基于PLC的步进电机控制系统设计Word格式.docx
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完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，或A-B-C-D-A；
四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
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。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
定位转矩：
电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。
静转矩：
电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。
此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。
虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。
（2）步进电机动态指标及术语
步距角精度：
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示，即（误差/步距角）*100%。
不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。
失步：
电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。
失调角：
转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
最大空载起动频率：
电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率：
电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
运行矩频特性：
电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。
电机的共振点：
步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。
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7.5度或15度。
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1.5度，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度，而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛。
步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。
现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台。
当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展。
趋势一，是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，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。
瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。
趋势二，是改圆形电动机为方形电动机。
由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。
同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％。
趋势三，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能。
趋势四，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精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。
为了得到更高精度的控制，出现了脉冲细分控制，这种控制方式可以消除电机失步和共振，满足更高精度要求的控制。
其实步进电机控制中已蕴含了细分的机理。
如三相步进电机按A→B→C……的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。
而按A→AC→C→CB→B→BA→A……的顺序通电，则为半步工作。
以A→B为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。
显然，IAB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由θb变为0.5θb，从而也就实现了2步细分。
由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。
1.2.2PLC方面
（1）PLC的国内外状况
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器,将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；
从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；
从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
PLC是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作系统。
它采用可编程序的存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数及算术运算等操作指令，通过数字量、模拟量输入与输出，控制机械运动和生产过程。
可编程控制器，简称PLC（Programmablelogic Controller）,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。
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）PLC的特点
（a）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，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。
（b）可靠性高，抗干扰能力强
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，采用优质的电子元件与合理的系统结构设计，内部电路采取光电隔离、数字滤波、故障诊断等硬件措施，具有很高的可靠性。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间很长。
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，使得整个系统具有极高的可靠性。
还特别设立了警戒时钟WDT，PLC系统对警戒时钟进行定时刷新，一旦出现死循环，PLC能自动重新启动，对软件程序和硬件进行检查，给出错误报警，避免了个人电脑和单片机经常出现的死机现象。
（c）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周期大为缩短，同时维护变得容易起来。
更重要的是可以使同一设备经过改变程序改变生产过程。
（d）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，为面向工矿企业的工业控制设备。
接口简单容易，编程语言易于为工程技术开发人员接受。
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。
（e）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。
（3）PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：
（a）开关量的逻辑控制
PLC取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、订书机械、印刷机、磨床、组合机床、包装生产线、电镀流水线等。
（b）运动控制
PLC可以用于直线运动或者圆周运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或者伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都具有运动控制功能，广泛用于各种机械、机器人、机床、电梯等场合的
模拟量控制。
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制,数据处理。
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、逻辑运算、函数运算）、数据转换、数据传送、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型工业控制系统，如无人控制的柔性制造系统；
也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（c）过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
（d）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有串口通信接口，通信非常方便。
如果需要远程控制，可以利用终端服务器进行远程控制。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：
微型：
32I/O；
小型256I/O；
中型：
1024I/O；
大型：
4096I/O；
巨型：
8192I/O。
在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；
从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；
从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；
从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；
从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
2 基于PLC的步进电机控制系统设计
2.1系统的组成及功能
本设计中使用的PLC为西门子S7-200CN系列PLC---CPU224XPCNAC/DC/RLY，借助于实验室实验平台，选用36BF003型步进电动机。
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。
2.2 步进电机特性
2.2.1步进电机简介
本课题采用的电机是36BF003型三相步进电动机，其步距角为1.5°
/3°
，额定电压为27V，电流为1.5A，保持转矩为0.078（0.8）N.m，空载启动频率为3100HZ。
其转矩频率特性如图2.1所示。
图2.1转矩频率特性图
2.2.2步进电机工作原理介绍
（1）步进电机结构
步进电机结构剖面图如图2.2所示。
图2.2步进电机结构剖面图
电机转子均匀分布着40个小齿，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。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A相与齿1相对齐，B相与齿2向右错开1/3て，C相与齿3向右错开2/3て，A'
与齿5相对齐，（A'
就是A，齿5就是齿1），定转子的展开图如图2.3所示。
图2.3定转子的展开图
（2）旋转过程
如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（以下均同）。
如B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て，这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）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（每脉冲）1/3て,向右旋转。
如按A、C、B、A……通电，电机就反转。
其通电状态如图2.4所示。
图2.4通电状态图
由此可见，电机的位置和速度由通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由通电顺序决定。
不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。
甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出：
电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m，2/m……（m-1）/m，1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。
（3）力矩
电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比，其磁通量Ф=Br*S，Br为磁密，S为导磁面积，F与L*D*Br成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径，Br=N·
I/R，N·
I为励磁绕组安匝数（电流乘匝数），R为磁阻。
力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）。
因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
2.2.3步进电机运行方式
36BF003型步进电动机的运行状态如表2.1所示。
表2.1步进电动机的运行状态
单步
三拍
六拍
正转
反转
启动
停止
连续
2.2.4步进电机控制方式
36BF003型步进电动机的三个绕组分别用A、B、C表示。
三拍运行时，正转通电顺序为A→B→C→A…，反转通电顺序为C→B→A→C…；
或正转通电顺序为AB→BC→CA→AB…，反转通电顺序为AC→CB→BA→AC…。
六拍运行时，正转通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…；
反转通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A…。
2.2.5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，
θ=3600/M*Z*K（2.1）
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。
本课题所用为三相电机，由参数表可以推算出它的齿数
J3=360度/3*30=40个
或J6=360度/6*1.50=40个
（2）频率关系和转速的关系
n=60f/M*Z*K（2.2）
式中，M、Z、K同上；
n为每分钟转速r/min；
当M相M拍通电时，K=1，当M相2M拍通电时，K=2。
2.3PLC介绍
2.3.1PLC基本情况简介
本课题使用PLC为西门子S7-200CN系列PLC---CPU224XPCNAC/DC/RLY。
其基本情况为：
CPU224XPCN，24VDC电源，24VDC输入，24VDC输出，6ES7214-2AD23-0XB8，集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。
22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，4个上升沿和4个下降沿边沿中断，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等，是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU，用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。
2.3.2功能介绍
S7-200CN系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
如：
冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统。
S7-200CN系列表现出有极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。
2.3.3软件简介
S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。
STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。
加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。
操作系统为Windows95以上的操作系统。
计算机配置为IBM486以上兼容机，内存8MB以上，VGA显示器，至少50MB以上硬盘空间。
通信电缆用一条PC/PPI电缆实现可编程控制器与计算机的通信。
STEP7-Micro/WIN32编程软件包括Microwin3.1；
Microwin3.1的升级版本软件Microwin3.1SP1；
Toolbox（包括Uss协议指令：
变频通信用，
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