三相步进电机的PLC控制课程设计.doc

《电气控制及可编程控制器技术A》

课程设计报告

题 目： 三相步进电机模拟控制
院 （系）：
专业班级：
学生姓名：
学 号：
指导教师：

2014 年6 月 3 日至2014 年 6 月 13 日

华中科技大学武昌分校制
《电气控制及可编程控制器技术A》课程设计任务书

1、设计（调查报告/论文）题目
三相步进电机模拟控制
2、设计（调查报告/论文）主要内容
（1） 控制要求：
本设计要求利用PLC构成三相步进电机控制系统，完成主电路接线，并编写三拍、六拍、单步和连续控制程序并调试。
（2） 设计要求
①当钮子开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；
②当钮子开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；
③当钮子开关拨到三拍时，旋转角度为3度；
④当钮子开关拨到六拍时，旋转角度为1.5度；
⑤当钮子开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；
⑥当钮子开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；
⑦当单步要转到连续，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑧当连续要单步连续，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑨当三拍要转到六拍，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑩当六拍要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑪当正转要转到反转，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑫当反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)

(3) 撰写说明书
①系统I/O分配表
②含软件设计（程序及必要说明）
③调试及调试结果，以及在调试过程中出现问题及解决办法

三、原始资料
1 三相步进电机资料
2 GX-developer仿真软件资料
四、要求设计（调查/论文）成果
（1） 了解三相步进电机工作原理，掌握步进电机三相三拍，三相六拍控制方式，对实验室提供三相步进电机实验设备进行硬件连接及调试；
（2） 掌握集成开发环境GX-developer使用，并能在这个开发环境下编写三相步进电机控制系统梯形图程序。
（3） 利用实验室设备进行运行调试。
（4） 撰写课程设计说明书，课程设计报告内容包括：
①设计方案、课程设计过程和设计思想、方法、原理；
②系统I/O分配表及程序详细说明；
③参考资料、参考书及参考手册；
④其他需要说明问题，例如操作说明、程序调试过程、遇到问题及解决方法、对课程设计认识和建议等；
⑤用电脑编排打印，报告格式按照《华中科技大学武昌分校课程设计管理办法》执行。课程设计报告要求内容正确完整，图表清晰，叙述简明，语句通顺，字数不得少于2000汉字；
⑥课程设计报告按封面、任务书、设计说明书、图纸、实物照片贴页（实物照片贴在A4复印纸上）、成绩评定表顺序装订。
（5） 总结调试过程中出现问题及解决办法。
以上设计课题完成后，均要总结设计结果、提交专业课程设计说明书并进行设计答辩。

五、进程安排
内容
时间
下达课程设计任务书。讲解课程设计任务及要求、进度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料。学生到实验室熟悉设备。
1天
搜集资料、方案论证、初步设计。
1天
系统设计、绘制系统控制原理图、接线图及软件编程。
2天
利用实验室设备完成控制系统硬件接线工作，运行控制程序，进行运行调试。
3天
方案优化、总结完善、整理资料、撰写课程设计报告
2天
答辩、课程设计总结。
1天
共计
10天（2周）

六、主要参考资料
（1） 马小军.可编程控制器及其应用.南京：东南大学出版社，2007.
（2） 姚锡禄.变频器技术应用.北京：电子工业出版社，2009.
（3） 巫莉.电气控制及PLC应用.北京：中国电力出版社，2008.
（4） 王兆义.小型可编程控制器实用技术.北京：机械工业出版社，2013.

指导教师（签名）：

20 年 月 日
目 录

1三相步进电机PLC控制及要求……………………………………………………1
1.1控制要求……………………………………………………………………………1
1.2设计要求……………………………………………………………………………1
2步进电机及PLC工作原理…………………………………………………………2
2.1步进电机简介………………………………………………………………………2
2.2步进电机分类……………………………………………………………………2
2.3步进电机基本参数………………………………………………………………3
2.4步进电机主要特点…………………………………………………………………4
2.5 反应式步进电机原理…………………………………………………………4
2.6 PLC工作原理……………………………………………………………………5
2.7 GX-Developer简介…………………………………………………………………7
3设计方案及实验调试…………………………………………………………………9
3.1步进电机I/O口分配表……………………………………………………………9
3.2 I/O口端子接线图…………………………………………………………………9
3.3 设计流程……………………………………………………………………………9
3.4 设计梯形图………………………………………………………………………11
3.5 调试过程及问题分析……………………………………………………………13
课程设计总结………………………………………………………………………14
参考文献……………………………………………………………………………15

