摘 要:設計一種基于PLC的步進電機控制系統, 通過微型變速箱將步進電機角位移轉化為直線位移, 進而帶動直線伸縮機構運行。該系統結構簡單、性能穩(wěn)定、經濟價值和使用效果突出, 能夠滿足毫米級精確位移的使用需求。關鍵詞: PLC; 步進電機; 驅動器; 脈沖；方向。目 錄第1章 緒 論11.1 設計背景11.2 系統設計的任務31.3 本章小結3第2章 步進電機及PLC簡介42.1 步進電機簡介42.2 PLC的發(fā)展概述82.3 PLC技術在步進電機控制中的應用82.4 本章小結10第3章 PLC控制步進電機工作方式的選擇113.1 常見的步進電機的工作方式113.2 步進電機控制原理123.3 PLC控制步進電機的方法123.4 PLC控制步進電機的設計思路133.5 本章小結15第4章 FX2N控制步進電機硬件設計164.1 三菱FX2nPLC的介紹164.2 步進電機的選擇184.3 步進電機驅動電路設計204.4 PLC驅動步進電機214.5步進電機驅動器的使用說明224.6 I/O接線圖244.7 本章小結25第5章 控制系統的程序設計265.0 本設計相關指令介紹26結 論30參考文獻31致 謝32附 錄33第1章 緒 論1.1 設計背景步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機，傳統電動機作為機電能量轉換裝置，在人類的生產和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用?？墒窃谌祟惿鐣M入自動化時代的今天，傳統電動機的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統的要求。為適應這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電動機。步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關。自從步進電動機在計算機外圍設備中取代小型直流電動機以后，使其設備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。另一方面，微型計算機和數字控制技術的發(fā)展，又將作為數控系統執(zhí)行部件的步進電動機推廣應用到其他領域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機械等。任何一種產品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統一和簡化的過程?，F在，步進電動機的發(fā)展已歸結為單段式結構的磁阻式、混合式和爪極結構的永磁式三類。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。最典型的產品是二相8極50齒的電動機，步距角1.80.9（全步半步）； 還有五相10極50齒和一些轉子100齒的二相和五相步進電動機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見1。步進電動機最大的生產國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質量，還是生產手段，都堪稱是世界上最好的。現在日本步進電動機年產量（含國外獨資公司）近2億臺，德國也是世界上步進電動機生產大國。德國B.L.公司1994年五相混合式步進電動機專利期滿后，推出了新的三相混合式步進電動機系列，為定子6極轉子50齒結構，配套電流型驅動器，每轉步數為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進電動機的分辨率，還可以在此基礎上再10細分，分辨率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運用了電流型驅動技術的功能，讓三相電動機同時具有二相和五相電動機的性能。與此同時，日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進電動機。該公司阪正文博士研制了三種不同的永磁式三相步進電動機，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，轉子則同永磁式環(huán)形磁鐵相似）和爪極PM型。將三相步進電動機同二相步進電動機進行比較后得出： 1）在獲得小步距角方面，三相電動機比二相電動機要好。 2）三相電動機的兩相勵磁最大保持力矩為3T1（T1為單相勵磁轉矩），而二相電動機為 2T1，所以三相電動機的合成力矩大。3）三相電動機的轉矩波動比二相電動機要小。4）三相電動機連續(xù)2步用于半步的轉矩差比二相電動機的要小。5）三相電動機繞組可以星形連接，三個終端驅動，勵磁電路晶體管6個； 而二相電動機是8個。6）連續(xù)運轉時，由于三相步進電動機結構原因，磁通和電流的三次諧波被消除了，所以三相電動機的振動力矩比二相電動機的要小.結論是顯而易見的2。另外的結論是HB型電動機更適合于低速大轉矩用途；RM型適用于平穩(wěn)運行以及轉速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低轉速時的振動和高轉速時的大轉矩方面，三相PM型電動機比兩相電動機的性能要好。因此，當前最有發(fā)展前景的當屬混合式步進電動機，而混合式電動機又向以下四個方向發(fā)展：發(fā)展趨勢一， 隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在57、42機座號的電動機應用了多年后，現在其機座號向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進電動機。發(fā)展趨勢之二，是改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結構，使得轉子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高3040發(fā)展趨勢之三，對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。發(fā)展趨勢之四，向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅動電路比三相電動機復雜，因此三相電動機系統的性能價格比要比五相電動機更好一些。我國的情況有所不同，直到20世紀80年代，一直是磁阻式步進電動機占統治地位，混合式步進電動機是80年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結構類型同時并存。