基于PLC步进电机控制系统的设计.doc

基于plc步进电机控制系统的设计摘要本文所要控制的电机为五相步进电机，采用可编程控制器对其控制，对设计原理及方法分析总结。步进电动机优点有快速起停、定位和精确步进等，日常的生产和生活中比较普遍，控制精度高。在工业过程控制和仪器仪表控制方面，应用的很广泛。本文还介绍的PLC控制系统，其包括硬件结构还有原理以及PLC控制系统设计的原则方法。以五相电机控制为例，阐述了西门子PLC在电机控制中的运用。其基本原理、硬件准备和软件的设计，在文中都有体现。采用的细分驱动方法，可以达到极高的精度并提高稳定性，有利于电机运行品质、转矩波动的改善。本文内容包含PIC外部接线图、I/O地址分配、控制流程图、驱动电路选择、细分驱动分析、梯形图等，并且上位机监控界面是运用组态王软件编写。关键词：S7-200； 五相步进电机； 梯形图； 细分驱动； 组态王Design of Stepping Motor Control System Based on PLC Abstract The motor controlled in this paper is a five phase stepper motor. It is controlled by a programmable controller. The design principle and method are analyzed and summarized. Stepping motor has the advantages of fast start stop, positioning and accurate stepping, etc., and the daily production and life are more common, and the control accuracy is high. It is widely used in industrial process control and instrument control. PLC control system is introduced, including hardware structure and principle, and the principle and method of PLC control system design. Taking five phase motor control as an example, the application of SIEMENS PLC in motor control is expounded. Its basic principle, hardware preparation and software design are embodied in this article. The subdivision drive method can achieve high accuracy and stability, and is favorable for motor quality and torque fluctuation. The contents of this paper include PIC external wiring diagram, I/O address allocation, control flow chart, drive circuit selection, subdivision drive analysis, ladder diagram and so on, and the upper computer monitoring interface is written by Kingview software.Key words S7-200; Five-phase stepping motor; Ladder diagram; Subdivision drive ; Configuration king目 录1引言11.1步进电机的介绍11.2 步进电机的分类11.3 步进电机的应用21.4 步进电机的各种控制及比较21.4.1环形分配器步进电机控制系统21.4.2 单片机步进电机控制系统31.4.3 可编程序控制器步进电机控制系统31.4.4几种控制系统的性能比较41.5 PLC选型要求42 电气控制系统方案的选择及硬件设计62.1 可编程控制器的原理62.2 可编程控制器的选型72.3控制方式的选择82.4五相步进电机的几种运行方式9 2.4.1单五拍运行方式92.4.2十拍运行方式102.4.3双五拍运行方式112.5控制分析112.5.1功能要求112.5.2 I/O地址分配表122.6 PLC外部接线图132.7 步进电机时序图133 步进电机驱动电路的选择143.1步进电机驱动电源的分类143.2.