发布时间 : 星期三 文章基于plc控制的步进电机控制系统设计毕业论文设计更新完毕开始阅读4c9bcb1abf23482fb4daa58da0116c175f0e1ed2
(4)上述公式拆解后之单位表示为 → rev/min = pulse/sec ×60 ×1/分割数
FP1有一条SPD0指令，指令配合HSC和Y7的脉冲输出功能便可实现对速度及位置控制[10]。速度控制梯形图见图3-6，控制方式参数见表3-1，脉冲输出频率设定曲线见图3-7。
位置控制：
步进电机不需要位置传感器（SENSOR），就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确的送达指定位置点上。而移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数来决定。脉冲数（PULSE）与移动量间的关系式如下：
位置移动量＝ 步进电机分辨率×输入脉冲数 3.3 脉冲和角度的关系
(1)步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示 式中，M为定子绕组相数；Z为转子齿数；K为通电方式系数，当M相M拍通电时，K=1，当M相2M拍通电时，K=2。 3.4 减小步距角的途径方法
本课题使用的步进电机未细分时能达到的最小步距角为1.5°（三相六拍模式）。转速较高时，由于转子本身的惯性，电机可近似看作匀速转动。但在低速运行时，较大的步距角造成两步之间的时间间隔较长，在下一个电脉冲到来之前转子已经停止转动，由此造成运行的不连续及低频振动。此外实际应用中 1.5°的步距角往往不能满足精度需要，为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，即步进电机的步距角小[9]。
减小步距角有以下四种方法：
(1) 增加步进电机控制绕组的数量。步距角Q与绕组数Mc成反比，Mc越大则Q越小。三相步进电机单拍运行时的步距角为3°（40转子齿），如果采用四相电机，则步距角减小到1.8°（50转子齿）。但是相数越多电机结果越复杂，制造越困难，靠增加相数减小步距角的成本很高。
(2) 增加拍数。即增大状态系数C。状态系数也与步距角成反比，增加拍数相当于增加绕组相数。三相步进电机单三拍运行时步距角为3°，采用三相六拍模式后步距角减小到原来的一半。但步进电机所能实现的拍数同绕组相数直接相关，三相步进电机最多能实现的拍数是六拍，四相电机最多八拍。靠增加拍数减小的步距角有限。
图3-6 速度控制梯形图
S S+1 S+2 S+3 F1 M1 设定初始脉冲频率 设定目标位置对应的脉冲个数
S+4 S+5 S+6 ..... S+N F2 M2 设定下一个脉冲频率 设定下一个目标位置对应的脉冲频率 ...... Fn ....... 设定最终目标频率，该值应为“0” 表3-1 控制方式参数
f/hz
4000 3000 2000
1000 频率常数
0 100 200 300
图3-7 脉冲输出频率设定曲线
(3) 增加转子齿数Zr。由于Zr与步距角Q成反比，增加转子齿数也能减小步距角。但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。
(4) 采用细分电路。对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原来的1/N（N为细分数）。理论上N可以无限增大，从而步距角Q可以无限减小。细分电路对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机，能显著减小步距角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机[11]。
4 三相步进电机控制系统程序设计
本设计中使用的PLC为西门子S7-200 CN系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY，借助于实验室实验平台，选用36BF02型反应式步进电机。
要实现功能：通过PLC控制步进电动机在单步、连续运行的情况下实现三拍、六拍的正、反转运动及实现无级调速。 4.1 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。
（1） 方案一：开环控制系统 开环步进电机控制系统框图4-1
指令脉冲
图4-1开环步进电机控制系统框图
输出
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。
（2） 方案二：半闭环控制系统
半闭环控制系统调试比较方便，并且具有很好的稳定性，不过精度不高，较少使用。半闭环步进电动机控制系统框图4-2。
（3） 方案三：闭环控制系统
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。闭环步进电动机控制系统框图4-3。 4.2 控制流程分析
控制要求：当按钮开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；当按钮开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；当按钮开关拨到三拍时，旋转的角度为3o；当按钮开关拨到六拍时，旋转角度为1.5o；当按钮开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；当按钮开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；当单步要转到连续或是连续转到单步，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)当三拍要转到六拍或六拍要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)当正转要转到反转或反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换(通过编程)[10]。
此设计使用开环控制步进电机。传统的控制系统框图如图4-4所示。
而本课题使用PLC为西门子S7-200 CN系列PLC---CPU224XPCN AC/DC/RLY，可以直接输出脉冲驱动36BF02型反应式步进电机运行，指令可通过程序代替，而“变频信号源”、“脉冲分配器”、“脉冲放大器”则全部由PLC替代，进而取代了具有以上四项功能的驱动器，使得控制十分简单，所以本课题的控制框图可简单用图4-5表示。 指令脉冲 输出 ＋
－ 速度反馈
位置反馈
图4-2 半闭环步进电动机控制系统框图
(2)三相步进电机流程图如图4-6所示。
指令脉冲 输出
速度反馈
位置反馈
图4-3 闭环步进电动机控制系统框图
指令脉冲
图4-4 传统的控制系统框图
图4-5 基于PLC的步进电机控制系统框图
图 4-6三相步进电机流程图
5 硬件的设计
5.1 确定I/O点数
PLC的输入信号包括启动开关、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，以及暂停开关共9个。
PLC的输出信号有三个输出继电器，根据I/O端子的数量和种类，选择FX2-32MR PLC机一台。
（1）画系统框图，PLC控制步进电机系统框图5-1。
控制面板上的位置按钮控制移动的距离，在控制面板上设定好移动距离、速度和方向等参数后，PLC读入这些设定值，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、速度和方向控制的最终目的。
（2）I/O分配表，根据控制面板和相应的命令，作I/O分配表5-1。
图5-1 PLC控制步进电机系统框图
表5-1 I/O分配表
元 件 S0 S1 S2 S3 S4 I/O号 X0 X1 X2 X3 X4 信号定义 启动 慢速 中速 快速 正反转 元 件 SB S6 S7 S8 S9 I/O号 X5 X6 X7 X8 X10 信号定义 单步 10步 100步 100000步 暂停