盡管新的混合式步進電動機完全可能替代磁阻式電動機，但磁阻式電動機的整機獲得了長期應用，對于它的技術也較為熟悉，特別是典型的混合式步進電動機的步距角（0.9/1.8）與典型的磁阻式電動機的步距角（0.75/1.5）不一樣，用戶改變這種產品結構不是很容易的，這就使得兩種機型并存的局面難以在較短時間內改變。這種現狀對步進電動機的發(fā)展是不利的。1.2 系統設計的任務步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉及其它任何運行方式的改變都可在少數脈沖內完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應用。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機具有轉子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，已成為運動控制領域的主要執(zhí)行元件之一。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個行業(yè)的控制領域都將有廣泛應用。而現在的可編程控制器(通常稱PLC) 是一種工業(yè)控制計算機，具有模塊化結構、配置靈活、高速的處理速度、精確的數據處理能力、多種控制功能、網絡技術和優(yōu)越的性價比等性能，能充分適應工業(yè)環(huán)境，簡單易懂，操作方便，可靠性高，是目前廣泛應用的控制裝置之一。本設計是采用是FX2N-32MT控制三相六拍的反應步式步進電機，通過軟件設計脈沖頻率來控制步進電機的運行速度，通過加減頻率來控制步進動機的轉速。圍繞這兩個主要方面，可提出具體的控制要求如下:1）可正轉運行或反轉運行；2）系統上電后，賦一個初始速度值；3）步進速度可手動變速；1.3 本章小結本章闡述了此次設計的背景，即步進電機的發(fā)展狀況，和步進電機在工業(yè)自動化生產中的重大作用。提出了本次設計的設計任務，用PLC控制步進電機以不同的方式運行。第2章 步進電機及PLC簡介2.1 步進電機簡介步進電動機是一種將數字脈沖信號轉換成機械角位移或者線位移的數模轉換元件。在經歷了一個大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于電動機的工作原理和其它電動機有很大的差別，具有其它電動機所沒有的特性。因此，沿著小型、高效、低價的方向發(fā)展。步進電動機由此而得名。步進電動機的運行是在專用的脈沖電源供電下進行的，其轉子走過的步數，或者說轉子的角位移量，與輸入脈沖數嚴格成正比。另外，步進電動機動態(tài)響應快，控制性能好，只要改變輸入脈沖的順序，就能方便地改變其旋轉方向。這些特點使得步進電動機與其它電動機有很大的差別。因此， 步進電動機的上述特點，使得由它和驅動控制器組成的開環(huán)數控系統，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。因此，在數字控制系統出現之初，步進電動機經歷過一個大的發(fā)展階段3。2.1.1 步進電機的分類1）永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度。2）反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。3）混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，它又分為兩相和五相。兩相步進角一般分為1.8度而五相步進角一般為 0.72度，這種步進電機的應用最為廣泛。三相反應式步進電機的結構如圖所示。 定子、轉子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對極上都繞有一對繞組，構成一相繞組，共三相稱為A、B、C相。圖2-1 三相反應式步進電機的結構圖在定子磁極和轉子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當的齒數配合，當A相磁極的小齒與轉子小齒一一對應時，B相磁極的小齒與轉子小齒相互錯開1/3齒距，C相則錯開2/3齒距。如圖所示：圖2-2 A相通電定轉子錯開示意圖電機的位置和速度由繞組通電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由繞組通電的順序決定。2.1.2 步進電機的基本參數1.電機固有步距角 它表示控制系統每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。2.步進電機的相數 步進電機的相數是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則“相數”將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。3.保持轉矩 保持轉矩是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2Nm的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2Nm的步進電機。 4.鉗制轉矩 鉗制轉矩是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有鉗制轉矩。 2.1.3 步進電機主要特點1）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2）步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點，步進電機溫度過高時會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4）步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻4。 2.1.4 反應式步進電機原理2.1.4.1 結構電機轉子均勻分布著很多小齒，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與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3，C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）如圖：圖2-3 定轉子的展開圖2.1.4.2 旋轉三相如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，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。