细分电路的分析和选择164 系统设计194.1步进电机程序设计及分析194.2 PLC 程序设计204.2.1 步进控制设计204.2.2 梯形图设计225 组态软件监控设计及系统运行245.1 组态软件仿真实现的意义245.2 组态软件的设计步骤245.3 系统的仿真运行27总结28致 谢29参考文献30附 录31附录A 程序梯形图31附录B 程序语句表36附录C 系统运行状态图40高健桀：基于PLC步进电机控制系统的设计1 引言1.1步进电机的介绍步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，电机对传输来的电脉冲信号的分析和转换而进行相应的角位移和线位移。在电机的负载没有超出它理论值情况下，传输来的电脉冲信号直接决定电机运行的速度和位移，此时电机速度是不受其他因素影响。在这种情况下，我们可以很轻易对电机进行控制，通过对电脉冲信号的大小、强度和脉冲数的改变，从而实现对电机的速度和线位移进行控制。当传输来的电脉冲信号被步进电机接收到后，它会按照预先设定进行一个角度旋转，这个动作我们将其称为“步距脚”。它旋转的角度是固定的。以传输来的电脉冲的个数对电动机角位移进行有效的控制，以传输来的电脉冲的频率来控制电机的加速度和速度。 1.2 步进电机的分类步进电机从构造角度来分有以下几种：反应式、永磁式和混合式。反应式：它是由定子和转子组成，其中定子上有绕组，转子是通过软磁材料构成。所以反应式具有简单的结构、成本比较低、步距角小，最好时候可以达到；但是也存在着缺点，比如它的动态性能差、工作效率比较低、容易发热且发热程度比较大，不容易确保它的可靠性。永磁式：永磁式步进电机构成的材料是永磁材料，它的电机转子和定子的极数相同。它的动态性能很好，输出力矩也比较大。但是它也有其缺陷，即运行时的精度不太高。混合式：顾名思义可知，混合式步进电机包含上面两种电机其优点，多相绕组组成其定子，转子则是由永磁材料制作的，其中为了提升步进精度通过对定子和转子添加小齿轮方式来实现。混合式的特点是把反应式和永磁式的特点结合起来，包括：输出力矩较大，动态性能比较好，步距角小等。它的缺点是结构相对比较复杂，相应的成本也比较高。1.3 步进电机的应用在现实生活中步进电机的使用非常普遍，但在生产过程中能够很好的使用这个电机是有一定难度，如果想要它能够顺利工作则要采用一些控制软件进行辅助，如：双环形脉冲信号、功率驱动电流的等特殊装置，它正常工作也涉及到机械、电机、电子以及计算机等相关知识。在工业生产和自动化控制行业已经广泛使用步进电机。伴随着科学技术的迅速发展，计算机和电机行业也相应快速起步，对步进电机需求量也不断增加，很多行业和领域是利用步进电机优点：通过控制电脉冲的个数对电机的角速度进行控制，采用控制电脉冲的频率方式来实现对电机的速度和加速度进行控制。步进电机如图1-1所示。图1-1 五相步进电机1.4 步进电机的各种控制及比较1.4.1环形分配器步进电机控制系统图1-2环形分配器步进电机控制系统环形分配器是把源自控制部分的脉冲串按照一定的规则分配给步进电机驱动部分的各相输入端口。控制器的时钟脉冲让环形分配器的输出不但是周期性的还是可逆的。驱动电路把环形分配器的有序时钟脉冲放大来驱动步进电机，使步进电机的旋转方向及速度连续可调。1.4.2 单片机步进电机控制系统 图1-3单片机步进电机控制系统单片机控制步进电机可做到系统小巧、易于改变流程等特点。单片机控制步进电机控制系统如图1-3，我们把写好的程序下载到单片机，单片机就会按照一定的过程把时钟脉冲串按一定的规律分配给驱动电路，使驱动电路的输出既是周期性的，又是可逆的。控制单片机的程序使步进电机的旋转方向及速度连续可调。1.4.3 可编程序控制器步进电机控制系统 图1-4可编程序控制器步进电机控制系统可编程序控制器（Programmabie Logic Controller,缩写PLC）是由微处理器结合计算机、通信、联网和自动控制技术发明的一代工业控制装置。PLC步进电机控制系统和单片机步进电机控制系统相似，可编程控制器按用户程序把有序的时钟脉冲分配给驱动电路,驱动电路让其有序脉冲进行放大以此来驱动步进电机。PLC的程序使步进电机的旋转方向及速度连续可调。1.4.4几种控制系统的性能比较环形分配器步进电机控制系统比较简单、价格低廉但控制灵活性不高，适合于固定模式的控制系统。单片机步进电机控制系统在现代化、高精度、网络化管理的控制系统中工艺流程不断变化以致于单片机的程序需要随时更改，为此修改程序需要有专业人员进行操作，并且单片机联网需要专用网络管理设备，输入输出需要设计专门的隔离电路，这些都给单片机的使用带来很大的局限性。PLC的基础结构是微处理器，结合计算机、通信以及自动控制技术等而开发的新一代工业控制装置。PLC的使用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，编程简洁方便。