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1三相步进电机PLC控制及要求
1.1控制要求
本设计要求利用PLC构成三相步进电机控制系统，完成主电路接线，并编写三拍、六拍、单步和连续控制程序并调试。
1.2设计要求
①当钮子开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；
②当钮子开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；
③当钮子开关拨到三拍时，旋转角度为3度；
④当钮子开关拨到六拍时，旋转角度为1.5度；
⑤当钮子开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；
⑥当钮子开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；
⑦当单步要转到连续，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑧当连续要单步连续，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑨当三拍要转到六拍，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑩当六拍要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑪当正转要转到反转，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)
⑫当反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)

2步进电机及PLC工作原理
2.1步进电机简介
步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移数模转换元件。在经历了一个大发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动机工作原理和其它电动机有很大差别，具有其它电动机所没有特性。因此，沿着小型、高效、低价方向发展。
步进电动机由此而得名。步进电动机运行是在专用脉冲电源供电下进行，其转子走过步数，或者说转子角位移量，及输入脉冲数严格成正比。另外，步进电动机动态响应快，控制性能好，只要改变输入脉冲顺序，就能方便地改变其旋转方向。这些特点使得步进电动机及其它电动机有很大差别。因此， 步进电动机上述特点，使得由它和驱动控制器组成开环数控系统，既具有较高控制精度，良好控制性能，又能稳定可靠地工作。因此，在数字控制系统出现之初，步进电动机经历过一个大发展阶段[3]。
2.2步进电机分类
（1） 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
（2） 反应式步进电机一般为三相，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。
（3） 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式优点，它又分为两相和五相。两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机应用最为广泛。
三相反应式步进电机结构如图所示。 定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成。定子每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。

图2-1 三相反应式步进电机结构图
在定子磁极和转子上都开有齿分度相同小齿，采用适当齿数配合，当A相磁极小齿及转子小齿一一对应时，B相磁极小齿及转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。如图所示：

图2-2 A相通电定转子错开示意图

电机位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由绕组通电顺序决定。
2.3步进电机基本参数
（1） 电机固有步距角
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动角度。电机出厂时给出了一个步距角值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时真正步距角，真正步距角和驱动器有关。
（2） 步进电机相数
步进电机相数是指电机内部线圈组数，目前常用有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机步距角为0.9°/1.8°、三相为0.75°/1.5°、五相为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数步进电机来满足自己步距角要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
（3） 保持转矩
保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子力矩。它是步进电机最重要参数之一，通常步进电机在低速时力矩接近保持转矩。由于步进电机输出力矩随速度增大而不断衰减，输出功率也随速度增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要参数之一。比如，当人们说2Nm步进电机，在没有特殊说明情况下是指保持转矩为2Nm步进电机。
（4） 钳制转矩
钳制转矩是指步进电机没有通电情况下，定子锁住转子力矩。由于反应式步进电机转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。
2.4步进电机主要特点
（1） 一般步进电机精度为步进角3-5%，且不累积。
（2） 步进电机外表允许最高温度取决于不同电机磁性材料退磁点，步进电机温度过高时会使电机磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许最高温度应取决于不同电机磁性材料退磁点；一般来讲，磁性材料退磁点都在摄氏130度以上，有甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
（3） 步进电机力矩会随转速升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它作用下，电机随频率（或速度）增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
（4） 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。
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。在有负载情况下，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高频。
2.5 反应式步进电机原理
（1） 反应式步进电机结构
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别及转子齿轴线错开。0、1/3、2/3（相邻两转子齿轴线间距离为齿距以表示），即A及齿1相对齐，B及齿2向右错开1/3，C及齿3向右错开2/3，A'及齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）如图：

