完整版)基于PLC的步进电机控制系统的设计与实现开题报告zz

1、1工程概况PLC步进电机是一种利用脉冲控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机。而 能够产生相应的脉冲，所以本次设计就是通过PLC产生控制脉冲来控制步进电机的自动化运行。其系统和驱动电源示意图如下脉冲信号图2.1基于PLC的步进电机控制系统.脉冲配器脉冲助率放大器电机图22 驱动电源方框图2设计方案万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3-2所示。图中当分配器输出端出现控制信U,要求绕组通电时,三极管Vi, V2的基极都有信号输入,使Vi, V2导通，于是，在高压电源的作用下（这时，二极管V3两端承受的是方向电压,处于截止状态，可使低电压电源不

2、对绕组作用）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（对应于时间to ）,利用定时电路或者电流检测反馈等措施使 V2基极上信号电压消失。于是V2截止，而Vi仍然导通。因此绕组电流立即转而由低压电源经过二极管I wy值。当分配输V3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于是Vi也截出端信号电压U消失，要求绕组断电时，V1基极上的信号电压也消失了止，绕组中的电流经二极管V4及电阻R2向高压电源放电，电流迅速下降聲骗图3-1单电压驱动电路原理图11Jtl图3-2高低电压驱动电路原理图图3-3不同串联电阻值对电流的影响图3-4不同串联电阻对矩频

3、特性的影响图3-5绕组换接时电流和电压的变化5 -万案二驱动电路选择单一电压型电源。图3-1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y的基极，控制乂的导通和截止。y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y的电流与通过步进电机的电流是相等的。 单一电压型电源信号电压及绕组中的电流的波形如图3-5所示。由步进电机的工作原理可知基于PLC的步进电机控制系统的设计与实现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

4、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R也就可以使时间常数Ta下降，但是加大R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|和|分别表示串联电阻R和 Ri（ R R）时的绕组电流波形图。可以看出，当 Ri增大后，电流幅值增大，波 形更加接近于矩形。这样可以增大转矩，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（图中，曲线T和T分别表示串联电阻为 戌和R, 时候的特性）。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

5、 流流过串联电阻Ri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Ri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。而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 Ri （为平衡各相电流，其值一般约为 0. 1 0.5 Q）， 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

6、都得到很大的通过对方案一和方案二的比较，本次设计选择方案一3技术路线通过三菱FX系列PLC编程控制其输出脉冲频率来控制步进电机的速度。通过对 额定调速范围D和最小负载转矩Tmin的计算得出的参数选择步进电机的型号如图2.i和图2.2所示，控制面板上的速度按钮控制移动的速度，方向按钮控制转动的方向， 位置按钮对位置的控制，启/停按钮控制电机的启停与停止。实际系统中的位置与速 度往往需要分成几档，因此位置和速度按钮可选用波段开关。 通过对波段开关的不同 跳线进行编码，可以减少操作面板与PLC的连线数量。同时也减少了 PLC的输入点数4可能会遇到的困难与措施步进电机驱动电源的选择步进电机是由专门的驱

7、动电源供电的，驱动电源和步进电机是一个有机整体， 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。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。步进电机及PLC的选择步进电机和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。解决办法是根据相互参数计算得出。具体计算如下： 脉冲当量=（步进电机步距角X螺距）/ （360x传动速比）； 脉冲上限频率=（移动速度x步进电机细

8、分数）/脉冲当量； 最大脉冲数量=（移动距离x步进电机细分数）/脉冲当量；极限启动转矩Tq =Tmax X COS；N一般来说最大静转矩较大的电机， 可以带动较大的负载。负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0.30.5左右，即Tl=（0.30.5） Tjmax性能指标的提高在选择步进电机工作方式的时候要尽量提高其性能指标，如Tn，调速范围D等。.n be. ne 口 ( 5-3)mSinn 1Sin Tn= -Tjmax sin e - be -Tjmax sinsin 上2sin 2m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

9、通电的单拍制基于PLC的步进电机控制系统的设计与实现5进度安排设计（论文）的进程安排序号设计（论文）各阶段内容起止日期1认真仔细阅读设计任务书，充分理解设计意图与要求，广 泛收集有关资料，明确设计思路，构建设计方案并进行充 分论证，完成开题报告和开题答辩2011.3.28-2011.4.10 （第 6-7 周）2根据开题答辩结果和要求完成整改，完成系统组成结构设2011411-2011.4计、电气控制系统原理设计，完成PLC和所有兀器件和设.24 （第 8-9 周）3完成软型流程图设备购买清单计和必要的软件设计，完成外2011425-2011.5文资料翻译.84利用实验室现有设备进行系统组装连

10、接，制订实验调试方2011.5.9-2011.5.案并进行局部实验调试（模拟）225完成全部模拟实验，测量调试结果并与设计指标比较，修2011.5.23-2011.6改设计参数再次实验直至达到设计指标要求.5撰写设计报告（论文），修改完成报告并打印装订，提交201166-201066全部毕业设计文件（包括电子文档），准备毕业答辩和答19辩，根据答辩要求整改完善毕业设计资料（第16-17周）6预期结果（1）按照任务要求完成全部设计内容，达到预期的设计指标（2）按照西南石油大学本科生毕业设计（论文）撰写规范的要求和格式完成最低不少于20000汉字的毕业设计报告（论文），提交按照要求装订规范的报告（

11、论文）的打印件和电子 文档（3）完成500个汉字以上的毕业设计（论文）的中英文摘要（4）完成不少于20000外文字符并与设计题目相关的外文资料翻译，与毕业设计报告（论文） 一起提交所翻译外文资料的原文和对应的中文译文，装订必须规范，同时提供电子文档。（5）达到对PLC和步进电机的充分了解。在以后的生产实践中能够灵活的应用于各个领域。二7参考资料1陈隆昌.控制电机第3版.西安：西安电子科技大学出版社，2000.5.2史国生.电气控制与可编程控制器技术第 2版.北京：化学工业出版社，2004.23高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例第一版.北京：人民邮电出版社，2004.74俞国亮.PLC原理与应用（三菱FX系列）第一版.北京：清华大学出版社，2005.65刘雪雪.PLC与自动生产线技术第一版.北京：北京理工大