PLC控制三相步进电动机驱动控制系统的设计

步进机电驱动控制系统的设计图2.2半闭环步进电动机控制系统框图半闭环控制系统调试比较方便，并且具有很好的稳定性，无非精度不太高，较少使用。方案三：闭环控制系统图2.3闭环步进电动机控制系统框图闭环控制系统定位精度高，但调试和维修都较艰难，系统复杂，成本高。综合三种方案，根据步进电动机的特点，从创造成本与系统结构复杂程度考虑，本设计采用方案一，在开环控制系统中，用PLC控制三相步进电动机.2.3步进机电的选择现在比较常用的步进机电包括反应式步进电动机，永磁性步进电动机，混合式步进电动机和单相式步进电动机。永磁式步进电动机普通为两相，转矩和体积较小，步进角普通为7.5度或者15度；反应式步进电动机普通为三相，可实现大转矩输出，步进角普通为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电动机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电动机是指混合了永磁式和反应式的特点。它又分为两相和五相：两相步进角普通为1.8度，而五相步进角普通为0.72度，这种步进电动机的应用也较为广泛。由于本设计用PLC控制三相步进电动机，故选用36BF003型反应式步进电动作为控制对象，三相步进电动的步距角为.1.5/3。此机电有如下特点：.反应式步进机电的精度为步进角的3-5%,且不积累。.反应式步进机电外表允许的最高温度在摄氏80-90度。.反应式步进机电的力矩会随转速的升高而下降.反应式步进机电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。此外，步进机电有一个技术参数：空载启动频率，即步进机电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，机电不能正常启动，可能发生丢步或者堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使机电达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希翼的高频（机电转速从低速升到高速）4三相反应式步进机电工作原理反应式步进电动机转子均匀分布着不少小齿，定子齿有三个励磁绕组，其几何轴线挨次分别与转子错开0,T&2T3（相邻两个转子齿轴线间的距离为齿距，以t表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开%,C与齿3向右错开2T3,a'（a'与A是同一电极）与齿5相对齐，图3-1所示是反应式步进机电定转子的展开图。图3-1反应式步进机电定转子展开图如果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；如果B相通电，A、C相不通电，则齿2应与B对齐，此时转子向右挪移T/齿3与C偏移T/齿4与A偏移2T/；/3 /3 3如果C相通电，A、B相不通电，则齿3应与C对齐，此时转子又向右移过T3,齿4与a偏移Ty继续进行下去，A相通电，B、C相不通电，则齿4与a对齐，转子又向移过T3。这样经过A,B,C,A分别通电状态，齿4移到A相，机电转子向右转过一个齿距。如果不断地按A,B,C,A,……通电，机电就每步T3,向右旋转。按A,C,B,A, 通电，机电就反转。由此可见，机电的位置和速度由通电次数（脉冲数）和频率决定，而方向由通电顺序决定。无非，出于对力矩、平稳、噪声及减小角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种通电状态，这样将原来每步T/改变为T/。3 6因此本设计采用PLC控制三相六拍步进电动机，来实现机电的速度、正反转、以及步数的控制。第三章硬件的设计3.1确定I/O点数PLC的输入信号有9个，包括启动开关、机电慢速、中快和快速控制按纽，正反转控制开关，机电单步、10步和100步按纽开关，以及暂停开关。PLC的输出信号有三个，即三个输出继电器。根据I/O端子的数量和种类，选择FX2-32MRPLC机一台。1.1画系统框图暂位方速启控制面板驱动电机步进机暂位方速启控制面板驱动电机步进机图3-1PLC控制步进机电系统框图控制面板上的位置按纽控制挪移的距离，速度按纽控制挪移的速度，方向按钮控制挪移的方向，启/停按纽控制机电的启动和暂停。在控制面板上设定挪移距离、速度和方向等参数，PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进机电的驱动器，达到对距离、速度、方向控制的目的。1.2I/O分配表表3.1I/O分配表元件I/O号信号定义元件I/O号信号定义soxo启动SBX5单步S1XI慢速S6X610步S2X2中速S7X7100步S3X3快速S8X8100000步S4X4正反转S9X10暂停SARUN3.2绘制I/O端子接线图+图+图3-2PLCI/O配置及接线图3.3步进机电驱动电路PLC控制步进机电常用的形式有普通型通用PLC控制和PLC专用步进驱动模块控制等两种，模块式控制方式具有控制可靠性高的优点，而通用PLC控制步进驱动系统具有PLC系统构成简单。工程造价低等优点，易于推广应用。图5-3所示为步进机电的驱动电路。图3-3步进机电驱动电路图3-3中仅为一相的驱动电路。其余三相与之相同.在图5-3中三极管T1起开关作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时，流过的集电极电流最大。开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由T2、T3两个三极管组成达林顿式功放电路，驱动步进机电的3个绕组.使机电绕组的静态电流达到近2AO电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通.因此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1饱和导通，于是红外发光二极管被点亮，使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流.使其导通，绕组被通以电流。第四章软件的设计三相步进电动机转速的控制，分慢速、中速和快速三挡，分别通过开关SI、S2和S3选择；正、反转控制由开关S4选择；步数控制分单步、10步和100步三挡，分别通过按纽SB、开关S6和S7选择。PLC控制步进机电控制方法实现转速控制由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，其接通顺序为：TTTTTTTT该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是：।