步进电机系统设计方案总体设计说明Word格式文档下载.docx
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当步进驱动器接收到一个脉冲信号时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”），其旋转以固定的角度运行。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的;
同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。
步进电机作为一种控制用的特种电机，因其没有积累误差（精度为100%）而广泛应用于各种开环控制。
可编程序控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优
点，是实现机电一体化的理想控制装置。
通过对步进电机定位与PLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脉冲输出实现步进电机位置控制功能的有关见解与方法，介绍了步进电机加减速控制原理以与用
PLC实现步进电机快速精确定位的方法，给出了位置控制系统方案与软件设计思路，在实验室运行通过，对于工矿企业实现相关步进电机的精确定位控制具有较高的应用与参考价值
1.1两自由度X-Y工作台精确定位的背景与发展
随着现代微科技技术的发展，研制定位精度高、测量围大、
运动平面度高的二自由度工作台，即X-Y移动工作台具有重要现实的意义。
精确定位技术的发展，不仅在精密测量、半导体光刻方面需要十分精确的定位和非常精细的运动，其他如微型机械、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域都需要精密工作台的协同运动，因此研究两自由度X-Y工作台精确定位成为当务之急。
在电机驱动工作台精确定位的系统中，可以利用现代控制理论的新发展，选择合适的控制方法，在不断更新设备的情况下同时提高对工作台的精确定位。
1.2设计的意义和目的
随着现代技术的发展，特别是微型计算机的普与和应用，使现代机械加工技术发生了深刻的变化，这种变化主要涵盖两个方面，一是想着提高产品加工的生产效率为主的高度自动化的方向发展，另一个是向着提高产品质量为主的精度化的方向发展。
而由于现代机电设备结构的复杂化，融机、电、光、液等技术于一体，功能也越来越复杂，越来越完善，在这种情况下如何提高产品的加工质量成为机械行业迫切需要解决的问题，而精确定位两自由度X-Y工作台作为加工机床的关键部分，具有它广泛的研究围和经济的研究价值，对于提高生产效率和生产精度等提高生产的方面的发展具有深刻的意义。
基于高速脉冲对两自由度X-Y工作台的精确定位，是一种方便、实用、和低成本的有效方法，这也是本设计研究目的之所在。
1.3设计的主要原理与方案要点
1.3.1主要原理
本设计主要以两自由度X-Y工作台的精确定位作为研究对象，通过PLC可编程控制器与接口电路相连接，发送高速脉冲指令，通过驱动装置驱动步进电机带动XY工作台的动作。
工作原理图如下所示：
1.3.2方案要点
（1）两自由度X-Y工作台控制系统的设计。
PLC可编程控制器作为本设计的关键部分，必须有合理精确的程序作为控制指令。
（2）
（3）
第二章系统方案总体设计
2.1设计思想
利用PLC的高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位，目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的高速脉冲输出指令，可以很方便地和步进电机构成运动定位控制系统。
由PLC高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位的实质是PLC通过高速脉冲输出指令PTO/PWM输出高速脉冲信号，经步进电机脉冲细分驱动器控制步进电机的运行，从而推动工作台移动到达指定的位置，实现准确定位。
工作台移动的距离与PLC脉冲数之间的关系为：
式中：
N为PLC发出的控制脉冲的个数;
n为步进电机驱动器的脉冲细分数（如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动）;
θ为步进电机的布距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度;
d为丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离;
δ为脉冲当量（定位精度）;
i为传动速比;
L为工作台移动的距离。
显然，利用PLC控制步进电机实现准确定位的关键是对PLC产生的脉冲数的设定。
而脉冲数与脉冲当量、传动速比、步进电机驱动器的细分数以与脉冲频率等都有关。
2.2设计要求
假设以货物仓储系统中的对直线导轨的定位控制设计为例加以说明。
在仓储系统中，要求由步进电机拖动直线导轨将料块送到指定的仓库门口。
假设从起点到终点的运送距离为100mm，即要求由步进电机带动导轨作直线运动，定位距离为100mm。
为实现准确定位，本设计应注意以下要求
2．2.1对PTO的要求
系统采用西门子S7-200系列CPU224型PLC、四通57BYG250C混合式步进电机和森创SH-20403步进电机驱动器等设备。
其中CPU226型PLC的CPU有两个脉冲发生器，分别是Q0.0端子和Q0.1端子。
这两个端子均可输出PTO/PWM高速脉冲信，脉冲频率可达20kHz。
根据控制要求，系统拟采用高速脉冲串输出PTO功能，PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方波信号。
输出脉冲的周期以μs或ms为增量单位。
PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。
流水线分为两种：
单段流水线和多段流水线。
2.2.2对步进电机的要求
为了消除电机的低频振荡，提高分辨率，采用了步进电机细分驱动器，驱动步距角为0.9°
/1.8°
，脉冲细分数设定为4。
为保证速度和定位精度要求，步进电机运行一般要经历三个过程，即启动加速、恒速运行和接近定位点时的减速运行。
为了维护步进电机以与驱动设备，要求驱动脉冲频率也线性增大，所以，本定位控制系统采用多管线操作，控制电机的运行过程。
设直线导轨起始位置在A点，现欲从A点移至D点，其中AD=100mm。
定位精度只与步进电机脉冲当量有关，取脉冲当量为0.11mm/脉冲，则需要900个脉冲完成定位。
步进电机运行过程中，要从A点加速到B点后恒速运行，又从C点开始减速到D点完成定位过程用200个脉冲完成升频加速，500个脉冲恒速运行，200个脉冲完成降频减速。
如图2所示。
2.3设计步骤（总体到局部，小到大，软件到硬件）
2.3设计组成部分的选择
（1）PLC类型的选择。
首先，PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式。
其次，PLC输出最高脉冲频率大小必须满足控制要求。
（2）步进电机脉冲细分驱动器的选择与参数设置。
（3）步进电动机的选择。
首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是品种选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以与有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。
在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Ti、额定转矩TN和运行频率fy，以确定步进电机的具体规格和控制装置。
（4）脉冲当量的计算。
第三章设计方案论证
3.1方案选择的多样性
当今世界，随着计算机和微机电系统的快速发展以与对生产加工的要求，实现对工作台精确定位的方法也越来越多，如：
基于传感器换向的两自由度工作台的精确定位、利用PLC的PID指令与软、硬件配合实现准确定位、利用PLC的EM253模块实现的准确定位等。
这些方案对工作台的精确定位都从某一角度作出了比较好的诠释。
3．2方案选择的优越性
然而在本设计中，利用PLC的高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位，基于高速脉冲对两自由度X-Y工作台的精确定位，是一种方便、实用、和简单的有效方法，加之我们通过的这种控制方式属于对步进电机的一种开环控制，其优点是结构简单、成本低、定位准确、易于实现等。
这也是本设计选择其作为两自由度X-Y工作台精确定位的方案之所在。
第四章硬件设计
4.1PLC
4．1.1PLC简介
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与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。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
可以预料：
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行与信息与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
4.1.2PLC的工作原理
PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出与时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC不还要完成部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段，如图4-6所示。
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
图4-6扫描工作方式
2.扫描工作周期
在工作状态下，执行一次图4-6所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。
其典型值为1-100ms。
输入采样阶段。
PLC首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入存中各对应的输入映像寄存器中。
此时，输入映像寄存器被刷新。
接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新容。
程序执行阶段。
根据PLC梯形图程序”先左后右，先上后下”扫描原则进行逐句扫描。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
当指令中涉与输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。
对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而变化。
输出刷新阶段。
在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
3.输入输出滞后时间
输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时间到它的
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