三相六拍步进电机PLC控制设计和调试
《机电一体化系统设计》课程设计
三相六拍步进电机PLC控制设计和调试的设计
目录
第一章绪论 (4)
1.1研究的现状 (4)
1.2PLC控制步进电机发展的趋势 (4)
1.3本设计的目的、意义 (5)
1.4小结 (5)
第二章三相六拍步进电机的PLC控制和要求 (6)
2.1可编程控制器的工作原理 (6)
2．2步进电机的工作原理及其控制要求 (8)
2.2.1工作原理 (8)
2.2.2控制要求 (10)
2.2.3步距角的细分 (10)
2．3PLC控制系统所需I/O点数的确定和存储器容量的估算 (10)
2．4PLC控制系统所需机型的选择 (12)
2．5PLC控制系统的设计思想 (12)
第三章实验调试和结果分析 (13)
3.1PLC控制系统中I/O端子接线图及I/O地址分配表 (13)
3.1.1 步进电机I/O分配表 (13)
3.1.2 I/O端子接线图 (14)
3.1.3 步进电机控制流程图 (15)
3.2梯形图 (16)
3.3指令语句表 (19)
3.4实验的时序图 (22)
3.5实验调试中遇到的问题及解决方案 (24)
3.6小结 (24)
第四章．论文总结及展望 (26)
4.1论文总结 (26)
4.2工作展望 (27)
致谢 (28)
参考文献 (29)
摘要
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。本设计是用PLC做三相六拍步进电机的控制核心，用按钮开关的通断来实现对步进电机正、反转控制，而且正、反转切换无须经过停车步骤。其次可以通过对按钮的控制来实现对高、中、低速度的控制。
关键词：PLC控制三相六拍步进电机电机正反转
第一章绪论
1.1研究的现状
目前对于对步进电机的控制存在精度和价格方面的矛盾。因为高精度的实时演算需要较高性能的DSP芯片，成本较高。因此现在的控制方法是采用大量的硬件电路。这种控制方法的精度不但较低，且成本较高。国内为了省钱就大多数使用相对省资源的查表法，但是对于速度变化范围很大的控制来说，在低速时会由于表本身的精度原因造成稳定性变差，噪声变大的问题。这仅仅是低速时的细分问题。转速越低，对它控制时的细分就越严格。此外还有扭矩的问题，当转动过慢时，即使细分也无法达到应有的扭矩，这都是控制时遇到的问题。简单的说，目前普遍存在于步进电机控制中的问题就是低速运转和低速启动的问题。
当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给现代工业带来了质的提升。现代电子领域中，PLC的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制的日益革新。PLC的控制具有高可靠性、高性价比。比如在机械手、液体混合罐、液压、气压等方面都得到了广泛的应用。PLC在工业方面的应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。
利用PLC采用程序设计方法来对步进电机进行控制，具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，而且可以通过控制按钮实现对步进电机的正反转和步进电机转速的控制，用途广泛等优点。
1.2 PLC控制步进电机发展的趋势
时至今日，软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。虽然软件的发展速度比不上硬件的发展速度那么迅速，但已能满足现在的工业需求。对步进电机的传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。随着PLC的普及，现在已普遍采用硬件与软件相结合的方式对其进行控制，这种控制方法有很多优点，比如：可以实现高精度的控制，降低成本，降低控制难度，简化控制电路等。今后步进电机的总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方
向发展。
1.3 本设计的目的、意义
本设计的主要研究内容是以三菱FX1N系列PLC（可编程逻辑控制器）为核心控制步进电机，及其相关外围电路组成的控制电路设计。可以通过对几个开关按钮的控制来实现对步进电机的方向，以及对高、中、低速的控制。比如用两个开关分别控制电机正反转，两个开关分别控制电机启动和停止，三个开关分别控制电机的高中低转速，使得步进电机的控制更加简便。甚至还可以利用更少的开关来控制，但为了使得本设计更加直观和易读，故采用七个控制开关。此外，本设计更加便于实现对步进电机的自动化控制。
1.4小结
步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。而PLC是一种便于对动作顺序进行控制的元件。随着科学电子技术的发展，对步进电机的控制要求正朝向高精度、自动化控制的方向发展。工业生产中运用PLC控制步进电机可以简便的实现控制，不需要复杂的控制电路，而且控制的时候只需要进行编程以及搭配少量相关硬件，即可实现控制。
第二章三相六拍步进电机的PLC控制和要求
2.1可编程控制器的工作原理
可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态中，可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的控制要求。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不仅仅执行一次，而是反复不断地重复执行，直到可编程控制器停机或切换到STOP 工作状态。
下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程。图2.11（a）所示的PLC的输入输出接线图，起动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分加别接在编号为X000和X001的可编程控制器的输入端，接触器KM的线圈接在编号为YO00的可编程控制器的输出端。图(b)是这3个输入/输出变量对应的I/O映像寄存器。图（c）是可编程控制器的梯形图，它与图2.11所示的继电器电路的功能相同。但是应注意，梯形图是一种程序，是可编程控制图形化的程序。图中的X000等是梯形图中的编程元件，XO00与X001是输入继电器，Y000是输出继电器。编程元件X000与接在输入端子XO00的SB1的常开触点和输入映像寄存器XO00相对应，编程元件Y000与输出映像寄存器Y000和接在输出端子Y000的可编程控制器内部的输出电路相对应。
(a) (b) (c) (d)
图2.11 PLC的外部接线图与梯形图
梯形图以指令的形成储存在可编程控制器的用户程序存储器中，梯形图与下面的4条指令对应“；”之后是该指令的注解。
LD X000 ；接在左侧母线上的X000的常开触点。
OR Y000 ；与X00O的常开触点并联的Y000的常开触点。
ANI X001 ；与并联电路串联的X001的常闭触点。
OUT Y000 ；Y000的线圈。
在输入处理阶段，CPU将SB1，SB2的常开触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。
执行第一条指令时，从输入映像寄存器X000中取出二进制数并存入运算结果寄存器。
执行第二条指令时，从输出映像寄存器Y000中取出二进制数，并与运算结果寄存器中的二进制数相“或”（触点的并联对应“或”结算），然后存入运算结果寄存器。
