程手册。
毕业设计（论文）主要内容：
1. 步进电机功能说明；
2. 步进电机加减速失步分析；
3. PLC高速脉冲输出程序设计；
4. PLC性能及选型，步进电机定位精度分析；
5. 结合本课题涉及技术内容查阅并翻译5000～8000印刷字符的PLC或自动化控制英文资料；
6.编写设计说明书。
学生应交出的设计文件（论文）：
1．图纸
（1）主回路、控制电路电气原理图A3图纸1张；
（2）PLC控制梯形图程序A3图纸1张；
（3）系统流程图A3图纸1张。
2．说明书
（1）介绍PLC基础知识，包含PLC的由来发展、功能、工作原理、PLC指令以及编程软件等内容介绍；
（2）控制的相关要求；
（3）控制设计（包含：制定程序流程图、分配PLC I/O接口、控制电路电气原理图、编制程序）
- 内容简介：
-
步进电机调速及往复成型系统设计 学生姓名： 指导教师 摘 要 ： 步进电机因有着快速启动和停止，精密步进和定位准确的特点， 所以常被用于机械、电子等工业生产控制领域中。 使用可编程控制器驱动步进电动机，可 提高 步进电动机的抗干扰能力 以及 可靠性 ， 同时， 其结构 实现了模块化，系统结构十分灵活，而且编程语言简短易学，便于掌握，可以进行在线修改，柔性好，体积小，维修方便。 本设计是利用 PLC 做进电动机的控制核心，用按钮开关的通断来实现对步进电机正 ,反转控制，而且正，反转切换无须经过停车 步骤。其次可以通过对按钮的控制来实现对高，低速度的控制。 关键词 ： 步进电机 精密步进 可编程逻辑控制器 nts Stepper motor speed and reciprocating molding system design Authors Name: Tutor: 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. KEYWORDS:Stepper motor precision stepping Programmable Logic Controller nts 目 录 1 引言 . 1 1.1 步进电机 的 发展 . 1 1.2 本课题的研究意义 . 3 1.3 本课题的研究内容 . 3 2 PLC与步进电机简介 . 3 2.1 PLC . 4 2.2 步进电机 . 8 3 步进电机控制 系统 的整体 设计 . 12 3.1 系统 控制 框架图 . 12 3.2 系统控制流程图 . 12 3.3 I/O 点的分配 . 14 3.4 PLC 的选型 . 14 3.5 步进电机的 选型 . 15 3.6 驱动器的选型 . 16 3.7 步进电机系统控制 I/O接线图 . 19 4 步进电机控制 系统 控制梯形图设计 . 21 4.1 PLC 编程指令 . 21 4.2 梯形图设计 . 23 4.3 程序调试 . 27 总结与致谢 . 28 参考文献 . 29 附录 . 30 nts 1 1 引言 1.1 步进电机的发展 在电动机的发展过程当中，直流以及交流电动机占据着相当大的一部分比例。然而步进电动机的出现不仅丰富了 电机种类，而且还在常规电机领域弥补了行业的空白，从而使工业控制更加多元化。常规电动机可以将其比作机电能量的转换设备，它的应用范围之广，覆盖范围之全，对人们的日常生活有着非常重要的作用。随着现在科学技术日新月异的不断发展，要想实现办公以及工业化过程当中自动化的实现，常规电机在此领域变得苍白无力。所以，步进电动机的出现应时代需求应用而生，它有着许多常规电机所不具备的有点，并且得到了迅速的推广。 在发展步进电动机方面，各种计算机以及 PC工业与其密不可分。在计算机周边设备中采用步进电机后，其性能得到了巨大的提高。 此 外，在数字化控制技术和微型计算机方面，把步进电动机应用且推广到数控系统执行部件的其他领域上，例如，机械加工机床、电学、光学、测绘仪器及仪表、包装机械、医疗仪器等等。产品成型的任何一种过程，都是基本上实现各种规格以及品种统一并且简化的过程。如今步进电动机已发展已为三类：单段式结构的磁阻式、爪极结构的永磁式以及混合式。 爪极永磁式电机 的各项指标以及性能都不太高，在经济方面较为实惠。在电动机高的分辨率的实现方面，通常会使用混合式以及磁阻式电动机。而混合式步进电机在市场上的应用较多。 最具有典型代表的产品是二相以及五 相步进电动机，在一些运行性能比较高的场合主要使用五相电动机。直至现在为止，磁阻式步进电动机在工业比较发达国家已变得极为少见。 在世界上日本的步进电机产量以及规模最大 ，如伺服公司、三洋、东方公司、 DENKI、NPM及 MINEBEA公司等。 