基于plc控制的步进电机控制系统设计毕业论文

1、基于 PLC的步进电机控制系统设计基于 PLC 的步进电机控制系统设计机械电子专业 XXX指导教师 XXX摘要：以德国西门子公司小型可编程逻辑控制器S7 200 为中央处理单元，以步进电机作为控制对象。介绍了 PLC的概念原理以及控制的优点，步进电机的概念及工作原理，现状以及发展方向。PLC与步进电动机一起结合起来有很高的研究价值与意义。 本文在介绍步进电机控制特点的基础上 , 重点 研究了步进电机的控制策略。设计了控制系统的硬件方案，并编写了相应的控制流程，测试了实际 控制效果，并提出相应的整改措施，达到更加合理高效的目标。对于使用步进驱动器的步进控制系 统，控制器对步进电机的控制关键在于控

2、制脉冲信号的产生。介绍了使用该控制器产生控制脉冲信 号的多种不同实现方法，进而实现对步进电机不同控制方法。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。关键词 ：可编程逻辑控制器；步进电机；控制策略；控制流程The Research Of Stepper Control Method Motor Based On PLC聞創沟燴鐺險爱氇谴净。Student majoring in Machinery and electronics specialty XXX 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。Tutor XXXAbstract ：With small Germany Siemens S7-200 programmable lo

3、gic controller of the central processing unit, with 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

4、has a high research value and significance. In this 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 contr

5、ol effect, and puts forward the corresponding rectificationmeasures,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 control

6、ler a variety of different implementation methods of the pulse signal, then the method to realize different control the stepper motor. 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。Key words: Programmable logic controller; Stepping motor; The control strategy; Control the process 彈贸 摄尔霁毙攬砖卤庑。XXX 本科毕业设计(论文)引言 伴随着经济的快速发展，科技的日新月异，产品更新换代

7、周期缩短，生产效率有了 更高的要求，特别是计算机技术的广泛的推广和普及，信息产业发挥了它无与伦比的优 越性和高效性，其中可编程逻辑器件就有了更多的用武之地。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。可编程序控制器 ( programmable logic controller) ，俗称 PLC，它是一种基于数字运 算操作的电子系统， 现在在工业环境设计中它产生了很高的价值， 并带来了很大的效益。 PLC 在工业控制领域得到了广泛的应用 , 同时微电子技术和计算机技术的更新， 其功能 也相应的得到了很大的发展， PLC已经不再局限于逻辑控制、 顺序控制的普通技术层面， 现在已经深入到模拟量控制，甚至远程通信功能等

8、高技术领域。所以 PLC 与 CAD CAM 、机器人技术一起被称为当代工业自动化的三大支柱 1 。PLC 不仅仅具有数据采集、 逻辑处理功能，同时还兼具有高速脉冲输出和采集功能。随着我国现代化进程的深入， PLC 在我国将有更广阔的应用天地。从技术水平上看，计算机技术的不断更新，技术平 台的更加高效，可编程控制器可以以此作为平台，在设计和制造上更加事半功倍，特别 是在运算速度、 存储容量、 智能化方面会变的更快、 更大、更强；从产品规模上看， PLC 会基于计算机技术向超小型和超大型方向发展； 从产品的配套性上看， PLC 产品的种类 会更丰富、规格更加完善，人机操作界面方面会变得更加人性化

9、，强大的通信设备会更 好地适应各种工业控制场合的需求；从技术研发方面上看，很多国家都很重视 PLC 技 术的开发设计，并将它的发展水平作为科技发展水平的一项很重要的方面，国际竞争会 更加激烈，而激烈的市场效率竞争会出现少数几个强大的品牌垄断国际市场的局面，便 会产生国际通用的编程语言，更加适合技术的交流和应用。随着计算机网络技术的迅猛 发展和强大技术支持， 可编程控制器将成为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成 部分，并将在工业及工业以外的许多领域发挥着越来越重要的作用，并创造着越来越大 的效益 2 。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。步进电机是机电一体化产品中扮演着很重要的角色， 步进电动机经常用在精

