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基于PLC的步进电机控制系统的设计与实现-1-1工程概况步进电机是一种利用脉冲控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机。而PLC能够产生相应的脉冲，所以本次设计就是通过PLC产生控制脉冲来控制步进电机的自动化运行。其系统和驱动电源示意图如下图2.1基于PLC的步进电机控制系统图2.2驱动电源方框图2设计方案方案一步进电机选反应式步进电机，驱动电路选用高低压切换电源。高低压切换型电源的原理线路如图3-2所示。图中当分配器输出端出现控制信号U,要求绕组通电时，三极管1V,2V的基极都有信号输入，使1V,2V导通，于是，在高压电源的作用下（这时，二极管3V两端承受的是方向电压，处于截止状态，可使低电压电源不对绕组作用）绕组电流迅速上升，电流迅速上升，电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态电流时（对应于时间0t）,利用定时电路或者电流检测反馈等措施使2V基极上信号电压消失。于是2V截止，而1V仍然导通。因此绕组电流立即转而由低压电源经过二极管3V供给。低压电源的电压值应使绕组中的电流限制在额定稳态电流wyI值。当分配输出端信号电压U消失，要求绕组断电时，1V基极上的信号电压也消失了。于是1V也截西南石油大学本科毕业设计（开题报告）-2-止，绕组中的电流经二极管4V及电阻12R向高压电源放电，电流迅速下降。图3-1单电压驱动电路原理图图3-2高低电压驱动电路原理图图3-3不同串联电阻值对电流的影响图3-4不同串联电阻对矩频特性的影响图3-5绕组换接时电流和电压的变化方案二驱动电路选择单一电压型电源。图3-1是单一电压型电源的一相功放电路（m相电机有m个这样的功放的电路）的原理图。来自分配器的信号经过几级电流放大后加到三极管1V的基极，控制1V的导通和截止。1V是功放电路的末级功放管，它与步进电机一相绕组串联，所以通过功放管1V的电流与通过步进电机的电流是相等的。单一电压型电源信号电压及绕组中的电流的波形如图3-5所示。由步进电机的工作原理可知基于PLC的步进电机控制系统的设计与实现-3-道这样的电流波形会使步进电机的输出转矩减小，动态特性变坏。若要提高转矩，应缩短电流上升的时间常数aT，使电流前沿变陡，这样，电流波形接近矩形。由于aT=R/L，要减少aT就要在设计电机时尽量要减小绕组电感L。另外，如果加大图3-1中串联的电阻1R也就可以使时间常数aT下降，但是加大1R以后，为了达到同样的稳态电流值，电源电压就要作相应的提高；图3-3中曲线'I和''I分别表示串联电阻'1R和''1R（''1R'1R）时的绕组电流波形图。可以看出，当1R增大后，电流幅值增大，波形更加接近于矩形。这样可以增大转矩，提高启动和连续运行频率，并使启动和运行矩频特性下降缓慢，如图3-4所示（图中，曲线'T和''T分别表示串联电阻为'1R和''1R时候的特性）。方案比较和选择单一电压型电源只有一种电压，功放元件少，成本低。但是它的最主要缺点是电流流过串联电阻1R后要消耗非常可观的电能，这部分消耗的电功率变成了热量白白的浪费掉了。而且功耗随着1R值及其电机功率的增大而增大。这样，一方面是电源设备的效率大为下降，同时所散发的热量又使控制柜内温度升高，为了不影响电子元件的性能，还需要增添许多散热设备，因而增大了电源体积，提高了成本。而使用高低压切换型电源则不存在这样的问题，因为电机绕组上不需要串联电阻或者只需要串联一个很小的电阻1R（为平衡各相电流，其值一般约为0.1~0.5Ω），所以电源功耗也比较小。而且高低压切换电源加在绕组中的电压和电流波形图也会得到很大改善如图3-5，所以导致电机的转矩特性很好，启动和运行频率都得到很大的提高。通过对方案一和方案二的比较，本次设计选择方案一。3技术路线通过三菱FX系列PLC编程控制其输出脉冲频率来控制步进电机的速度。通过对额定调速范围D和最小负载转矩minT的计算得出的参数选择步进电机的型号如图2.1和图2.2所示，控制面板上的速度按钮控制移动的速度，方向按钮控制转动的方向，位置按钮对位置的控制，启/停按钮控制电机的启停与停止。实际系统中的位置与速度往往需要分成几档，因此位置和速度按钮可选用波段开关。通过对波段开关的不同跳线进行编码，可以减少操作面板与PLC的连线数量。