西门子PLC的步进电机直接控制设计开题报告Word文件下载.docx

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黄云龙、朱秋琴、廖东

报告日期：

2007.6.7

1、本课题所涉及的问题在国内（外）的研究现状综述：

可编程控制器（PLC）发展现状：

可编程控制器（简称PLC）是种数字运算操作的电子系统,是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。

它采用可编程序的存储器,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。

PLC自产生至今只有30多年的历史,却得到了迅速发展和广泛应用,成为当代工业自动化的主要支柱之一。

产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。

老式的继电器控制系统已无法满足这一要求,迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。

PLC的特点：

（1）、通用性强,使用方便。

由于PLC产品的系列化和模块化,PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。

当控制对象的硬件配置确定以后,就可通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。

（2）、功能性强,适应面广。

现代PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能,而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理等功能。

因此,它既可对开关量进行控制,也可对模拟量进行控制,既可控制1台生产机械、1条生产线,也可控制1个生产过程。

PLC还具有通讯联络功能,可与上位计算机构成分布式控制系统,实现遥控功能。

（3）、可靠性高,抗干扰能力强。

绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。

针对PLC是专为在工业环境下应用而设计的,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。

硬件方面,隔离是抗干扰的主要措施之一。

PLC的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号,使外部电路与CPU之间无电路联系,有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响,同时,还可以防止外部高电压窜入CPU模块。

滤波是抗干扰的另一主要措施,在PLC的电源电路和I/O模块中,设置了多种滤波电路,对高频干扰信号有良好的抑制作用。

软件方面,设置故障检测与诊断程序。

采用以上抗干扰措施后,一般PLC平均无故障时间高达4

万～5万小时。

（4）、编程方法简单,容易掌握。

PLC配备有易于接受和掌握的梯形图语言。

该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。

（5）、控制系统的设计、安装、调试和维修方便。

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。

PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试,调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,进行联机统调。

在维修方面,PLC的故障率很低,且有完善的诊断和实现功能,一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障,就可根据PLC上发光二极管或编程器上提供的信息,迅速查明原

因。

若是PLC本身问题,则可更换模块,迅速排除故障,维修极为方便。

（6）、体积小、质量小、功耗低，由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品,因而结构紧凑,坚固,体积小,质量小,功耗低,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。

因此,PLC很容易装入机械设备内部,是实现机电一体化较理想的控制设备。

控系统,既具有较高的控制精度,良好的控制性能,又能稳定可靠地工作。

因此,在数字控制系统出现之初,步进电动机经历过一个大的发展阶段。

步进电机驱动技术及现状：

虽然步进电机是一种数控元件。

易于同数字电路接口。

但是，一般数字电路的信号能量远远

不足以驱动步进电机!

必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机，步进电机本体和进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统，多年来，随着电力电子技术自动化控制技术以及计算机国内外围绕步进电机驱动电路做了大量的研究与开发。

（1）、驱动电源的发展及国内研制概况：

步进电机驱动电源同步进电机本身是一个整体。

其性能好坏直接影响步进电机系统性能的优劣。

驱动电源性能的好坏及可靠性，在很大程度上与末级功放所用的功率元件直接相关。

最初使用的末级功放元件是可控硅，近年来随着大功率晶体管的发展一般不再采用。

晶体管具有控制方便调试容易，开关速度快以及元件损耗小等优点，并且由于采用先进的设计，晶体管的开关特性和耐压过流能力有了相当大的改进。

因而近几年国内外绝大多数的驱动电源使用晶体三极管作为末级功放元件近年来，由于形槽金属氧化物半导体场效应晶体管综合了大功率双极晶体管和场效应晶体管的优点，具有大功率高耐压高增益的特点，且没有少数载流子存储时间和温度失控并有显著的抑制二次击穿特性，因而使用它可大大提高驱动电源的可靠性，随着成本的降低及使用经验的积累，越来越多的驱动电源将会使用，作为末级功放元件，驱动电源电路结构的发展不同形式的功率放大电路对电机性能的影响各不相同，这种不同形式的功率放大电路的差别主要是功率放大电路中不同的输出级结构。

