三相六拍步进电机PLC控制设计和调试

1、机电一体化系统设计课程设计相六拍步进电机 PLC控制设计和调试的设计目录第一章绪论1.1研究的现状1.2 PLC控制步进电机发展的趋势1.3本设计的目的、意义 1.4小结第二章三相六拍步进电机的 PLC控制和要求2.1可编程控制器的工作原理 2 2步进电机的工作原理及其控制要求 2.2.1工作原理2.2.2 控制要求 二2.2.3步距角的细分2 3PLC控制系统所需，I/O点数的确定和存储器容量的估算2 4 PLC控制系统所需机型的选择 2 5PLC控制系统的设计思想 第三章实验调试和结果分析3.1 PLC控制系统中I/O端子接线图及I/O地址分配表3.1.1步进电机I/O 分配表3.1.2

2、I/O 端子接线图.3.1.3步讲电机控制流程图3 2梯形图 3.3指令语句応3 4实验的时序图 3.5实验调试中遇到的问题及解决方案3.6小结10第四章论文总结及展望104.1论文总结104.2工作展望11致谢12参考文献12摘要欢迎阅读充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。本设计是用PLC做三相六拍步进电机的控制核心，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、中、低速度的控制。关键词：PLC控制三相六拍步进电机电机正反转-第一章绪论1.1

3、研究的现状目前对于对步进电机的控制存在精度和价格方面的矛盾。因为高精度的实时 演算需要较高性能的DSP芯片，成本较高。因此现在的控制方法是采用大量的硬 件电路。这种控制方法的精度不但较低，且成本较高。国内为了省钱就大多数使 用相对省资源的查表法，但是对于速度变化范围很大的控制来说， 在低速时会由 于表本身的精度原因造成稳定性变差，噪声变大的问题。这仅仅是低速时的细分 问题。转速越低，对它控制时的细分就越严格。此外还有扭矩的问题，当转动过 慢时，即使细分也无法达到应有的扭矩，这都是控制时遇到的问题。简单的说, 目前普遍存在于步进电机控制中的问题就是低速运转和低速启动的问题。PLC的应用正在不断的

4、走向当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给现代工业带来了质的提升。现代电子领域中，深入，这必将导致传统控制的日益革新。PLC的控制具有高可靠性、高性价比。比如在机械手、液体混合罐、液压、气压等方面都得到了广泛的应用。PLC在工业方面的应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。利用PLC采用程序设计方法来对步进电机进行控制，具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，而且可以通过控制按钮实现对步进电机的正反转和步进电机 转速的控制，用途广泛等优点。1.2 PLC控制步进电机发展的趋势时至今日，软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。虽然软件的发 展速度比不上

5、硬件的发展速度那么迅速， 但已能满足现在的工业需求。对步进电 机的传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。随着PLC的普及，现在已普遍采用 硬件与软件相结合的方式对其进行控制， 这种控制方法有很多优点，比如：可以 实现高精度的控制，降低成本，降低控制难度，简化控制电路等。今后步进电机 的总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方 向发展。1.3本设计的目的、意义本设计的主要研究内容是以三菱 FX1N系列PLC（可编程逻辑控制器）为核心控制步进电机，及其相关外围电路组成的控制电路设计。 可以通过对几个开关按 钮的控制来实现对步进电机的方向，以及对高、中、低速的控制。比如用两

6、个开 关分别控制电机正反转，两个开关分别控制电机启动和停止，三个开关分别控制 电机的高中低转速，使得步进电机的控制更加简便。甚至还可以利用更少的开关 来控制，但为了使得本设计更加直观和易读，故采用七个控制开关。此外，本设 计更加便于实现对步进电机的自动化控制。1.4小结步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。而PLC是一种便于对动作顺序进行控制的元件。随着科学电子技术的发展，对步进电机的控制要求正朝向高精度、自动化控制的方向发展。工业生产中 运用PLC控制步进电机可以简便的实现控制， 不需要复杂的控制电路，而且控制 的时候只需要进行编程以及搭配少量相关硬件，即可实

7、现控制。第二章三相六拍步进电机的 PLC控制和要求2.1可编程控制器的工作原理可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（ RUN状态与停止（STOP状态。在运行状态中，可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的控制要求。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不仅仅执行一次，而是反复不断地重复执行，直到可编程控制器停机或切换到STOP工作状态。F面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程。图 2.11 （ a）所示的PLC的输入输出接线图，起动按钮 SB1和停止按钮SB2的常开触点分加别接在编号为X000和X001的可编程控制器的输入端，接触器 KM的线

