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1、1 任务分析1.1分析控制对象三相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、反转及其它任何运行方式改变，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。1.2三相步进电机的控制要求 三相的控制要求如下： 能对三相步进电动机的转速进行控制； 可实现对三相步进电动机的正反转控制； 能对三相
2、步进电动机的步数进行控制；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：半闭环控制系统图2.2 半闭环步进电动机控制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
3、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控制三相步进电动机。3 步进电动机的选择现在比较常用的步进电机包括反应式步进电动机，永磁性步进电动机，混合式步进电动机和单相式步进电动机。永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电动机一般为三相，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。反应式步进电动机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁
4、导的变化产生转矩。混合式步进电动机是指混合了永磁式和反应式的特点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度，这种步进电动机的应用也较为广泛。由于本设计用PLC控制三相步进电动机，故选用36BF02型反应式步进电动作为控制对象，三相步进电动的步距角为/ 。此电机有如下特点：1反应式步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2反应式步进电机外表允许的最高温度在摄氏80-90度。 3反应式步进电机的力矩会随转速的升高而下降 4反应式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。 此外，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
5、情况下能够正常启动的脉冲频率，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。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。4 三相反应式步进电机工作原理三相反应式电动机工作原理:反应式步进电动机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕组，其几何轴线依次分别与转子错开0，（相邻两个转子齿轴线间的距离为齿距，以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开，C与齿3向右错开，（与A是同一电极）与齿5相对齐，图3-1所示是反应式步进电机定转子的展开图。图3-1 反应式步进电机
6、定转子展开图如果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；如果B相通电，A、C相不通电，则齿2应与B对齐，此时转子向右移动，齿3与C偏移，齿4与A偏移；如果C相通电，A、B相不通电，则齿3应与C对齐，此时转子又向右移过，齿4与偏移；继续进行下去，A相通电，B、C相不通电，则齿4与对齐，转子又向移过。这样经过A，B，C，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，A，通电，电机就每步，向右旋转。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
7、、噪声及减小角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种通电状态，这样将原来每步改变为。因此本设计采用PLC控制三相六拍步进电动机，来实现电机的速度、正反转、以及步数的控制。5 硬件的设计5.1确定I/O点数 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的输出信号有三个，即三个输出继电器。 根据I/O端子的数量和种类，选择FX2-32MR PLC机一台。5.1.1画系统框图图5-1 PLC控制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
8、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。5.1.2 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S8X8100000步S4X4正反转S9X10暂停SARUN5.2绘制I/O端子接线图图5-2 PLC I/O配置及接线图5.3步进电机驱动电路PLC控制步进电机常用的形式有普通型通用PLC控制和PLC专用步进驱动模块控制等两
9、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，
10、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 软件的设计三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实现6.1.1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，再通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，
11、其接通顺序为：该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是：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。6.1.2正反转控制 步进电机的正反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，三相六拍步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A时电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时电机反转。因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环形分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。即通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0、Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转控制。正转： 反转：6.1.3
12、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。 式中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，控制六拍时序脉冲数，以实现对步进电动机步数的控制。6.2设计梯形图PLC控制三相六拍步进电机的梯形图如图6-1所示 图6-1 三相六拍步进电动机控制的梯形图6.2.1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状态随脉冲向右移动，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环形分配器使Y
13、0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，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，产生六拍时序脉冲，并通过三相环形分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，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，产生六拍时序脉冲，并通过三相环形分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电机开始快速步进运行。6.2.2正反转控制过程 先接通正、反转开关S4，再重复上述转速控制操作。6.2
14、.3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S0，六拍时序脉冲及三拍六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，六拍时序脉冲、三相六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S0，六拍时序脉冲及三拍六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，六拍时序脉冲、三相六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。6.3调试运行程序将图6-1转换成表6.1的程序，将该程序写入PLC的RAM，并调试运行该程序。表6.1 PLC控制三相步进电动机程序0 LDI T0 1 OUT TO K104 LDI T15 OUT T1 K58 LDT T29 OUT T2 K212 LD X00513
