【《基于PLC的步进电机控制系统设计》9200字】

III一、绪论计算机技术及微电子技术的快速发展，为了可编程控制器提供了发展空间。当将计算机技术与可编程控制器结合以后，可以控制模拟量，从而实现了远程控制通信等功能，同时可编程控制器已经大大超出了逻辑以及顺序控制这个范围。、机器人与可编程控制器被人们称作现代工业领域的三大支柱。目前，PLC已经在多种领域中得到了广泛应用，如冶金、机械等领域，其提升了企业的自动化水平，因而是非常重要的工具。由于步进电机具备精准定位、控制性能强等优点，因而其也被应用到精确定位工作中，如数控机床、自动记录仪表及绘图机等。由此可以看出，步进电机作为重要的机电一体化设备，其在自动化控制领域中得到了广泛应用。

部分较为简单的PLC控制，如定时启动小型电动机、控制电动机的转速等，其通过PLC内部的继电器，电子开关等控制线路的卡开闭，便可以实现上述操作功能。目前，在机床设备、生产线等工作中，可编程控制器PLC的应用较为广泛，通过PLC可以准确控制生产线。针对部分较为复杂的控制需求，需要通过PLC对电机的多种参数进行控制，如电压、电流及转速等，让电机依据相关指令进行工作。在使用PLC控制以后，可以明显提高电机的性能。如直流电机的调速性能较强，但又存在由机械转向器造成的机械损坏等问题。对于交流电动机而言，其不管是同步电机，还是异步电机，结构都较为简单，因而必须直流电机的可靠性较强，但交流电机运行在恒定的电网中时，调节运行速度较为麻烦。因此，直流电机与交流电机都存在优点、缺点。由于交流电机通过正弦脉宽调节模式实现变频调速功能，如果采用普通的模拟电路、数字电路实现该功能，则需要设计较为复杂的电路，而利用微机控制则较为简单。为了提升调速精度，可以使用矢量控制方式。由于传统控制电路较为复杂，因而可以利用PLC实现相关功能。步进电机的控制与发展传统的步进电机在工作过程中，由主控器发送相关的操作指令，接着利用脉冲分配器将接收到的脉冲整合起来，然后将脉冲信号发送到电机各个绕组的功率放大器中，从而实现步进电机的有效控制。这样方案的控制方式对系统的可靠性影响较大。现在，很多的PLC都有内设脉冲输出功能和配对的控制指令，以此可以有效控制步进电机，且很容易直接控制步进电机。在使用该方案以后，可以有效降低系统的工作量，还解决了接口信号匹配的多种问题，从而有效提高的系统工作效率及可靠性。基于的步进电机控制技术在多个领域中起到了重要作用，如控制数控滑台等工业领域。现在，我们国家正在对怎么低成本运用PLC进行工业自动化控制方面不断研究，正在向智能化、低消耗、小型化迈步。

到了70年代后，对步进电机的研究主要以微步驱动技术为目标。当运用了微步驱动这一技术后，步进电机的分辨率已经达到了可以提高的水平，同时几乎实现了连续控制的目标，这种被人们被称之为“类伺服"特性。步进驱动技术是一种通过电流波形来达到控制目的的技术，一般在普通的驱动器中，只对每相绕组的电流进行导通及阻断控制，假如说要增加电动机的分辨率，则需要增加相数，这个前提是保证转子齿数不变。比如说五相反应式步进电动机比三相反应式步进电动机增多了相数，提高了分辨率，并且其他的运行性能也得到了较大的提高。在运用了电流波形控制技术后，三相为例达到增加分辨率的目的就只需增加电流波形的阶梯数目。这就让步进电机的相数统一变得更为方便。步进电动机的特点总结：1.该电机的造价成本相对较低，系统比较简单，通过数字信号实现了电机的开环控制。2.操作方便，能够轻松得到数字信号，不需要进行数模转换。3.步距角的误差不会长期累加，既可以进行简单的控制，也能够达到较高精度的控制要求。4.电动机本体部件少，使其使用时可靠性更高。5.响应性较好，便于启停以及制动控制。6.有自锁功能。7.步距角能够从很小的角度到180度的大范围内选择。在步距角较小的情况下也可以不通过减速器直接驱动负载工作。8.多台步进电机不仅可以被一台控制进行同步控制，其速度还可以在速度可以在较大范围内变动。9.不能够直接使用普通的交流电源对其进行驱动控制。研究内容针对步进电机的控制系统，本文对其进行了深入研究。其中借助有效控制混合式步进电机。同时，本文详细介绍了步进电机的发展历史及工作原理，并结合步进电机的工作特点，简单介绍了多种功率的步进电机驱动电路。利用步进电机的驱动系统，可以有效控制步进电机的运行速度、方向及位置。步进电机的工作原理步进电机的分类目前，现有的步进电机有很多种，主流的步进电机有两种，其分布为混合式步进电机、反应式步进电机。从广义角度来看，可以将步进电机分为三种类型，其分别为组合式、电磁式及机械式电动机。从电机结构方面来看，可以将步进电机分为三种类型，其分别为混合式、永磁式及反应式电机。从相数方面来看，可以将步进电机分为四种类型，其分别为两相、三相、四相及多相。