L匚匚wjLT选择不同的脉冲同期T,可以获得不同频率的控制脉冲，从而实现对步进电动机的调速。正反转控制步进机电的正反转控制可通过改变步进机电各绕组的通电顺序来改变其转向，三相六拍步进机电通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A……时机电正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A……顺序通电时机电反转。因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环形分配器的输出顺序，或者经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进机电绕组的通电顺序实现。即通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0、Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转控制。正转：反转:1.3步数控制步进机电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。因此可以根据步进机电的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进机电的步数控制。n=AL/d式中AL为步进机电的输出位移量(mm),d为机构的脉冲当量(nrn/脉冲)。本设计通过脉冲计数器，控制六拍时序脉冲数，以实现对步进电动机步数的控制。4.2设计梯形图PLC控制三相六拍步进机电的梯形图如图4-1所示TOofKl

(T3 )T3X00321—11——IFT426TI TOofKl

(T3 )T3X00321—11——IFT426TI Kl(T4 )K2(T2 )XOO1TO3。一|一pHIT3(M20 )T3 T1II——IIT4 T2II——IIMUHFK10

(TO)TOC\o"1-5"\h\zT1 K54T(T1 )T2 K2(T2 )X00512―||[PLSMil)X002T4JI-I、选择慢速（接通S1）,接通启动开关so,脉冲控制器产生同期为1s的控制脉冲，使M0至M5状态随脉冲向右挪移，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环形分配器使丫0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进机电开始慢速步进运行。2、选择中速（接通S2）,接通启动开关SO,脉冲控制器产生同期为0.5s的控制脉冲，使M0至M5状态随脉冲向右挪移，产生六拍时序脉冲，并通过三相环形分配器使丫0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进机电开始中速步进运行。3、选择快速（接通S3）,接通启动开关S0,脉冲控制器产生同期为0.2s的控制脉冲，使M0至M5状态随脉冲向右挪移，产生六拍时序脉冲，并通过三相环形分配器使丫0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进机电开始快速步进运行。4.2.2正反转控制过程先接通正、反转开关S4,再重复上述转速控制操作。4.2.3步数控制过程选择慢速（接通S1）,选择10步（接通S6）,接通启动开关S0,六拍时序脉冲及三拍六拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。当走完预定步数时，计数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节住手工作，步进电动机停转。选择快速（接通S3）,选择100步（接通S7）,接通启动开关S0,目录第一章 可编程控制器简介PLC的结构及各部份的应用1 中央处理单元2 存储器3 输入输出单元4 电源5 编程器1.2 PLC的工作原理1.2.1 输入处理1.2.2 程序执行1.2.3 输出处理3 PLC编程图语言3.1 梯形图编程语言3.2 语句表编程语言3.3 控制系统流程图编程图第二章 步进机电的简介步进机电2 三相步进机电的控制要求及方案设计2.3 步进机电的选择4 三相反应式步进机电工作原理第三章 硬件的设计确定I/O点数画系统框图I/O分配表2 绘制I/O端接线图3.3 步进机电驱动电路六拍时序脉冲及三拍六拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。当走完预定步数时，计数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节住手工作，步进电动机停转。3调试运行程序将图4-1转换成表4.1的程序，将该程序写入PLC的RAM,并调试运行该程序。表4.1PLC控制三相步进电动机程序0LDITO65OUTM1001OUTTOK1066LDMl4LDIT167ORM25OUTT1K568ORM38LDTT269OUTM1019OUTT2K270LDM312LDX00571ORM413PLSMil72ORM515LDX00173OUTM10216ORX00374LDX00417ANIT475ANDM10018OUTT3KI76LDIX00421LDT377ANDM10122ANDX00378ORB23OUTT4KI79OUTY00026LDT480LDX00427OUTT2K281ANDM10130 LD X00182 LDI X00431 ORI T383 AND M10032 AND TO84 ORB33 LD T385 OUT Y00134 AND T186 LD M10235 ORB87 OUT Y00236 LD T488 LD X00637 AND T289 AND M2038 ORB90 OUT CO39 OR MilK1040 OUT M2093 LDI X00641 LD XOOO98 OUT Cl42 ANI MlK10043 ANI M2101LD X00744 ANI M3102RST Cl45 ANI M4104LD X01146 ANI M5105AND M2047 OUT MIO106OUT M3048 LD M20107LD M3049 ANI X010108 OUT C250 ANI COK50051ANI Cl111LD C252ANIC3112RSTC253SFTRMIOMO114LDC2K6K1115ANDM2062LDM5116OUT C363ORMOK20064ORMl119LDIX011120RSTC3122END第五章结束语我在这一次步进机电驱动控制系统的设计过程中，很是受益匪浅。通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思量及书面表达能力，最终完成为了。