各个厂家的生产的可编程控制器都已成系列化，各种功能的模块一应俱全。可编程控制器有专用的通讯模块特别适合组成网络化控制。由以上分析我们可以得出，使用可编程控制器控制步进电机是一种比较合理可靠的方案，编程方便、抗干扰能力强、其性能也很稳定。在当今控制系统中要求较高精度、较高可靠性的控制性能，所以可编程控制器无疑是首选。1.5 PLC选型要求在实际应用中，必须考虑可编程控制器的可靠性，必须及时接受来自外部的命令和状态反馈等。可编程控制器进行循环扫描，在每个扫描的周期，除过要完成以上的三个基本步骤，还要对来自内部的故障进行系统检测和诊断。并且完成可编程控制器的故障输出和报警。在每次扫描开始，可编程控制器就要诊断每个输入点和输出点。存储器和CPU具有内部自诊断的程序。通常通过检测自身每个部分的当前状态，并且根据标准进行比较选择，如果错误的话，此时PLC立即开始关机过程，保持当前工作状态，关闭所有输出点，然后关机。如果诊断后，设备或者可编程控制器自身没有故障报警，就可以继续进行扫描循环运行程序，在扫描循环程序的过程中，继续检查外部的通信请求，进行程序处理。比如，外部的编程单元，外部的逻辑状态，以及显示错误消息的编程软件等。通过设定好的逻辑控制条件和运算条件进行计算，将计算结果进行输出。可编程控制器在扫描周期内，对设备进行连续不间断的控制，一直到外部发布停止或者急停指令，或者外部发生故障等情况下，停止执行工作。可编程控制器基本的设计原则,任何种类的电气控制系统是为了达到工艺要求，提高设备的自动化程度，保证设备的质量。在PLC控制系统的设计中，应遵循的一般原则是：（1） 要选择的可编程控制器必须符合技术规范，而且有良好的技术支持。（2）满足要控制的控制对象的要求。设计之前，应深入研究进行调查，收集资料，并与设计师和机械操作者紧密合作，从而进行方案的设计，最大限度的处理系统中可能出现的问题。（3）在工业工程控制的条件下，必须满足工业生产的要求，使控制系统设计必须简单，方便，而且达到经济实用的要求和效果，便于维护。也要达到系统符合工业设计要求，降低研发成本。（4）控制系统在程序设计的时候，必须确保安全，系统运行稳定，功能必须可靠。正确的程序调试，充分考虑到恶劣的环境条件，本文对这个方面进行充分分析后，最终使用了可靠性相对较高的PLC，以此不定时的对其进行保养以及检查。（5）考虑到生产和工艺改进及开发，在可编程控制器设计时，必须要对以后的研发和改进留够一定的空间，针对不同的设备，重点将不同的要求，设计原则也应有所不同，如果为了提高对所控制产品的质量和安全性，应该集中在系统的可靠性设计，及时考虑冗余控制系统;如果需要的话，要提高信息管理系统。西门子S7-200系列可编程控制器产品性价比高，强大的功能使其无论在独立运行，还是一个完整的网络遇到的各种各样的控制任务都能很好的解决。此类型产品具有非常强大的功能，小到能够替代继电器，大到控制整个系统等，都能够很好的实现。在对多种控制器的基本性能进行对比分析后，发现S7-200类型的控制器具有体积小，功能强大等多种功能，下面对此类型产品的基本特点进行简要分析，其设计的结构相对紧凑，价格低廉，性价比较高，很适合研发普通的小型控制系统设计。它使用超级电容器存储器的数据保护，消除了对锂电池的需求，该系统是小，但可以处理模拟（12点模拟输入/ 4点模拟输出）。西门子S7-200系列PLC多达四个中断控制输入，每个中断输入相应的时间都很小，只有0.2ms左右。可编程控制器还有日期和时间的中断控制功能。根据本系统控制要求和在对多种类型控制器进行性能等多方面的对比分析后，文中最终决定使用CPU222作为控制整个系统运行的可编程控制器。2 电气控制系统方案的选择及硬件设计2.1 可编程控制器的原理可编程控制器结合了计算机技术，自动控制理论，通信技术等，是一种基于微处理器的工业控制产品4。另外对于可编程控制器，其具有的结构相对而言较简单，并且对应具有的性能也非常的优越，可靠性能也比较高并且维护比较方便。所以可编程控制器应用非常广泛，几乎每个行业都有可编程控制器的身影。可编程控制器已经成为现代工业控制技术的主导者。并且有着非常广阔的前景和市场空间。本文设计的控制系统，将采取可编程控制器进行设计，可靠性高，维护方便。关于PLC选择问题，还要考虑PLC网络通信功能，价格因素。系统可靠性也是一个重要的考虑因素。在对实际工业生产中存在的问题进行充分分析后研究后发现，对应系统内部的顺序开关，它是由多种因素共同决定的，并且对应当今社会中控制器的主要功能均是由电气设备来实现的，进而造成设备种类繁多，体积较大，工作可靠性性对较低等多种缺点。为此为了最大限度的改变这种局面，美国的通用公司针对性的进行了大量的研究与开发，成功的研究出了第一代可编程控制器，其基本上可以满足整个系统的需求，并命名为可编程控制程序，在当时此款产品主要是应用在电脑的开发中，为了方便，还为了反映功能特性的可编程控制，PLC称为可编程序逻辑控制器。