日本东方公司所生产的步进电动机是世界上最好的，不管是从其结构还是外观、年生产量以及所使用的生产手段来看在业界起着带头作用。此外，紧随日本步进电机发展脚步的国家是德国，其所推出的三相混合式步进电机系列 为六极定子五十齿转子的结构且配备电流型的驱动器，每转的步数分为 200、 400、 1000、 2000、 4000、10000和 20000等。 在混合式步进电机当中所推出的二相或者五相系列分辨率高，且经过nts 2 细分后还可以再次提高。 此外， 在 三相混合式步进电动机推出 后，其永磁式结构也被研制出了三种，其可分为 混合式、磁阻式 以及 爪极式。对比二相步进电动机以及三相步进电动机，可以得出： （ 1）三相电动机在小步距角的获得方面要比二相的好。 （ 2）二相电动机的两相励磁最大保持力矩要比三相电动机小，因此在合成力矩方面三相电动机的要大些。 （ 3）二相电动机连续两步用于半步的转矩差要大于三相的步进电机。 （ 4）二相电动机的转矩波动比要大于三相的步进电机。 （ 5）二相电动机绕组是八个，而三相电动机可以 进行 星形连接且三个驱动终端，励磁电路晶体管有六个。 （ 6） 三相电动机 在连续 进行 运转 时，因一些结构原因，消除了 电流和磁通的 谐波，因此 在 振动力矩 方面， 二相 要 大于三相 的 电动机。 此外在低速大转矩方面适合使用混合式型电动机；在一些运行平稳以及大于每分钟一千转转速的场合比较适合使用磁阻式型；由于爪极型电动机的成本较低，所以三相 PM型电动机在低转速时的振动方面以及高转速时的大转矩上性能要比两相电动机的要好的多。 所以，混合式步进电 机的发展在机电领域上成长迅速。 在我国的步进电机发展方面起步较慢，于二十世纪五十年代之后才开始对其进行研究，在制造方面火候有所不足。而在这其中，众多高等院校以及科研机构在研究一些项目时出现了许多问题，因而为此开发出了一些产品，它们大多为多段结构，且基本上都为三相反应式的步进电动机。在步进电机的发展上，直到七十年代后才开始有所进展。在进行对步进电机整个机体的设计方面，反应式的步进电机的发展特别迅速，而与其相互配套的驱动器也随之不断发展。当步进电机成品的发展比较成熟时，许多高性价比的电动机便在此时所诞生。此后， 在对步进电机的精度以及稳定性的研究方面所做了大量的工作，混合步进电机相关控制系统得到了广泛的利用。直到现在为止，我国的步进电机变得种类齐全，且花样繁多。 在这些系列产品当中， 之前各个领域所使用的磁阻式步进电机仍然无法退役，从而使得它的低端市场份额依然很大。 此外，相关混合式步进电机系列产品及其相关生产设备的技术引进，二相和五相混合式步进电机按照国外的设 计nts 3 生产，混合式步进电动机在国内的自主开发及生产在不同的应用场合依然占据绝大部分领域，短期之内很难实现统一并且到达几个限定的品种规格之上。 1.2 本课题的研究意 义 步进电动机 在 控制 以及 定位 功能上的实现比较良好。在许多工业控制的场合 ，如 印刷机械 、数控机床、工业 自动化 控制系统、自动记录仪 器以及仪 表等 计算机 自动控制领域。 随着现代技术计算机的发展，具有可编程逻辑的控制器功能不断扩大和提高，它的功能已经超出了传统意义上逻辑控制的范围，并且更具有许多诸如 A/D、 PID、 D/A、智能数字化控制、计算、监测、通讯等多个功能。因此，可以说它是一种具有实际意义的工业控制用计算机。因 PLC 是一种简单化的计算机，因此其具有高的可靠性和通用性、编程易学简洁、简单的指令集、体积小、维护 成本低、便于现场安装、易于掌握。所以其的广泛应用给各种生产生活带来了巨大的利益，并且使人们的生活变得更加轻松。在数控控制的滑台和自动生产线上组合机床上，使用 PLC 进行控制的步进电动机系统可使该单元的系统控制成本降低 至一半以上 ， 并 且只 需要 自动线 上 控制单元 PLC1KB 的 存储器和三至五 个 I/O 接口。 尤其 是在大型 全 自动线 上， 可 显著降低 系统控制的成本。 所以研究 使 用 PLC 来 进行 控制步进电机， 不仅可以 实现控制 的 精确定位， 同时还可以 降低成本 、 便于维护。 1.3 本课题的研究内容 了解并 掌握步进电机的原理 以 及 控制办法 ， 了 解并 掌握西门子 编程 软件 的程序设计及其使用 方法。掌握 有关 步进电机的电气控制 及其试验 系统的工作原理， 并且在此系统的基础上 设计 并完成步进电机控制 程序，实现步进电机调速 及往复成型系统设计 。 因此本课题的 主要研究工作 为 ： 掌握 步进电机的工作原理 以及 PLC 对其进行系统控制的原理， 掌握 系统有关软、 硬件 的 构成 并完成 选型 ， 设计 步进电机 的控制系统 ，使 用 STEP 7 200完成 程序 的编程 。 