这为自己今后进一步深化学习，积累了一定珍贵的经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或者实际问题，把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。通过这次课程设计我发现，惟独理论水平提高了；才干够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个实验十分故意义我获得很深刻的经验。通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，，也从中得知了不少书本上无法得知的知识。我们的学习非但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。第六章 参考文献[1]吴丽主编 《电气控制与PLC实用教程》 关口州：黄河水利出版社，2005.2[2]高钦和编著《可编程控制器应用技术与设计实例》北京人民邮电出版社，2004,7[3]www.zlgmcu.com[4]《电气绘图规范手册》www.gongkong.comwww・kingview.com[7]高明远《Proteldxp基础与应用》科学出版社，2022[8]李道霖主编《电气控制与PLC原理及应用》电子工业出版社第七章致谢首先衷心地感谢我的导师高明远高老师，在高老师的悉心指导和建议给了我极大的匡助和支持，使我受益匪浅。本论文设计期间，高老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，高老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关心和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向高老师表示深深的感谢和崇高的敬意！在临近毕业之际，我还要借此机会向在这三年中赋予我诸多教诲和匡助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们多年来的辛勤栽培。不积度步何以至千里，各位任课老师认真负责,在他们的悉心匡助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在设计论文写作过程中，我还要感谢同组的各位同学以及我的各位室友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我不少的启示，提出了不少珍贵的意见，对于你们匡助和支持，致以忠诚的感谢。第四章 软件的设计PLC控制步进机电控制方法实现转速控制2 正反转控制步数控制4.2 设计梯形图4.2.1 转速控制过程4.2.2 正反转控制过程4.2.3 步数控制过程4.3 调试运行程序第五章 结束语第六章 参考文献第七章致谢第一章可编程控制器简介可编程控制器是60年代末在美国首先浮现，当时叫可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController),目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵便、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。随着半导体技术，特别是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已再也不是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和摹拟式的输入输出，控制各种类型的机械或者生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵便性差的缺点，充分利用微处理器的优点。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从创造生产可编程控制器的厂商角度看，在创造阶段不需要根据用户的定货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。1.1PLC的结构及各部份的作用可编程控制器的结构多种多样，但其组成的普通原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部份组成。1.1.1中央处理单元（CPU）CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。CPU普通由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有以下一些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。1.1.2存储器（RAM、ROM）存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROMoRAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。输入输出单元（I/O单元）I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。1.1.4电源PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。1.1.5编程器编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。1.2PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，向来循环扫描工作。1.2.1输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，惟独在下一个扫描周期的输入处理阶段才干被读入信息。1.2.2程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每一个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。1.2.3输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。1.3PLC编程语言1.3.1梯形图编程语言梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，它是在电器控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变来的，形象、直观、实用。梯形图的设计应注意以下三点：(1)梯形图按