PLC控制步进电机运转.docx

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1、摘要对可编程序控制器的步进电机控制系统进行设计，阐明了可编程序控制器及 步进电机的结构和工作原理，同时给出了可编程序控制器控制步进电机电气控制 系统的硬件组成和软件设计，包括可编程序控制器输入输出接线图、梯形图、程 序设计和步进电机的驱动电路。提出基于PLC的四相八拍步进电机控制的方案， 介绍了控制系统的设计方案及其软硬件的实现方法，实现对四相步进电机的启动, 停止控制、正反转控制。方法简单易行，编程容易，可靠性高。关键字：步进电动机 PLC 梯形图驱动电路1引言42课题分析42.1任务分析42.2方案设计43反应式步进电机63.1步进电机的结构63.2步进电机的工作原理74可编程器件FX2N

2、-32MR 84.1 FX2N-32MR的结构84.2 FX2N-32MR的工作原理85硬件设计85.1 I/O 端口 85.2 I/O端子连接线95.3驱动电路106软件设计116.1 PLC控制步进电机控制方法116.2梯形图127调试147.1硬件调试147.2软件调试157.3运行调试158结论159心得体会15参考文献161 .引言随着微处理器、计算机和数字通信技术的发展，计算机控制已经广泛地应用 在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场做出迅速的反应，生产设备和自 动生产线的控制系统必须具有较高的可靠性和灵活性，可编程器件正是顺应这个 要求，PLC已广泛应用各种机械设备和生产过程

3、的自动化控制系统中。步进电机 是一种控制精度极高的电机。在PLC步进电动机的控制系统中，输入到步进电动 机绕组中的脉冲数或频率可以控制步进电动机的角位移和转速，在给步进电动机 的各绕组输入脉冲时需要应用脉冲分配器分配脉冲。2 .课题分析2.1任务分析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、停车及其它

4、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。2.2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：半闭环控制系统指令脉冲图2.2半闭环步进电动机控制

5、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控制四相步进电动机。3 .反应式步进电机3.1步进电机的结构该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组 按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图4-1是该四相反应式步进电机工作原理示 意图。图4-1四相步进电机步进小意图步进电动机转子均匀分布

6、着很多小齿，定子齿有四个励磁绕组，其几何轴线 依次分别与转子错开0，T 4，T 2，3T 4 （相邻两个转子齿轴线间的距离为齿 距，以t表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开T 4，C与齿3向右错开T 2， C与齿3向右错开3t 4，D与齿4向右错开t，A（ A与A是同一电极）与齿6 相对齐，图4-2所示是反应式步进电机定转子的展开图。图4-2反应式步进电机定转子展开图3.2步进电机的工作原理如果A相通电，B、C、D相不通电时，由于磁场作用，齿0与A对齐，转 子不受任何力；如果B相通电，A、C、D相不通电，则齿1应与B对齐，此时转 子向右移动T 4，齿2与C偏移T 4，齿3与D偏移T 2，

7、齿4与A偏移3 ；如 果C相通电，A、B、D相不通电，则齿2应与C对齐，此时转子又向右移过T 4， 齿3与D偏移T 4 ；继续进行下去，A相通电，B、C、D相不通电，则齿5与对 齐，转子又向移过T 4。这样经过A，B，C，D,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，D,A，通电，电机就每步T 4，向右旋转。 按A，D,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-CD-D-DA-A这种通电状态，这样将原来

8、每步T 4改变为T8。因此本 设计采用PLC控制四相八拍步进电动机，来实现电机的速度、正反转、以及步数 的控制。4.可编程器件FX2N-32MR4.1 FX2N-32MR 的结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。CPU模块主要由 微处理器（CPU芯片）和存储器组成，它不断地采集输入信号，执行用户程序， 刷新系统的输出。4.2 FX2N-32MR工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式集中对输出信号进行刷1）每次扫描过程，集中对输入信号进行采样， 新；2）输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入 端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫

9、描时，新状态才 被读入；3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5）扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令 本身占有的时间（3）指令条数6）由于采用集中采样、集中输出的方式，存在输入 /输出滞后的现象， 即件出响设迟。5.1 I/O 端口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的输出信号有四个，即四个输出继电器。根据I/O端子的数量和种类，选择FX2-32MR PLC机一台。1）系统框图图5-1 PLC控制

10、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。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S0X0启动SBX5单步S1X1慢速S6X610步S2X2中速S7X7100步S3X3快速S8X10暂停S4X4正反转SARUN5.2 I/O端子接线图图5-2 PLC I/O配置及接线图5.3驱动电路PLC控制步进电机常用的形

11、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 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，流过的集电极电流最大。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

12、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。6.软件的设计四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