2 PLC 与步进电机简介 nts 4 2.1 PLC 1、 PLC的定义 在 1985 年时， PLC 被相关组织所定义为：其的出现是为适应工业发展的需要而研 究出来的，其与计算机或 PC相类似的电子数字运算化操作系统。其运用的是一种可编程序的控制器，输入以及输出完成于其内部存储程式当中，来对各种机械或生产的过程进行控制。为适应工业系统等的需求需将 PLC 及其有关的外部设备连成一个有机的整体，使其功能以及原则设计较为易于扩充。 2、 PLC硬件结构及其各部分的作用 由 CPU（中央处理器）、存储器、输入 /输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分共同组成了 PLC 的硬件。在这其中， PLC 的部件核心为 CPU，在现场进行连接输入 /输出设备以及 CPU之间的接口电路的是输入 /输出单元，在 编程器上使用通信接口，用于其进行上位计算机及外设的连接。 图 2-1 PLC 硬件结构 图 （ 1） CPU（ 中央处理单元 ） PLC的核心部分是 CPU，它主要包括微处理器以及控制接口电路。 在对 PLC 进行控制以及运算时，它的发生都是在微处理内完成，且微处理器具有各种运算功能，从而完成系统各元件的协同工作。 系统程序赋予其的任务是其根本运行方针，用户数据以及程序的接收和存储工作都是依靠其控制编程器输入完成的。通过扫描nts 5 来完成经由输入部件所接收到的各种数据以及状态等。有关电源的诊断以及在 PLC 程序梯形图编写过程当中所出现 的明显错误判断和当电路出现问题时的分析都都是 CPU 的主要任务。在 PLC运行后，用户指令可以依次进行读取，这些的发生都是在存储器内进行。此外，在任务之内的各种运算的实现，经过命令解释后都可以完成。系统信息经过运算之后，可以实现标志位状态的更新。通过输出部件可以实现有关通信、数据传送及其它种种功能的完成。 （ 2） 存储器 存储器 分为两类： 1） 随机读写存储器 RAM 2）只读存储器 ROM、 PROM、 EPROM和 EEPROM。 计算机以及其它 PC等的存储器是用来进行工作时数据的保存，系统以及用户程序的完成也是在其 内部完成，存储器在 PLC 的功能同样也是如此。在有关产品的手册以及其它型号中所显示的有关存储器的内容，如无特别说明，一般指的均为进行用户程序存放而配备的存储器。此外，存储器的扩展单元在 PLC 所提供的用户程序的存储器量不够用时，许多 PLC还进行提供。 （ 3） 输入 /输出单元 其包括与中央处理单元在内的各种执行部件以及在各类接口当中所进行连接的部件等。 通过输入单元接口电路的现场输入信号的转换都是在输入单元内完成，使得被转换的低电压信号可以被中央处理器所识别与接收，且其的运算过程是在中央处理器内进行。在输出单元的 CPU 当 中完成对输入信号的转换后，经过输出可以被一些控制器件所接收，从而完成诸如各类机电领域的开关的控制。 在 PLC 当中的输入单元均为常规的交、直流类型。但是在输出单元方面就比较多元化，不仅有晶体管，还有包括继电器在内的各种输出方式。除此之外，一些智能型输入 /输出单元也被 PLC 所提供。 （ 4） 通信接口 在众多接口当中，通信接口最为重要，在它上面通常配置有通信处理器。当与包括显示器在内的一些 PC 设备进行连接时， PLC 可通过他们进行通信。一些有关系统当中的nts 6 参数以及信息也可以在 PLC 与相关打印设备的相互连接之下进行。在需 要对一些视频进行进行实时监控时， PLC设备也可以与其进行对接。 （ 5） 电源 在 PLC的内部电路运行过程中，需要配备开关电源。 PLC电源具有稳定性高以及抗干扰能力强等许多特点，这是许多常规电源所无法相比的。并且其电源稳定性好，对电网的电源需求不高，所以通常规定电源电压的波动范围在其额定值的百分之十五之间。此外 ,在向对外部传感器进行供电时， DC24V 的稳压电源也被 许多 PLC所提供 。 （ 6） 智能接口模块 智能接口模块在常规下也可被视为是与许多 PC设备相类似的系统。它本身具有独立动能，包括中央处理器以及各种 类型的总线接口在内相当齐全。在 PLC 的众多控制系统当中，各种数据之间的转换都可以在智能接口内进行。在其中，通过总线而与其进行连接的方式也变得愈加普遍。 （ 7） 编程设备 编程设备最为关键，一切工作的进行都是在其基础之下完成，它可以将人们心目中的所思所想完全付诸于其中进行实现，也可以对其所完成的内容或参数进行修改或重新编辑。 