（完整版）基于PLC的步进电动机的控制系统毕业设计

（完整版）基于PLC的步进电动机的控制系统毕业设计

基于PLC的步进电动机的控制系统

学院：继续教育学院

专业：机械设计制造及自动化

学生姓名：吴延东

指导教师：张辉

2014 年8 月

毕业设计（论文）答辩成绩评定

专业毕业设计（论文）第答辩委员会于年月日审定了班级学生的毕业设计（论文）。设计（论文）题目：

设计（论文）共页。

毕业设计（论文）答辩委员会意见：

成绩：

专业毕业设计（论文）答辩委员会

主任委员（签字）

摘要

本课题使用PLC为西门子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY。其基本情况为：CPU224XPCN，24VDC电源，24VDC输入，24VDC输出，6ES7 214-2AD23-0XB8，集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共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个独立的高速计数器(100KHz)，2个100KHz的高速脉冲输出，4个上升沿和4个下降沿边沿中断，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等，是具有模拟量I/O 和强大控制能力的新型CPU，用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。

关键词：步进电动机PLC 正反转与加减速控制

Ⅰ

目录

第1章引言 (1)

1.1 PLC的介绍 (1)

1.2步进电机的介绍 (1)

第2章步进电机 (2)

2.1步进电机工作原理 (2)

2.1.1步进电机结构 (2)

2.1.2旋转过程 (4)

2.1.3力矩 (5)

2.1.4步进电机的分类 (5)

3.2 步进电机控制方式及运行方式 (6)

3.3 脉冲和角度的关系 (7)

第3章步进电机控制系统设计 (8)

3.1步进电机模拟控制 (8)

3.1.1控制流程分析 (8)

3.1.2 I/O 分配表 (9)

3.2步进电机流程图 (10)

3.3步进电机接线图 (11)

3.4梯形图的设计 (12)

第4章结论 (23)

参考文献 (24)

致谢 (25)

Ⅱ

第1章引言

1.1 PLC的介绍

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，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。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、通用性和灵活性差的缺点，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，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订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。

1.2步进电机的介绍

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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；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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

第2章步进电机2.1步进电机工作原理

2.1.1步进电机结构

步进电机结构剖面图如图3.1所示。

图3.1步进电机结构剖面图

电机转子均匀分布着40个小齿，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、2/3，(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示)，即A相与齿1相对齐，B相与齿2向右错开1/3，C相与齿3向右错开2/3，A'与齿5相对齐，(A'就是A，齿5就是齿1)，定转子的展开图如图3.2所示。

图3.2定转子的展开图

2.1.2旋转过程

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。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。其通电状态如图3.3所示。

图3.3通电状态图

由此可见，电机的位置和速度由通电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由通电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，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。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——这是旋转的物理条件。

2.1.3力矩

电机一旦通电，在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФ/dθ)成正比，其磁通量Ф=Br*S，Br为磁密，S为导磁面积，F与L*D*Br成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径，R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比(只考虑线性状态)。因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

2.1.4步进电机的分类

步进电机分为永磁式(PM)、反应式(VR)、混合式(HR)三种。永磁式一般为二相，转矩和体积都很小，步距角一般为7.5°或15°；反应式一般为三相，实现大转矩输出，步距角为1.5°；混合式兼具永磁式和反应式的优点，分二相和五相，二相步距角为1.8°，无相步距角为0.72°。

3.2 步进电机控制方式及运行方式

36BF003型步进电动机的三个绕组分别用A、B、C表示。

三拍运行时，正转通电顺序为A→B→C→A…，反转通电顺序为C→B→A→C…；或正转通电顺序为AB→BC→CA→AB…，反转通电顺序为AC→CB→BA→A C…。

六拍运行时，正转通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…；反转通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A…。

36BF003型步进电动机的运行状态如表3.1所示。

表3.1 步进电动机的运行状态

3.3 脉冲和角度的关系

(1) 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/M*Z*K

式中，M为定子绕组相数；Z为转子齿数；K为通电方式系数，当M相M拍通电时，K=1，当M相2M拍通电时，K=2。

本课题所用为三相电机，由参数表可以推算出它的齿数

J

3=360度/3*3=40个或J

6

=360度/6*1.5=40个

(2) 频率关系和转速的关系

n=60f/M*Z*K

式中，M、Z、K同上；n为每分钟转速 r/min；当M相M拍通电时，K=1，当M 相2M拍通电时，K=2。

第3章步进电机控制系统设计

3.1步进电机模拟控制

3.1.1控制流程分析

控制要求：当按钮开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；当按钮开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；当按钮开关拨到三拍时，旋转的角度为3度；当按钮开关拨到六拍时，旋转角度为1.5度；当按钮开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；当按钮开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；当单步要转到连续或连续转到单步，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)当三拍要转到六拍或六拍要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)当正转要转到反转或反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换(通过编程)。

此设计使用开环控制步进电机。传统的控制系统框图如图3.1所示。

指令

图3.1 传统的控制系统框图

而本课题使用PLC为西门子S7-200 CN系列PLC---CPU224XPCN AC/DC/RLY，可

以直接输出脉冲驱动36BF003型电机运行，指令可通过程序代替，而“变频信号源”、“脉冲分配器”、“脉冲放大器”则全部由PLC替代，进而取代了具有以上四项功能的驱动器，使得控制十分简单，所以本课题的控制框图可简单用图3.2表示。

图3.2 基于PLC的步进电机控制系统框图

3.1.2 I/O 分配表

I/O分配表如表3.1.2所示。

表3.1.2 I/O分配表

3.2步进电机流程图

图3.2 三相步进电机控制流程图3.3步进电机接线图

图3.3 步进电机实时接线图

3.4梯形图的设计