1.反应式步进电机(

,简称)，其是传统的步进电机，且工作原理非常简单，即借助定子产生的脉冲磁场与磁性转子铁芯的作用进行转动。其中，该电机在银行终端、光电组合装置及计算机外部设备等方面得到了广泛应用。

2.永磁式步进电机(,简称)。该电机的原理为定子产生的脉冲磁场会与磁性转子铁芯相互作用，从而推动电机转动。该电机通常为两项电机，其体积与转矩较小，且步距角通常为7.5度或15度。该电机的应用领域与电机的应用领域相差无几。3.混合式步进电机(,简称HB)。该电机主要分为三种类型：第一种为两相电机，其步进角通常为1.8度；第二种为三相电机；第三种为四相电机，其步进角通常为0.9度。当该电机的相数逐渐增多是，其步进角的数值会逐渐变小，其精度越来越高。该电机的优点为开环运行、控制简单。因此，在工业领域中，该类电机的应用较为广泛。步进电机性能的比较反应式步进电动机，其起动和运行时的频率高，原因就在于步距角可以比较小。但是其消耗功率比较大。原因在于其断电时需要带电定位。

永磁式步进电动机的起动和运行频率较低，但是其消耗的功率较小，原因就是和反应式不同的是其断电的时候存在定位力矩。

混合式步进电动机,其结合前两者消耗功率小和起动运行频率低的优点。并且该步进电机效率高，发热低，因为其与反应式相比，转子上有软磁材料所需工作点永磁体，且定子激磁只需提供变化的磁场，不需提供磁材料工作点的耗能。此外，永磁体产生了反电势，因而提高了其自身阻尼的效果，让它在转动过程中比较平稳，也就不会带来噪声和低频振动了。步进电机工作原理步进电机的工作原理与步进电机受脉冲驱动有着很大的关系。下文重点介绍了混合式步进电机的基础原理。图2.SEQ图\*ARABIC\s11由图2.1中的信息可知，在该步进电动机中，定子上有均匀分布的八个绕有绕

组的磁极，如图2.1所示在同一轴线上的磁极配成组。图中1、2、3、4分别为A、B、C、D四相绕组。在混合式步进电动机中，永久磁铁产生的磁动势和定子绕组产生的磁动势构成了气除磁动势。在一般情况下，这种气腺磁动势，会随着绕组中电流的方向变化而相加或是相减。

转子上有分布均匀的小齿槽，并且定子和转子的宽度以及齿间距是相同的。在电机的某端中，当转子的小齿的轴线与定子的某极的齿槽相重合时，那么邻极的定子与转子会隔开1/4的齿距。接着，从电机另一端来看，1极下的定子和转子小齿所在轴线重合，2极下定子和转子小齿所在轴线错开1/4齿距，3极下的定子和转子小齿所在轴线是重合的。仅在定子磁势与转子磁钢相互作用时，该步进电机才会产生电磁转矩，两者不相互作用时不存在电磁转矩。关于四相混合式步进电动机，其通信方式有单四拍(A-D-C-B-A-)，双四拍(AB-BC-CD-DA-)，四相八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-)(如图2.2所示)等。当定子各相绕组按照(D-C-B-A-D-)的相序通电时，如果改变一次通电状态，则转子会沿相同方向转过1/4齿距，即。关于转子的平衡位置，其指的是通电相定子磁极由在绕组方向的第1、3磁极与转子口端轴线重合的位置。针对定子的每相绕组，如果其依据双四拍、四相八拍顺序进行通电时，则在改变通电状态后，转子的旋转角度分别为18度和0.9度。如果为单相通电状态，则其转子平衡位置与单四拍的情况相同，而两相转子平衡位置为相邻二同极性定子磁极与极性相反段的转子错开齿距位置。