可编程控制器的基本原理如下：1现场信息输入；在可编程控制器循环扫描中，对现场的输入信息情况进行逐个扫描。2按照既定程序执行命令：可编程控制器对现场信息进行识别后，按照设定好的逻辑控制条件和运算条件进行计算，将计算结果进行输出8。3对程序处理后的结果进行逻辑或模拟量输出：PLC将通过内部的逻辑程序或者计算程序将对条件进行处理，并且将计算的结果输出值外部端子，进而可靠的控制所设计系统外部的电动机以及电磁阀和对应指示灯。在工程应用过程中，设备的工作工艺过程可以分为顺序控制的操作，也就是重复某种工艺的操作。可编程控制器的工作模式为循环扫描控制，和工程应用的过程基本一致，所以可编程控制器和设备的工艺流程动作互相对应，编程简单直观，不易出错，而且易于修改，这样就可以降低项目研发的周期和成本9。2.2 可编程控制器的选型 根据可编程控制器选型的多种要求，要选择的可编程控制器必须符合技术规范，而且有良好的技术支持。满足要控制的控制对象的要求。设计之前，应深入研究进行调查，收集资料，并与设计师和机械操作者，电控紧密合作，从而进行方案的设计，进而最大限度的处理系统中可能出现的问题。在工业工程控制的条件下，必须满足工业生产的要求，使控制系统设计必须简单，方便，而且达到经济使用的要求和效果，便于维护。要达到系统符合工业设计要求，降低研发成本。控制系统在程序设计的时候，必须确保安全，系统运行稳定，功能必须可靠。正确的程序调试，要充分考虑到恶劣的环境条件。考虑到生产和工艺改进及开发，在可编程控制器设计时，必须要对以后的研发和改进留够一定的空间，针对不同的设备，重点将不同的要求，设计原则也应有所不同，如果为了提高对靶产品质量和安全性要求，应该集中在系统的可靠性的设计，及时考虑冗余控制系统，提高信息管理系统。 由CPU模块、输入模块、输出模块还有编程器来构成PLC，基本原理如如图2-1所示。 图2-1 PLC控制系统CPU模块的构成主要是微处理器和存储器。存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种，其系统程序存储器为ROM。I/O模块由输入模块和输出模构成，其相对应的输入输出电路如图2-2、2-3所示。图2-2 PLC的输入电路 图2-3 PLC的输出电路2.3控制方式的选择方案一在开环控制下，步进电机是由给定时间间隔的脉冲序列所控制，在控制系统中，并不需要反馈传感器和相应的电子线路。开环控制电路的结构简单、还具有费用低等其他优点，所以步进电机的开环控制系统得到广泛的应用。 图2-4 步进电机开环控制框图方案二闭环控制是对转子的位置还有速度进行不断地检测，检测后再经过反馈和相应处理，形成脉冲链，使得步进电机每一次都是在控制信号的指令下运行。在这样闭环控制作用下，在运作运作过程中不容易出现失步。图2-5 步进电机闭环控制框图对于上面两种方案的比较，很容易发现，步进电机的最明显的特点是在没有位置反馈信号的作用下，依然可以做出精确的位置控制。通过开环控制的方式很好降低成本，因为在开环控制中不需要价格贵重的位置传感器件，只要对传输来的脉冲信号进行计数，就可以确定步进电机的位置。在实际生活中，多用开环控制。因此，此次设计选择开环控制系统。2.4五相步进电机的几种运行方式2.4.1单五拍运行方式1)正转 首先A相先通电，此时B,C,D,E四相均不通电，产生A-A方向上的磁场，此时A,A就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，则转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着B相通电，此时A,C,D,E均不通电，产生B-B方向上的磁场，则同理转子转至相应位置，接着就是C,D,E相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期 简单来说通电顺序为：AABBCCDDEEAA2)反转 首先A相先通电，此时B,C,D,E四相均不通电，产生A-A方向上的磁场，此时A,A就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，则转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着E相通电，此时A,B,C,D均不通电，产生E-E方向上的磁场，则同理转子转至相应位置，接着就是D,C,B,相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期 简单来说通电顺序为：AAEEDDCCBBAA2.4.2十拍运行方式1)正转 