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，B，A通電，電機就反轉。由此可見，電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。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-BCC-CA-A這種導電狀態(tài)，所以本設計采用三相六拍。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5。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步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。2.1.5 步進電機在工業(yè)控制領域的主要應用步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一， 廣泛應用在各種家電產品中，例如打印機、磁盤驅動器、玩具、雨刷、機械手臂和錄像機等。另外步進電機也廣泛應用于各種工業(yè)自動化系統中。由于通過控制脈沖個數可以很方便的控制步進電機轉過的角位移，且步進電機的誤差不積累，可以達到準確定位的目的。還可以通過控制頻率很方便的改變步進電機的轉速和加速度，達到任意調速的目的，因此步進電機可以廣泛的應用于各種開環(huán)控制系統中6。2.2 PLC的發(fā)展概述可編程控制器(簡稱 PLC) 是種數字運算操作的電子系統，是在20 世紀 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計數和算術運算等操作指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都是按易于與工業(yè)控制系統形成一體、易于擴充其功能的原則設計的。PLC 自產生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。產生和發(fā)展過程現代社會要求生產廠家對市場的需求做出迅速的反應，生產出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產品。老式的繼電器控制系統已無法滿足這一要求，迫使人們去尋找一種新的控制裝置取而代之。PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同:1）中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態(tài)和數據，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區(qū)或數據寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。2）存儲器存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器7。2.3 PLC技術在步進電機控制中的應用隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展，其功能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小。對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動機方向發(fā)展，目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅動電路比三相電動機復雜，因此三相電動機系統的性能價格比要比五相電動機更好一些8。目前利用可編程序控制器（即PLC技術）可以方便地實現對電機速度和位置的控制，方便地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實現。用PLC對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，現對步進電機的控制9。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當對其施加一個電脈沖時，其輸出軸便轉過一個固定的角度。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數成正比，其轉速與單位時間內輸入的脈沖數(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉向10。PLC直接控制步進電機系統由PLC和步進電機組成，PLC具有實時刷新技術，輸出信號的頻率可以達到數千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進電機各相繞組數10V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅動要求11。有以上步進電機的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進電機最重要的就是要產生出符合要求的控制脈沖。三菱PLC本身帶有高速脈沖計數器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應用的PLC最好是具有實時刷新技術的PLC，使輸出信號的頻率可以達到數千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統的快速性。二是PLC本身的輸出端口應該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數十伏脈沖電壓、數安培脈沖電流的驅動要求12。如下圖所示：PLC步進電機輸入信號圖2-4 步進電機的PLC直接控制2.4 本章小結本章闡述了步進電機的主要特點與工作原理，并介紹了PLC的發(fā)展狀況以及PLC技術在步進電機控制中所發(fā)揮的巨大作用。第3章 PLC控制步進電機工作方式的選擇3.1 常見的步進電機的工作方式常見的步進電機的工作方式有以下三種：1.三相單三拍：A-> B-> C-> A圖3-1 三相單三拍工作方式時序圖2.三相雙三拍：AB -> BC -> CA -> AB圖3-2 三相雙三拍工作方式時序圖3.