对于混合式步进电机而言，反应转矩是其基础部分，因而该类电机与反应式步进电机几乎相同。关于反应式步进电机，其内部的线圈电流产生异极磁场，这种异极磁场在改变磁场分布的同时，还使极间有了转矩磁位差(转矩磁位差是一种由异极磁场作用于气隙基波磁而产生的)，电动机的步进运动就是因为磁位差随通电状态的改变而引起的，而引起步进运动的直接原因是作用于气除基波磁导产生了转矩。磁位差是基于轴向磁场的，但还受到径向磁场的作用。这么说来，混合式与反应式步进电机的差别就显而易见了，极齿下地磁势是异性磁势和单极磁势的合成就是原因所在了。图2.2脉冲时序图控制系统的总体设计总体设计关于该系统的硬件结构，其由三部分构成，其具体情况如下图所示：1.西门子S7-200主控:负责输出转速信号和方向电平。2.脉冲分配模块：针对发送的脉冲信号，该模块可以对其整形。3：接收控制脉冲信号，将数信号转为模拟信号进行放大。图3.1系统整体结构图控制系统的工作原理在此次毕业设计中，深入研究了PLC控制步进电机的情况。采用西门子S7-200作为主控制器，并且能够达到了软件与硬件相结合控制的目的。PLC脉冲分配包含两种方式：第一种为软件法，其通过软件编程取代脉冲分配器来达到控制步进电机的目的；第二种为硬件法，其利用专用脉冲分配芯片对脉冲进行控制。在使用PLC控制步进电机时，需要实现多方面的控制：第一方面为速度控制；第二方面为位置控制；第三方面为加减速控制。电路组成和工作原理电路由多个部件构成：第一个为西门子；第二个为步进电动机；第三个为驱动电路；第四个为光电编码器；第五个为环形分配。主处理器PLC借助I/O端口与PMM8713相连，将运动控制命令发送给PMM8713，并通过编程对步进电机的速度、位置、加减速进行设定，在功率放大器发出信号后，由将该信号发送给步进电机，此时增量编码器为生成相应的反馈回路，从而形成了完整的控制系统。运动控制的实现1.速度控制会发出脉冲信号，而其对应的脉冲频率会直接控制步进电机的旋转速度。由图3.2中的信息克制，在改变步进电机的输入脉冲周期后，脉冲变化速度会直接影响到电机的转速。因此，为了调节步进电机的转速，可以通过调节脉冲周期即可。由步进电机的转速n=(其中转子齿数=50，我这边是42BYG4503混合步进电机;运行拍数m=8)及转速的控制要求最高转速和最低转速，这些都对应着脉冲频率的变化，从何实现速度的控制。图3.2脉冲分配波形图2.加减速控制对于步进电机而言，其正转、反转过程都包含三个流程：第一个为加速；第二个为恒速；第三个为减速。步进电机的启动需要有加速过程;步进电机的停止需要有减速过程。如果步进电机接收信号的频次较高，则会产生失步、堵转等问题，造成该问题的主要原因为信号变化频率太快，即便是步进电机接收到了信号，但其受到惯性作用的影响，其依然会继续之前的动作，从而导致位置精度降低。为了达到加速或是减速控制的要求，并且任何的加减速不过程都是会满足一定的曲线关系的，直线、曲线、指数函数等等，如图3.3是两种比较常见的加减速运行曲线。之所以需要选定某种加减速曲线，这是因为在选择最佳曲线以后，可以确保步进电机在加速、减速期间不会出现失步、堵转等问题，从而充分利用转矩，提高响应速度，减少加速、减速时间。比较简单的，且容易编写程序的加减速曲线就是如图3.3（a）所示的匀加速或是匀减速曲线。由于使用了直线加速模式，其加速度的数值保持不变，因此转矩必须为非线性关系。这就会导致转速的提高使转矩降低。因此，按照这种直线进行加速会因为转矩的不足而出现不良现象。采用如REF_Ref68282845\h图3.3（b）所示的按照实际加减速工程拟合的曲线可以对步进电机实现最佳的控制，原因就在用于电动机的电磁转矩与转速是接近指数形式的关系。图3.3加减速运行曲线3.位置控制步进电机从一个位置精确运行到另一个位置的过程就是步进电机的位置控制。步进电机每前进一步都是因为接收到了一个脉冲信号，原因在于步进电机的角度位移是与其所接受的脉冲个数成正比的。这样步进电机的角位移以及脉冲个数之间的正推导或是反推导就很简单了，并且还实现步进电机的步数控制。