个人 PC程序的开发系统功能比较强大，它不仅可以实现系统的监视、系统仿真以及打印文件，而且还可以对 PLC 的程序梯形图进行编制以及修改。在此基础上配备合适的软件还可达到数据的采集和分析等许多目的。 （ 8） 其它外部设备 一切任务的完成不能仅仅依赖于上述所说的种种设备，还得需要许多诸如读写器相关的其它外部设备。 3、 PLC的 特点 （ 1）使用 便捷，且 通用性强 。在市场上的一些 PLC设备可以满足大部分相关领域内工作的需求。而且，其体积的大小可完全能够被人们所接受。 当用户程序 在被控 对象的硬件配置 落实 以后 即可完成 修改， 且迅捷 方便 ，可较强的 适应 各类 工艺 所需 条件的种种变化。 （ 2）适用 范围 广 ， 功能性强。 在 现代 化的 PLC当 中其 不仅 包括 计时、计数、逻辑运nts 7 算 以及 顺序控制等 各种 功能， 往往 还具有 A/D 以及 D/A 的 转换、数值运算 、 数据处理等功能 。 因此， 它不仅可以控制开关量，还可以控制模拟量，具有可以 控制 1台生产机械 、1条生产线 乃至 1个生产过程 的能力 。 此外， PLC还具有 包括 通讯联络 、 遥控 在内的各类功能。 （ 3） 稳定性好，抵御干扰的能力强。这两个条件在用户对设备的挑选方面占据着极大的比重。这时就对 PLC 的应用提出了巨大的挑战，虽然可以对硬件设备采取抗干扰措施，但是可能会造成治标不治本，只有从 PLC 设备的整体入手才有可能解决问题。在抵御干扰的能力方面，要想让其对设备乃至系统的影响降低，可以使用光电耦合器。与此同时，可防止 CPU 模块有外部 的高电压侵入。为抑制高频干扰信号，因此需要于 PLC 的电源电路 以及 I/O 模块中设置多种滤波电路， 所以说抗干扰的另外一项措施为滤波。在软件方面， 需要对 故障检测 以及 诊断程序 等的设置 。 在 抗干扰措施 采取 后， 4-5万小时 的无故障平均时间在 PLC上得到了保证 。 （ 4）编程简单，易 于 掌握。梯形图语言 配备于 PLC当中，它易于被所学者接受与掌握。此外， 继电器电路 控制的 原理图 与此 语言编程 所 表达 的 方式 以及 元 器件 的符号 也相当类似 。 （ 5）系统的 控制与 设计、安装、调试 以及 维修 较为 方便。 在 继电器系统控制中 许多诸如 计数器、时间继电器 以及 中 间继电器 等都已被 PLC 所使 用软件功能 所代替，且大大的减轻了 接线 、安装以及设计 控制柜 的 工作量 。在进行 调试 模拟时 ， PLC中 的用户程序 大多数都可以在实验室内进行。当需要进行 统调 时，可以 将 PLC 的 控制系统调试好后 再 安装到生产现场 。因 PLC 存在 很低的故障率， 所以维修率低。除此之外，其 诊断和实现功能 较为 完善， 当 故障发生 于 执行机构 以及 PLC 的外部输入装置 时 ， 即 可 通过 PLC 上发光二极管 以及 编程器上提供的信息 来 快速 的 查 到事故 原因。 当需要进行 更换模块 时 ， 说明PLC存在问题，应当立即 排除故障， 在 维修 方面比较快捷 。 （ 6） 重 量小 、 功耗低 、 体积小 。 控制精度以及性能在 PLC 控制系统中得到了充分体现，因此可以更为可靠地进行工作。 4、 PLC在步进电机控制中的应用 随着 现代化 微电子技术 的迅猛 发展 ， PLC的 发展 突飞猛进 ， 而它的 功能 已经 超出了 常nts 8 规意义上的 逻辑控制 以及 顺序控制的范围 ，并且还在继续朝着微型化 的方向 进行 发展。电动机应用领域的 逐渐 拓宽 ，且 各类 型 整机不断 的微 型化 ，需要相 配的电动机也须越来越小 ，为此需 综合设计电动机。 因此 把减速齿轮 、 转子位置传感器等 以及 电动机本体 作为整体进行综合设计 ，这样闭环系统 即可方便的形成并且其 控制性 变得更加优越 。目前二 、 四相电动机 应用的范围较广 ， 因 其振动 以及 噪声 比 较大 ，因而 三相 以及五相 电动机的 优势 更加明显 。 对比 这两 类 电动机 ，三 相电动机的驱动电路 要比五相的简单 ，因此三相电动机系统 的性价比要高很多 。 如今， 利用 PLC 技术可 较为 方便地对电机速度 以及 位置 进行 控制 ， 步进电机的 各种操作 方便可靠， 各种 繁复的工作可以胜任。所以， 它 在 工业自动化 的发展历程当中充当先锋 ， 不断地 加速 以及实现 机电 的 一体化。 实现 PLC 对步进电机 的控制 ，利用运动控制功能 或 其高速脉冲输出功能 可较为方便的完成。 步进电机直线位移 以及 角位移 的实现是通过 电脉冲信号转换 而 成，其输出轴转过一个固定的角度 是依靠对其施加一个电脉冲信号而实现 。