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1、基于PLC的步進電動機的控制系統(tǒng)學 院：繼續(xù)教育學院專 業(yè)：機械設計制造及自動化考 號：010613117228學 生 姓 名： 吳延東指 導 教 師： 張輝2014 年 8 月畢業(yè)設計（論文）答辯成績評定專業(yè)畢業(yè)設計（論文）第 答辯委員會于 年 月 日審定了 班級 學生的畢業(yè)設計（論文）。 設計（論文）題目： 設計（論文）共 頁。畢業(yè)設計（論文）答辯委員會意見： 成 績： 專業(yè)畢業(yè)設計（論文）答辯委員會主任委員 （簽字）摘 要本課題使用PLC為西門子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY。其基本情況為：CPU224XPCN，24VDC電源，24VDC輸入，24

2、VDC輸出，6ES7 214-2AD23-0XB8，集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或38路模擬量I/O點。22K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨立的高速計數(shù)器(100KHz)，2個100KHz的高速脈沖輸出，4個上升沿和4個下降沿邊沿中斷，2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量I/O，位控特性，自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)記錄及配方功能等，是具有模擬量I/O和強大控制能力的新型CPU，用于控制步

3、進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務。關鍵詞：步進電動機 PLC 正反轉與加減速控制 目 錄第1章 引言11.1 PLC的介紹11.2步進電機的介紹1第2章 步進電機22.1步進電機工作原理22.1.1步進電機結構22.1.2旋轉過程42.1.3力矩52.1.4步進電機的分類53.2 步進電機控制方式及運行方式63.3 脈沖和角度的關系7第3章 步進電機控制系統(tǒng)設計83.1步進電機模擬控制83.1.1控制流程分析83.1.2 I/O 分配表93.2步進電機流程圖103.3步進電機接線圖113.4梯形圖的設計12第4章 結 論23參 考 文 獻24致 謝25 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第1章 引

4、言1.1 PLC的介紹 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用微處理器的優(yōu)點。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設計階段選用可編程控制器，在實施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看

5、，在制造階段不需要根據(jù)用戶的訂貨要求專門設計控制器，適合批量生產(chǎn)。由于這些特點，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的應用。 1.2步進電機的介紹 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積

6、累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。 第2章 步進電機2.1步進電機工作原理2.1.1步進電機結構A步進電機結構剖面圖如圖3.1所示。CDB定子勵磁線圈轉子圖3.1 步進電機結構剖面圖電機轉子均勻分布著40個小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3、2/3，(相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以表示)，即A相與齒1相對齊，B相與齒2向右錯開1/3，C相與齒3向右錯開2/3，A與齒5相對齊，(A就是A，齒5就是齒1)，定轉子的展開

7、圖如圖3.2所示。T54321ABAC圖3.2 定轉子的展開圖2.1.2旋轉過程如A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，轉子不受任何力(以下均同)。 如B相通電，A、C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3。如C相通電，A、B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3對齊。如A相通電，B、C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3，這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4(即齒1前一齒)移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A、B、C、A通電，電機就每步(每脈沖)1/3，向右旋轉。如按A、C

8、、B、A通電，電機就反轉。其通電狀態(tài)如圖3.3所示。C相通電B相通電A相通電圖3.3 通電狀態(tài)圖由此可見，電機的位置和速度由通電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對應關系。而方向由通電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細分驅動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m，2/m(m-1)/m，1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制這是旋轉的物理條件。2.1.3力矩電機一旦

9、通電，在定轉子間將產(chǎn)生磁場(磁通量)當轉子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與(d/d)成正比，其磁通量=Br*S，Br為磁密，S為導磁面積，F(xiàn)與L*D*Br成正比，L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑，R為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比(只考慮線性狀態(tài))。因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。2.1.4步進電機的分類步進電機分為永磁式(PM)、反應式(VR)、混合式(HR)三種。永磁式一般為二相，轉矩和體積都很小，步距角一般為7.5或15；反應式一般為三相，實現(xiàn)大轉矩輸出，步距角為1.5；混合式兼具永磁式和反應式的優(yōu)點，分二相和五相，

10、二相步距角為1.8，無相步距角為0.72。3.2 步進電機控制方式及運行方式36BF003型步進電動機的三個繞組分別用A、B、C表示。三拍運行時，正轉通電順序為ABCA，反轉通電順序為CBAC；或正轉通電順序為ABBCCAAB，反轉通電順序為ACCBBAAC。六拍運行時，正轉通電順序為AABBBCCCAA；反轉通電順序為AACCCBBBAA。36BF003型步進電動機的運行狀態(tài)如表3.1所示。表3.1 步進電動機的運行狀態(tài)單步三拍六拍正轉反轉啟動停止連續(xù)三拍六拍正轉反轉啟動停止3.3 脈沖和角度的關系(1) 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表示， =360度/M*Z*K 式中，

11、M為定子繞組相數(shù)；Z為轉子齒數(shù)；K為通電方式系數(shù)，當M相M拍通電時，K=1，當M相2M拍通電時，K=2。本課題所用為三相電機，由參數(shù)表可以推算出它的齒數(shù)J3=360度/3*3 =40個或J6=360度/6*1.5 =40個(2) 頻率關系和轉速的關系 n=60f/M*Z*K 式中，M、Z、K同上；n為每分鐘轉速 r/min；當M相M拍通電時，K=1，當M相2M拍通電時，K=2。第3章 步進電機控制系統(tǒng)設計3.1步進電機模擬控制3.1.1控制流程分析控制要求：當按鈕開關撥到單步時，必須每按一次起動，電機才能旋轉一個角度；當按鈕開關撥到連續(xù)時，按一次起動，電機旋轉，直到按停止；當按鈕開關撥到三拍時