图2-3 定转子展开图
（2） 反应式步进电机旋转
三相如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1及A对齐，（转子不受任何力，以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应及B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3及C偏移为1/3，齿4及A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应及C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4及A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4及A对齐，转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）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（每脉冲）1/3，向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。
由此可见，电机位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，所以本设计采用三相六拍。这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动基本理论依据[5]。
不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别及转子齿轴线偏移1/m，2/m……(m-1)/m，1。并且导电按一定相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
（3） 步进电机在工业控制领域主要应用
步进电机作为执行元件，是机电一体化关键产品之一， 广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。由于通过控制脉冲个数可以很方便控制步进电机转过角位移，且步进电机误差不积累，可以达到准确定位目。还可以通过控制频率很方便改变步进电机转速和加速度，达到任意速目，因此步进电机可以广泛应用于各种开环控制系统中。
2.6 PLC工作原理
可编程控制器有两种基本工作状态，即运行（RUN）状态及停止（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控制要求。为了使可编程控制器输出及时地响应随时可能变化输入信号，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。
下面用一个简单例子来进一步说明可编程序控制器扫描工作过程。图2-4（a）所示PLC输入输出接线图，起动按钮SB1和停止按钮SB2常开触点分加别接在编号为X000和X001可编程控制器输入端，接触器KM线圈接在编号为YO00可编程控制器输出端。图(b)是这3个输入/输出变量对应I/O映像寄存器。图（c）是可编程控制器梯形图，它及图2-4所示继电器电路功能相同。但是应注意，梯形图是一种程序，是可编程控制图形化程序。图中X000等是梯形图中编程元件，XO00及X001是输入继电器，Y000是输出继电器。编程元件X000及接在输入端子XO00SB1常开触点和输入映像寄存器XO00相对应，编程元件Y000及输出映像寄存器Y000和接在输出端子Y000可编程控制器内部输出电路相对应。

(a)　　　　 (b)　　　　 (c) 　　　 (d)
图2-4 PLC外部接线图及梯形图
梯形图以指令形成储存在可编程控制器用户程序存储器中，梯形图及下面4条指令对应“；”之后是该指令注解。
LD X000 ；接在左侧母线上X000常开触点。
OR Y000 ；及X00O常开触点并联Y000常开触点。
ANI X001 ；及并联电路串联X001常闭触点。
OUT Y000 ；Y000线圈。
在输入处理阶段，CPU将SB1，SB2常开触点状态读入相应输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器是二进制数“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，并及运算结果寄存器中二进制数相“或”（触点并联对应“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中二进制数，因为是常闭触点，取反后及前面运算结果相“及”（电路串联对应“及”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中存放是二进制数“1”，外接KM线圈将通电，反之将断电。
X000，X001和Y000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<T1时,读入输入映像寄存器X000和X001均为二进制数“0”此时输出映像寄存器Y000中存入亦为“0”在程序执行阶段,经过上述逻辑运算过程之后,运算结果仍为Y000=0,所以KM线圈处于断电状态.在T<T1区间,虽然输入/输出信号状态没有变化,用户程序确在一直反复不断地执行着。T=T1时按下起动按钮SB1，X0变为“1”状态，经逻辑运算后Y000变为“1”状态，在输出处理阶段，将Y000对应输出映像寄存器中“1”送到输出模块，将可编程控制器内Y000对应物理继电器常开触点接通，使接触器KM线圈通电。
2.7 GX-Developer简介
GX- Developer是三菱PLC编程软件。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能。
GX-Developer特点：
（1） 软件共通化 GX-Developer能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式文档。 此外，选择FX系列情况下，还能变换成FXGP(DOS),FXGP(WIN)格式文档。
（2） 利用Windows优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。
（3） 程序标准化
标号编程：用标号编程制作可编程控制器程序话，就不需要认识软元件号码而能够根据标示制作成标准程序。 用标号编程做成程序能够依据汇编从而作为实际程序来使用。
（2） 功能块（以下，略称作FB）：FB是以提高顺序程序开发效率为目而开发一种功能。把开发顺序程序时反复使用顺序程序回路块零件化，使得顺序程序开发变得容易。此外，零件化后，能够防止将其运用到别顺序程序时顺序输入错误。
（3） 宏：只要在任意回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单命令就能够读出登录过回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。
（4） 能够简单设定和其他站点链接 由于连接对象指定被图形化而构筑成复杂系统情况下也能够简单设定。
（5） 能够用各种方法和可编程控制器CPU连接
①经由串行通讯口
②经由USB
③经由MELSECNET/10(H)计算机插板
④经由MELSECNET(Ⅱ)计算机插板
⑤经由CC-Link计算机插板
⑥经由Ethernet计算机插板
⑦经由CPU计算机插板
⑧经由AF计算机插板
（6） 丰富调试功能
①由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单进行调试作业。没有必要再和可编程控制器连接。没有必要制作条使用顺序程序。
②在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器内容情况下提供非常大便利。。
③数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作时间能够大幅度缩短。