三相六拍：A -> AB -> B -> BC -> C -> CA -> A圖3-3 三相六拍工作方式時序圖3.2 步進電機控制原理3.2.1 控制步進電機換向順序通電換向這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三相三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。3.2.2 控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。 3.2.3 控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。 3.3 PLC控制步進電機的方法在本設計中直接使用PLC控制步進電機，可使用PLC產生控制步進電機所需要的各種時序的脈沖。三相步進電機可采用三種工作方式：三相單三拍，三相雙三拍，三相單六拍。這三種方式的主要區(qū)別是:電機繞組的通電、放電時間不同。工作方式是單三拍時通電時間最短，雙三拍時允許放電時間最短，六拍時通電時間和放電時間最長。因此，同一脈沖頻率時，六拍的工作方式出力最大。而且，電機是三拍的工作方式時，其分辨率為3度，六拍的工作方式時，分辨率是1.5度。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進電機的運行特性好，步進電機分辨率最高?？筛鶕竭M電機的工作方式，以及所要求的頻率（步進電機的速度），畫出A、B、C各相的時序圖。并使用PLC產生各種時序的脈沖。例如：本設計采用三菱FX2n-32MT PLC控制三相步進電機的過程。圖3-4 三相單六拍正向時序圖3.4 PLC控制步進電機的設計思路3.4.1 步進電機控制方式典型的步進電機控制系統如圖所示：圖3-5 典型的步進電機控制系統步進電動機是一種將數字脈沖信號轉換成機械角位移或者線位移的數模轉換元件。在經歷了一個大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當對其施加一個電脈沖時，其輸出轉過一個固定的角度。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數成正比，其轉速與單位時間內輸入的脈沖數(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的脈沖順序有關。所以只要控制指令脈沖的數量、頻率及電機繞組通電的順序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉向。步進電機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據輸人的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度或長度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機:從廣義上講，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖頻率同步的同步電動機。步進電機的控制和驅動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通集成電路控制、單片機控制、工業(yè)控制機控制、可編程控制器控制等幾種；按照控制結構可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結構(硬-硬結構)、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結構(軟-軟結構)、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結構(軟-硬結構)。1硬硬結構 如圖3.6所示，這種步進電機的控制驅動系統由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅動器組成。這種控制驅動方式運行速度比較快，但是電路復雜，功能單一。2軟軟結構如圖3.7所示，這種步進電機的控制驅動系統由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅動器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過編程實現。用單片機、工業(yè)控制機、普通個人計算機、可編程序控制器控制步進電機一般均可采用這種結構。這種控制驅動方法電路結構簡單、可以實現復雜的功能，但是占用CPU時間多，給微處理器運行其他工作造成困難。3軟硬結構如圖3.8所示，這種步進電機的控制驅動系統由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅動器組成。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片(如8713芯片)來實現通電換相控制的。這種控制驅動方法電路結構簡單、可以實現復雜的功能，同時占用CPU時間較少，用可編程控制器全部實現了控制器和驅動器的功能。在PLC中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對步進電機進行并行控制，并且由PLC輸出端口直接驅動步進電機。如圖3.7所示，這是一種軟-軟結構，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序實現。圖3-6 硬硬結構控制圖3-7 軟軟結構控制圖3-8 軟硬結構控制3.4.2三菱PLC控制步進電機由以上步進電機的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進電機最重要的就是要產生出符合要求的控制脈沖。三菱PLC本身帶有高速脈沖計數器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應用的PLC最好是具有實時刷新技術的PLC，使輸出信號的頻率可以達到數千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統的快速性。二是PLC本身的輸出端口應該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數十伏脈沖電壓、數安培脈沖電流的驅動要求。對輸入電機的相關脈沖控制，從而達到對步進電機三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉磁場，使步進電機轉動。3.5 本章小結本章說明了三相步進電機幾種常見的工作方式，即三相單三拍，三相雙三拍和三相六拍。闡述了步進電機的控制原理，以及PLC控制步進電機運行的方法。