三相步进电机的PLC控制课程设计..

1、电气控制与可编程控制器技术A课程设计报告题目:三相步进电机的模拟控制院（系）：_专业班级：_学生姓名：_学 号：_指导教师：_2014 年 6 月 3 日至 2014 年 6 月 130华中科技大学武昌分校制电气控制与可编程控制器技术A课程设计任务书1、设计（调查报告/论文）题目三相步进电机的模拟控制2、设计（调查报告/论文）主要内容（1） 控制要求：本设计要求利用 PLC 构成三相步进电机控制系统，完成主电路的接线，并编写三拍、六拍、单步和连续控制的程序并调试。（2） 设计要求1当钮子开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；2当钮子开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按

2、停止；3当钮子开关拨到三拍时，旋转的角度为 3 度；4当钮子开关拨到六拍时，旋转的角度为 1.5 度；5当钮子开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；6当钮子开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；7当单步要转到连续，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）8当连续要单步连续，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）9当三拍要转到六拍，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）10当六拍要转到三拍，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，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）?当反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）（3）撰写说明书1系统的 I/O 分配表2含软件设计

3、（程序及必要的说明）3调试及调试结果，以及在调试过程中出现的问题及解决办法三、原始资料1 三相步进电机的资料2 GX-developer 仿真软件的资料四、要求的设计（调查/论文）成果（1） 了解三相步进电机的工作原理，掌握步进电机的三相三拍，三相六拍的控 制方式，对实验室提供的三相步进电机实验设备进行硬件连接及调试；（2） 掌握集成开发环境 GX-developer 的使用，并能在这个开发环境下编写三相 步进电机控制系统的梯形图程序。（3） 利用实验室设备进行运行调试。（4） 撰写课程设计说明书，课程设计报告内容包括：1设计方案、课程设计过程和设计思想、方法、原理；2系统的 I/O 分配表及

4、程序的详细说明；3参考资料、参考书及参考手册；4其他需要说明的问题，例如操作说明、程序的调试过程、遇到的问题及解决方 法、对课程设计的认识和建议等；5用电脑编排打印，报告格式按照华中科技大学武昌分校课程设计管理办法 执行。课程设计报告要求内容正确完整，图表清晰，叙述简明，语句通顺，字数不得少 于 2000 汉字；6课程设计报告按封面、任务书、设计说明书、图纸、实物照片贴页（实物照片贴 在A4 复印纸上）、成绩评定表的顺序装订。（5） 总结调试过程中出现的问题及解决办法。以上设计课题完成后，均要总结设计结果、提交专业课程设计说明书并进行设计答JLA 亠辩。五、 进程安排内容时间下达课程设计任务书

5、。讲解课程设计的任务与要求、进 度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料。学生到实验 室熟悉设备。1 天搜集资料、方案论证、初步设计。1 天系统设计、绘制系统控制原理图、接线图及软件编程。2 天利用实验室设备完成控制系统的硬件接线工作，运行控 制程序，进行运行调试。3 天方案优化、总结完善、整理资料、撰写课程设计报告2 天答辩、课程设计总结。1 天共计10 天（2 周）六、主要参考资料（1） 马小军.可编程控制器及其应用南京：东南大学出版社，2007.（2） 姚锡禄.变频器技术应用.北京：电子工业出版社，2009.（3） 巫莉.电气控制与 PLC 应用.北京：中国电力出版社，2008.（4）王

6、兆义.小型可编程控制器实用技术.北京：机械工业出版社，2013.指导教师（签名）：20 年 月日1 三相步进电机的 PLC 控制与要求. 11.1 控制要求.11.2 设计要求.12 步进电机及 PLC 的工作原理. 22.1 步进电机简介. 22.2 步进电机的分类. 22.3 步进电机的基本参数. 32.4 步进电机主要特点. 42.5 反应式步进电机原理. 42.6 PLC 的工作原理.52.7 GX-Developer 简介.73 设计方案及实验调试.93.1 步进电机 I/O 口分配表. 93.2 I/O 口端子接线图.93.3 设计流程. 93.4 设计梯形图. 113.5 调试过

7、程及问题分析. 13课程设计总结. 14参考文献. 1511 三相步进电机的 PLC 控制与要求1.1 控制要求本设计要求利用 PLC 构成三相步进电机控制系统，完成主电路的接线，并编 写三拍、六拍、单步和连续控制的程序并调试。1.2 设计要求1当钮子开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；2当钮子开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；3当钮子开关拨到三拍时，旋转的角度为 3 度；4当钮子开关拨到六拍时，旋转的角度为 1.5 度；5当钮子开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；6当钮子开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；7当单步要转到连续，可以通过停止也可以直接转换；（通过

8、编程）8当连续要单步连续，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）9当三拍要转到六拍，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）10当六拍要转到三拍，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，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）?当反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）22 步进电机及 PLC 的工作原理2.1 步进电机简介步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转 换元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动 机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此， 沿着小型、高效、低价的方