首先A,B,C相先通电，此时,D,E两相均不通电，产生B-B方向上的磁场，此时B,B就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，则转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着B,C相通电，此时A,D,E均不通电，产生BC-BC方向上的磁场，则同理转子转至相应位置，接着就是BCD,CD,CDE,DE,DEA,EA,EAB,AB相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期 简单来说通电顺序为：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABABABC2)正转 首先A,B,相先通电，此时,D,C,E两相均不通电，产生AB-AB方向上的磁场，此时AB,AB就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，则转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着E,A,B相通电，此时C,D均不通电，产生A-A方向上的磁场，则同理转子转至相应位置，接着就是EA,DEA,DE,CDE,CD,BCD,BC,ABC相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期 简单来说通电顺序为：ABEABEADEADECDECDBCDBCABCAB2.4.3双五拍运行方式1)正转 首先A,B相先通电，此时C,D,E三相均不通电，产生AB-AB方向上的磁场，此时AB,AB就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，则转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着B,C相通电，此时A,D,E均不通电，产生BC-BC方向上的磁场，则同理转子转至相应位置，接着就是CD,DE,EA相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期 简单来说通电顺序为：ABBCCDDEEAAB2)反转 首先A,B相先通电，此时C,D,E三相均不通电，产生AB-AB方向上的磁场，此时AB,AB就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，则转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着E,A相通电，此时B,C,D均不通电，产生EA-EA方向上的磁场，则同理转子转至相应位置，接着就是DE,CD,BC,相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期简单来说通电顺序为：ABEADECDBCAB相比较而言五相十拍运行在转子极数相同的情况下，步距角更小，控制精度更高，所以本次设计采用五相十拍的运行方式。2.5控制分析2.5.1功能要求1)对于五相步进电机控制，主要是五相绕组的接通、断开的顺序和每个步距脚的行进速度这两个方面进行控制。下面将介绍十拍运行时五相十拍步进电机的正传顺序和反转顺序。正转顺序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB反转顺序：ABEABEADEADECDECDBCDBCABC 围绕这两个主要方面，对此我们做出以下的控制要求：在电机运行过程中可以正转和反转；2)用五个开关控制其工作：1 号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。2 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 秒)。3 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 秒)。4 号开关控制其高速运行 (转过一个步距角需 0.03 秒)。5 号开关控制转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。2.5.2 I/O地址分配表表2-7 I/O地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号启/停控制常开按钮SB1I0.0低速调速常开按钮SB2I0.1中速调速常开按钮SB3I0.2高速调速常开按钮SB4I0.3正/反转控制单刀双制开关QSI0.4输出信号输出端子A端子AQ0.0输出端子B端子BQ0.1输出端子C端子CQ0.2输出端子D端子DQ0.3输出端子E端子EQ0.42.6 PLC外部接线图PLC外部接线图设备、负载电源种类等的设计就依据系统的要求。