基于PLC步进电机控制自动门系统的设计

本科毕业设计（论文）基于 PLC 步进电机控制自动门系统的设计摘 要本 文 主 要 通 过 对 自 动 门 控 制 系 统 的 功 能 要 求 和 运 行 过 程 的 分 析 ， 确 定 了自 动 门 控 制 系 统 的 总 体 设 计 方 案 。 自 动 门 系 统 的 设 计 主 要 集 中 在 硬 件 和 软 件 设 计 两部 分 。 并 主 要 进 行 了 自 动 门 控 制 驱 动 和 控 制 系 统 的 设 计 。 针 对 自 动 门 控 制 系 统 的 特点 和 设 计 要 求 ， 采 用 步 进 电 机 驱 动 方 式 ， 通 过 四 相 八 拍 步 进 电 机 来 精 确 控 制 自 动 门的 开 关 ， 给 设 计 要 求 创 造 了 条 件 。 在 控 制 部 分 ， 应 用 步 进 电 机 和 可 编 程 序 控 制 器 技术 ， 对 自 动 门 控 制 系 统 进 行 了 硬 件 和 软 件 设 计 。 实 现 了 自 动 门 控 制 系 统 的 传 动 和 控制 要 求 ， 满 足 了 环 保 、 高 效 、 可 靠 和 低 成 本 的 要 求 。关键词步进电机；三菱可编程序逻辑控制器；自动门；超声波开关；本科毕业设计（论文）The Design Of Step Motor Automatic Door Control System Abstract: This paper through the automatic control system and the working process of the functional requirements of analysis, the automatic control system of the overall design scheme. Automatic system is mainly focused on the design of hardware and software design. The automatic control and main drive and control system design. Automatic control system for the characteristics and design requirements, adopting step-motor drive mode, through the fourth phase eight clap stepper motor to precise control of the automatic switch, create conditions for design requirements. In control, application of stepping motor and programmable controller to automatic PLC control system, the hardware and software design. Automatic control system is achieved the transmission and control requirements are met, and the environmental protection, efficient, reliable and low cost.Key words: stepper motor；three mitsubishi programmer logic controller；automatic door； ultrasonic switch；本科毕业设计（论文）目 录1 引言.11.1 研究的目的与意义.11.2 国内外研究现状.12 FX2 系列的 PLC.22.1 FX2 PLC 的主要介绍.22.2 FX2 PLC 的主要编程元件.33 步进电机的介绍.44 步进电机的自动门控制系统硬件的设计 .74.1 本设计的任务要求.74.2 本设计的可行性分析.74.2.1 步进电机的基本参数 .94.2.2 步进电机动态指标及术语 .104.2.3 步进电机运动速度和正、反的控制 .114.3 设计思想.124.3 1 流程图 .124.3 2 控制过程分析 .124.3 3 控制接线图 .135 步进电机控制自动门系统的软件设计.145.1 I/O 口分配表.145.2 程序编写 .145.2 1 梯形图 .145.2 2 程序指令表(见附录) .175.2 3 验证调试 .17结束语.18参考文献.19附录.20致谢.22本科毕业设计（论文）1 引言1.1 研究的目的与意义自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在 1945 年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。到了 1962 年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。由于大规模集成电路与微型计算机技术的发展，给电气控制技术开辟了新的前景。PLC 作为一种新型工业控制器，它将计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强等优点结合起来，其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，因此，在很多领域得到了广泛应用 1。