1 任务分析 1. 1 分析控制对象 三相步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比， 其转速与单位时间内输入的脉冲数（脉冲频率） 成正比， 其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、 频率及电机绕组通电相序， 便可控制步进电机的输出位移量、 速度和转向。 步进电机具有较好的控制性能， 其启动、 停车、 反转及其它任何运行方式改变， 都在少数脉冲内完成， 且可获得较高的控制精度， 因而得到了广泛的应用。 1. 2 三相步进电机的控制要求 三相的控制要...

　　1 任务分析 1. 1 分析控制对象 三相步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比， 其转速与单位时间内输入的脉冲数（脉冲频率） 成正比， 其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、 频率及电机绕组通电相序， 便可控制步进电机的输出位移量、 速度和转向。 步进电机具有较好的控制性能， 其启动、 停车、 反转及其它任何运行方式改变， 都在少数脉冲内完成， 且可获得较高的控制精度， 因而得到了广泛的应用。 1. 2 三相步进电机的控制要求 三相的控制要求如下： ○ 1能对三相步进电动机的转速进行控制； ○ 2可实现对三相步进电动机的正反转控制； ○ 3能对三相步进电动机的步数进行控制； 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 方案设计 2 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， 其控制主要有开环、 半闭环、 闭环控制。 方案一： 开环控制系统 输 出负 载 步进电动机 功率驱动器 环形分配器指令脉冲图 2. 1 开环步进电动机控制系统框图 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。 方案二： 半闭环控制系统 速度传感器速度反馈位置反馈 速度传感器输 出负 载 步进电动机速度控制电路位置比较电路指令脉冲 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， 不过精度不太高，较少使用。 方案三： 闭环控制系统 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 方案设计 速度反馈位置反馈 速度传感器输 出负 载 步进电动机速度控制电路位置比较电路指令脉冲图 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， 但调试和维修都较困难， 系统复杂， 成本高。 综合三种方案， 根据步进电动机的特点， 从制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。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 步进电动机的选择 3 步进电动机的选择 现在比较常用的步进电机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。 永磁式步进电动机一般为两相， 转矩和体积较小，混合式步进电机 步进角一般为 7. 5 度或15 度； 反应式步进电动机一般为三相， 可实现大转矩输出， 步进角一般为 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： 两相步进角一般为 1. 8 度， 而五相步进角一般为 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 36BF02 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00.75 / 01.5 。 此电机有如下特点： 1． 反应式步进电机的精度为步进角的 3-5%， 且不累积。 2． 反应式步进电机外表允许的温度在摄氏 80-90 度。 3． 反应式步进电机的力矩会随转速的升高而下降 4． 反应式步进电机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， 步进电机有一个技术参数： 空载启动频率， 即步进电机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， 电机不能正常启动， 可能发生丢步或堵转。混合式步进电机 在有负载的情况下， 启动频率应更低。 如果要使电机达到高速转动， 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望的高频（电机转速从低速升到高速）。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 步进电动机的工作原理 4 三相反应式步进电机工作原理 三相反应式电动机工作原理: 反应式步进电动机转子均匀分布着很多小齿， 定子齿有三个励磁绕组， 其几何轴线（相邻两个转子齿轴线间的距离为齿距， 以 表示）， 即 A 与齿 1 相对齐， B 与齿 2 向右错开3， C 与齿 3 向右错开23，A（A与A 是同一电极） 与齿 5 相对齐， 图 3-1 所示是反应式步进电机定转子的展开图。 图 3-1 反应式步进电机定转子展开图 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， 此时转子向右移动3， 齿 3 与 C 偏移3， 齿 4 与 A 偏移23； 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3， 齿 4 与A偏移3； 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3。 这样经过 A， B， C， A 分别通电状态， 齿 4 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3， 向右旋转。 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通电次数（脉冲数） 和频率决定， 而方向由通电顺序决定。 不过， 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3改变为6。 因此本设计采用 PLC 控制三相六拍步进电动机， 来实现电机的速度、 正反转、 以及步数的控制。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 硬件的设计 5 硬件的设计 5. 1 确定 I /O 点数 PLC 的输入信号有 9 个， 包括启动开关、 电机慢速、 中快和快速控制按纽，正反转控制开关， 电机单步、 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 FX2-32MR PLC 机一台。 5. 1. 1 画系统框图 暂停负 载输出输入启动方向速度位置控制面板步进电机驱动电机 图 5-1 PLC 控制步进电机系统框图 控制面板上的位置按纽控制移动的距离， 速度按纽控制移动的速度， 方向按钮控制移动的方向， 启/停按纽控制电机的启动和暂停。 在控制面板上设定移动距离、 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， 控制步进电机的驱动器， 达到对距离、 速度、 方向控制的目的。 5. 1. 2 I /O 分配表 表 5. 1 I/O 分配表 元 件 I/O 号 信号定义元 件I/O 号 信号定义S0 X0 启动 SB X5 单步 S1 X1 慢速 S6 X6 10 步 S2 X2 中速 S7 X7 100 步 S3 X3 快速 S8 X8 100000 步 S4 X4 正反转 S9 X10 暂停 SA RUN 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 硬件的设计 5. 2 绘制 I /O 端子接线图 +-输入相相相输出输入 图 5-2 PLC I/O 配置及接线 步进电机驱动电路 PLC 控制步进电机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所示为步进电机的驱动电路。 图 5-3 步进电机驱动电路 图 5-3 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 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 硬件的设计 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。 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， 驱动步进电机的 3 个绕组． 使电机绕组的静态电流达到近 2A。 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。