9、向发展。步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行 的，其转子走过的步数，或者说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比。另 外，步进电动机动态响应快，控制性能好，只要改变输入脉冲的顺序，就能方便 地改变其旋转方向。这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。因此，步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。因此，在数字控制系统 出现之初，步进电动机经历过一个大的发展阶段3。2.2 步进电机的分类（1） 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或 15 度。（2） 反应式

10、步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。（3） 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相 和五相。两相步进角一般分为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度，这种步进电 机的应用最为广泛。三相反应式步进电机的结构如图所示。定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C 相。图 2-1 三相反应式步进电机的结构图3在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿， 采用适当的齿数配合，当 A 相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B 相磁极的小齿与转子小齿相互错开 1/3 齿距，C

11、相则错开 2/3 齿距。如图所示：图 2-2 A 相通电定转子错开示意图电机的位置和速度由绕组通电次数 （脉冲数）和频率成-对应关系。而方向由绕组通电的顺序决定。2.3 步进电机的基本参数（1） 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，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。（2） 步进电机的相数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.

12、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。（3） 保持转矩保持转矩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 2Nm 的 步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2Nm 的步进电机。（

13、4） 钳制转矩钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。IZW342.4 步进电机主要特点（1） 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%,且不累积。（2） 步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点， 步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步， 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲， 磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步 进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。（3） 步进电机的力矩会随转速的升高

14、而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（4） 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并 伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：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，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉 冲频率应有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频。2.5 反应式步进电机原理（1）反应式步进电机结构电机转子均匀分布着很多小

15、齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分 别与转子齿轴线错开。0 、1/3 、2/3 （相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 表示），即A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3，C 与齿 3 向右错开213， A与齿 5 相对齐，（A就是 A，齿 5 就是齿 1）如图：图 2-3 定转子的展开图（2） 反应式步进电机的旋转三相如 A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转 子不受任何力，以下均同）。如 B 相通电，A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐， 此时转子向右移过 1/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ,齿 4 与 A 偏移（ -1/

16、3 ） =2/3.。如 C相通电，A , B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3.,此时齿 4 与 A偏移为 1/3 .对齐。如 A 相通电，B, C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 .这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4 （即 齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向5右转过一个齿距，如果不断地按 A，B，C， A通电，电机就每步（每脉冲）1/3 .，向右旋转。如按 A，C，B，A通 电，电机就反转。由此可见，电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成-对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考

17、虑。 往往采用 A-AB-B-BC C-CA-A 这种导电状态，所以本设计采用三相六拍。这样 将原来每步 1/3 .改变为 1/6.。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3.变为 1/12. , 1/24.，这就是电机细分驱动的基本理论依据 问。不难推出：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。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步 进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电 机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。（3） 步进电机在工业控制领域的主要应用步进电机作为执行元件，是机

18、电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。另 外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定 位的目的。还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。2.6 PLC 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

19、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。下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2-4 （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 的线圈 接在编号为丫O00 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 2-4 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。

20、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0006是输出继电器。编程元件 X000 与接在输入端子 XOOO 的 SB1 的常开触点和输入映 像寄存器XOOO相对应， 编程元件丫000与输出映像寄存器丫000和接在输出端子 Y000的可编程控制器内部的输出电路相对应。(a)(b)(c)(d)图 2-4 PLC 的外部接线图与梯形图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 的常开触点并联的丫000

21、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 将 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执行第二条指令时，从输出映像寄存器丫000 中取出二进制数，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 结果寄存器。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”

22、 (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 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 KM 线 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 KM 线 圈通电，当 TT1 时,读入输入映像寄存器 X000 和 X001 的均为二进制数“ 0”此时 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 T13图 3-3 设计

23、梯形图3.5 调试过程及问题分析将 PLC 的 I/O 口与步进电机三相和各个状态开关连接起来，程序写入 PLC 开始执行后可以看到，按下启动步进电机按照设定的方式开始转动， 如果设定为 单步则每按一次启动步进电机转动一次， 连续则一直转动。其中六拍转动的步距 角为三拍的一半。在转动过程中拨动状态开关电机转动方式改变， 若按下停止则 电机停转。调试过程中曾遇到设置为单步时，按下启动步进电机不转动或错误转动的问 题，这是由于设定的延时时间与硬件反应时间不匹配造成的，通过多次调整实验， 我们将延时时间改为 0.5S，电机转动正常。课程设计总结我们这次的课题是应用 PLC 对三相步进电机进行控制， 刚拿到题目时有些无 从下手，毕竟从来没有学过步进电机，后来在查阅辅导书和老师的讲解下我基本 明白了它的工作原理，感觉控制并不太难，于是以为做起来应该没什么问题， 但 在实际动手的过程中我才发现，想起来容易做起来难，理论到实践之间还存在着 巨大的努力空间。在这次的课程设计中，通过对 GX- Developer 的应用，我们了解了三菱 FX2N 系列 PLC 的优点