控制系统的硬件设计PLC的选型西门子PLC型号多样，本文采用了西门子系列，利用该可以解决多种自动化控制问题，且适用于小型系统、单机的控制中。同时，该具备多种优点：第一种为成本低；第二种为扩展性好；第三种为设计紧凑；第四种为指令系统的功能强大。因此，在小规模控制要求中，可以有效解决这些控制问题。由于步进电机控制系统应用的输入输出点数较少，故直接选用CPU224DC/DC/DC系列PLC，订货号为:6ES7214-2AD23-0XB8，该PLC自身集成了14个开关量输入点和10个开关量输出点，CPU224DC/DC/DC系列PLC拥有高速脉冲输出通道，且数量为两路，因而可以对步进电机驱动器进行直接控制，从而满足了步进电机的控制需求。选型入下REF_Ref71302001\h表4.1所示:表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11电气元件选型清单序号名称型号数量品牌1CPU224DC/DC/DC6ES7214-2AD23-0XB81西门子2微型断路器NXB-632PC102正泰3开关电源S-150-241台湾明伟4按钮NP2-BA312正泰5旋钮（二挡）NP2-BD211正泰I/O地址分配表4.2I/O分配表符号输入地址符号输出地址自动启动按钮I0.0步进电机脉冲输出Q0.0自动停止按钮I0.1Q0.1方向选择I0.2步进电机方向输出Q0.2输入启动停止单步连续三拍六拍正转反转I0.0I0.1I0.6I0.7I0.4I0.5I0.2I0.3输出A1B1C1A2B2C2+24V（主机）Q0.2Q0.3Q0.4I/O接线图根据I/O分配表绘制I/O端子接线图4.1图4.1I/0端子接线图S7-200电气接线图该电气接线图进线电源220V，通过断路器接电源开关，PLC和步进驱动器供电都是DC24V。PLC的脉冲和方向接步进电机驱动器的脉冲和方向口，步进驱动和电机是A+A-B+B-连接，输入的开关指令直接接PLC的输入。如图4.2所示。图4.2电气接线图驱动电路设计图4.3驱动电路图表4.342BYG4503混合式步进电机的相关参数型号42BYG4503步距角0.9°/1.8°相数4相驱动电压24V相电流1.5A保持转矩0.48N.M空载起动频率1200步/秒空载运行频率≥20千步/秒转动惯量0.04Kg.cm²相电感2.3mH相电阻1.9Ω电阻和电容的取值1.滤波器件R1和C1:取R1=10KΩ，C1=0.001μF。2.取样电阻R2:大了影响电机的动态特性;小了采样精度不高且损耗过大一般取0.4Ω，故其上面的电压为1V。3.续流电阻R4:太大，电流变化率小，导致放电慢，太小容易发热，故取R4=10KΩ。4.并接电容C2:其目的是为了改善注入电流脉冲前沿，当大功率管导通瞬间，就有一个冲击电流进入电动机绕组,因此将明显地提高电动机的高频特性,节省能量,取C2=0.47μF。光电耦合器的设计关于光电耦合器，其是由发光二极管等发光器件与光敏三极管等光敏器件构成的，其实现耦合的方式是通过光线，从而构成了从光到电，再从电到光的转换。光电耦合器有很多种，如图4.4是常用的一种，本文选用了(如图4.5所示)光电耦合器，其是东芝公司推出的产品。图4.4光电耦合器简图图4.5TLP521-2实物图环形分配器的选型控制系统控制步进电机的原理：生成控制信号，利用该信号控制功率，驱动电路依据设定好的顺序进行开闭操作。具备多种功能：第一种为分配控制脉冲；第二种为控制电机的转速；第三种为控制电机的转速等在脉冲分配方法中，软件法及硬件法的应用最为广泛，两种方法的简介如下:1.通过软件实现脉冲分配在内存设置储存空间，以此存储多种通电方式的输出状态，即控制字，软件系统依据电机的正转、反转要求与正、反顺序取出控制字的内容，并将其发送给PLC输出口，步进电机的每个步距角都会接收一个控制字。2.通过硬件实现脉冲分配硬件法实际上就是使用环形分配器来进行脉冲分配，PLC只需要将步进脉冲和方向的电平信号发送给脉冲分配器就好了。