10、确定位 控制和定速控制，它能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。步 进电机作为常用的一种电气执行元件，由于其具有精度精准、惯性影响小、工作稳定， 能在高精度快速开环控制的时候发挥它的优势， 被广泛应用在各种不同的自动化控制领 域。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。PLC 与步进电机的结合控制模式在各种工业化生产、 自动化控制系统和精密制造机 械行业等领域的研究备受人们所关注和期待。本文以这样一个系统为对象，探讨使用 PLC 实现对步进电机控制的多种不同方法。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。基于 PLC的步进电机控制系统设计1 概述1.1 关于 PLC 和步进电机的状况1.1.1 PLC 方面

11、PLC，即可编程控制器 (Programmable logic Controller)的简称 , 它是基 于计算机技术为基础的新型工业控制自动控制装置。 PLC 是一种专门为在工业环境下应 用而设计的数字运算操作的电子装置。采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储 执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模 拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该 按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。PLC 的性能特点 : 配套齐全，功能完善，适用性强；可靠性高，抗干扰能力强；系

12、统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造，易学易用，体积小，重量轻，能耗低， 故深受工程技术人员欢迎。 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。1.1.2 步进电机方面 步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移 的离散值控制电动机， 这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步， 所以又称脉冲电动机。 步进电机在结构类型上分，有反应式( Variable Reluctance， VR)、永磁式( Permanent Magnet,PM)和混合式 (Hybrid Stepping,HS)三种3 。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。 典型的 电机绕组固定

13、在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。当控制系统将一个电脉冲信 号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。脉冲的频率决定电机 的转速。电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；所以，改变输入脉冲的个数就 就能控制步进电机的转子运行角度。 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。步进电机有以下特点： 运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；具有 锁定转矩；定位精度高，并且没有累积误差；具有优良的起动、停止、反转响应；无电 刷和可靠性高；可低速运行，直接驱动负载；不适宜的控制会引起振动；不宜运行于高 速状态。 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.2 PLC 控制步进电机研究的意义 基于步进电动机良好的

14、控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数 控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。 PLC 作 为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场 修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在生产生活中广泛应用，带来了 巨大效益方便。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。由于将 PLC 作为控制器和把步进电机作为执行元件组成的运动控制系统具有相当 的典型性和通用性，通过研究用 PLC 来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制， 又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术XXX 本科毕业设计（论文）这样

15、就有利于的不断发展完善， PLC 具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能， 步进电动机的精确控制 4 。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.3 本课题研究的内容本课题主要研究三相步进电机的控制 ，使用的 PLC 是西门子 S7-200 CN 系列 PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY, 能对三相步进电动机的转速进行控制，能对三相步进 电动机的步数进行控制实现调速功能，实现快速启动、快速停止、正反转互换控制及制 动操作等。 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2 步进电机和 PLC 的结构及选用2.1 PLC 的结构PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY 的基本结构情况为： CPU224XPC

16、N，24VDC 电源， 24VDC 输入， 24VDC 输出， 6ES7 214-2 AD 23-0 XB 8，有 14个输入， 10个输出共 24 个数字量 I/O 端子点， 2个输入， 1个输出共 3个模拟量 I/O 端子点，可连接 7个扩展模 块，可扩展至 168路数字量 I/O点，还可以实现 38路模拟量 I/O点。22K字节程序和数 据存储空间，拥有独立的高速计数器 （100KHz）达6个，并且还有 100KHz 的高速脉冲输 出 2个，上升沿和下降沿边沿中断各 4 个， RS485通讯/编程口 2 个，同时具有 PPI通 讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 PLC-CP