第4章 FX2N控制步進電機硬件設計4.1 三菱FX2nPLC的介紹1）FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。 2）為大量實際應用而開發(fā)的特殊功能。開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要-模擬I/O，高速計數器。定位控制達到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達8個特殊功能模塊。 3）網絡和數據通信 ：連接到世界上最流行的開放式網絡 CC-Link，Profibus Dp和DeviceNet或者采用傳感器層次的網絡解決您的通信需要。 4）其它功能 ：內置式24V直流電源 24V、400mA直流電源可用于外圍設備，如傳感器或其它元件?？焖贁嚅_端子塊 因為采用了優(yōu)良的可維護性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時鐘功能和小時表功能 在所有的FX2NPLC中都有實時時鐘標準。時間設置和比較指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機器維護提供了有價值的信息。5）持續(xù)掃描功能：為應用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。61）輸入濾波器調節(jié)功能 ：可以用輸入濾波器平整輸入信號（在基本單元中x000到x017）。 7）注解記錄功能 ：元件注解可以記錄在程序寄存器中。 8）在線程序編輯 ：在線改變程序不會損失工作時間或停止生產運轉。 9）RUN/STOP 開關 面板上運行/停止開關易于操作。 10）遠程維護 ：遠處的編程軟件可以通過調制解調器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數據 11）密碼保護 ：使用一個八位數字密碼保護您的程序。4.1.1 三菱 PLC 應用中需要注意的問題1）溫度：PLC 要求環(huán)境溫度在 0 55 ，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大。2）濕度：為了保證 PLC 的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于 85%( 無露珠) 。3）震動：應使 PLC 遠離強烈的震動源，防止振動頻率為 10 Hz55Hz 的頻繁或連續(xù)振動。當使用環(huán)境不可避免震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等。4）空氣：避免有腐蝕和易燃的氣體，如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將 PLC 安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。5）電源：PLC 對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴重的環(huán)境中，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。一般 PLC 都有直流 24 V輸出提供給輸入端，當輸入端使用外接直流電源時，應選用直流穩(wěn)壓電源。普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使 PLC 接收到錯誤信息。4.1.2 控制系統中干擾及其來源影響 PLC 控制系統的干擾源，大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產生磁場，對設備產生電磁輻射；磁場改變產生電流，電磁高速產生電磁波，電磁波對其具有強烈的干擾。1）強電干擾。由于電網覆蓋范圍廣，電網受到空間電磁干擾而在線路上感應電壓。尤其是電網內部的變化，刀開關操作浪涌、大型電力設備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。2）柜內干擾?？刂乒駜鹊母邏弘娖鳎蟮碾姼行载撦d，混亂的布線都容易對 PLC 造成一定程度的干擾。3）來自接地系統混亂時的干擾。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使 PLC 系統將無法正常工作。4）來自 PLC 系統內部的干擾。主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。5）變頻器干擾。一是變頻器啟動及運行過程中產生諧波對電網產生傳導干擾，引起電網電壓畸變，影響電網的供電質量；二是變頻器的輸出會產生較強的電磁輻射干擾，影響周邊設備的正常工作。4.1.3 主要抗干擾措施1）合理處理電源以抑制電網引入的干擾對于電源引入的電網干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為 11 的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接 LC 濾波電路。2）合理安裝與布線動力線、控制線以及 PLC 的電源線和 RS485 網線應分別配線，各走各的橋架或線槽。PLC 應遠離強干擾源，柜內 PLC 應遠離動力線( 二者之間距離應大于 200 mm)，與 PLC 裝在同一個柜子內的電感性負載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應并聯 RC 消弧電路。PLC 的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的 1/10。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。4.1.4 正確選擇接地點以完善接地系統PLC 控制系統的地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統混亂對 PLC 系統的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統正常工作。1）安全地或電源接地：將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。2）系統接地：PLC 控制器為了與所控的各個設備同電位而接地，叫系統接地。接地電阻值不得大于 4 ，一般需將 PLC 設備系統地和控制柜內開關電源負端接在一起，作為控制系統地。3）信號與屏蔽接地：一般要求信號線必須要有唯一的參考地。4.2 步進電機的選擇本設計選用45BF008。