基于plc的步进电机控制系统设计说明.docx

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基于plc的步进电机控制系统设计说明

基于PLC步进电机控制系统

摘要

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。

研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

步进电机是将电脉冲信号变换成机械角位移的一种装置，每个脉冲使转轴步进一个步距角增量，输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲成正比，转速与输入脉冲频率成正比。

步进电机的控制方式简单，属于开环控制，且无累积定位误差，有较高的定位精度，而PLC作为一种工业控制微机，是实现电机一体化的有力工具，因此基于PLC的步进电机控制技术已广泛用于数字定位控制中。

本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。

其中，硬件设计主要包括步进电机的工作原理、步进电机的驱动电路设计、PLC的输入输出特性、PLC的外围电路设计以及PLC与步进电机的连接与匹配等问题的实现。

软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制。

本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

关键词　：

步进电机、PLC、转速控制、方向控制

SteppingmotorcontrolsystembasedonPLC

Abstract

Withthedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,thesteppermotorisincreasingdemanded,whichiswidelyusedinprinters,electrictoysandotherconsumerproducts,andCNCmachinetools,industrialrobots,medicalequipmentandotherelectricalmachineryproducts,andisappliedinthenationaleconomyinvariousfields.Researchingofsteppermotorcontrolsystemtoimprovethecontrolaccuracyandresponsespeed,energyconservationissoimportant.

SteppermotorisadevicewhichwilltransformelectricalpulsesintomechanicalangulardisplacementsothatShaftofeachpulsetoastepanglesteppingincrement,SOoutputangulardisplacementisproportionaltotheinputpulses,speedisproportionaltotheinputpulsespeedandspeedisproportionaltoinputpulsefrequency.Steppermotorcontrolissimple,isopen-loopcontrol,andnoaccumulationofpositioningerror,ahighpositioningaccuracy,andthePLCasanindustrialcontrolcomputer,isapowerfultoolfortheintegrationofthemotor,Therefore,thesteppermotorcontrolbasedonPLCtechnologyhasbeenwidelyusedfordigitalpositioningcontrol.

Thecontrolsystemconsistsofhardwareandsoftwaredesignoftwoparts.Amongthem,thehardwaredesignincludestheworkingprincipleofsteppermotor,steppermotordrivecircuitdesign,PLCinputandoutputcharacteristics,PLCandPLCexternalcircuitconnectionwiththesteppermotorandmatchingProblem.Softwaredesign,includingthemainprogramandeachmoduleofthecontrolprogram,ultimatelyrealizesonthesteppermotorrotationdirectionandrotationspeedcontrolThissystemhastheintelligence,practicalityandreliabilityfeatures.

Keywords　：

Steppermotor,PLC,speedcontrol,directioncontrol

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摘要I

AbstractII

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第1章绪论

1.1课题背景

在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。

无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。

因此对电动机的控制变得越来越重要了。

电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使电动机控制技术化。

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。

驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。

通俗地说:

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）,混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

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7.50;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1.50，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相:

两相步进角一般为1.8“而五相步进角一般为0.720。

这种步进电机的应用最为广泛。

1.2问题的提出

二十一世纪的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。

尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。

它广泛用于消费类产品（打印机、照相机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。

研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

为此，本文设计了一个基于PLC的步进电机控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。

1.3设计目的及系统功能

设计的目的是以单片机为核心设计出一个步进电机控制系统。

本系统采用FX2N系列PLC作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。

通过本课题，一方面我们在查阅资料的基础上，了解FX2N系列PLC控制的一些基本技术，掌握其控制系统的分析方法与实现方法,能对PLC外围电路设计进行系统学习与掌握；另一方面，通过设计步进电机控制系统的硬件电路，控制程序和相应的电路图，以此培养自己的自学和动手能力，从而为今后参加工作或进一步深造打下良好的基础。