17、U224XPCN AC/DC/RLY 还具有其 他的很多很有用的功能，例如内置模拟量 I/O ，位控特性，数据记录及配方功能等，由 于 PLC-CPU224XPCN AC/DC/RL Y 具有模拟量 I/O 和强大控制能力的新型 CPU，所以可 以很轻松的帮助步进电机实现精准的定位任务 5 。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。步进电机和 PLC 必须要相匹配才能达到给定的系统参数；比如 PLC 输出的最高频 率决定了步进电机的最高转速等。具体计算如下： 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。脉冲当量 =（步进电机步距角螺距） / （360传动速比）；脉冲上限频率 =（移动速度步进电机细分数） / 脉冲当量；最大脉冲数量

18、=（移动距离步进电机细分数） / 脉冲当量；性能指标的提高， 在步进电机工作方式的时候要尽量提高其性能指 Tn，调速范围 D 等。n besin 2Tn Tjmax sin ebesin2n sin n 1 m be Tjmax sin2sinmen1m式中， Tn 是 n 相同时通电时转矩， m 表示电机相数。由上式可得其解决 Tn 的办法是多采用多相通电的双拍制，少采用单相通电的单拍 制，在步进电机工作方式的时候才能得到更高的提高。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。基于 PLC的步进电机控制系统设计由于本设计用 PLC 控制三相步进电动机， 故选用 36BF02 型反应式步进电机作为控 制对象，三相

19、步进电动的步距角为 0. 75 或 1. 5 。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.2 步进电机的结构特点36BF02 型反应式步进电机的特点：反应式步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积；反应式步进电机外表允许的最高温度在摄氏 80 90 ；反应式步进电机的力矩会 随转速的升高而下降；反应式步进电机在低速状态下也可以正常运转 , 但若高于极限速 度后，就无法启动。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。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脉冲频率值时， 步进电机便不能正常启动。 在有负载的情况下， 启动频率会更低。如果要想步进电机实现较高的高速转动，那么脉冲频率就必须要有

20、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 6 。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。(1) 步进电机结构剖面图如图 2-1 所示转子AB励磁线圈定子图 2-1 步进电机结构剖面图电机的定子齿有三个励磁绕阻，转子细分为均匀的 40 个小齿，励磁绕阻的几何轴 线与转子齿轴线错开，距离分别为 0、1/3 、2/3 ( 相邻两转子齿轴线间的距离为齿 距以 表示) ，那么 A相与齿 1相对齐， B相与齿 2向右错开 1/3 ，C相与齿 3向右错 开2/3 ，A与齿 5相对齐，那么就是说 A就是 A，齿5就是齿 17 。定转子的展开图如 图 2-2 所示。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。(2) 旋转其通电状态

21、。当采用 A-AB-B-BC-C-CA-A 这种导电状态时，原来每步 1/3 会变成每步 1/6 ， 甚至可以组合不同的二相电流，使其 1/3 变为 1/12 ，乃至于 1/24 ，这就是电机细 分驱动的基本理论依据。 很容易得出一般规律： 如果电机定子上有 m 相励磁绕阻， 其轴 线分别与转子齿轴线偏移 1/m，2/m(m-1)/m， 1。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 36BF003型步进电动机的三个绕组分别用 A、B、C 表示。三拍运行时，正转通电顺序为 ABCA ，反转通电顺序为 C BAC； 或正转通电顺序为 ABBCCAAB ，反转通电顺序为 ACCBBAAC。识饒XXX 本科毕业设计(论

22、文)鎂錕缢灩筧嚌俨淒。六拍运行时， 正转通电顺序为 AAB BBCCCA A；反转通电顺序为 A AC CCBBBA A。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。图 2-2 定转子的展开图(3) 频率关系和转速的关系n 60 f /( M Z K )式中， M、Z、K同上； n为每分钟转速 r/min；当M 相M拍通电时， K=1，当M 相 2M 拍通电时， K=2。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。(4) 力矩步进电机通电后，就会在定子和转子间将产生磁场 ( 磁通量) ，当转子与定子错开 一定角度，力 F与( d/d )成正比，其磁通量Br S (Br为磁密，S为导磁面积)，F 与 L D Br 成正比， L 为铁芯