1.2 国内外研究现状自 动门主要有:旋转自动门、弧形自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、重叠自动门、医用自动门、卷闸自动门、车库自动门、特种自动门。两翼旋转自动门新型两翼自动旋转门是集自动旋转门和自动平滑门二者优点于一身的完美结合，是旋转门、平移门和豪华展箱的完美结合，是融合世界先进科技与现代时尚的经典之作。中间的自动平开门可实现单、双向通行和常开等运作模式。是最适合饭店、机场、大型商场、医院、商户会馆、酒店、办公楼、大型大厦等的出入口系统。三翼旋转自动门三翼旋转门诞生于一种全新的构思和功能之中。简单实用，安全稳定，它将旋转通道体系和最大旋转直径容为一体，同时满足了“最大程度的通行量”与“完美无缺的除风效果”这两个相对立的条件，适用于银行、商店、酒店、商场、办公楼、机场、宾馆及各种娱乐场所内，为所在的建筑增添一份尊贵气息。四 翼 旋 转 自 动 门四翼自动旋转门是最美观最经济实用的旋转门，其结构坚固耐用，操作方便简单，它具备通行能力强，入口较大的特点，运行安全可靠，故障率极低，免维护时间最长，是非常安全和舒适的通道，能使行人很方便得出入，是应用最广泛的一种旋转门。 。适本科毕业设计（论文）用于银行、商店、酒店、商场、办公楼、机场、宾馆及各种娱乐场所内，为所在的建筑增添一份尊贵气息。环柱旋转自动门环柱旋转门是先进的电子技术与现代化的结构设计的结合，使围柱式旋转门的使用非常安全和方便，现代化的结构设计使它和建筑物本身容为一体。有效地阻隔了严寒、酷暑、风沙的侵袭，减少了制冷和供暖的能源消耗，而且营造了清洁、安静、四季宜人的绿色通行环境。水晶旋转自动门水晶门可以大大减低紫外线的破坏力，防止室内装饰摆设及展品因受光照而导致出现老化和变黄等现象。水晶片的隔热效果较玻璃优胜 10 倍，同时也可保持室温，节省能源。色泽鲜艳、颜色丰富，易清洗，造型多样。晶莹剔透，透视清晰，方便巡视，可增强保安效益。2 FX2 系列的 PLC2.1 FX2 PLC 的主要介绍三菱公司是日本国生产 PLC 的主要厂家之一。先后推出的小型、超小型 PLC 有F、F1、FX2、FX1、FX2C、FX0FX0S、FX2N、FX2NC 等系列。其中 F 系列已停产。F1 系列在我国曾有较广泛的应用。FX2 系列机是 F、F1、F2 等机型的更新换代产品，属于高性能叠装式机种，也是三菱公司的典型产品。FX2N 型机是三菱公司的近期产品，按叠装式配置。另外，三菱公司还生产 A 系列 PLC，这是一种大型模块式机种。本设计采用 FX2 系列 PLC，FX2 系列 PLC 是三菱公司高性能小型机的代表作。系统最大 I/O 点数为 128 点，配置扩展单元后可达 256 点。FX2 系列机执行基本指令的速度为 0.48us/步，用户程序存储器的容量可扩展至 8K 步。它有与 F1 兼容的 20 条基本指令和 2 条步进指令，此外还有功能很强的 95 种功能指令。它有 6 个和普通输入口兼容的告诉计数器输入点，最高计数频率为 10KHz。FX2 系列 PLC 在我国应用比较广泛。FX2 系列 PLC 由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。基本单元包括 CPU、存储器、输入输出口及电源，是 PLC 的主要部分。扩展单元是用于增加 I/O 点数的装置，内部设有电源。扩展模块用于增加用于增加 I/O 点数及改变 I/O 比例，内部无电源，用电由基本单元或扩展单元供给。因扩展单元及扩展模块无 CPU,必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些专门用途的装置。如模拟量 I/O 单元、高速计数单元、位置控制单元、通信单元等；这些单元大多数通过基本单元的扩展口连接基本单元，也可以通过编程器接口接入或通过主机上并接的适配器接入，不影响原系统的扩展。FX2 系列 PLC 具有数十种编程元件。FX2 系列 PLC 编程元件的编号分为两部分，第本科毕业设计（论文）一部分是代表功能的字母。如输入继电器用“X”表示，输出继电器用“Y”表示。第二部分为数字，数字为该类器件的序号。FX2 系列 PLC 中输入继电器及输出继电器的序号为八进制，其余器件的序号为十进制。从元件的最大序列号我们可以了解可编程控制器可能具有的某类器件的最大数量。例如输入继电器的编号范围为 X0X177，为八进制编号，我们可以计算出 FX2 系列 PLC 可能接入的最大输入信号数为 128 点。FX2 系列可编程控制器有基本指令 20 条，步进指令 2 条，应用指令 85 条。FX2 系列可编程控制器的编程语言主要有梯形图及指令表。指令表由指令集合而成，且和梯形图有严格的对应关系。梯形图主要使用图形符号及图形符号间的相互关联表达控制思想，而指令则是图形符号及它们间的关联语句表达 3。 2.2 FX2 PLC 的主要编程元件 可编程序控制器内部有许多具有不同功能的器件，从物理实质上讲，这些器件是由电子电路和存储器组成的。考虑到工程技术人员的习惯，常用继电器电路种类类似器件名称命名。为了明确它们的物理属性，称它们为“软继电器” 。例如输入继电器 X是由输入电路和输入影像寄存器组成的，输出继电器 Y 是由输出电路和输出影像寄存器组成的；定时器 T、计数器 C、辅助继电器 M、状态继电器 S、数据寄存器 D、变址寄存器 V/Z 等都事由相应的影像寄存器组成的。为了和通常的硬器件相区别，通常把上面的器件成为软器件，是等效概念抽象的模拟器件。并非实际的物理器件。在可编程序控制器中这种编程元件的数量往往是巨大的。为了区分它们的功能，通常给编程元件编上号码。这些号码就是计算机存储单元的地址 510。