设计的步进电机控制系统有以下功能：

1.步进电机的启停控制

2．步进电机的正反转控制

3.步进电机的加速控制

4.步进电机的减速控制

5.步进电机通电方式改变的控制

第2章PLC及步进电机的概述

2.1PLC的基本概念

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

2.2PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

　　a.中央处理单元（CPU）

　　中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

　　为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

　　b、存储器

　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

　　存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

　　C、电源

　　PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

2.3PLC的特点

（1）高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

⑵配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

⑶易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

⑷系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

⑸体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.4步进电机的特性

步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。

从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。

总体上说，步进电机有如下优点：

⑴不需要反馈，控制简单。

2．与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。

3．没有角累积误差。

4．停止时也可保持转距。

5．没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。

6．即使没有传感器，也能精确定位。

7．根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。

但是，这种电机也有自身的缺点。

8．难以获得较大的转矩

9、不宜用作高速转动

10．在体积重量方面没有优势，能源利用率低。

11．超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

2.5步进电机的种类

目前常用的步进电机有三类：

1、反应式步进电动机（VR）。

采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。

2、永磁式步进电动机（PM）。

转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。

用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。

它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

3、混合步进电动机（HB）。

这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。

此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

2.6反应式步进电机的控制

反应式步进电机，是一种传统的步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。

　　反应式步进电机工作原理比较简单，转子上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。

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。

市场上一般以二、三、四、五相的反应式步进机居多。

应用领域：

反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、阀门控制、核反应堆、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。

图2-2四相反应式步进电动机的结构

图2-2是一台四相反应式步进电机的结构示意图。

定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个均匀分布的磁极，每个磁极上又有若干小齿（本例为5个）。

各个磁极上套有线圈，径向相对的两个磁极上的线圈是一相。

转子也是由硅钢片叠成的，若干小齿（本例为50个）在圆周上均匀分布，但转子上没有绕组。

根据工作要求，定子小齿的齿距必须等于转子小齿的齿距，且转子的齿数有一定限制。

定义每个小齿所占有的角度为齿距角：

………………………………………………………………（2-1）

式中

为齿距角。

为转子小齿数。

定子一个极距所对的转子小齿数为：

……………………………………………………………………（2-2）

式中m为相数。

设电机为四相四拍通电方式。

当A相控制绕组通电时，产生了沿A-A’极轴方向的磁通，由于磁通力图通过磁阻最小路径，使转子的作用而转动，直到转子磁轴线和定子磁极A-A’上的磁轴线对齐为止。

因为转子共有50个齿极，每个齿距角

，定子一个极距所对的转子齿数为

，不是整数，因此当A-A’极下的定、转子齿轴线对齐时，相邻的两对磁极B-B’和D-D’极下的齿和转子齿必然错开1/4齿距角，即

。

这时，各相磁极的定子齿与转子齿的相对位置如图2-3所示。

如果断开A相而接通B相，产生沿B-B’极轴线方向的磁通，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向转过

，是转子齿轴线和定子磁极B-B’下的齿轴线对齐。

这时，A-A’和C-C’极下的齿与转子齿又错开

。

以此类推，控制绕组按A→B→C→D→A…的顺序循环通电时，转子就按顺时针方向一步一步连续地转动起来。

没换接一次绕组，转子转过1/4齿距角。

0

图2-3A相通电时定、转子齿的相对位置

显然，如果要使步进电机反转，只要改变通电顺序，即按A→D→C→B→A…的顺序循环通电时，则转子便按逆时针方向一步一步地转动起来，步距角同样为1/4齿距角，即

。

如果运行方式改为四相八拍，通电方式为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…，即单相通电和两相通电相间时，步距角为四相四拍运行时的一半，即