步进电机的输出位移量 正比于 输入脉冲个数 ，而 其转速 也正比于 单位时间内输入的脉冲 个 数，步进电机各相绕组相序 的脉冲分配也与转向相 关。 因此要想 控制步进电机的速度、输出位移量 以及 转向 ，需要 控制指令脉冲的数量 、 频率 和 电 动 机绕组通电的相序。步进电机 控制 系统由 PLC 以及 步进电机组成， 其的 实时刷新 功能可将 输出信号的频率达到 几 千赫兹 以上。通过对 步进电机速度响应能力 实现 充分利用， 可 使脉冲分配 的 速度 提高 ， 从而使得 系统的快速性 得到提升 。 此外 ， 在 PLC 的输出端口采用大功 率 的 晶体管，步进电机各相绕组数 十伏 脉冲电压以及数安安培 脉冲电流的驱动要求 可以得到实现 。 2.2 步进电机 1、步进电机简介 步进电机是一种 执行元件，它 将电脉冲信号转变为 角 位移或 线 位移。 在一段时间的沉淀后开始进行了稳定的发展 。 但是 ， 在 电动机的工作原理 方面与 其它 类型的 电动机 相比差距很大 ， 一些特性是其它电动机所没有的 。因 而，步进电动机开始朝着微 型、高效以及 低价的方向 进行 发展。 nts 9 步进电动机 必须 在专用的脉冲电源供电下 运行 ，转子的角位移 （即步数）正比于 与输入 的 脉冲数 。其具有良好的控制性能且 动态响应快 ，如要改变转向 只需 改变输入脉冲的顺序 即可轻松的完成 。 此 外 ， 电机转动的 速度以及加速度 可以通过控制脉冲 的 频率来完成 ， 以此来实现调速目的 。步进电动机 的这些特点 与其它 常规电动机相比 差别 很大 。因此，步进电动机 和驱动控制器 所共同 组成的开环数控系统 ，不仅 控制性能 良好 ， 而且控制 的 精度 高 ， 可以 稳定 可靠 地 进行 工作。因此，在 出现 数字 化 控制系统 后 ，步进电动机 的发展 经 过了一个大的 阶段。 电磁铁 的 作用 就是步进电动机的基理 ， 其被概括为： 根据 所 输 入 的脉冲信号， 步进电动机每步进 一 个 角度或长度 时励磁状态就改变一次 ， 如果 励磁状态 不变 则 电动机将 保位置 不变或处于 静止 状态。 从广义上讲，步进电动机是一种无刷式直流电机 ，其 受 到 电脉冲信号 的 控制 。同时，步进电机 也可看作 是一种同步电机，其 在一定频率范围内转速与 所 控制 的 脉冲频率同步。 2、步进电机分类 （ 1） 按工作方式分 类： 1） 功率式 步进电机：可输出较大的转矩，能直接带动的负载可以较大。 2） 伺服式 步进电机 ： 其 输出 的 转矩较小，带动 的 负载 较小 ，对于大负载需通过液压放大元件来传动。 （ 2） 按结构分 类： 1） 单段式（径向式） 步进电机 2） 多段式（轴向式） 步进电机 3） 印刷绕组式。 （ 3） 按使用频率分 类： 1） 高频步进电动机 2） 低 频步进电动机 （ 4） 按运动方式 分类 ： 1） 旋转运动 步进电机 2） 直线运动 步进电机 3） 平面运动 步进电机 nts 10 4） 滚切运动 步进电机 （ 5） 按工作原理 分类 ： 1） 反应式（磁阻式）：定子 、 转子 以及 绕组由软磁材料 制 成。步距角 较 小，成本低廉 、结构简单、动态性能差、发热大，可靠 性较小 。 2） 永磁式： 其 转子 由 永磁材料制成，定子与转子的极数相同 ， 其输出力矩大、动态性能好，但是电机精度差，步矩角大（一般为 7.5或 15）。 3） 混合式： 其有着 永磁式和反应式 共同 的优点，定子 、 转子 以及 绕组采用永磁材料制成 ， 在定子与转子上分布有许多 小 齿 ，用 以提高 其 步矩精度。其特点 为： 步距角小、输出力矩大、动态性能好，但成本相对较高、结构复杂。 （ 6） 按定子上绕组 分类： 1） 二相 步进电机 2） 三相 步进电机 3） 五相 步进电机 在这其中， 两相混合式步进电机 最受欢迎 ， 其占据 的市场份额 要占到 97%以上，其 不仅 性价比高， 而且其效果在 配上细分驱动器 之 后 更加明显 。该电机的步距角为 1.8 /步，在 配上半步驱动器 之 后，步距角减少为 0.9 /步。而当其搭 配上细分驱动器 之 后 ， 步距角细分达 256倍（ 0.007 /微步）。 其 实际 的 控制精度低 ，是由 制造摩擦力和精度等原因造成的。 要 想 改变 其 精度和效果 ，可在 同一步进电机 上 配 备 不同细分的驱动器 。 3、基本参数 （ 1）电机固有步距角 其 表示控制系统每发一个步进脉冲信号 时步进 电机转动的角度 。 