相數是三相、步距角1.5/3度。電壓24V、相電流0.2A、保持轉距0.118NM(1.2kg.cm)、空載啟動頻率500， D為45； D1為25；高H為2.5； d為4；E為14.5；L為58； D2為33；MS為4-M3。圖4-2 45BF三相反應式步進電機實物圖圖4-3 45BF三相反應式步進電機尺寸4.3 步進電機驅動電路設計4.3.1 驅動電路下圖為步進電機的驅動電路。圖中僅為一相的驅動電路，其余兩相與之相同。在圖中三極管 T1 起開關作用。當三極管截止時，無集電極電流流通，開關相當于斷開；當三極管飽和時， 流過的集電極電流最大， 開關相當于閉合，該開關“動作”可由加于基極的電流來控制。由 T2、T3 兩個三極管組成達林頓式功放電路， 驅動步進電機的 3個繞組，使電機繞組的靜態(tài)電流達到近 2A。電路中使用光電耦合器將控制和驅動信號隔離。當控制輸入信號為低電平時，T1 截止，輸出高電平，則紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導通，因此繞組中無電流流過；當輸入信號為高電平時，T1 飽和導通， 于是紅外發(fā)光二極管被點亮， 使光敏三極管導通，向功率驅動級晶體管提供基極電流， 使其導通，繞組被通以電流。圖4-4 步進電機驅動電路4.3.2 驅動電路接口圖4-5 驅動器接口4.4 PLC驅動步進電機三菱PLC本身帶有高速脈沖計數器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應用的PLC最好是具有實時刷新技術的PLC，使輸出信號的頻率可以達到數千赫芝或更高。其目的是使環(huán)形脈沖分配能有較高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統的快速性。二是PLC本身的輸出端口應該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數十伏脈沖電壓、數安培脈沖電流的驅動要求。如下圖所示：圖4-6 PLC直接驅動電機環(huán)形分配程序對步進電機各相繞組的通電順序進行環(huán)形脈沖分配，從而控制接到步進電機三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉磁場，使步進電機轉動。步進電機的轉動，由于步進電機是電感性負載，直流電阻很小，故接限流電阻以免脈沖電流過大損壞，當步進電機各相繞組的通電順序按 ：AABBBCCCAA導通斷開時，步進電機正轉。按AACCCBBBAA依次導通、斷開時，步進電機反轉，即步進電機可以按三相六拍工作。每當步進電機走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數減一，當步數減為零時，停止環(huán)形脈沖分配，等待下一次的脈沖輸入。4.5步進電機驅動器的使用說明 本驅動器為M415B細分驅動器，適合驅動中小型的任何1.5A相電流以下的兩相或四相混合式步進電機。PUL為脈沖信號，通過控制脈沖的頻率來控制步進電機的運行速度，DIR為方向控制。通過細分設定來確定步進電機旋轉一圈的脈沖數。引腳信號定義4.5.1引腳信號功能的詳解4.5.2電氣特性4.5.3細分和電流設定1）細分設定改變驅動器的細分倍數，可改變電機旋轉一圈所需的脈沖數2）電流設定對于同一電機，電流設定值越大時，電機的輸出力矩越大，但電流大的同時電機和驅動器的發(fā)熱也比較嚴重，所以一般情況是把電流設成供電機長期工作時出現溫熱但不過熱的數值。3）步進電機驅動器的參數的設置4.6 I/O接線圖4.7 本章小結本章闡述了此次設計的硬件設計。簡單介紹了三菱FX2n系列PLC，以及FX2n系列PLC在使用中應該注意的問題。設計了一個功率放大電路，并且說明了本次設計的硬件接線方法。第5章 控制系統的程序設計5.0 本設計相關指令介紹5.0.1 PLSY指令和PLSR指令結 論本文論述了基于PLC的步進電機控制系統的設計方法和研制過程，包括硬件設計、軟件設計以及系統組態(tài)等方面。硬件電路用三菱PLC、放大電路和相關集成電路設計而成。軟件程序用PLC梯形圖語言寫成。在本次設計中，利用軟硬件結合，實現對步進電機工作狀態(tài)的自動控制和精確控制。利用PLC輸出的時序脈沖和方向信號，改變對步進電機繞組的通電方式和通電順序，來準確控制步進電機的正轉、反轉等工作狀態(tài)。通過設定不同延時計時器的數值，來改變步進電機的工作頻率。目前利用可編程序控制器（即PLC 技術）可以方便地實現對電機速度和位置的控制，方便地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化技術水平，加速了機電一體化的實現。參考文獻1 FX1S1N2N2NC 編程手冊l.pdf2 林春方可編程控制器原理及其應用M上海交通大學出版社，2004:77-963 常斗南可編程序控制器原理應用實驗M機械工業(yè)出版社，1998:12-194 廖常初PLC基礎及應用M機械工業(yè)出版社，2006:112-1275 史國生電氣控制與可編程控制器技術M化學工業(yè)出版社，2003:33-416 阮友德電氣控制與PLC實訓教程M人民郵電出版社，2006:57-827SX-815L 機電一體化綜合實訓考核設備說明書8 劉寶廷步進電機及其驅動控制系統M哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997:26-379 王鴻枉步進電機控制技術入門M同濟大學出版社，1990:72-7710 Berger, Hans. Programmable controllersM. Berlin Siemens Aktiengesellschaft，1993：55-6711 John Song, D.G. Programmable controllers for factory automationM. N.Y.Marcel Dekker, 1987: 10-1212 David GJohnsonProgrammable Controllers for Factory AutomationM. Marcel Dekker Inc, 2003: 8-16致 謝在本次設計中，自動化教研室的張老師給我提供了良好的設計條件和細心的指導。導師前瞻性的科學思維、寬廣的專業(yè)知識和兢兢業(yè)業(yè)的工作精神，令我敬佩，使我受益匪淺。在導師的指導和幫助下，我順利地完成了這次設計任務，在此向張老師致以最誠摯的感謝！雖然畢業(yè)設計已經完成了，但是，由于自己所學的知識有限，在很多方面還不夠全面，我希望在以后的工作和專業(yè)發(fā)展中，導師能繼續(xù)給以指導和幫助下學到更多有關的知識。附 錄