。

当步进电机运行方式为四相双四拍时，当AB→BC→CD→DA→AB…方式通电时，步距角与四相单四拍运行时一样，为1/4齿距角，即

。

由此可见，步进电机的步距角

由转子齿数

、定子相数m和通电方式所决定，即：

……………………………………………（2-3）

式中C——状态系数，采用单双通电方式时C=2,采用单或双通电方式时C=1。

N——拍数。

既然每个控制脉冲使步进电机转过一个

，电机实际角位移

应为：

式中N’——控制脉冲的个数。

若步进电机所加的通电脉冲频率为f，则其转速为：

……………………………………………………（2-4）

由于在一个通电循环内控制脉冲的个数为N（拍数），而每相绕组的供电脉冲个数却只有一个，因此定子相绕组的供电频率

为：

可见，步进电动机在不失步、不丢步的前提下，其转速和转角与电压、负载、湿度等因素无关，因而步进电机可直接采用开环，简化控制系统。

2.7本设计所用步进电机

本设计中所用的是三相反应式步进电动机，其工作原理与上述四相步进电动机相同。

其转子小齿为80个，因此齿距角

。

其采用三种运行方式，分别为“三相单三拍”、“三相单双六拍”和“三相双三拍”。

三相单三拍的通电顺序为A→B→C→A…,不断接通与断开控制绕组，转子就按顺时针方向一步一步地转动起来，每换接一次绕组，转子转过1/3齿距角，即

。

如果要使电动机反转，只要改变通电顺序，即按A→C→B→A…顺序循环通电。

当运行方式改为三相单双六拍时，通电方式为A→AB→B→BC→C→CA→A…,即单相通电与两相通电相间，步距角为三相单三相运行时的一半，即

。

其三相绕组的波形图如2-4所示。

当步进电机反转时，其通电方式应该为A→AC→C→CB→B→BA→A…,其步进角与正转相同。

当步进电机再改为三相双三拍运行时，其通电方式为AB→BC→CA→AB…，步距角与三相单三拍时一样，为1/3齿距角，即

。

当其反转时，通电方式改变为AB→AC→CB→BA…。

图2-4步进电机两相绕组的电流脉冲波形

第3章硬件电路设计

3.1硬件设计思路

步进电机控制系统共分为三个模块：

按键控制模块、数码显示模块、步进电机驱动模块。

键盘控制模块包括启动键、停止键、点动控制键、速度控制键、方向控制键和步进电机通电方式改变的控制。

其中启动键接于PLC的X0端口；键接于PLC的X1端口；点动控制键接于PLC的X2端口，实现对步进电机的点动控制；而速度控制键分为4个不同的速度等级，有小到大分别接于PLC的X3、X4、X5和X6端口，实现对步进电机在不同转速下运行的控制要求；方向控制键接于PLC的X7端口，实现对步进电机正反转的控制；通电方式改变按钮接于PLC的X8端口，实现对步进电机通电方式改变的控制。

数码显示模块采用共阳极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。

利用三极管为数码管的com端提供高电平。

PLC的Y3-Y6端口提供数码管的段选信号，PLC的Y7-Y10端口控制数码管的位选信号。

步进电机驱动模块采用恒频斩波细分驱动电路，通过接收PLC发出的脉冲信号来控制步进电机完成各种操作。

由于本设计中采用三相反应式步进电机，因此需要采用三支完全相同的驱动电路分别控制电机两相绕组的电流，而由PLC的Y0、Y1和Y3端口分别提供控制两相绕组的脉冲信号。

3.2总设计图框

总设计图如图2-1所示。

图3-1总体设计框图

说明如下：

1.PLC接受键盘信息，改变系统内部变量值。

2.PLC输出脉冲信号，控制步进电机转动。

3.PLC根据步进电机实际转动值，控制数码管显示。

3.3外围电路设计及分析

键盘在单片机应用系统中能实现向PLC输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。

键盘实质是一组按键开关的集合。

键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。

机械开关应接到PLC的开关量输入接口进行开关控制，PLC的开关量输入接口的作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。

开关量输入接口按可接纳的外信号电源的类型不同可分为直流输入单元和交流输入单元，如图2-5、图2-6所示。

图3-2直流输入单元

图3-3交流输入单元

从图中可以看出，输入接口中都有滤波电路及耦合电路。

滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。

图中输入口的电源部分都画在了输入口外（虚线框外），这是分体式输入口的画法，在一般单元式可编程控制器中，输入口都使用可编程本机的直流电源