23、有效长度， D 为转子直径。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。在线性状态下，得出力矩公式M F V N BrV: 半径力矩与电机有效 N:安匝数 因此，力矩与电机有效体积、励磁安匝数成正比，而与定转子间气隙成反比，反之 亦然8 。2.3 步进电机的驱动系统 步进电机在单单仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉波产生器提供位置(脉波数)、速度的脉波信号指令，以及驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切 换激磁相序的方式才能够让电机运转 , 开环伺服系统图 2-3 ，而欲使步进电机动作的必要 系统组成有：(1) 脉冲产生器：给予角度(位置移动量) 、动作速度及运转方向之脉冲信号的电机 驱动指令。(2)

24、步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作。(3) 步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。基于 PLC的步进电机控制系统设计所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器（ ENCODER、转速发电机）、位置传感器（SENSOR），即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制9 。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。脉冲源采用 555 定时器产生，它工作频率易于改变从而可以控制步进电机的速度并 且工作可靠，简单易行，占空比可调的方波发生器如图 2-4, R1 R2 R3 1000 , C1 10nF, C2 100nF 。在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑。同一 控制

25、对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，即要求程序有 较好的柔性。 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。VccU1=6VR2R3图 2-4 占空比可调的方波发生器3 驱动电路电源设计方案XXX 本科毕业设计(论文)3.1 方案设计(1) 方案一 步进电机选反应式步进电机，驱动电路选用高低压切换电源。高低压 切换型电源的原理线路如图 3-1 所示。图中当分配器输出端出现控制信号 U, 要求绕组通 电时，三极管的基极都有信号输入使导通，于是在高压电源的作用下，绕组电流迅速上 升，电流迅速上升，电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态电流时 , 利用定时 电路或者电流检测反馈等措施使基极上信

26、号电压消失， 因此绕组电流立即转而由低压电 源经过二极管 供给。低压电源的电压值应使绕组中的电流限制在额定稳态电流值。当 分配输出端信号电压 U消失，要求绕组断电时， 基极上的信号电压也消失了。 绕组中的 电流经二极管及电阻向高压电源放电，电流迅速下降。 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。(2) 方案二 驱动电路选择单一电压型电源。图 3-2 是单一电压型电源的一相功放 电路( m 相电机有 m 个这样的功放的电路)的原理图。来自分配器的信号经过几级电 流放大后加到三极管 V1 的基极， 控制的导通和截止。 V1 是功放电路的末级功放管， 它 与步进电机一相绕组串联， 所以通过功放管 V1 的电流与通过步

27、进电机的电流是相等的。 由步进电机的工作原理可知道这样的电流波形会使步进电机的输出转矩减小， 动态特性 变坏。若要提高转矩，应缩短电流上升的时间常数 Ta，使电流前沿变陡，这样，电流波 形接近矩形。由于 Ta=R/L ，要减少 Ta 就要在设计电机时尽量要减小绕组电感 L 。另外， 如果加大图 3-1 中串联的电阻 R1 也就可以使时间常数 Ta下降，但是加大 R1以后，为 了达到同样的稳态电流值， 电源电压就要作相应的提高； 图 3-3 中曲线 I 和 I分别表示 串联电阻 R1和 R1( R1 R1)时的绕组电流波形图。可以看出，当 R1 增大后，电 流幅值增大，波形更加接近于矩形。这样可

28、以增大转矩，提高启动和连续运行频率，并 使启动和运行矩频特性下降缓慢，如图 3-4 所示曲线 T和 T分别表示串联电阻为 R1 和 R1 时候的特性。 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。(3) 方案比较和选择 单一电压型电源只有一种电压，功放元件少，成本低。但是它的最主要缺点是电流 流过串联电阻 R1 后要消耗非常可观的电能，这部分消耗的电功率变成了热量白白的浪 费掉了。而且功耗随着 R1 值及其电机功率的增大而增大。这样，一方面是电源设备的 效率大为下降，同时所散发的热量又使控制柜内温度升高， 为了不影响电子元件的性能， 还需要增添许多散热设备，因而增大了电源体积，提高了成本。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。而

