基于PLC的步进电机运动控制系统设计

机电工程系基于PLC的步进电机运动控制系统设计专业：机械设计制造及其自动化指导教师：莫改革姓名：陈星，李牧奇，赵鹏伟，刘凡(2023年8月8日)目录一、步进电机工作原理11.步进电机简介12.步进电机的运转原理及结构13.旋转14.步进电动机的特征21)运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机22)运转量与脉冲数的比例关系23)运转速度与脉冲速度的比例关系3二、西门子S7-200CPU224XPCN3三、三相异步电动机DF3A驱动器31.产品特点32.主要技术参数3四、PLC与步进电机驱动器接口原理图5五、PLC控制实例的流程图及梯形图61.控制要求62.流程图63.梯形图7六、参考文献9七、控制系统设计总结9基于PLC的步进电机运动控制系统设计步进电机工作原理步进电机简介步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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〔及步进角〕。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而到达调速的目的。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机那么转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单步进电机的运转原理及结构电机转子均匀分布着很多小齿，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て、2/3て,即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，〔A'就是A，齿5就是齿1〕旋转如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て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移〔て-1/3て〕=2/3て。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て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。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て这样经过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て,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〕和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。步进电机的静态指标术语拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度〔转子齿数J*运行拍数〕，以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/〔50*4〕=1.8度〔俗称整步〕，八拍运行时步距角为θ=360度/〔50*8〕=0.9度〔俗称半步〕。步进电动机的特征运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机②②驱动器③步进电机提供电力脉冲信号①控制器以上三局部是步进电机运转必不可少的三局部。控制器又叫脉冲产生器，目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。运转量与脉冲数的比例关系运转速度与脉冲速度的比例关系西门子S7-200CPU224XPCN本机集成14输入/10输出共14个数字量I/O点。2输入/1输出3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。22K字节程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，2个独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS458通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强能力的控制器。三相异步电动机DF3A驱动器1.产品特点可靠性高:数字技术和单片机的应用,使得驱动器线路简单可靠;合理的结构设计，使得整机结构紧凑、防护性能好；短路、过流、超温、欠压保护线路提供全面、可靠的保护、大大提高了步进驱动器的可靠性。低速性能好：引入单片机进行软环分及矢量细分，实现1:1平滑细分及5、10、20倍矢量细分，使得步进电机低速运行平稳，防止振荡及失步。矢量细分技术的应用，使得与μm级位置控制器配套的步进系统输出精度接近μm级。高速性能优：输入信号频率不大于250kHz〔20细分时〕，输出电流频率可达15kHｚ。由于采用单高压〔300V〕恒流斩波，高速特性好，驱动步进电机空载运行最高速不低于7.0mm/min适用面广：输出电流3A～10A可调，可驱动90BF、110BF、130BF步进电机，输出转矩2N·m～25N·m。2.主要技术参数驱动器型号DF3A-03DF3A-04DF3A-05DF3A-06DF3A-08DF3A-10适配电机

90BF-110BC380B130BC380C130BC380D

110BC380C

130BC380E输入电源AC110V-15%～+10%50/60HZ3A(Max)AC220V-15%～+10%50/60HZ3A(Max)输出相电流〔A〕3A4A5A6A8A10A电机最高转速不低于1300rpm工作环境0℃～45℃10%～85%RH、不结露。无腐蚀性、易燃、易爆、导电性气体、液体和粉尘。保存环境-20℃～80℃10%～85%RH、不结露。驱动方式单高压恒流斩波半桥方式细分选择4位DIP开关上电前设定1/5/10/20细分。输入脉冲方式单脉冲方式：CP+DIR〔脉冲+方向〕；双脉冲方式：CW+CCW〔正转脉冲+反转脉冲〕。脉冲频率不大于250KHZ〔20细分时〕脉冲宽度不小于1μs换向间隔不小于10μs使能输入FREE信号有效时驱动器有电流输出、电机受控。输入信号电平5V、3mA～10mA，12V时串入1K电阻，24V时串入2.2K电阻。输入回路有电流时输入有效。初始相位输出信号B相为上电初始输出相位，仅B相输出有效时PH.OUT输出(NPN型OC)有效:与OUT.COM接通,吸入电流不大于6mA电流,负载电压不大于24V。保护功能过流、短路保护；过热保护；欠压保护。报警输出FREE无效或过流／短路／过热／欠压保护时，ALM输出〔NPN型OC〕无效。FREE有效、无报警时，ALM与OUT.COM接通,吸入电流不大于100mA，负载电压不大于24V。状态指示绿色LED：H.POWER(电源指示)A.PHASE/B.PHASE/C.PHASE(相电流指示)红色LED：ALARM〔报警指示，保护有效时亮〕PLC与步进电机驱动器接口原理图PLC控制实例的流程图及梯形图控制要求要求点机能正反转电机有上下速两档电机位移和距离有两档要求说明用PLS原理所有换挡均需要在电机停止时进行流程图I0.5〔高速〕I0.5〔高速〕I0.5〔低速〕I0.4〔关〕I0.4〔开〕启动时能信号选择方向速度及控制步数PLS脉冲输入梯形图参考文献[1]张运刚、宋小春主编.西门子S7-200系列.北京：人民邮电出版社.2023.1[2]徐国林主编.PLC应用技术.北京：机械工业出版社.2003控制系统设计总结这次二十来天的学习和实际，是我们一次较全面，较深刻的对PLC知识的综合运用，通过这次学习，使得我们对PLC有了一个较为系统全面的认识，加深了对所学知识的理解和运用，将原来看来比拟抽象的内容实现了具体化，初步掊养了我们理论联系实际的设计思想，训练了综合运用相关课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，稳固、加深和扩展了有关PLC关于工业控制方面的知识。通过