三相步进电机控制系统设计

CHENGNANCOLLEGEOFCUST工厂电气控制与PLC课程设计题目：三相步进电动机控制系统设计学生姓名：刘深圳学号：201397250125班级:工业电气自动化1301班专业：自动化（工业电气自动化）所在院(系):电气与信息工程系指导教师：贺勇起止日期：2015年12月28日～2016年1月8日2目录一.目的与要求………………………………………………………………………………3二．三相步进电机的工作原理………………………………………………………………3三．方案设计……………………………………………………………………………………5四．可编程逻辑控制器概述…………………………………………………………………6五.可编程控制器工作原理……………………………………………………………………7六.输入输出信号分析与PLCI/O分配图…………………………………………………8七.PLC的选型…………………………………………………………………………………9八.三相步进电机主电路图…………………………………………………………………11九.控制流程图………………………………………………………………………………12十.控制方法…………………………………………………………………………………13十一.程序设计………………………………………………………………………………14十二.控制面板………………………………………………………………………………21十三.运行与调试程序…………………………………………………………………………21十四.总结………………………………………………………………………………………22十五．参考文献…………………………………………………………………………………223一、目的和要求(1)用PLC实现对三相步进电动机的控制(2)掌握用计时器设计脉宽为一个扫描周期且频率可变的脉冲发生器和用循环移位指令产生时序脉冲的编程方法和技巧(3)训练能综合各种信号实现某种控制规律的编程思路和方法(4)掌握PLC控制系统设计的基本原则和步骤，从而提高应用PLC的能力二、三相步进电动机工作原理简介：(1)概述：步进电动机是利用电磁铁的作用原理将电脉冲转变成直线位移或角位移。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得非常的简单。步进电动机通常用于数控机床、绘图机、自动控制和记录仪表等。(2)结构：图1是一个三相反应式步进电机结构图。从图中可以看出，它分成转子和定子两大部分，定子是由硅钢片叠成的，两个相邻定子齿之间的夹角为60°，转子由软磁材料制成。步进电动机三个励磁绕阻绕过相对的两个定子齿，构成一相（A-A’，B-B’，C-C’），定子齿上有5个均匀分布的矩形小齿；转子上没有绕组，而有40个小齿均匀分布在其圆周上。当某相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。4图1三相步进电动机结构图反应式步进电机的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最小磁阻的位置(定子小齿和转子小齿对齐的位置)，并处于平衡状态。对三相步进电机来说，当某一相的磁极处于最小磁阻位置时，另外两相必须处于非最小磁阻位置(定子小齿和转子小齿不对齐的位置)。把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿；把定子小齿和转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提。因为定子齿距角和转子相同，所不同的是，转子的齿是圆周分布的，而定子的齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一相处于对持状态时，该相磁极上的定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐。步进电机转动的角度（步距角）的大小与转子的齿数及通电的方式有关，θ＝360°/Z2N其中：θ－步距角，Z2－转子齿数，N－通电脉冲数。可见步进电机转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。(3)旋转：以三相步进电动机，四齿转子为例，电流脉冲的施加共有三种方式。1)单相三拍方式------按单相绕组施加电流脉冲2)双相三拍方式-----按双相绕组施加电流脉冲3)三相六拍方式------单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲单相三拍方式的每一拍步进角为30°，三相六拍的步进角则为15°。因此，在三相六拍下，步进电机的运行平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动脉冲的频率需提高一倍，对驱动开关管的开关特性要求较高。(4)本实训项目中步进电动机采用三相六拍工作方式。其工作原理见图2所示。①A相首先通电，转子齿与定子A－A’级对齐(图2a)。②在A相继续通电的情况下接通B相，这时定子B－B’极对转子齿2－4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A－A'极继续拉住齿1－3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止，这时转子的位置如图2b所示，即转子从图2a位置顺时针转过了15°。③A相断电，B相继续通电。这时转子齿2－4和定子B－B’极对齐(图2c)，转子从图2b的位置又转过了15°。其位置如图2c所示。5图2三相步进电动机动作原理图这样，如果按A-AB-B-BC-C-CA-A的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A-AC-C-CB-B-BA-A的顺序通电，则电动机转子逆时针方向转动。（5）步进电机工作方式三相六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍工作方式时序图三、方案设计在步进电动机控制系统中，步进电动机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种控制中，根据步进电动机的特点，从制造成本与系统结构复杂程度考虑，本设计采用开环控制系统，开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置，因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造成本低等优点。另外，步进电动机受控于脉冲量，它比直流电机或交流电机组成的开环精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。6输出负载步进电动机功率驱动器环形分配器指令脉冲开环步进电机控制系统框图四．可编程逻辑控制器概述“PLC是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工委员会于1985年1月对PLC所作的权威性的定义。对于PLC的定义，其补充说明如下。以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。7可编程控制器是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，按照预先输入的程序控制现场的执行机构，并按照一定规律进行动作。其主要功能体现在以下几方面：1．顺序逻辑控制2．运动控制3．定时控制4．计数控制5．步进控制6．数据处理7．模数和数模转换8．通信及联网五可编程控制器的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。1输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。2程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄8存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。3输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。六.输入输出信号分析与PLCI/O分配图步进电机正反转和调速、步数控制输入输出点分配表：输入信号100步开关SA4.2I0.7名称代号输入点I/O暂停开关SA1I1.0启动开关SA0I0.0停止按钮SB2慢速开关SA2.1I0.1输出信号中速开关SA2.2I0.2快速开关SA2.3I0.3名称代号输出点编号正/反转SA3I0.4U相功放电路U(A)Q0.0单步按钮SA2.0、SB1I0.5V相功放电路V(B)Q0.110步开关SA4.1I0.6W相功放电路W(C)Q0.29PLCI/0配置及端口接线图2七.PLC的选型PLC是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制，被广泛应用于各个领域，因为它具有几个突出的特点：可靠性高，抗干扰强；编程简单，易于掌握；功能完善，灵活方便；体积小，质量轻，功耗低。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。10PLC选型原则：（一）PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。（二）输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。（三）电源的选择PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二