29、使用高低压切换型电源则不存在这样的问题， 因为电机绕组上不需要串联电阻或 者只需要串联一个很小的电阻 R1(为平衡各相电流，其值一般约为 0. 1 0.5 )，所以 电源功耗也比较小。 而且高低压切换电源加在绕组中的电压和电流波形图也会得到很大 改善如图 3-5 ，所以导致电机的转矩特性很好，启动和运行频率都得到很大的提高。 谚辞 調担鈧谄动禪泻類。在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑，要求程序修改方便、简单。 通过对方案一和方案二的比较，本次设计选择方案一。基于 PLC的步进电机控制系统设计(4) 步进电机驱动电源的选择 步进电机是由专门的驱动电源供电的，驱动电源和步进电机是一个有机

30、整体，步进 电机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合的综合表现。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。(5) 调速范围的确定由于技术参数已经给定， 所以在选用步进电机的时候要注意在调速时在调速范围内 的脉冲频率不能小于步进电机的自由振动频率的 1/k，否则转子会发生强烈振荡甚至失 步。解决办法是为削弱振荡现象，一般都会装有机械阻尼器。 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。控制信号 U低压控制回路电源电压 U高压控制回路高压 U1V4V4R2步进电机 一相绕组图 3-2 单电压驱动电路原理图R2图 3-1 高低电压驱动电路原理图 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。图 3-3 不同串联电阻值对电流的影响 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。图 3-

31、4 不同串联电阻对矩频特性的影响U1XXX 本科毕业设计（论文）图 3-5 绕组换接时电流和电压的变化3.2 步进电机的速度控制 步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系， 所以在脉冲的速度愈快 时，步进电机的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。 电机的运转速度（ RPM）与脉冲速度（ PPS，又称 Hz）间的关系式如下： 电机的运转速度（ RPM） 脉冲速度（ PPS或 Hz） 60 步进电机分割数 / 圈 说明：（1）RPM为一般电机的速度单位， 即 rev / min，为每分钟电机所转的圈数； PPS为步 进、伺服电机的速度单位，即 pulse per

32、second，为每秒所送出的脉冲数。（2）由于 RPM 与 PPS 的单位不同，所以于转换的过程中要先将 PPS 的秒钟乘以 60 变为分钟 。（3）步进电机分割数 / 圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。（4）上述公式拆解后之单位表示为 rev/min = pulse/sec 60 1/ 分割数 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。 FP1有一条SPD0指令，指令配合 HSC和Y7的脉冲输出功能便可实现对速度及位置控 制 。速度控制梯形图见图 3-6 ，控制方式参数见表 3-1 ，脉冲输出频率设定曲线见图 3-7。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。位置控制： 步进电机不需要位置传感器（ SENSOR），就可

33、依照输入的脉冲数决定移动量，并 将负载顺利、正确的送达指定位置点上。而移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与 输入的脉冲数来决定。脉冲数（ PULSE）与移动量间的关系式如下：位置移动量 步进电机分辨率输入脉冲数 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。3.3 脉冲和角度的关系（1）步距 角：对应一个脉冲信号，电机转子转过 的角 位移用 表 示360 /（ M Z K）式中，M 为定子绕组相数； Z为转子齿数； K 为通电方式系数，当 M相M拍通电 时， K= 1，当 M 相2M拍通电时， K= 2。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。3.4 减小步距角的途径方法 本课题使用的步进电机未细分时能达到的最小步距角为 1.5 （