8、圈接在编号为丫000的可编程控制器的输出端。图（b）是这3个输入/输出变量对 应的I/O映像寄存器。图（C）是可编程控制器的梯形图，它与图2.11所示的继 电器电路的功能相同。但是应注意，梯形图是一种程序，是可编程控制图形化的 程序。图中的X000等是梯形图中的编程元件，XO00与 X001是输入继电器，丫000是输出继电器。编程元件X000与接在输入端子XO00的 SB1的常开触点和输入映Y000和接在输出端子像寄存器XO00相对应，编程元件丫000与输出映像寄存器Y000的可编程控制器内部的输出电路相对应。X001 Togo(a)(C)（b）,图2.11 PLC的外部接线图与梯形图(d)1

9、 -梯形图以指令的形成储存在可编程控制器的用户程序存储器中，梯形图与下面的4条指令对应“；”之后是该指令的注解。LD X000 ;接在左侧母线上的X000的常开触点。OR Y000 ;与X00O的常开触点并联的Y000的常开触点。ANI X001 ;与并联电路串联的X001的常闭触点。OUT Y000 ； Y000的线圈。在输入处理阶段，CPU各SB1, SB2的常开触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数“T,反之存入“ 0”。执行第一条指令时，从输入映像寄存器 X000中取出二进制数并存入运算结果寄存器。执行第二条指令时，从输出映像寄存器 丫000中取出二进

10、制数，并与运算结 果寄存器中的二进制数相“或”（触点的并联对应“或”结算），然后存入运算 结果奇存器。执行第三条指令时，取出输入映像寄存器 X001中的二进制数，因为是常闭 触点，取反后与前面的运算结果相“与”（电路的串联对应“与”运算），然后 存入运算结果寄存器。在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并KM线KM线此时锁存起来，如果输出映像寄存器 丫000中存放的是二进制数“1”，外接的 圈将通电，反之将断电。X000, X001和丫000的波形如图2.11（D）所示,高电平表示按下按钮或 圈通电，当TVT1时,读入输入映像寄存器X000和X001的均为二进制数“

11、 0”输出映像寄存器丫000中存入的亦为“ 0”在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程之后,运算结果仍为丫000=0，所以KM的线圈处于断电状态.在TT1区间,虽然 输入/输出信号的状态没有变化,用户程序确在一直反复不断地执行着。T=T1时 按下起动按钮SB1, X0变为“T状态，经逻辑运算后 丫000变为“ T状态，在输出处理阶段，将丫000对应的输出映像寄存器中的“ 1”送到输出模块，将可编程控制器内丫000对应的物理继电器的常开触点接通，使接触器KM的线圈通电。2. 2步进电机的工作原理及其控制要求2.2.1工作原理步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给 定一个

12、电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗 称半步）。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信 号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类 推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机 转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广 泛的应用。？?步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号， 目前这种信号大多数由可编程控制器（PLC或

13、单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信 号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能, 事实上它在步进电机系统中起着重要的作用， 一般一种步进电机可以根据不同的 工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有 反应式、感应子式、混合式等。？?步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率高低实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。还可以通过频率的改变来提高步进电机的位置精度。？?步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需

14、要给定的脉冲数。其工作原理如下:设A相首先通电，转子齿与定子 A A对齐一（图2.21a）。然后在A相继续I通电的情况下接通B相。这时定子B、B极对转I子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是 A A极继续拉住齿1、3,因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图（2.21b）所示，即转子从图（a）位置顺时针转过了 15。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B B极对齐 （图c），转子从图（b）的位置又转过了 15。其位置如图3d所示。这样，如果按At a Bt Bt B Ct Ct c At a的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15。电流

15、换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个 齿距角。如果按 LA CCtC B-BtB La的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。图2.21步进电机通电方式原理图222控制要求（1）三相步进电动机有三个绕组:A、B、C正转通电顺序为:A AB 4 BCT Ct CA反转通电顺序为:At cat Ct BCT 4 AB用7个开关控制其工作#1开关控制其运行（启）。#2开关控制其运行（停）。#4#5#3号开关控制其低速运行（转过一个步距角需 号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.5 s）。0.1 s）。号开关控制其高速运行（转过一个步距角需0.04 s）。#6#7号开关控制其转向（ON为正转）。号

16、开关控制其转向（OFF为反转）。2.2.3步距角的细分细分原理：细分控制本质上是对步进电机的励磁绕组中的电流进行控制，使 内部的合成磁场成为均匀的圆形旋转磁场。 合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的夹角大小决定了该步距角的大小。细分 就是将输入脉冲从原来的电流方波细分成以若干个等幅、-等宽上升和下降的电流_ 阶梯波。电流波形有多少个台阶，转子就会以相同的数量转过一个步距角。 这 种将1个步距角细分成若干步的驱动方法称为“细分驱动”。细分驱动的特点II是，可以在不改变电机结构参数的情况下，使步距角减小、提高精度；同时能使 步进电机运行平稳，提高匀速性，此外，还能减

17、弱或消除振荡。细分方法：用集成环形分配器芯片构成细分电路;用微机控制步进电机的步距角细分。2. 3 PLC控制系统所需I/O点数的确定和存储器容量的估算步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其 它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成， 且可获得较咼的控制精度，因而 得到了广泛的应用。1步进电