13、环形分配器使四个输出继电器Y0、Y1、Y2和Y3按照单双四拍的通电方式接通， 其接通顺序为：该过程对应于四相步进电动机的通电顺序是:、 、.、L L -1_、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。2）.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。n=DL / d式中DL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，控制八拍时序脉冲数，以实现对步进电动机步数的控制。6.2梯形图PLC控制

14、四相八拍步进电机的梯形图如图6-1所示TOK20 jK10 K5 )Mil jM20 、)X004M101T I1 JX004M1031 HY000 )Y001 ；脉冲发生器 脉冲控制器 正反转驱动Mioa、- I(比)X004M102T I1 I V003 )X004 MIDI-4d1 IXOO6步数设定H/1(RSTCO)X006M20T I1I(COK1O)XOO7、H/1(RSTCl)XOO7 M20T I1 IC Cl K100 j图6-1四相八拍步进电动机控制的梯形图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

15、脉冲向右移动，产生八拍时序脉冲，并通过四相八 拍环形分配器使Y0、Y1、Y2和Y3按照单双八拍的通电方式接通，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，产生八拍时序脉冲，并通过四相 环形分配器使Y0、Y1、Y2和Y3按照单双八拍的通电方式接通，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，产生八拍时序脉冲，并通过四相 环形分配器使Y0、Y1、Y2和Y3按照单双八拍的通电方式接通，步进电机开始快

16、 速步进运行。2）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、0，八拍时序 脉冲及四拍八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，八拍时序脉冲、四相八拍环形分配器 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、0，八拍时 序脉冲及四拍八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，八拍时序脉冲、四相八拍环形分配 器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。3）调试运行程序将图6-1转换成表6.1的程序，

17、将该程序写入PLC的RAM，并调试运行该 程序。表6.1 PLC控制四相步进电动机程序0LDIT023ANDM1031OUTTOK2024ORB2LDIT125OUTY0013OUTT1K1026LDM1024LDIT227OUTY0025OUTT3K528LDX0046LDX00529ANDM1027PLSM1130LDIX0048LDX00131ANDM1019ANDT032ORB10LDX00233OUTY00311ANDT134LDIX00612ORB35RSTC013LDX00336LDIX00614ANDT237ANDM2015ORB38OUTC0K1016ORM1139LDIX0

18、0717OUTM2040RSTC118LDM10041LDX00719OUTY00042ANDM2020LDX00443OUTC1K10021ANDM10144END22LDIX0047 .调试7.1硬件调试接通电源，检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。7.2软件调试按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的 通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM，进行下一步的调试。7.3运行调试在硬件与软件调试正确的基础上，打开可编程控制器的“RUN”开关进行调 试；观察运行的情况是否正确，以确定PLC的控制系统设计符合要求。8.结论

19、PLC控制四相八拍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。9 .心得体会这次课程设计对我们而言是对所学课程内容掌握情况的一次自我验证，对所 学知识的综合应用能力检验。它培养和训练了我们的编程以及调试能力得到了锻 炼，因而有着极其

20、重要的意义。我们本次课程设计的内容是步进电机的PLC控制系统的设计，针对现在的 PLC技术，实现一些软件及程序设计。我们应该加强PLC语句的练习，要能够运 用自如。此外还应掌握PLC的外部接线方法。在这次课程设计过程中我们也遇到不少问题和困难。比如刚开始时对论文题 目的不了解，对设计的原理及方案缺乏系统的了解；当我和大家在一起讨论时， 常会发生意见分歧；还有很重要的一点就是大家的基础知识不够扎实，使得设计 进度缓慢，必须不断在书本上学习心得知识来弥补不足等。但幸运的是，随着论 文设计的逐步进行，我们队种种问题进行了研究解决，最终才获得了预期的成果。因此，课程设计这样集体任务光靠个人是无法完成好

21、的，必须通过合作和努 力才能取得胜利，向不同的人请教他们擅长的东西，利用别人的优势来分担也是 我完成设计任务的重要保障。而且，重要的一点是要感谢卢承领老师在我们做设 计的过程中，对我们的设计提出了宝贵的意见和建议，使我们的设计不断的改进 和优化，并取得了一定的成绩。参考文献1 吴丽主编.电气控制与PLC实用教程.一郑州：黄河水利出版社，2005.22 高钦和编著.可编程控制器应用技术与设计实例.一北京：人民邮电出版社，2004.73 齐占庆主编.机床电气控制技术.3版.一北京：机械工业出版社，1999.104 侯力等编著.机电一体化系统设计.一北京：高等教育出版社，2004.65 施保华杨四青周凤星主编.计算机控制技术.一武汉：华中科技大学出版社，2007.36 陈伯时电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，19917 汪道辉PLC编程及应用.电子工业出版社，2009