(1)输入继电器 X输入继电器是 PLC 接收外部输入的开关量信号电路的一种等效表示。PLC 通过光电耦合器将外部信号的状态读入并存储在输入影像寄存器中。输入端可以外接动合触电点或动断触点，也可以接多个触点组成的串并联电路或电子传感器。FX2 系列 PLC 输入继电器编号范围为 X0-X177（128 点） 。(2)输出继电器 Y输出继电器是 PLC 内部输出信号控制被控对象的电路的一种等效表示，它是用来将 PLC 的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。FX2 系列 PLC 输出继电器编号范围为 Y0-Y177（128 点） 。(3)辅助继电器 MPLC 中配有大量的通用辅助继电器，它是用软件实现的，它们不能接受外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，只能由程序驱动，是一种内部的状态标志，其主要的用途和继电器电路中的中间继电器类似，常用于逻辑运算的中间状态存储及信号类型的变换。辅助继电器分以下三种类型：本科毕业设计（论文）a.通用型辅助继电器 M0-M99（500 点） 。b.具有掉电保持的通用型辅助继电器 M500-M1023（524 点） 。掉电保持的通用型辅助继电器具有记忆功能。所谓掉电保持是指在 PLC 外部电源停电后，由机内电池为某些特殊工作单元供电，可以记忆它们在掉电前的状态。c.特殊辅助继电器 M8000-M8255（256 点） 。特殊辅助继电器是具有特定功能的辅助继电器。根据使用方式又可以分为二类。一类只能利用其触点的特殊辅助继电器，器线圈由 PLC 自行驱动，用户只能利用其触点。这类特殊辅助继电器常用做时基、状态标志或专用控制元件出现在程序中。例如 M8000：运行标志 （Run）PLC 运行时监控接通。另一类是可驱动线圈型特殊辅助继电器，用户驱动线圈后，PLC 做特定动作。例如 M8030：使 BATT LED（锂电池欠压指示灯）熄灭。(4)定时器 T定时器相当于继电器电路中的时间继电器，可在程序中用作延时控制。由设定值寄存器、当前值寄存器和定时器触点组成。FX2 系列可变程序控制器具有以下四种类型。100ms 定时器： T0-T199 200 点 计时范围：0.1-3276.7s10ms 定时器： T200-T245 46 点 计时范围：0.01-327.67s1ms 积算计时器：T246-T249 4 点（中断动作） 计时范围：0.001-32.767s100ms 积算定时器：T250-T255 6 点 计时范围：0.1-3276.7s(5)计时器 Ca.16 位增计数器（设定值：1-32767）有两种 16 位二进制增计数器。通用：C0-C99（100 点）掉电保持用：C100-C199（100 点）b.32 位增/减计数器（设定值-2147483648- +2147483647）有两种 32 位的增/减计数器通用：C200- C219（20 点）掉电保持用：C220- C234（15 点）3 步进电机的介绍步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵本科毕业设计（论文）活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，如图 1（a） 、图 1（b）所示。步进电机的角位移量 w 或线位移量 s与脉冲数 k 成正比如图 2（a）所示；它的转速 n，或线速度 v 与脉冲频率 f 成正比，如图 2（b）所示。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。因而可适用于开环系统中做执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制 67。步进电机脉冲分配器和功放输出轴控制脉冲图 1（a） 步进电机的功用图控制脉冲tt转角图 1（b） 步进电机的功用图本科毕业设计（论文）Kw s图 2(a) 步进电机的控制特性图fv图 2(b) 步进电机的控制特性图按励磁方式分类，步进电动机可以分为反应式、永磁式、和感应子式。其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单。反应子式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。其中典型结构如图 3 所示。这是一台四相电机，定子铁芯由硅钢片叠成，定子上有 8 个磁极（大齿） ，每个磁极上又有许多小齿。四相步进电动机共有 4 套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁芯构成，沿圆周有很多小齿，转子上没有绕组。根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制 8。图 3 四相步进电动机的结构图本科毕业设计（论文）4 步进电机的自动门控制系统硬件的设计该设计包括信号传送部分、电机运行部分、PLC 控制部分，此系统是由 PLC 控制四相八拍步进电机根据人和车辆进出的状况，产生信号传送给 PLC，PLC 根据内部编程设定，进行相关处理后输出，以便控制电机线路等外部电路元件的通断，实现门的自动开关。此外为使此次设计的实用性更强、更具人性化，设计中应满足以下要求：(1)按下正向启动按钮，自动门按正向转动，按下反向启动按钮，自动门按反向转动；(2)步进电机慢步为 1 步/秒，快步为 10 步/秒；4.1 本设计的任务要求四相八拍步进电机控制自动门的设计要求：当人或车辆到来时，按下按钮，安装在门上的超声波开关将门打开，打开到一定宽度后停止；当人或车辆通过后按下反向按钮超声波开关发出信号，关闭自动门。