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 软件的设计 6 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 S1、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。 6. 1 PLC 控制步进电机控制方法实现 6. 1. 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 Y0、 Y1 和 Y2 按照单双六拍的通电方式接通， 其接通顺序为： 、、、 该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是： 、、、 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。 6. 1. 2 正反转控制 步进电机的正反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向， 三相六拍步进电机通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CA-A时电机正转； 当绕组按 A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时电机反转。 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， 或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机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： 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 软件的设计 、、、 6. 1. 3 步数控制 步进电机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。 因此可以根据步进电机的输出位移量确定 PLC 输出的脉冲个数， 即可实现对步进电机的步数控制。 /nL d  式中 L 为步进电机的输出位移量（mm）， d 为机构的脉冲当量（mm/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。 6. 2 设计梯形图 PLC 控制三相六拍步进电机的梯形图如图 6-1 所示 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 软件的设计 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 软件的设计 图 6-1 三相六拍步进电动机控制的梯形图 6. 2. 1 转速控制过程 1、 选择慢速（接通 S1）， 接通启动开关 S0， 脉冲控制器产生同期为 1s 的控制脉冲， 使 M0 至 M5 状态随脉冲向右移动， 产生六拍时序脉冲， 并通过三相六拍环形分配器使 Y0、 Y1 和 Y2 按照单双六拍的通电方式接通， 步进电机开始慢速步进运行。 2、 选择中速（接通 S2）， 接通启动开关 S0， 脉冲控制器产生同期为 0. 5s的控制脉冲， 使 M0 至 M5 状态随脉冲向右移动， 产生六拍时序脉冲， 并通过三相环形分配器使 Y0、 Y1 和 Y2 按照单双六拍的通电方式接通， 步进电机开始中速步进运行。 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 状态随脉冲向右移动， 产生六拍时序脉冲， 并通过三相环形分配器使 Y0、 Y1 和 Y2 按照单双六拍的通电方式接通， 步进电机开始快速步进运行。 6. 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。 6. 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停止工作， 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， 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停止工作， 步进电动机停转。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 软件的设计 6. 3 调试运行程序 将图 6-1 转换成表 6. 1 的程序， 将该程序写入 PLC 的 RAM， 并调试运行该程序。 表 6. 1 PLC 控制三相步进电动机程序 0 LDI T0 1 OUT TO K10 4 LDI T1 5 OUT T1 K5 8 LDT T2 9 OUT T2 K2 12 LD X005 13 PLS M11 15 LD X001 16 OR X003 17 ANI T4 18 OUT T3 K1 21 LD T3 22 AND X003 23 OUT T4 K1 26 LD T4 27 OUT T2 K2 30 LD X001 31 ORI T3 32 AND T0 33 LD T3 34 AND T1 35 ORB 36 LD T4 37 AND T2 38 ORB 39 OR M11 40 OUT M20 41 LD X000 42 ANI M1 43 ANI M2 44 ANI M3 45 ANI M4 46 ANI M5 47 OUT M10 48 LD M20 49 ANI X010 50 ANI C0 65 OUT M100 66 LD M1 67 OR M2 68 OR M3 69 OUT M101 70 LD M3 71 OR M4 72 OR M5 73 OUT M102 74 LD XOO4 75 AND M100 76 LDI X004 77 AND M101 78 ORB 79 OUT Y000 80 LD X004 81 AND M1 01 82 LDI X004 83 AND M100 84 ORB 85 OUT Y001 86 LD M102 87 OUT Y002 88 LD X006 89 AND M20 90 OUT C0 K10 93 LDI X006 98 OUT C1 K100 101 LD X007 102 RST C1 104 LD X011 105 AND M20 106 OUT M30 107 LD M30 108 OUT C2 K500 111 LD C2 112 RST C2 114 LD C2 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 软件的设计 51 ANI C1 52 ANI C3 53 SFTR M10 M0 K6 K1 62 LD M5 63 OR M0 64 OR M1 115 AND M20 116 OUT C3 K200 119 LDI X011 120 RST C3 122 END 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 结论 结 论 PLC 控制步进电机的方法简单易行， 可靠性高。 由于采用了 PLC 控制步进电机技术， 所以改变控制参数相当方便， 只需改变 PLC 程序中相应部分即可。 对任何相数的步进电机都可以使用， 在设计方法上简单易行． 减少占用 PLC 的 I/O口， 与 PLC 接口时比较方便， 这样在 PLC 控制步进电机的控制系统中不仅减少了控制系统设计的工作量、 大大缩短开发研制周期和节约了开发费用． 而且提高了控制系统的柔性和可靠性， 具有较高的推广和实用价值。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 参考文献 参 考 文 献 [1] 吴丽主编. 电气控制与 PLC 实用教程. 郑州： 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] 齐占庆主编. 机床电气控制技术. 3 版. 北京： 机械工业出版社， 1999. 10 [4] 侯力等编著. 机电一体化系统设计. 北京： 高等教育出版社， 2004. 6 [5] 施保华 杨三青 周凤星 主编. 计算机控制技术. 武汉： 华中科技大学出版社， 2007. 3 [6] 赵先仲. 机电系统设计. 北京： 机械工业出版社， 2004 [7] 吴圣庄. 金属切削机床概论. 北京： 机械工业出版社， 1993 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 致谢 致 谢 衷心的感谢指导老师乔水明老师在本人做设计的过程中， 对本人的设计提出了宝贵的意见和建议， 使本人的设计不断的改进和优化， 并取得了一定的成绩。同时在做设计过程中， 得到了本班同学的帮助，混合式步进电机 解决了许多疑难问题， 在此一并致谢。 由于本人设计水平有限， 设计中难免有些错误， 希望老师同学给予批评指正。
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