三相步进电机控制系统设计_电子/电路_工程科技_专业资料。CHENGNAN COLLEGE OF CUST 工电气控制与 PLC 课程设计 题目： 三相步进电动机控制系统设计 学生姓名： 刘深圳 学 号： 5 班 级: 工业

　　CHENGNAN COLLEGE OF CUST 工电气控制与 PLC 课程设计 题目： 三相步进电动机控制系统设计 学生姓名： 刘深圳 学 号： 5 班 级: 工业电气自动化 1301 班 专 业： 自动化（工业电气自动化） 所在院(系): 电气与信息工程系 指导教师： 贺勇 起止日期：2015 年 12 月 28 日～2016 年 1 月 8 日 目录 一. 目的与要求 ………………………………………………………………………………3 二．三相步进电机的工作原理 ………………………………………………………………3 三．方案设计……………………………………………………………………………………5 四．可编程逻辑控制器概述 …………………………………………………………………6 五. 可编程控制器工作原理……………………………………………………………………7 六. 输入输出信号分析与 PLC I/O 分配图 …………………………………………………8 七. PLC 的选型 …………………………………………………………………………………9 八. 三相步进电机主电路图 …………………………………………………………………11 九. 控制流程图 ……………………………………………………………………………… 12 十. 控制方法 …………………………………………………………………………………13 十一. 程序设计 ………………………………………………………………………………14 十二. 控制面板 ………………………………………………………………………………21 十三. 运行与调试程序…………………………………………………………………………21 十四.总结 ………………………………………………………………………………………22 十五．参考文献…………………………………………………………………………………22 2 一、 目的和要求 (1) 用PLC 实现对三相步进电动机的控制 (2) 掌握用计时器设计脉宽为一个扫描周期且频率可变的脉冲发生器和用循环移位指令 产生时序脉冲的编程方法和技巧 (3) 训练能综合各种信号实现某种控制规律的编程思路和方法 (4) 掌握PLC 控制系统设计的基本原则和步骤，从而提高应用PLC 的能力 二、 三相步进电动机工作原理简介： (1) 概述： 步进电动机是利用电磁铁的作用原理将电脉冲转变成直线位移或角位移。在非超载的情 况下，电动机的转速、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，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步 进电动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动 机来控制变得非常的简单。步进电动机通常用于数控机床、绘图机、自动控制和记录仪表等。 (2) 结构： 图1 是一个三相反应式步进电机结构图。从图中可以看出，它分成转子和定子两大部分， 定子是由硅钢片叠成的，两个相邻定子齿之间的夹角为60°，转子由软磁材料制成。步进电 动机三个励磁绕阻绕过相对的两个定子齿，构成一相（A-A’，B-B’，C-C’），定子齿上有 5 个均匀分布的矩形小齿；转子上没有绕组，而有40 个小齿均匀分布在其圆周上。当某相绕 组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S 极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定 子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子齿与定 子齿对齐，两相步进电机从而使步进电机向前“走”一步。 3 图1 三相步进电动机结构图 反应式步进电机的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到小磁阻 的位置(定子小齿和转子小齿对齐的位置)，并处于平衡状态。对三相步进电机来说，当某一 相的磁极处于小磁阻位置时，另外两相必须处于非小磁阻位置(定子小齿和转子小齿不对 齐的位置)。把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿；把定子小齿和转子小齿不对齐的状 态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提。因为定子齿距角和转子相同，所不同 的是，转子的齿是圆周分布的，而定子的齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一相处于 对持状态时，该相磁极上的定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐。 步进电机转动的角度（步距角）的大小与转子的齿数及通电的方式有关， θ ＝360°/Z2N 其中：θ －步距角，Z2－转子齿数，N－通电脉冲数。可见步进电机转动的速度与脉冲频率 成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。 (3) 旋转： 以三相步进电动机，四齿转子为例，电流脉冲的施加共有三种方式。 1) 单相三拍方式------按单相绕组施加电流脉冲 2) 双相三拍方式-----按双相绕组施加电流脉冲 3) 三相六拍方式------单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲 单相三拍方式的每一拍步进角为30°，三相六拍的步进角则为15°。两相步进电机因此，在三相六拍 下，步进电机的运行平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动脉冲的频率需 提高一倍，对驱动开关管的开关特性要求较高。 (4) 本实训项目中步进电动机采用三相六拍工作方式。其工作原理见图2 所示。 ① A 相首先通电，转子齿与定子A－A’级对齐(图2 a )。 ② 在A 相继续通电的情况下接通B 相，这时定子B－B’极对转子齿2－4 产生磁拉力， 使转子顺时针方向转动，但是A－A极继续拉住齿1－3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止， 这时转子的位置如图2b 所示，即转子从图2 a 位置顺时针转过了15°。 ③ A 相断电，B 相继续通电。这时转子齿2－4 和定子B－B’极对齐(图2c)，转子从图 2b 的位置又转过了15°。其位置如图2c 所示。 4 图2 三相步进电动机动作原理图 这样，如果按A-AB-B-BC-C-CA-A 的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转 动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A-AC-C -CB-B-BA-A 的顺序通电，则电动机转子逆时针方向转动。 （5）步进电机工作方式三相六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A 三相六拍工作方式时序图 三、 方案设计 在步进电动机控制系统中，步进电动机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误 差的特点，广泛应用于各种控制中，根据步进电动机的特点，从制造成本与系统结构复杂程 度考虑，本设计采用开环控制系统，开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置， 因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造成本低等优点。另外，步进电动机受控于脉 冲量，它比直流电机或交流电机组成的开环精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺 服传动系统。 5 指令脉冲 环形 分配器 功率 驱动器 步进 电动机 开环步进电机控制系统框图 负载 输出 四． 可编程逻辑控制器概述 “PLC 是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储 器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通 过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关 设，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工 委员会于 1985 年 1 月对 PLC 所作的权威性的定义。 对于 PLC 的定义，其补充说明如下。 以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控制、 机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。 6 可编程控制器是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设，按照预先输入的程 序控制现场的执行机构，并按照一定规律进行动作。 其主要功能体现在以下几方面： 1．顺序逻辑控制 2．运动控制 3．定时控制 4．计数控制 5．步进控制 6．数据处理 7．模数和数模转换 8．通信及联网 五 可编程控制器的工作原理 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 从条指令开 始执行程序，直到遇到结束符后又返回条，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，一直循环 扫描工作。 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，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。 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 7 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。 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。 六.输入输出信号分析与 PLC I/O 分配图 步进电机正反转和调速、步数控制输入输出点分配表： 名称 启动开关 输入信号 代号 SA0 输入点 I/O 100 步开关 暂停开关 I0.0 停止按钮 SA4.2 SA1 SB2 I0.7 I1.0 慢速开关 中速开关 快速开关 SA2.1 SA2.2 SA2.3 正/反转 单步按钮 10 步开关 SA3 SA2.0、SB1 SA4.1 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 输出信号 名称 U 相功放电路 V 相功放电路 W 相功放电路 代号 U(A) V(B) W(C) 输出点编号 Q0.0 Q0.1 Q0.2 8 PLC I/0 配置及端口接线 七.PLC 的选型 PLC 是 20 世纪 70 年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技 术发展起来的一种新型工业自动控制，被广泛应用于各个领域，因为它具有几个突出的特点： 可靠性高，抗干扰强；编程简单，易于掌握；功能完善，灵活方便；体积小，质量轻，功耗 低。I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%～20%的 可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬 件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量 小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未 知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储 器容量的估算来替代。 9 PLC 选型原则： （一）PLC 的类型 PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发，通常可按控制功 能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型 控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统 的 I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 （二）输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信 号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类 型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可 控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。 输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求， 合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架 或远程 I/O 机架等。 （三）电源的选择 PLC 的供电电源，除了引进设时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一 般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用 不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足 应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC，对输入和 输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 （四）存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投 运，一般要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能 时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 综上所述：本设计依据上述各类 PLC 的性能特点，在功能满足要求的前提下，综合考虑可靠 性、经济性、使用维修方便等各方面因素，后选用西门子的 s7-200 系列 PLC，其中 s7-200 西门子 S7 系列 PLC 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高等特 点，结合 I/O 点数，单元类型，输出形式的选择，故 PLC 的型号确定为 S7-200 CPU224 10 八、三相步进电机主电路图 11 九. 控制流程图 Y 10步 低速 Y 100步 10步 中速 Y 100步 N 10步 高速 N Y 100步 10步 单步 1N00步 开始 N 启动 Y N 正转 10步 低速 Y 100步 10步 中速 100步 Y N 10步 高速 100步 Y N 10步 单步 100步 N 结束 12 十. 控制方法 ① 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 Q0.0、Q0.1 和 Q0.2 按照单双六拍的通电方式接通,其接通 顺序为： Q0.0 T Q0.0、Q0.1 T Q0.1、Q0.2 T Q0.2 T Q0.2、Q0.0 该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是: UT U、V T V、W TW T W、V 选择不同的脉冲周期 T,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。 ② 正反转控制。通过正、反转驱动环节(调换相序),改变 Q0.0、Q0.1 和 Q0.2 接通的顺序,以实 现步进电动机的正、反转控制。即 步进电机正转: Q0.0 Q0.0、Q0.1 Q0.1、Q0.2 Q0.2 Q0.2、Q0.0 步进电机反转: Q0.0 Q0.1、Q0.0 Q0.0、Q0.2 Q0.2 Q0.2、Q0.1 ③步数控制。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 十一.程序设计 （1）梯形图 13 14 15 16 17 （2）程序指令 Network 1 // // 启动开关 LD I0.0 O M10.0 EU = M10.0 Network 2 // 连续运行、10 步、100 步 LD M0.0 O C0 O C1 EU SHRB M10.0, M10.1, +6 Network 3 // 三相六拍分配器 LD M10.1 O M10.6 O M10.5 = M20.0 Network 4 LD M10.5 O M10.4 O M10.3 = M20.1 Network 5 LD M10.3 O M10.2 O M10.1 = M20.2 Network 6 18 // 正反转 LD I0.4 A M20.0 LDN I0.4 A M20.1 OLD = Q0.1 Network 7 LD I0.4 A M20.1 LDN I0.4 A M20.0 OLD = Q0.2 Network 8 LD M20.2 = Q0.3 Network 9 LDN T37 TON T37, +10 Network 10 // 脉冲发生器 LDN T38 TON T38, +5 Network 11 LDN T39 TON T39, +2 Network 12 // 单步运行 LD I0.5 19 A T37 EU = M0.1 Network 13 // 脉冲控制器 LD I0.1 A T37 LD I0.2 A T38 OLD LD I0.3 A T39 OLD = M0.0 Network 14 // 步数设定 LD I0.6 A M0.1 LD C0 CTU C0, +10 Network 15 LD I0.7 A M0.1 LD C1 CTU C1, +10 20 十二.控制面板 十三.运行与调试程序 将梯形图编写对应的指令程序,并将其写入 PLC 的 RAM,运行调试程序。 ①转速控制。选择慢速(接通 SA2.1),接通启动开关 SA0。脉冲控制器产生周期为 1s 的控 制脉冲,使 M0~M5 的状态随脉冲向右移位,产生六拍时序脉冲,并通过三相六拍环形分配器使 Q0.0、Q0.1 和 Q0.2 按照单双六拍的通电方式接通,步进电动机开始慢速步进运行。断开 SA2.1、SA0;接通 SA2.2、SA0 或 SA2.3、SA0,观察步进电动机的转速控制运行情况。 ②正反转控制。先接通正、反转开关 SA3,再重复上述转速控制操作,观察步进电动机的运 行情况。 ③步数控制。选择慢速(接通 SA2.1);选择 10 步(接通 SA4.1);接通启动开关 S0。六拍时序 脉冲及三相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 闭触点断开移位驱步进电动机动电路,六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节 停止工作。步进电动机停转。在选择慢速的前提下,再选择单步或 100 步重复上述操作,观察步 进电动机的运行情况。 21 十四．总结 课程设计，让我们有很多的机会实际运用一下所学的知识，在对电气原理图，安装图等的 绘制与分析，对 PLC 编程与调试等过程中提高了我们的动手能力及解决实际问题的能力。 在这次学习后，我对接触器控制、PLC 程序控制两者不同之处有了深刻的体会。接触器控制 具有自动控制方法简单、工作可靠、成本低等特点。大多是用于有触点控制系统，适用于固 定动作要求的控制设，一旦工作中发生程序变化、两相步进电机错误，就需要重新配线，比较麻烦，不 适用与较复杂和控制要求经常改变的场合。PLC 程序控制是在计算机技术基础上发展起来的 一种工业自动控制，它编程简单、动作可靠且动作顺序变更容易，一旦工作中发生程序变化， 只要改变程序结构即可，因此被广泛应用与复杂控制系统。 通过课程设计，我对电气控制和可编程控制器 PLC 也有了一定的了解和掌握。在未上这 门课之前，我连接触器、继电器这类基本的电气元件都不知道。后来通过老师的讲解及自 己慢慢的学习，对这方面的知识，逐渐的也有了一定的了解。现在已能看懂和设计一些简单 的电气图了。 十五.参考文献 [1]范永胜 王岷 主编《电气控制与 PLC 应用》， 中国电力出版社。 [2]王爱玲 李克天 冯裕强 主编《机床数控技术》， 高等教育出版社。 [3]周云水 主编《更我学 PLC 编程》，中国电力出版社。 [4]肖峰 贺哲荣 主编 《PLC 编程 100 例》，中国电力出版社。 [5] 王宗才.机电传动与控制.北京：电子工业出版社.2011:161-295. 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