（2）、步进电机驱动电路：

由控制电路产生步进电机所需要的电脉冲信号,脉冲分配器把电脉冲信号按规定的方式分配给步进电机各相励磁绕组,使各相励磁绕组轮流接受脉冲信号的控制。

控制电路经脉冲分配后输出的信号很低,不能提供步进电机所需的输出功率,必须经过功率驱动部分进行放大。

脉冲分配部分可以由硬件电路组成,也可以由软件实现。

当脉冲分配由硬件实现时,步进电机的驱动系统包括脉冲分配和功率驱动两个部分;

当脉冲分配由软件实现时,步进电机驱动系统实际上只包含功率驱动部分,控制电路多由微机及接口电路组成，如本课题“西门子

PLC步进电机的直接控制”就是由软件实现的。

PLC控制步进电机技术的现状：

随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。

继续沿着小型化的方向发展。

随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。

对电动机进行综合设计。

即把转子位置传感器,减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起,这样使其能方便地组成一个闭环系统,因而具有更加优越的控制性。

向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。

而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。

目前利用可编程序控制器（即PLC技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。

2、设计（论文）要解决的问题和拟采用的研究方法：

（1）、系统整体方案的确立

（2）、系统软件与硬件的设计

（3）、元件的选取

系统的方案包括步进电机运动控制方案，PLC脉冲控制方案。

本课题选用PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机的控制。

步进电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 ,每当对其施加一个电脉冲时,其输出轴便转过一个固定的角度。

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（即脉冲频率）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的相序,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的改变,都在少数脉冲内完成,且可获得较高的控制精度,因而得到了广泛应用。

步进机分为反应式、永磁式和混合式等。

步进电机的PLC直接控制方式：

这种控制方式的优点是大大减少系统设计的工作量,不存在各部分接口信号的匹配问题,提高系统的可靠性。

整个控制系统由PLC和步进电机组成。

PLC具有实时刷新技术,输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高,使得脉冲分配能有很高的分配速度,充分利用步进电机的速度响应能力,提高整个系统的快速性。

并且,PLC有采用大功率晶体管的输出端口,能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、

1A级脉冲电流的驱动要求。

PLC直接控制步进电机系统设计时,在PLC和步进电机选型前,必须计算出脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量3个参数:

脉冲当量=步进电机步距角×

螺距360×

传动速比脉冲频率上限=移动速度×

步进电机细分数脉冲当量最大脉冲数量=移动距离×

步进电机细分数脉冲当量

根据脉冲频率确定PLC高速脉冲输出频率,根据脉冲数量确定PLC的位宽。

考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命,PLC应选择晶体管输出型。

步进电机细分数一般可选择2、5、10、25细分,以避开电机的共振频率。

编制PLC控制程序时将传动系统的脉冲当量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量,以便现场调整。

3、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路

重点研究与关键问题：

PLC控制脉冲与电机运动状态的对应关系：

解决思路：

控制具体原理如下:

如下图所示，环形分配程序通过输出端口A、B、C进行环形脉冲分配,从而控制接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断,形成旋转磁场,使步进电机转动。

步进电机的转动，由于步进电机是电感性负载,直流电阻很小,故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏，PLC端口,即A、B、C所对应的大功率晶体管。

当A、B、C所对应的大功率晶体管按:

A—AB—B—BC—C—CA—A……次导通、断开时,步进电机正转。

按:

A

—AC—C—CB—B—BA—A……依次导通、断开时,步进电机反转，即步进电机可以按三相六拍工作。

每当步进电机走一步,环形脉冲分配程序的步数减一,当步数减为零时,停止环形脉冲分配,等待下一次的脉冲输入。

图 步进电机基本图样

4、完成本课题所必须的工作条件（如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等）及解决的办法：

本课题运用到的了以下书籍：

[1]孙涵芳，徐爱卿.MSC-51/96系列单片机原理与应用.北京:

北京航空航天大学出版社,1988

[2]何立民.MSC-51单片机应用系统设计.北京:

北京航空航天大学出版社,1991

[3]吴之美.MicrosoftWindows3.1程序员参考大会.北京:

清华大学出版社,1993

[4]应钢,关海,伍能鹏.PLD/GAL可编程逻辑器件原理和