并且在自动门打开或关闭的同时，可以通过开关按钮来控制步进电机快步或慢步打开或关闭。4.2 本设计的可行性分析当人或车辆到来时，按下按钮，超声波开关输出一个信号，表示人或车辆要通过，请求打开自动门，这个信号输入自动门控制系统的 PLC，PLC 根据程序，接通开启电机使其工作，电机通过相应的机械机构开启自动门。当自动门打开一定的宽度后，停止按钮，从而停止步进电机运行，保证自动门的宽度合理；当人或车辆通过后，按下反向按钮，超声波开关输出一个信号，信号输入到 PLC，步进电机快步或慢步驱动自动门关闭，达到下限位开关后，步进电机停止工作，自动门关闭。步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相位移的电机。其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度。脉冲的频率决定了电机运转的速度.当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据步进电机的输出位移量确定 PLC 输出的脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。n=L/，式中L 为步进电机的输出位移量(mm)， 为机构的脉冲当量(mm/脉冲)；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。四相八拍的步进电动机其通电方式为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A即单相通电和两相通电相间时。当 A 相通电转到 A、B两相同时通电时，定、转子齿的相对位置如图 4 所示（只画出 A、B 两个极下的齿） ，转子按顺时针方向只转过 1/8 齿距角，即 0.9 度， A 极和 B 极下的齿轴线和转子齿轴线都还错开 1/8 齿距角。转子受到两个极的作用力距大小相等，方向相反，故仍处于平衡。本科毕业设计（论文）当 B 相一相通电时，转子齿轴线和 B 极下齿轴线相重合，转子按顺时针方向又转过1/8 齿距角。这样继续下去，每换接一次绕组，转子转过 1/8 齿距角。可见四相八拍步进电动机的运行是受脉冲控制的。A1 / 81 / 8B图 4 A、B 两相通电时定、转子齿的相对位置图根据上述的工作原理可以归纳步进电动机基本特点如下： (1)步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。例如一个按三相双三拍运行的环形分配器输入是一路，输出有 A、B 、C 三路。若开始是 A、B 这两路有电压，输入一个控制脉冲后，就变成 B、C 这两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成 C、A 这两路有电压，再输入一个脉冲，又变成 A、B 这两路有电压了。环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电机一步步转动。图 5 表示三相步进电动机控制方框图，图 6 表示三相双三拍运行时控制电脉冲及各相控制电压随时间变化的波形图。环形分配器放大器放大器放大器步进电动机脉冲输入图 5 控制方框图ttttU aU bU cU k图 6 三相双三拍运行时各相控制电压波形图步进电动机这种轮流通电的方式称为“分配方式” 。每循环一次所包含的通电状态本科毕业设计（论文）数称为“状态数”或“拍数” 。状态数等于相数的称为单拍制分配分配方式（如三相双三拍、四相双四拍等） ，状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配方式（如三相六拍，四相八拍等） 。同一台电机可有多种分配方式。不管分配方式如何，每循环一次，控制电脉冲 Uk 的个数总等于拍数 N，而加在每相绕组上的脉冲电压（或电流）个数却等于1，因而控制电脉冲频率 f 是每相脉冲电压（或电流）频率 fx 的 N 倍，即 fx=f/N。(2)每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号 w 表示。从上面分析可见，当电机在四相八拍运行，即按 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA顺序通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为 1/8 齿距角；转子需要走 8 步才转过一个齿距角。由于转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为 w=360 度/Zr( 式中，Zr 为转子齿数)，所以转子每步转过的空间角度（机械角度） ，即齿距角为 w=360 度/Zr*N, 式中 N 为运行拍数，N=km(k=1,2;m 为相数)。(3)步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制时，送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的 1/Zr*N，也就是转过 1/Zr*N 转，因此每分钟转子所转过的圆周数，即转速为 n=60f/Zr*N(r/min),式中 f 为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。