34、三相六拍模式）。转 速较高时，由于转子本身的惯性，电机可近似看作匀速转动。但在低速运行时，较大的 步距角造成两步之间的时间间隔较长，在下一个电脉冲到来之前转子已经停止转动，由 此造成运行的不连续及低频振动。 此外实际应用中 1.5 的步距角往往不能满足精度需 要，为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，即步进电机的步距角小9 。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。减小步距角有以下四种方法：基于 PLC的步进电机控制系统设计(1) 增加步进电机控制绕组的数量。步距角 Q与绕组数 Mc 成反比， Mc 越大则 Q 越小。三相步进电机单拍运行时的步距角为 3( 40 转子齿)，如果采用四相电机，则 步距角减小到

35、 1.8( 50 转子齿)。但是相数越多电机结果越复杂，制造越困难，靠增 加相数减小步距角的成本很高。 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。(2) 增加拍数。即增大状态系数 C。状态系数也与步距角成反比，增加拍数相当于 增加绕组相数。三相步进电机单三拍运行时步距角为 3，采用三相六拍模式后步距角 减小到原来的一半。但步进电机所能实现的拍数同绕组相数直接相关，三相步进电机最 多能实现的拍数是六拍，四相电机最多八拍。靠增加拍数减小的步距角有限。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。SPD0 SSS+1F1设定初始脉冲频率S+2M1设定目标位置对应的脉冲个数S+3S+4F2设定下一个脉冲频率S+5M2设定下一个目标位置对应的脉冲

36、频率S+6S+NFn设定最终目标频率，该值应为“ 0”1000图 3-7 脉冲输出频率设定曲线0(3) 增加转子齿数 Zr。由于 Zr 与步距角 Q 成反比，增加转子齿数也能减小步距角 但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。11XXX 本科毕业设计（论文）（4）采用细分电路。对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原来的 1/N（N 为细分数）。理论上 N可以无限增大，从而步距角 Q可以无限减小。细分电路 对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机，能显著减小步距 角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机 11 。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。4 三相步

37、进电机控制系统程序设计本设计中使用的 PLC为西门子 S7-200 CN系列 PLC CPU224XPCN AC/DC/RL Y， 借助于实验室实验平台，选用 36BF02 型反应式步进电机。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。要实现功能：通过 PLC 控制步进电动机在单步、连续运行的情况下实现三拍、六 拍的正、反转运动及实现无级调速。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。4.1 方案设计 在步进电动机控制系统中，步进电动机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积 累误差的特点，广泛应用于各种控制中，其控制主要有开环、半闭环、闭环控制。 瑣钋濺 暧惲锟缟馭篩凉。（1）方案一：开环控制系统开环步进电机控制系统框图 4-1指

38、令脉冲图 4-1 开环步进电机控制系统框图输出开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置，因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造成本低等优点。另外，步进电动机受控于脉冲量，它比直流电机 或交流电机组成的开环精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。 鎦 诗涇艳损楼紲鯗餳類。（2）方案二：半闭环控制系统 半闭环控制系统调试比较方便，并且具有很好的稳定性，不过精度不高，较少使用。半 闭环步进电动机控制系统框图 4-2 。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。（3）方案三：闭环控制系统 闭环控制系统定位精度高， 但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。 综合三种 方案，根据步进电动机的特点，从

39、制造成本与系统结构复杂程度考虑，本设计采用 方案一，在开环控制系统中，用 PLC 控制三相步进电动机。闭环步进电动机控制系 统框图 4-3 。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。4.2 控制流程分析 控制要求：当按钮开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度； 当按钮开关拨到连续时， 按一次起动， 电机旋转，直到按停止； 当按钮开关拨到三拍时， 旋转的角度为 3o；当按钮开关拨到六拍时，旋转角度为 1.5 o；当按钮开关拨到正转时，12基于 PLC的步进电机控制系统设计旋转按顺时针旋转；当按钮开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；当单步要转到连续或 是连续转到单步，可以通过停止也可以直接转换； （通