步距角 是在电机生产过程中时所产生的 ， 在进行 实际工作时它不一定是真正 的 步距角， 但是 真正 的 步距角是 与驱动器 相 关。 （ 2）保持转矩 其 是指定子锁住转子的力矩 ，是在 步进电机 已 通电 但却 没有转动时 产生的 。步进电机最重要的参数之一 就是保持转矩 ， 在通常情况下 步进电机在低速运行时的力矩 与 保持转矩 相接近 。步进电机的输出力矩不断 的 衰减 ，其原因是由 速度的增大 所造成的 ， 而其输出 功率 也在不断地发生 变化 。 所以 步进电机的 保持转矩 是最重要的衡量依据 。 如一个nts 11 4N m的步进电机 ,其在常规下 是指 此 步进电机 的 保持转矩为 4N m。 （ 3） 钳制转矩 其 是指定子锁住转子的力矩 ，是 步进电机没有通电 时的转矩 。反应式步进电机的转子没有钳制转矩 ，因为它的转子 不是 由 永磁材料 所制成 。 （ 4）步进电机的相数 其 指 的是 电机内部的线圈组数， 通常 有二相、三相、四相、五相 之分 。 其 相数 的 不同 会使得 步距角也会 有所 不同，二相 步进 电机的步距角为 0.9 /1.8 ， 三相的为 0.75/1.5 ， 五相的为 0.36 /0.72 。 在 没有细分驱动器 的情况下，步进电机为 满足自己步距角的需求主要 依 靠选择不同 的 相数。如果 在 使用细分驱动器 之后 步进电机的相数就会 变得 没有 意义 ， 用户 要想 改变步距角 时， 只 需 在驱动器上更改细分数就可以 完成 。 4、 步进电机的特 点 （ 1） 其 没有累 积 误差： 常规 步进电机的精度 是其 实际步距角的 3 -5 ， 且 跟随性较为良好 。 （ 2） 其 输出轴的角位移正比 于 输入 的 脉冲数 ，且 转速正比 于 脉冲频率 ，电动机的 转向 和 通电相序 相 关。当 其一周转动完成后 ，没有累积误差， 且 跟随性 良好 。 （ 3） 经 由驱动电路 以及 电机 所 组成的开环数控系统， 其结构简单，价 格低廉 。 于此同时， 其 与角度反馈环节 相结合可共同 组成高性能的闭环数控系统。 （ 4）步进电动机响应 速度 快 ， 正、反转 以 及变速 、启停较为容易实现 。 （ 5） 其 速度可平滑调节 于 相当宽的范围 之 内 ， 在 大转矩 的获得方面仍可在低速的环境下得到保证 。 （ 6） 其 转速受负载大小的影响 较小，而其他常规电机在 负载 变 大时就会出现速度下降的 现象 ， 因此， 在对速度和位置都有 着 严格要求的场合 才可以进行使用 步进电机。 （ 7） 步进电机在运行时的失步以及其它现象很严重，为此需对出现此情况的相关元件或系统进行调整。 （ 8） 电动机在运行过程中所产生的噪声以 及其它影响很大，且不容易避免。同时，也不容易带动体积以及质量较大的物品。 （ 9） 步进电机要想正常的进行工作，其供电所使用的方式需采用脉冲才行，其它常规电源必须采取一定的方式才可以进行使用。 nts 12 5、 步进电机在工业中的应用 步进电机 与常规 电动机 相比具有明显的优势，这些都和 精密控制 相 关， 且对于成本来说 相对较低 。 步进电机 的程序有许多应用于 高科技技术 上 ，如机械手臂、磁盘驱动器、机器人 以及 遥控车等 等 。 此外， 步进电机 在 各种自动化 的工业 系统中 也应用较广 。 3 步进电机控制系统的整体设计 3.1 系统控制框架 步进电机系 统控制要求 PLC 具有实时刷新功能，使输出频率较高，以便于环形脉冲具有较高的分配速度，利用步进电机的速度响应能力，使整个控制系统的响应得到提高。其次， PLC 的输出端应采用大功率晶体管，以满足步进电机的驱动要求，使其各项绕组具有数十伏的脉冲电压和数安培的脉冲电流。 图 3-1 系统控制框架图 对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分配， 从而 控制 连接 到步进电机 各相绕组的直流电源依次 通断 ， 以便 形成旋转磁场 使得驱动 步进电机 进行 转动。步进电机 每走一步 时 环形脉冲分配程序的步数 就会 减一，当步数减为零时，环形脉冲 就会停止 分配，从而开始 等待下一次脉冲 的 输入。 3.2 系统控制流程图 通过 PLC 的开关 控制步进电机 实现以下功能 ： （ 1） 起动电机，实现加速、恒速以及减速等功能； （ 2） 电机的正反转运行； （ 3） 电机急停的控制。 启动主程序，对系统进行初始化，若按增速按钮，则修改寄存器状态值，减速亦然。nts 13 按下起动按钮后，电机顺转，运行指示灯亮且启动脉冲输出。当电机运行至极限位置时，电机逆时针转动。当按下停止按钮后，脉冲输出结束且返回到主程序。 