由上面的I/O分配表，查阅手册选择S7-200 CPU222基本单元（8入/6出）1台步进电动机，其五相十拍外部接线图如下：图2-8 外部接线图2.7 步进电机时序图 （a）步进电机正转时序图 （b）步进电机反转时序图图2-9步进电机时序图3 步进电机驱动电路的选择3.1步进电机驱动电源的分类步进电动机的驱动电源有很多种，它的分类方法也有很多。如果按照相应的步进电动机容量大小来区分，则有功率步进电动机驱动电源还有伺服步进电动机驱动电源两种。 若按照输出的脉冲极性来区分的话，那就有单向脉冲电源还有正、负双极性脉冲电源两种，后面的是作为永磁步进电动机或感应式永磁步进电动机的驱动源。 如果按电脉冲的功率元件分类，有晶体管驱动电源、高频晶闸管驱动电源还有可关断晶闸管驱动电源。 如果按照脉冲的供电方式来区分，有单一电压型的电源还有高、低压切换型的电源；斩波恒流驱动电源和细分电路电源等。 单一电压电源是最为简单电源，其原理图如3-1。信号脉冲输入，随后晶体管导通，电容在起始时等同于将电阻R短接，随后控制绕组的电流会上升的很迅速。当电流达到稳定状态时，串联的电阻R就会起到限流功能。在这个完整的工作过程中只有一种电源为其供电。这种线路的结构比较简单，而且电阻还有控制绕组串联，这样能够减小回路时间的常数，但是由于电阻R上要消耗功率，会让电源的效率变得很低，所以当这种电源供电时它的起动和运行频率都很低。图3-1 单一电压型驱动电源 图3-2 高、低压切换型驱动电源 高、低压切换型电源原理如图3-2。步进电机的每相绕组是由两只功率元件串联形成的，它的供电方式有高压和低压两种。高压供电可以提高电流上升的速度，电流波形的前沿也会得到缓和，稳定则用低压。低压电源之所以串联一个较小的电阻R，目的是为了控制绕组电流值，才能够使各相电流趋于稳定。这样电源效率变高，起始和运行时的频率比单一电压型电源更高，然而这种驱动电路在低频运行时通电的时间太长，低频时电机产生的噪声就会较大，而且会伴随共振现象的存在。 斩波恒流驱动电源是目前使用比较多的一种驱动方法。基本理论在于电机是否处于锁定状态，导通相绕组电流需要稳定在额定值。图3-3是斩波恒流驱动电路的原理图。开关管VT1和VT2控制绕组的关断与导通，VT2发射极连接一个小电阻R，绕组电流经过这个电阻接地，压降跟电机绕组的电流是正比例的关系，电阻就是电流采样电阻。 当为高电平时，VT1和VT2导通，电源供电。由于电感作用，电阻上电压逐渐升高，一旦超过，比较器就会输出低电平，然后与门也输出低电平，VT1关断，电源关断，绕组电流经过VT2、R、VD2继续续流，采样电阻R的端电压跟着下降。当采样电阻R上的电压低于给定电压之后，比较器输出的就是高电平，而后与门输出的也是高电平，VT再一次导通，电源继续供电，如此反复。 当变成低电平时，VT1和VT2两个开关管不导通，绕组的电流经过二极管VD1、电源，二极管VD2放电，迅速下降。、VT1的基极电位和绕组电流波形如图3-4。VT2导电期间，电源以脉冲的形式提供电源。在斩波的作用下，绕组的电流保持不变，具有相同的输出转矩。它另一个好处就是共振会减小，因为电机共振的内因是能量积累过多，斩波恒流驱动输入的能量随着绕组电流变化自动改变，可以不使能量产生堆积。可是，当电流的形状为锯齿形的时候，这种驱动就会产生比较大的电磁噪声。图3-3 斩波恒流驱动电路的原理图图3-4 斩波恒流控制的电流波形图3-5阶梯波形电流图 细分驱动又叫微步距控制，是步进电机开环控制的新技术之一，可以达到极高的精度并提高稳定性，来让运动近似的变为匀速转动的一种驱动。步进电机就像伺服电动机一样。要减小步距角，只是从电机本身来解决有一定局限性，所以要从电源方面解决。将以前供电的脉冲电流变成阶梯波形，如图3-5，输入电流的每一阶梯，偏转角减小，能够改善电机的运行品质，减少转矩波动、转动噪音等其它影响，能够提高运行的平滑性，所以细分电路驱动是较为理想的驱动方式。在图3-5中，给电机电流由零经过五个阶梯上升。下降时，经过同样过程到0。这样使电机成为一个连续磁场，使得电动机平滑运动。细分电路电源，就是用顺序脉冲形成器使各脉冲一个个放大，这些脉冲电流在绕组中叠加成为阶梯波形电流,顺序脉冲形成器一般可用移位形式的环形脉冲分配器做到。3.2.细分电路的分析和选择步进电机是对传输来的电脉冲信号的分析和转换而进行相应的角位移和线位移。原理就电磁铁吸引转子然后产生转距来作用，电机依据各相定子依次通电使它转动，然后电磁转化为角位移。定子绕组从一相导通转化为另一相导通，转子运动一角度，即步距角。细分就是在绕组换相时，不让它导通或者断开。我们以某种电机来说明步距角二细分,如图3-6 。当电机在A相通电的时候，转子在A-A之间，当A相通电变为A、B 两相通电后，转子转过角,停A 、B两相中间 处，转距与绕组电流成正比，B 相绕组电流不是由0直接上升至额定电流，先到中间位置，转子不是转到位置，而停在 处；同样，当A 、B 两相通电变为B 相通电，如果A 相电流并不是由额定电流降到0，则转子将不会转到位置BB，而是转到位置 ， 精度从而提高，这就是步进电机二细分理论。