40、过编程 ）当三拍要转到六拍或六拍 要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换； （通过编程 ）当正转要转到反转或反转要转 到正转，可以通过停止也可以直接转换 （ 通过编程 ） 10 。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。此设计使用开环控制步进电机。传统的控制系统框图如图 4-4 所示。而本课题使用 PLC为西门子 S7-200 CN 系列 PLC- CPU224XPCN AC/DC/RL Y， 可以直接输出脉冲驱动 36BF02 型反应式步进电机运行，指令可通过程序代替，而“变 频信号源”、“脉冲分配器”、“脉冲放大器”则全部由 PLC 替代，进而取代了具有以上 四项功能的驱动器，使得控制十分简单，所以本课题的

41、控制框图可简单用图 4-5 表示。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。图 4-2 半闭环步进电动机控制系统框图（2） 三相步进电机流程图如图 4-6 所示。图 4-3 闭环步进电动机控制系统框图图 4-4 传统的控制系统框图13XXX 本科毕业设计（论文）图 4-5 基于 PLC的步进电机控制系统框图鏝彈奥秘 孫戶孪钇 賻。图躋峽祷紉诵帮废掃減。4-6三相步进电机流程图 鳃5 硬件的设计5.1 确定 I/O 点数电机慢速、 中快和快速控制按纽， 正反转控制开关，PLC 的输入信号包括启动开关、 电机单步、 10 步和 100 步按纽开关，以及暂停开关共 9 个。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。14基于 PLC的步进

42、电机控制系统设计PLC 的输出信号有三个输出继电器，根据 I/O 端子的数量和种类，选择 FX2-32MR PLC 机一台。（1）画系统框图， PLC 控制步进电机系统框图 5-1。 控制面板上的位置按钮控制移动的距离，在控制面板上设定好移动距离、速度和方 向等参数后， PLC 读入这些设定值，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的 驱动器，达到对距离、速度和方向控制的最终目的。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。（2）I/O 分配表，根据控制面板和相应的命令，作 I/O 分配表 5-1 。图 5-1 PLC 控制步进电机系统框图表 5-1 I/O 分配表元件I/O 号信号定义元件I/O 号信号定义S

43、0X0启动SBX5单步S1X1慢速S6X610 步S2X2中速S7X7100步S3X3快速S8X8100000步S4X4正反转S9X10暂停SARUN5.2 绘制 I/O 端子接线图根据 I/O 分配表绘制 I/O 端子接线图 5-215XXX 本科毕业设计（论文）图 5-2 I/O 端子接线5.3 主要程序详细见附录5.4 三相步进电机实时运行、接线图图 5-3 三相步进电机实时运行整体图槠谔應。图 5-4 三相步进电机实时运行图 沩氣嘮戇苌鑿鑿16基于 PLC的步进电机控制系统设计图 5-5 PLC 的 I/O 口实时状态显6 结论通过对 PLC 控制三相步进电机运行控制的方法研究，通过实

44、验得到验证实现，当 在控制三相步进电机时，可以选择手动开关和自动开关，实现对步进电机在单步和连续 工作方式的情况下的正反转运行切换，同时也可以实现三拍和六拍的步进时序。在设计 过程中，遇到了很多阻力，知识的匮乏，诸如程序的编写，包括循环移位指令的使用、调速指 自己在 时也向 这些问 决。钡嵐通 来控制 方式， 多领域 采用， 统，数 机等领令的采用等等， 查阅书籍资料同 老师同学请教， 题最终才得以解 縣緱虜荣产涛團蔺。 过 PLC 发出脉冲 步进电机运行的 在工业生产等很 已经得到广泛的 比如磁头定位系 控机床，线切割 域。利用步进电 机较准确的定位和能输出一定大小的力矩的特点， 已成为位置定位控制系统中首选的控 制手段。随着电力电子、 DSP 及计算机等多种技术的发展，步进电机控制系统中的细分 功能、节能功能的驱动器技术会得到更加广泛的应用，使得 PLC 控制步进电机这一控 制方式不断完善和发展。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。7 结束语步进电机的