18、机PLC控制系统I /0接线图的设计以三相步进电机为例，步进电机通常设有加速、减速控制及正反转控制等控制方式。按控制要求可设计出步进电机的 PLC控制系统I /0接线图（见图2.31） 0图2.31步进电机的PLC控制系统I /0接线图图中：CP脉冲信号输入端子;CW方向信号输入端子；EN-使能信号输入端子。 步进电机脉冲频率的变化规律步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越加速-恒速（高所以输入步进小，动作越平稳，所以步进电机工作一般要经历以下的变化过程： 速）-减速-恒速（低速）-停止。因步进电机转速与脉冲频率成正比,电机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程，其变化

19、规律见图2。可见在步进电机启动时要使脉冲升频，停车时使脉冲降频。由于步进电机驱动器在输入脉冲200 Hz时处于震荡区内，容易损坏内部元件，而在 200 Hz以下运转速 度较慢，效率较低，故一般采用 350 Hz作为脉冲的低频起点。经测试，轻载时高频脉冲可达到6. 8 kHz。2. 4 PLC控制系统所需机型的选择PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护I使用最方便以及性价比最优的机型。 通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条 件较好的场合，建议选用整体式结构的 PLC其他情况则最好选用模块式结构的PLC对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中

20、，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工 程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂 程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布 式控制系统以及整个工厂的自动化等）。本次设计选择的是三菱系列的 FX1N系 列。2. 5 PLC控制系统的设计思想.最大限度地满足被控对象的控制要求.保证PLC控制系统安全可靠.力求简单、经济、便于使用及维护.适应发展的需要第三章实验调试和结果分析3.1 PLC控制系统中I/O端子接线图及I/O地址分

21、配表3.1.1步进电机I/O分配表输入功能输出功能X0正转Y0控制A相X1反转Y1控制B相X2启动Y2控制C相X3停止X4低速X5中速1X6高速-3.1.2 I/O端子接线图3.1.3步进电机控制流程图3.2梯形图3.3指令语句表3.4实验的时序图正转时序图反转时序图3.5实验调试中遇到的问题及解决方案实验中可能会有许多原因会引起调试的不成功， 其中包括硬件方面的，和软件方面的。硬件方面的主要是连线的错误，或者其他硬件方面的问题。比如硬件线路的接法不同也可能导致实验的不成功。有软件方面的问题，比如因为软件版本存在差异，使得一些语句不能实现，或者达不到预期的效果。这就要求我们在做实验时要仔细的分

22、 析实验中遇到的问题。3.6小结通过实验，我们感性地认识到理论与实际的差别， 加深了我们对 本课程设计的理解和认识。通过实验来验证设计并改善设计中的不足 之处，实验中我们会遇到很多问题和故障， 在锻炼了我们的动手能力 的同时也提高了我们的思考、解决问题的能力。调试的过程就是观察、分析、排错的过程。在进行实验时，应该按照设计的实验步骤进行观察、记录，然后与原设计进行比较、分析，以判断每步是否正确，从而推动整个实验的进程。实验的调试过程，实质上是一个不断发现I问题，不断找出原因，不断解决问题的过程。要解决问题关键是要发 现问题的所在，而要能找到出错的原因，只有通过反复的对实验运行 过程中记录的参数

23、进行分析、比较，才能发现问题。由此可见，在实 验室做好现场参数的记录和分析是相当重要的。 这不仅是培养我们养 成良好实验习惯的机会，也是让我们学会将理论知识综合运用、 掌握 实验技巧、提高动手能力的重要途径。对于一个实验电路而言，往往 难以立即实现预期的电路功能，对各种客观因素的影响也是难以完全 预测的。因此必须要经过实验测试和调整， 以便发现和纠正设计和安 装中的不足，最后才能达到预定的设计要求。第四章.论文总结及展望4.1论文总结这次课程设计对我们而言是对所学课程内容掌握情况的一次自我验证，对所学知识的综合应用能力检验， 它培养和训练了我们的编 程以及调试能力，进而提高了我们对学习和应用相

24、关专业知识的兴 趣。通过本次设计我们的能力得到了锻炼，因而有着极其重要的意义。我们本次课程设计的内容是三相六拍步进电动机控制程序的设 计与调试，针对现在的 PLC技术，实现一些设计。我们还应该加强PLC语句的练习，要能够运用自如。此外还应掌握PLC的外部接线方法。通过大家合理的分工和不懈的努力，我们得到了一系列可靠的实 验数据，取得了一定的成绩。但是在这次课程设计过程中也遇到了不 少的问题和困难。比如刚开始时组员之间任务分配不均，导致组员之I间的工作量不均匀；当我们大家在一起讨论时，常会发生意见分歧； 还有很重要的一点就是大家的基础知识不够扎实，使得设计进度缓 慢，必须不断的在书本上学习新的知识来弥补不足等