3设计方案及实验调试
3.1步进电机I/O口分配
表3-1步进电机I/O口分配表
输入
功能
输出
功能
X0
启动
Y1
控制A相
X1
停止
Y2
控制B相
X2
正转
Y3
控制C相
X3
反转

X4
三拍

X5
六拍

X6
连续

X7
单步

3.2 I/O口端子接线

图3-1 I/O口端子接线图
3.3 设计流程
三拍正转通电顺序为：A→B→C
三拍反转通电顺序为：A→C→B
六拍正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA
六拍反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB
按下启动后输出A2使其通电，经过延时后判断是否按下停止，若按下停止则返回初始未启动状态，若未按下停止则判断是否为单步。若为单步则按下启动后接着判断正、反转，三拍还是六拍，进而使相应相通电，如三拍正转输出B2,而连续则不需按启动直接判断输出。每一步输出后都有是否停止判断，若按下停止则返回初始未启动状态。每个停止判断后都有单步/连续判断，决定下一步输出是否需要按下启动。所有相输出完毕后回到A相进行下一轮输出。
大致流程如下图：

图3-2 设计流程图
3.4 设计梯形图

图3-3 设计梯形图
3.5 调试过程及问题分析
将PLCI/O口及步进电机三相和各个状态开关连接起来，程序写入PLC，开始执行后可以看到，按下启动步进电机按照设定方式开始转动，如果设定为单步则每按一次启动步进电机转动一次，连续则一直转动。其中六拍转动步距角为三拍一半。在转动过程中拨动状态开关电机转动方式改变，若按下停止则电机停转。
调试过程中曾遇到设置为单步时，按下启动步进电机不转动或错误转动问题，这是由于设定延时时间及硬件反应时间不匹配造成，通过多次调整实验，我们将延时时间改为0.5S，电机转动正常。

课程设计总结
我们这次课题是应用PLC对三相步进电机进行控制，刚拿到题目时有些无从下手，毕竟从来没有学过步进电机，后来在查阅辅导书和老师讲解下我基本明白了它工作原理，感觉控制并不太难，于是以为做起来应该没什么问题，但在实际动手过程中我才发现，想起来容易做起来难，理论到实践之间还存在着巨大努力空间。
在这次课程设计中，通过对GX- Developer应用，我们了解了三菱FX2N系列PLC优点和特点，并懂得了一些以前不懂或不熟练语句，极大锻炼了可编程控制器使用能力，对三相步进电机也有了初步认识。在实际操作过程中我由于不熟悉、粗心以及对理论知识掌握不到位，遇到了形形色色问题，为了使步进电机按要求转动，必须灵活运用原理找出解决方法。在老师和同学帮助下，我们一一解决了这些问题。有很多课堂上并没有讲授知识应用中需要用到，我则通过去图书馆借阅资料、在网上搜索等形式自己吸收补充。这整个过程很好地巩固了我们学过专业知识，使我对可编程控制器也有了更进一步了解和认识，同时对步进电机系列知识都有了一定了解，也使我们把理论及实践从真正意义上相结合了起来,考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料、和组织材料综合能力。
这次课程设计使我受益良多，最后我谨向在这个过程中给予我帮助老师以及各位同学们致以最诚挚谢意。

参考文献
（1） 马小军.可编程控制器及其应用.南京：东南大学出版社，2007.
（2） 姚锡禄.变频器技术应用.北京：电子工业出版社，2009.
（3） 巫莉.电气控制及PLC应用.北京：中国电力出版社，2008.
（4） 王兆义.小型可编程控制器实用技术.北京：机械工业出版社，2013.
（5） 范次猛.PLC编程及应用技术 (三菱).武汉：华中科技大学出版社，2012.
（6） 王建, 张文凡.PLC实用技术: 三菱. 北京：机械工业出版社,2012.
（7） 于雷声.电气控制及PLC.北京：机械工业出版社，2003．
（8） 钟肇新，彭侃.可编程控制器原理及应用.广州：华南理工大学出版社，1997.

课程设计成绩评定表
成
绩
评
定
项 目
比例
得 分
平时成绩（百分制记分）
30%

业务考核成绩（百分制记分）
70%

总评成绩（百分制记分）
100%

评定等级
优 良 中 及格 不及格
指导教师（签名）：

20 年 月 日