综上所述，定子绕组电流并不是由0 变到额定值，或由额定值变为0，而分十级一步一步完成，即B相绕组用一样的间隔通电00.1Ie0.2Ie0.9IeIe，A 相以同样的时间按下过程减小电流Ie0.9Ie 0.2Ie0.1Ie0，如此，步进电机就完成了十细分。我们可以看到，细分就是使电机各相电流有序升级，降级，来提高精度。 图3-6 步进电机步矩角细分示意图我们选择恒频斩波细分控制，它就是斩波恒流驱动电路的进一步改进。在驱动电路里，绕组电流的大小是由比较器给定的电压值决定的，实际上这个给定的电压是一个固定值。现在给定的电压值用阶梯电压来替换，我们就会得到阶梯电流波。该电路驱动如下3-7，单片机为主体，经过T0输出20kHz方波，送给D触发器，当作信号。单片机将数字信号送到到D/A转换器，当作控制信号。阶梯电压每一次变化都会使转子走步。 恒频斩波细分原理就在于D/A转换器输出的电压不确定时，恒频信号上升沿会使D触发器动作，使其输出的电平为高电平，开关管VT1、VT2开始动作，绕组电流自然上升，取样电阻R2的压降提高，压降大于，比较器就会输出低的电平，然后D触发器输出低电平，VT1、VT2断开，绕组电流降低。当R2压降小于，比较器输出的就是高电平，然后D触发器输出的电平也为高电平，VT1、VT2通电，绕组的电流就会上升。然后反复操作，使电流波形为锯齿波。CLK脉冲频率比较高，锯齿形波纹较小。CLK、阶梯波确定电压，VT1控制电压还有绕组电流波形如下3-8所示。图3-7恒频斩波细分驱动电路图3-8恒频斩波细分驱动的电流波形4 系统设计该控制系统通过西门子的编程软件STEP7-Micro/WIN32来实现。前面我们已经详细讲解和介绍步进电机的控制方案设计，本章我们开始对控制系统的软件进行详细的讲解。对于系统软件的介绍有利于我们更好的理解程序的编写和程序的进程。这一章节主要讲解该系统操作步骤的相关程序，同时对这些程序进行了具体的注解，以便于理解。详细的PLC程序查阅论文末尾附录。4.1步进电机程序设计及分析程序控制图如下图4-1 控制流程图因为上面的要求，我们能够给出电机在运行的过程图，如图4-1。我们以框图作为依据，思考控制更多的要求，我们先将程序分为4块进行编程，即模块1：步进速度选择；模块2：起动、停止；模块3：正转、反转；模块4：移位控制功能模块；模块:5：A、B、C、D、E五相绕组对象控制。第二步，连接模块，然后进行调试、处理、满足要求。4.2 PLC 程序设计4.2.1 步进控制设计对采用移位指令进行步进控制。第一是确定移位寄存器MW0，依据五相十拍的规律，移位寄存器初值如下。表4-3 移位寄存器初值M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 每次右移，电机就前进一拍，十拍以后再从新开始。其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始终为“0”。所以，我们能给出移位寄存器输出状态还有电机绕组状态的真值表，下图所示。这样我们能得出绕组的关系式：正转时:A相 Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0C 相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3E相 Q0.4= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1反转时:A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0D相 Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2E相 Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.5+M0.4表4-4 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转）移位寄存器MW0正转M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE100000000011100010000000001100001000000001110000100000000110000010000000111000001000000011000000100010011000000010010001000000001011001000000000111000表4-5 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）移位寄存器MW0反转M1.1M1.0M0.7M0