三相步进电机控制程序设计.doc

江西理工大学
目 录

第一章 分析题目要求 2
1.1 课题内容 2
1.2 课题要求 2
1.3 分析工艺流程 2
第二章 控制系统的I/O及地址分配 4
第三章 电气控制系统原理图 5
3.1主电路图 5
3.2 控制电路图 5
3.3 外端子接线图 5
第四章 系统程序 6
第五章 有关步进电机的使用 11
第六章 总结 15
6.1总结 15
6.2参考文献 16

第一章 分析题目要求
1.1 课题内容
用PLC控制三相六拍步进电机，其控制要求如下：
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→A
反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A
2． 要求能实现正、反转控制，而且正、反转切换无须经过停车步骤。
3． 具有两种转速：
1号开关合上，则转过一个步距角需0.5秒。
2号开关合上，则转过一个步距角需0.05秒。
1.2 课题要求
1． 按题意要求，画出PLC端子接线图、控制梯形图。
2． 完成PLC端子接线工作，并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。
3. 完成课程设计说明书。

1.3 分析工艺流程
本课题要求步进电机是三相六拍运行
三相六拍正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA
三相六拍反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB
所以我们可以根据通电的顺序，给相应的相序分配相应的地址，按照控制的要求我们就可以给出相应的控制程序。该控制系统的控制原理图如下1-1：
步进电机
功放电路
驱动器
P
LC

上位机

图1-1 系统控制原理图

所以由以上控制系统的要求可以给出控制系统的程序流程图1-2:

开始

正反

正转 反转 反转

转速2运行
转速2反向运行
转速1反向运行
转速1运行

图1-2 程序控制流程图

第二章 控制系统的I/O及地址分配
本控制系统的输入/输出信号的名称，代码及地址编号如表2-1

表2-1
名称
代码
地址编号
输 入 信 号
启动按钮
SB0
I0.0
停止按钮
SB1
I0.1
三相六拍电机正转
SB2
I0.2
三相六拍电机反转
SB3
I0.3
转过一个步距角0.5秒
SB4
I0.4
转过一个步距角0.05秒
SB5
I0.5
输 出 信 号
A1,B1,C1
+24V(主机)
A2
KM1
Q0.2
B2
KM2
Q0.3
C2
KM3
Q0.4

第三章 电气控制系统原理图
3.1主电路图
参照《电器与PLC控制技术试验指导书》实验16 三相步进电机的模拟控制，可以知道，我们可以用PLC直接去控制电机。所以主电路是非常简单的，这里不再画出。
3.2 控制电路图
控制电路由于用到的输入都是直接接在PLC上的，其控制过程相对比较简单。在此略去。
3.3 外端子接线图
分析上述要求可以知道，该控制系统有6个输入，三个输出，考虑到要留有余地，参照教材《电器与PLC控制技术》有关PLC选型的内容，我们可以选择CPU222（8入/6出）的PLC。
根据以上具体控制要求可以给出PLC的外端子接线图如下图3-1：

图3-1 PLC外端子接线

第四章 系统程序
根据题目要求给出以下梯形图：

第五章 有关步进电机的使用
由《微型计算机控制技术》有关步进电机的使用可以知道：步进电机实际上是一个数字/角度转换器。错齿是促使步进电机旋转的根本原因。下面我们综合了解下步进电机的使用。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
二、 感应子式步进电机工作原理
（一）反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1、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与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：

图5-1 定转子的转开图
2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。　 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 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て,向右旋转。如按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，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比。

图5-2 力矩
其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
（二）感应子式步进电机
1、特点： 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C= ,D= . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

图5-3 感应子式步进电机
其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

第六章 总结
6.1总结
短短的两周时间做完了本次综合课程设计，在做课程设计的时候自己学会了很多，特别是在PLC方面上，能知道设计过程中所要求的工艺步骤及相关要求。两周的时间自己又重新学习了下PLC，对PLC又有了新的认识和理解。特别是在编程方面自己也花费了很多时间去理解，深刻明白了编程的思维和思路，使自己受益匪浅。我想这正是本次课程设计的目的。当然在设计过程中也碰到过很多问题，也深刻体会理论知识和实践能力的差距。这也是自己需要提高和学习的。
回顾起此次交流调速课程设计，从理论到实践，通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了很多有用的东西，这些将使我终身受益。同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。作课程设计期间，曾经遇到了许多的困难，但在同学、老师、亲人的帮助及自己的不断努力下得以一一解决，于此不断地增加了自己的知识，让我懂得怎样去学习。谨在此向多年来给予我关心和帮助的老师、同学、朋友和家人表示衷心的感谢！感谢和我一起参加设计工作的同学们，是他们让我感受到了集体的力量，怎样才会让一个集体的合作更好，以及一起实践时给我帮助和支持；感谢学校开放实验室给我的设计以及学习所提供的帮助；感谢在我以前的学习中给我指导和支持的老师及师兄，没有他们的帮助就没有此次课程设计所取的成果，在此我衷心感谢他们，我会在以后的学习和工作中不断努力用实际行动来报答他们对我的苦心栽培！
在这里也感谢我的指导老师肖老师的帮助和监督，让我在这次课程设计学到了很多。在此表示由衷的谢意。

6.2参考文献
（1）张万忠 刘明芹主编，《电气与PLC控制技术》北京：化学工业出版社 2006
（2）潘新民 王燕芳编著，《微型计算机控制技术实用教程》北京：电子工业出版社 2007
（3）肖清 王忠锋编写，《西门子PLC课程设计指导书》
（4）肖清 王忠锋编写，《电器与PLC控制技术实验指导书》
（5）张怀勇等翻译 《西门子自动化系统实战S7和PCS7应用实例》北京：人民邮电出版社 2007
（6）张万忠等，《可编程控制器应用技术》北京：化学工业出版社 2002
（7）黄净主编，《电气及PLC控制技术》北京：机械工业出版社 2002
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