另外，若改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以控制电机正转或反转。所以，步进电动机是用电脉冲进行控制的电机。改变电脉冲输入的情况，就可方便地控制它，使它快速启动、反转、制动或改变转速。(4)步进电机具有自锁能力。当控制脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上。这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。综上所述，由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响（在允许负载范围内） ，也不受环境条件（温度、压力、冲击、振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转和改变转速。因此，步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统中 2。4.2.1 步进电机的基本参数(1)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，启动频率更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。本科毕业设计（论文）(2)电机固有步距角： 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为 1.8），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”， 它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。(3)步进电机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。(4)保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机。 4.2.2 步进电机动态指标及术语(1)步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 (2)失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 (3)失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 (4)最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 (5)最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 (6)运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如图 7 所示：本科毕业设计（论文）(7)电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在 180-250pps 之间（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角为 0.9 度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。频率力矩图 7 力矩频率曲线图其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态流）平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如下图 8 所示：其中，曲线 3 电流最大、或电压最高;曲线 1 电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。频率123力矩图 8 力矩频率特性曲线图4.2.3 步进电机运动速度和正、反的控制步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。从图 9 可以看出，当改变输入脉冲的周本科毕业设计（论文）期时，ABCD 四相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电变化的速率发生变化，使电机转速发生变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度。A 相B 相C 相D 相输入脉冲图 9 脉冲分配波形图步进电机的正、反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，四相八拍步进电机通电顺为 AABBBCCCDDDA时电机正转；当绕组按ADADCDCBCBBA顺序通电时电机反转因此，可以通过 PLC 输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。通过控制四相八拍步进电机的正传和反转来控制自动门的打开或关闭。4.3 设计思想在步进电机控制自动门系统的设计中，根据设计要求，确定了硬件的设计和软件程序的编写，应 用 步 进 电 机 和 可 编 程 序 控 制 器 技 术 ， 实 现 了 自 动 门 控 制 系 统 的 传 动和 控 制 要 求 。4.3 1 流程图步进电机控制自动门系统的设计流程图如图 10，根据流程图所示，进行步进电机控制自动门系统的硬件和软件设计。4.3 2 控制过程分析(1)人或车辆到来 当人或车辆到来时，按下手动按钮，超声波开关传送信号给 PLC，PLC 控制电机正转，步进电机驱动自动门快步或慢步开启，当自动门打开一定的宽度后，松开手动开关，电机停止运行，人或车辆通过。