而现在市场的脉冲分配器也有很多种，我这里使用8713集成电路芯片。对于8713芯片而言，单时钟输入即加方向信号或是双时钟输入即正转或是反转时钟都是可以选择的;并且8713芯片可以控制正反转，其还具有初始化复位和输入脉冲监视等许多实用功能；为了提高抗干扰能力，其内部输入端都设有斯密特整形电路；使用大小为4V~18V的直流电源，相输出驱动能力为±20mA。8713还采用DIP16封装。本系统通过硬件法实现脉冲分配且使用单时钟输入脉冲，8713的引脚为步进脉冲输入端，4引脚为转向电平控制端，这两个引脚的输入均由PLC提供和控制。5，6脚对步进电动机进行方式控制，通过9脚控制复位,如图4.6是PMM8713的示意图。图4.6PMM8713引脚图由于采用了脉冲分配器帮PLC完成了脉冲整形的工作，使得PLC只需完成速度和转向电平控制即可。因此，CPU的负担减轻许多。控制系统的软件设计步进电机模拟控制流程分析控制要求:将按钮调到单步时，每按一次起动，电机才可以转动一个角度。将按钮调到连续时，在按动按钮以后，电机会连续旋转，在按下停止后电机才会停止旋转。将按钮调到三拍时，则旋转角度为3度。将按钮调到六拍时，则旋转角度为1.5度。将按钮调到正转时，则电机会顺时针转动。将按钮调到反转时，则电机会逆时针转动。当需要将单步模式调为连续模式，或需要将连续模式调为单步模式时，可以利用停止按钮进行直接转换。当需要将三拍模式调为六拍模式，或需要将六拍模式调为三拍模式时，可以利用停止按钮进行直接转换。当需要将正转模式调为反转模式，或需要将反转模式调为正转模式时，可以利用停止按钮进行直接转换。关于步进电机的控制流程，具体情况如下图所示：图5.1步进电机控制流程图在本文研发的系统中，选用了西门子系列，利用该系统能够直接输出脉冲驱动混合型电机运行，且可以利用程序代替指令，并且由替代脉冲分配器、变频信号源即脉冲放大器，从而实现了上述驱动器的功能，该控制方式较为简便。本文的控制框图，如下图所示：图5.2步进电机控制系统框图程序梯形图设计仿真仿真界面这幅图片表示，在单步骤选择之后选择三拍，当选择单拍再选择三拍，这时候按启动键以后步进电机运行，它实现步进电机的单三拍运行，也就是ABC的单步运行。如图6.1单三拍运行图。图6.1单三拍运行图第二幅图表示，步进电机在单步档翻拍正向选择的第二步。图6.2单步档翻拍图这副图表示，步进电机在单步档和六拍选择当中的状态运行模式下，按下启动按钮以后，它实现单向六拍运行模式。图6.3单向六拍图显示步进电机的单项六拍当中的第二拍。图6.4单项六拍第二拍图步进电机六拍选择当中的第三拍。图6.5单项六拍第三拍图步进电机单向六拍当中的第四拍。图6.6单项六拍第四拍图步进电机单向六拍当中的第五拍。图6.7单项六拍第五拍图组态整体截图图6.8组态整体截图结论在此次毕业设计中，本文详细介绍了步进电机的多方面内容，其中包括结构、驱动、控制系统及工作原理，在查阅相关研究资料后，本文设计出基于的控制步进电机的方法。深入研究三相步进电机运行的控制方法，经实验发现：在对三相步进电机进行控制时，可以选择两种开关方式：第一种为手动开关；第二种为自动开关。通过这两种开关方式可以在电机单步、连续工作期间切换电机的转动方向。在此次毕业设计过程中，我遇到了许多问题，如编写软件程序、执行调速指令等，本人通过查阅相关的研究资料，向老师请教的方式，最终解决了这些设计难题。会生成脉冲，其通过控制脉冲实现对步进电机的控制。目前，在工业领域中，技术的应用较为广泛，如数控机床、磁头定位系统等。在位置定位系统中，主流的控制方式为利用步进电机输出力矩及准确定位。随着DSP、电子技术的发展，步进电机控制系统的驱动技术也获得了发展，从而进一步优化了步进电机控制系统。本文的研究内容为以为基础的步进电机控制系统。作为一名电气自动化专业的学生，此次设计的内容与我所学的知识比较相符合。通过此次毕业设计，对我大学所学的知识进行了综合，也提高了我的综合能力，这对我日后的学习、工作有着重要意义。参考文献[1]刘志永.浅析步进电机的PLC控制技术与发展趋