图 3-2 系统控制流程图 nts 14 3.3 I/O 点的 分配 步进电机 PLC 控制 系统的输入 /输出地址分配地址 如表 3-1所示 。 表 3-1 I/O 地址 分配表 3.4 PLC 的选型 西门子公司的 S7-200PLC 指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展 并且 性价比高，在 工业 自动化 的 系统中 有着巨大的影响， 从 继电器 的控制 到 自动化控制 ，充斥着这当中的方方面面 。 S7-200PLC是一种 比较微 型 化的 PLC，它的功能与其同系列的其它巨型 PLC相比简直不相上下，在性价比上也是特别的高。 所以 ， 在 推出 之后它 就受到了 来自各方面 的关注。在 本世纪之前 ，大中型 PLC 是 西门子 公司 在中国市场的 主要 产品 。并且在这当中 ，中国大部分的市 场份额 是被 日本的小型 PLC 所 占据。 直到 S7-200PLC 系列的产品 推出后，这种情况得到了改善 。如今在 小型 的 PLC市场上 其已发展 成为了主流 性的 产品。 西门子公司 在上世纪末推出的 S7-200CPU21*系列的 小型 PLC， 其的出现却 很快 的 就被 CPY22*系列的产品所取代。 因为 它 可以选择的 人机界面 和 功能模块 有很多种 ，所以 可以很方便的完成 系统的集成，组 建 PLC 网络 也非常容易 。它 的 工业控制组态软件 和 编程 功能齐全， 从而可以更为简单的设计 完成控制系统，任何功能的控制任务 基本上都 可以完成 ，功能非常强大 。 自 2004年推出 的 S7-200PLC系列 PLC是 现在 所使用的 最新版 本 ，其具有 可靠性较高、指令集内置 以及 集成功能丰富、 具有较强的 实时特性和通信能力 等信号名称 输入 地址 信号名称 输出 地址 起 动按钮 I0.0 脉冲输出 Q0.0 增速按钮 I0.1 方向控制 Q0.1 减速按钮 I0.2 电机释放信号 Q0.2 左，行程开关 I0.3 运行指示灯 Q0.3 右，行程开关 I0.4 停止按钮 I0.5 nts 15 许多特点 。 选择 S7-200PLC 的 CPU 模块 ， 如表 3-2 为 常规规范的 CPU， CPU221 为 集成 6 输入 /4输出共 10 个数字量 I/O 点 ，但却没有 I/O 的 扩展能力。 具有 6K 字节程序和数据存储空间 ， 4 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出。 1 个 RS485 通讯 /编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI通讯协议和自由方式通讯能力。 其的应用 非常适合于小点数控制的微型控制器 ， 所以在 本次设计 中 选取 CPU221。 表 3-2 CPU 常规规范表 指 标 型 号 CPU CPU 221 222 224 226 集成的 24V电源 (输出） 180mA 280mA 400mA 高速脉冲输出 具有 2 路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达 20KHz，用于控制步进电机或伺服电机，实现定位任务 。 高速计数器 (30KHz) 4 6 扩展模块数量 2 7 模拟 量调节 电位器 1（ 8位分辨率） 2（ 8位分辨率） 本机数字量 I/0 6入 /4出 8入 /6出 14入 /10出 24入 /16出 备注 中断输入允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 EEPROM 存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具，无需编程器并可进行辅助软件归档工作。 用户数据（如标志位状态、数据块、定时器、计数器）可通过内部的超级电容存储大约 5 天。选用电池模块能延长存储时间到 200 天（ 10 年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。 nts 16 3.5 步进电机的选型 本设计 采用 型号 为 42H2P3412A4 的 两 相 混合 式 步进电机。该型号的步矩角为 1.8 度 ，相电流 1.2A， 相电阻 32欧姆，相电感 4.4mH，静 转距 1.9Kg cm,引线 4条 ,转动惯量 41g cm2。规格： D 为 5mm;L 为 34mm（ D 为轴径， L 为机身长）。