(2)人或车辆过后 当人或车辆通过后，按下反向手动按钮，超声波开关传送信号给 PLC，PLC 控制步进电机反转，步进电机驱动自动门快步或慢步关闭，达到下限位开关后，步进电机停本科毕业设计（论文）止运行，自动门紧闭。当人或车辆到来时电动机正传自动门打开电动机停止电动机反转自动门关闭电动机停止按下手动按钮按下快步或慢步按钮打开一定宽度后松开手动按钮按下手动反向按钮快步或慢步达到下限位开关 ，松开按钮图 10 步进电机控制自动门系统设计的流程图4.3 3 控制接线图四相八拍步进电机接线原理如图 11 所示，其中 A、B、C、D 为脉冲电源输入端，E、F 为公共端。本科毕业设计（论文）X 0X 1X 2X 3X 4X 5X 6C O MC O M 1Y 0Y 1Y 2Y 3C O M 2Y 4S B 1S B 2S B 3MAECBFD+ D CS B 4F X 2 P L C图 11 四相八拍步进电机接线原理图5 步进电机控制自动门系统的软件设计5.1 I/O 口分配表步进电机控制自动门系统的设计 PLC 的 I/O 分配如表 1、表 2 所示：表 1 输入信号名称 代号 输入点编号正启 SB1 X000反启 SB2 X001停止 SB3 X002速度控制 SA X003表 2 输出信号名称 代号 输出点编号A 相输入端 A Y0B 相输入端 B Y1C 相输入端 C Y2D 相输入端 D Y35.2 程序编写5.2 1 梯形图本科毕业设计（论文）步进电机控制自动门软件设计如图 12 所示本科毕业设计（论文）图 12 步进电机控制自动门系统软件设计梯形图当人或车辆到来时，按下 SB1 按钮，X000 闭合，状态位 S0 置 1 并自锁。通过SB1 按钮控制电机的正转启动，步进电机按 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 时序正向启动。通本科毕业设计（论文）过 SA 控制按钮来控制电机的快慢速运行，当常开触点 X3 闭合时，通过 MOV 指令把 K5送入 D0 中，定时器 T201 作用，T200 线圈计时到 0.05s 后，线圈 T200 得电，使状态寄存器 S2 置 1，使继电器 M10 在上升沿导通。电机按照 10 步/s 快速运行。当常闭触点X3 工作时，通过 MOV 指令把 K50 送入 D0 中，定时器 T201 作用，T200 线圈计时到 0.5s后，线圈 T200 得电，使状态寄存器 S2 置 1，使继电器 M10 在上升沿导通。电机按照 1步/s 慢速运行。继电器线圈 M0 也通电。线圈 M10 导通，状态寄存器 S0 自锁，通过位右移指令 SFTR，使得电机的四相绕组按正向时序依次导通。当自动门打开一定的宽度后，按下 SB3 按钮，控制 X2 断开，电机停止工作。(2)当人或车辆通过后，按下 SB2 按钮，X001 闭合，状态位 S1 置 1 并自锁。通过SB2 按钮控制电机的反向启动，步进电机按 A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A 时序反向启动。通过 SA 控制按钮来控制电机的快慢速运行，当常开触点 X3 闭合时，通过 MOV 指令把 K5送入 D0 中，定时器 T201 作用，T200 线圈计时到 0.05s 后，线圈 T200 得电，使状态寄存器 S2 置 1，使继电器 M10 在上升沿导通。电机按照 10 步/s 快速运行。当常闭触点X3 工作时，通过 MOV 指令把 K50 送入 D0 中，定时器 T201 作用，T200 线圈计时到 0.5s后，线圈 T200 得电，使状态寄存器 S2 置 1，使继电器 M10 在上升沿导通。电机按照 1步/s 慢速运行。继电器线圈 M0 也通电。线圈 M10 导通，状态寄存器 S1 自锁，通过位左移指令 SFTL，使得电机的四相绕组按反向时序依次导通。当自动门关闭到位后，按下 SB3 按钮，控制 X2 断开，电机停止工作。5.2 2 程序指令表(见附录)5.2 3 验证调试本次四相八拍步进电机的自动门控制系统设计是在三菱软件 GX-DEVEIOPER 和仿真软件 GX-SIMULATOR 软件里实现验证的，在用软件验证之前要反复多次检查程序的准确性，减小失误，然后启动 GX-DEVELOPER 软件，打开 PLC 程序，接着启动 GX-SIMULATOR仿真，把程序输入到其中，对常开或常闭按钮实行强制 ON 或是 OFF，观察 PLC 运行动作情况，验证程序。验证过程中会发现忽略的细节问题将影响到程序，经过反复调试修改。经过验证本次步进电机的自动门控制系统的设计程序可以实现自动门自动控制的设计要求，而验证过程中出现的问题值得我认真思考。本科毕业设计（论文）结束语经过这几个月的学习，我终于完成了步进电机的自动门控制系统设计，从一开始接到论文题目到设计的实现，再到论文的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间完成的最大的任务。在这段时间里，我不仅温习了以前学习的专业课知识还学习到了很多新知识，同时也有很多感受，这段时间，我开始独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己的设计从开始的雏形一步步完善起来，每一次改进都有新的收获。从中我更充分认识我的设计课题，把自己在课堂上学过的知识运用到实际生活中，这使我由衷的高兴和欣慰。虽然我的设计还有不足之处，但这里面都有我的劳动，这次设计经历将会使我终生受益，我深深的明白了做好一