执行第三条指令时，取出输入映像寄存器X001中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”（电路的串联对应“与”运算），然后存入运算结果寄存器。
在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出映像寄存器Y000中存放的是二进制数“1”，外接的KM线圈将通电，反之将断电。
X000，X001和Y000的波形如图2.11(D)所示,高电平表示按下按钮或KM线圈通电,当T 2．2步进电机的工作原理及其控制要求 2.2.1工作原理 步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。 步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器（PLC）或单片机来完成；二是驱动器（信号放大器），它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器；三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。 步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率高低实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率增加时，速度就加快。还可以通过频率的改变来提高步进电机的位置精度。 步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。其工作原理如下： 设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图2.21a）。然后在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，转子将转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图(2.21b)所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着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c），转子从图(b)的位置又转过了15°。其位置如图3d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→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→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。 图 2.21 步进电机通电方式原理图 2.2.2控制要求 （1）三相步进电动机有三个绕组: A、B、C 正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA 反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB （2）用7个开关控制其工作 #1开关控制其运行 ( 启 )。 #2开关控制其运行 ( 停 )。 #3 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 s)。 #4 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 s)。 #5 号开关控制其高速运行 (转过一个步距角需 0.04 s)。 #6 号开关控制其转向 ( ON 为正转 )。 #7 号开关控制其转向 ( OFF 为反转)。 2.2.3步距角的细分 细分原理：细分控制本质上是对步进电机的励磁绕组中的电流进行控制，使内部的合成磁场成为均匀的圆形旋转磁场。合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的夹角大小决定了该步距角的大小。细分就是将输入脉冲从原来的电流方波细分成以若干个等幅、等宽上升和下降的电流阶梯波。电流波形有多少个台阶，转子就会以相同的数量转过一个步距角。这种将1个步距角细分成若干步的驱动方法称为“细分驱动”。细分驱动的特点是，可以在不改变电机结构参数的情况下，使步距角减小、提高精度；同时能使步进电机运行平稳，提高匀速性，此外，还能减弱或消除振荡。 细分方法：用集成环形分配器芯片构成细分电路； 用微机控制步进电机的步距角细分。 2．3 PLC控制系统所需I/O点数的确定和存储器容量的估算 步进电机是一种将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，其速度与单位时间内输入的脉冲数(即脉 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的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。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的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。 1 步进电机PLC控制系统I／O接线图的设计 以三相步进电机为例，步进电机通常设有加速、减速控制及正反转控制等控制方式。按控制要求可设计出步进电机的PLC控制系统I／O接线图(见图2.31)。 图2.31 步进电机的PLC控制系统I／O接线图 图中：CP-脉冲信号输入端子； CW-方向信号输入端子；EN-使能信号输入端子。 步进电机脉冲频率的变化规律 步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击越小，动作越平稳，所以步进电机工作一般要经历以下的变化过程：加速-恒速(高速)-减速-恒速(低速)-停止。因步进电机转速与脉冲频率成正比，所以输入步进电机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程，其变化规律见图2。可见在步进电机启动时要使脉冲升频，停车时使脉冲降频。由于步进电机驱动器在 输入脉冲200 Hz时处于震荡区内，容易损坏内部元件，而在200 Hz以下运转速度较慢，效率较低，故一般采用350 Hz作为脉冲的低频起点。经测试，轻载时高频脉冲可达到6．8 kHz。 2．4 PLC控制系统所需机型的选择 PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性价比最优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。本次设计选择的是三菱系列的FX1N系列。 2．5 PLC控制系统的设计思想 . 最大限度地满足被控对象的控制要求 . 保证PLC控制系统安全可靠 . 力求简单、经济、便于使用及维护 . 适应发展的需要 第三章实验调试和结果分析 3.1 PLC控制系统中I/O端子接线图及I/O地址分配表 3.1.1 步进电机I/O分配表 输入功能输出功能 X0 正转Y0 控制A相 X1 反转Y1 控制B相 X2 启动Y2 控制C相 X3 停止 X4 低速 X5 中速 X6 高速 3.1.2 I/O端子接线图 3.1.3 步进电机控制流程图 3.2 梯形图 3.3指令语句表