12、，旋轉的角度為3度；當按鈕開關撥到六拍時，旋轉角度為1.5度；當按鈕開關撥到正轉時，旋轉按順時針旋轉；當按鈕開關撥到反轉時，旋轉按逆時針旋轉；當單步要轉到連續(xù)或連續(xù)轉到單步，可以通過停止也可以直接轉換；(通過編程)當三拍要轉到六拍或六拍要轉到三拍，可以通過停止也可以直接轉換；(通過編程)當正轉要轉到反轉或反轉要轉到正轉，可以通過停止也可以直接轉換(通過編程)。此設計使用開環(huán)控制步進電機。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。步進電機脈沖放大器脈沖分配 器變頻信號源指令工作機構圖3.1 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖而本課題使用PLC為西門子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY

13、，可以直接輸出脈沖驅動36BF003型電機運行，指令可通過程序代替，而“變頻信號源”、“脈沖分配器”、“脈沖放大器”則全部由PLC替代，進而取代了具有以上四項功能的驅動器，使得控制十分簡單，所以本課題的控制框圖可簡單用圖3.2表示。S7-200CN系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY24V直流電源步進電機工作機構 圖3.2 基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)框圖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分配表輸入啟動停止單步連續(xù)三拍六拍正轉反轉I0.0I0.1I0.6I0.7I0.4I0.5I0.2I0.3輸出A1B1C1A2B2C2+24V(主機

14、)Q0.2Q0.3Q0.43.2步進電機流程圖開始系統(tǒng)上電撥到連續(xù)檔位撥到單步檔位按三拍按六拍正轉反轉正轉反轉按三拍按六拍反轉正轉反轉正轉實現(xiàn)連續(xù)三拍正轉實現(xiàn)連續(xù)三拍反轉實現(xiàn)連續(xù)六拍正轉實現(xiàn)連續(xù)六拍反轉實現(xiàn)單拍三拍正轉實現(xiàn)單拍三拍反轉實現(xiàn)單拍六拍正轉實現(xiàn)單拍六拍反轉圖3.2 三相步進電機控制流程圖3.3步進電機接線圖圖3.3 步進電機實時接線圖3.4梯形圖的設計 第4章 結 論通過PLC控制三相、五相步進電機運行在本課題實驗中得以實現(xiàn)，其中控制三相步進電機時，可以選擇手動開關和自動開關，實現(xiàn)電機在單步和連續(xù)工作方式的情況下正反轉運行，其中也可以實現(xiàn)三拍和六拍的步進時序。在設計過程中，遇到了較多

15、困難，諸如程序的編寫，包括循環(huán)移位指令的使用、調(diào)速指令的采用等等，不僅自己查閱書籍資料，而且還向老師同學請教，最終這些問題得以解決。當今通過PLC發(fā)脈沖來控制步進電機運行，這種方式在工業(yè)生產(chǎn)多個領域廣泛的應用，比如磁頭定位系統(tǒng)，數(shù)控機床，線切割機等領域。利用步進電機較準確的定位和能輸出一定大小的力矩等特點，已成為位置定位控制系統(tǒng)中首選的控制手段。隨著電力電子、DSP及計算機等多種技術的發(fā)展，目前在步進電機控制系統(tǒng)中有細分功能、節(jié)能功能的驅動器技術得以廣泛的使用，使得PLC控制步進電機這一控制方式不斷完善和發(fā)展。參 考 文 獻1 陳建明. 電氣控制與PLC應用M. 北京：電子工業(yè)出版社，2006

16、.2 廖常初. PLC基礎及應用M. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.3 劉保錄. 電機拖到與控制M. 西安：西安電子科技大學出版社，2006.4 西門子公司編. SIMATIC S7-200系統(tǒng)手冊M. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.5 李美珠. PLC編程及應用M. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.6 張海根. 機電傳動控制M. 北京：高等教育出版社，2001.7 鄧星鐘. 機電傳動控制M. 第三版，武漢：華中科技大學出版社2001.8 袁順平，孫志承. 西門子PLC與工業(yè)網(wǎng)絡技術M. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.9 廖常初. PLC編程及應用M. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.1

17、0 周萬珍，高鴻斌. PLC分析與設計應用M. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.11 張萬忠，劉明芹. 電器與PLC控制技術M. 北京：化學工業(yè)出版社，2003.12 殷洪義. 可編程序控制器選擇設計與維護M. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.13 楊青杰. 三菱FX系列PLC應用系統(tǒng)設計指南M. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.14 王永華. 現(xiàn)代電氣及可編程控制技術M. 北京：北京航空航天大學，2002.15 吳中俊. 可編程控制器原理及應用M. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.16 馬小軍. 可編程控制器及應用M. 南京：東南大學出版社，2007.17 謝克明，夏路易. 可編程控制器原理與程序設計M. 北京：電子工業(yè)出版社，2002.致 謝隨著秋天的到來，畢業(yè)設計也即將劃上一個圓滿的句號，在這近一個學期的畢業(yè)設計期間，我經(jīng)歷了很多，有苦惱也有歡樂，在對課題的研究過程中我付出了許多辛勤的汗水，同時也學到了許多知識，收獲了一筆可貴的人生財富，這些都使我受益匪淺。感謝我的指導老師張老師，本課題是在張老師的諄諄教導和悉心關懷下完成的。在畢業(yè)設計期間，張老師傳授了許多的實際經(jīng)驗和方法，給予了大量的富于啟發(fā)性與建設性的建議。張老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、高度的責任心、崇高的品格、淵博的知識以及豐富的實踐經(jīng)驗都使我受益匪淺。在此，謹向張老師致以最誠摯的謝意。25