同时也减少了PLC的输入点数西南石油大学本科毕业设计（开题报告）-4-4可能会遇到的困难与措施步进电机驱动电源的选择步进电机是由专门的驱动电源供电的，驱动电源和步进电机是一个有机整体，步进电机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合的综合表现。调速范围的确定由于技术参数已经给定，所以在选用步进电机的时候要注意在调速时在调速范围内的脉冲频率不能小于步进电机的自由振动频率的1/k，否则转子会发生强烈振荡甚至失步。解决办法是为削弱振荡现象，一般都会装有机械阻尼器。步进电机及PLC的选择步进电机和PLC必须要相匹配才能达到给定的系统参数；比如PLC输出的最高频率决定了步进电机的最高转速等。解决办法是根据相互参数计算得出。具体计算如下：脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）/（360×传动速比）；脉冲上限频率=（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；极限启动转矩Tq=maxT×cosN；一般来说最大静转矩较大的电机，可以带动较大的负载。负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0.3~0.5左右，即LT=(0.3~0.5)maxjT性能指标的提高在选择步进电机工作方式的时候要尽量提高其性能指标，如nT，调速范围D等。sinsin112sin[]sin[]2sinsin2beebeebennnnmTnmmjmaxjmax=-T-T（5-3）式中，nT是n相同时通电时转矩，m表示电机相数。由上式可得其解决nT的办法是多采用多相通电的双拍制，少采用单相通电的单拍制。基于PLC的步进电机控制系统的设计与实现-5-5进度安排设计（论文）的进程安排序号设计（论文）各阶段内容起止日期1认真仔细阅读设计任务书，充分理解设计意图与要求，广泛收集有关资料，明确设计思路，构建设计方案并进行充分论证，完成开题报告和开题答辩2011.3.28--2011.4.10（第6-7周）2根据开题答辩结果和要求完成整改，完成系统组成结构设计、电气控制系统原理设计，完成PLC和所有元器件和设备的选型，提出设备购买清单2011.4.11--2011.4.24（第8-9周）3完成软件流程图、梯形图设计和必要的软件设计，完成外文资料翻译2011.4.25--2011.5.8（第10-11周）4利用实验室现有设备进行系统组装连接，制订实验调试方案并进行局部实验调试（模拟）2011.5.9--2011.5.22（第12-13周）5完成全部模拟实验，测量调试结果并与设计指标比较，修改设计参数再次实验直至达到设计指标要求2011.5.23--2011.6.5（第14--15周）6撰写设计报告（论文），修改完成报告并打印装订，提交全部毕业设计文件（包括电子文档），准备毕业答辩和答辩，根据答辩要求整改完善毕业设计资料2011.6.6--2010.6.19（第16--17周）6预期结果（1）按照任务要求完成全部设计内容，达到预期的设计指标（2）按照《西南石油大学本科生毕业设计（论文）撰写规范》的要求和格式完成最低不少于20000汉字的毕业设计报告（论文），提交按照要求装订规范的报告（论文）的打印件和电子文档(3)完成500个汉字以上的毕业设计（论文）的中英文摘要(4)完成不少于20000外文字符并与设计题目相关的外文资料翻译，与毕业设计报告（论文）一起提交所翻译外文资料的原文和对应的中文译文，装订必须规范，同时提供电子文档。(5)达到对PLC和步进电机的充分了解。在以后的生产实践中能够灵活的应用于各个领域。西南石油大学本科毕业设计（开题报告）-6-7参考资料[1]陈隆昌.控制电机第3版.西安：西安电子科技大学出版社，2000.5.[2]史国生.电气控制与可编程控制器技术第2版.北京：化学工业出版社，2004.2[3]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例第一版.北京：人民邮电出版社，2004.7[4]俞国亮.PLC原理与应用（三菱FX系列）第一版.北京：清华大学出版社，2005.6[5]刘雪雪.PLC与自动生产线技术第一版.北京：北京理工大学出版社，2010.7[6]弥洪涛.PLC应用技术第二版.北京：中国电力出版社，2007[7]罗应立.电机学第三版.北京：机械工业出版社，2008.5[8]邱关源.电路第五版.北京：高等教育出版社，2006.5[9]李维波.MATLAB在电气工程中的应用实例.北京：中国电力出版社，2009[10]李维波.MATLAB在电气工程中的应用.北京：中国电力出版社，2007