其结构如图 3-4 所示。 图 3-3 两相混合式步进电机结构图 该步进电机的定子、转子是由磁钢或纯铁芯片制成，转子铁芯上的 50 个齿均匀分布，在两段铁芯上每个小齿之间错开半个齿距，定、转子的齿宽与齿距相同。定子的每对极上都有一对绕组构成一相绕组，共两相称为 A、 B 相。 A、 B 两相绕组沿着径向方向分相，在定子圆周分布有 8 个突出的磁极， A 相绕组的磁极为 1、 3、 5、 7， B 相绕组的磁极为 2、4、 6、 8，定子的每个极面上分布有 5 个齿且极上布有控制绕组。 A 相绕组由线圈 1、 5、3、 7 串联而成， B 相绕组由线圈 2、 6、 4、 8 串联而成。 图 3-4 两相混合式步进电机绕组接线图 3.6 驱动器的选型 步进电机 只 有驱动器和控制器 都具备 才 可以 正常工作。 而 驱动器 的主要作用是 对 所控制 的 脉冲进行功率放大 以及 环形分配， 从而使 电机绕组按一定顺序通电 来 控制 步进 电机 进行 转动。 nts 17 本设计 采 用型号为 2MA320 的驱动器。 该驱动器属于 细分型高性能步进 电机驱动器 ,适合驱动 相电流为 2A 的 任何中小型 二、 四相混合式步进电机。由于 该驱动器 采用双极性恒流斩波驱动技术， 因此在 使用同 类型的 电机时速度和功率 输出方面 可比其它驱动方式更具优势 。 其 细分功能 可 使步进电机 的 运转精度提 升 1-128 倍。每秒两万 多 次的斩波频率可消除驱动器中的斩波噪声。 同时，该驱动器在 减流 时，不允许其自动的进行。 当 步进电机停止 工作 时， 其 输出电流可 达到所期望的低水平状态，电动机的发热程度可大大降低，驱动器也是如此。 图 3-5 2MA320 型驱动器外观图 2MA320 型驱动器特点： （ 1） 供电电压 为 AC12-36V 或 DC12-24V； （ 2） 驱动电流 为 0.3-2.0A； （ 3） 细分精度 为 1-128 细分可选 ； （ 4） 光隔离信号输入 ； （ 5） 电机噪声优化功能 ； （ 6） 可驱动任何相电流 为 2A 以下 的二 、四相混合式步进电机 ； （ 7） 20KHz 斩波频率 。 nts 18 主要技术指标 : 表 3-3 主要技术指标表 表 3-4 输入信号接口功能表 名称 单位 最小值 典型值 最大值 输出电流 A 0.3 12 2 输入电源电压 VDC 12 24 36 控制信号输入电流 mA 7 10 16 步进脉冲频率 KHZ 0.1 100 脉冲低电平时间 s 5 符号标记 功能 详细说明 PLS 步进脉冲信号 下降沿有效，每当脉冲由高变低时电机走一步。 -5.5V低电平 0.3V， 3.6V高电平 5.5V，脉冲宽度 2.5 s DIR 方向控制信号 改变电机方向， -5.5V低电平 0.3V，3.6V高电平 5.5V，脉冲宽度 2.5 s VCC 输入信号光电隔离正端 接 +5V供电电源， +5V+24V均 可驱动，高于 +5V需接限流电阻。 EN 电机释放信号 有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动停止工作，电机处于自由状态。 nts 19 图 3-6 驱动器内部结构图 在接口电路中将运动控制器 与驱动器使用光电隔离方式连接起来，以避免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器电路。环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功放管的导通和截止信号，从而控制各项绕组的通电和断电。功率放大器将电源功率转换为电机输出功率驱动负载运动。 图 3-7 驱动器电路接线图 当两相控制绕组按次序轮流通电，每拍只有一相绕组通电，四拍构成一个循环。当控制绕组有电流通过时，便产生磁动势，它与永久磁钢产生的磁动势相互作用，产生电磁转矩，使转子产生步进运动。 3.7 步进电机系统控制 I/0 接线图 在 此系统中，因 PLC的输出信号为 +24V，而控制电机的驱动器须使用 +5V的控制信号。nts 20 为此，需在之间串联一个 2K的电阻进行分压，使它们达到平衡。 图 3-8 步进电机系统控制 I/0 接线图 nts 21 4 步进电机控制 系统 控制梯形图设计 4.1 PLC 编程指令 1、 数据传送指令 ： 数据传送指令 （如图 4-2） 输入端（ IN）指定的数据传送到输出端（ OUT），传送过程中数据值
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