1、機電一體化系統設計課程設計三相六拍步進電機PLC控制設計和調試的設計目錄第一章緒論41.1研究的現狀41.2 PLC控制步進電機發展的趨勢41.3 本設計的目的、意義51.4小結5第二章三相六拍步進電機的PLC控制和要求62.1可編程控制器的工作原理622步進電機的工作原理及其控制要求8工作原理8控制要求10步距角的細分1023 PLC控制系統所需I/O點數的確定和存儲器容量的估算1024 PLC控制系統所需機型的選擇1225 PLC控制系統的設計思想12第三章實驗調試和結果分析133.1 PLC控制系統中I/O端子接線圖及I/O地址分配表133.1.1 步進電機I/O分配表133.1.2 I

2、/O端子接線圖143.1.3 步進電機控制流程圖153.2 梯形圖163.3指令語句表193.4實驗的時序圖223.5實驗調試中遇到的問題及解決方案243.6 小結24第四章論文總結及展望264.1 論文總結264.2 工作展望27致謝28參考文獻29摘要充分發揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設計PLC控制系統的首要前提，這也是設計中最重要的一條原則。本設計是用PLC做三相六拍步進電機的控制核心，用按鈕開關的通斷來實現對步進電機正、反轉控制，而且正、反轉切換無須經過停車步驟。其次可以通過對按鈕的控制來實現對高、中、低速度的控制。關鍵詞：PLC控制 三相六拍步進電機 電機正反

3、轉第一章 緒論1.1研究的現狀目前對于對步進電機的控制存在精度和價格方面的矛盾。因為高精度的實時演算需要較高性能的DSP芯片，成本較高。因此現在的控制方法是采用大量的硬件電路。這種控制方法的精度不但較低，且成本較高。國內為了省錢就大多數使用相對省資源的查表法，但是對于速度變化范圍很大的控制來說，在低速時會由于表本身的精度原因造成穩定性變差，噪聲變大的問題。這僅僅是低速時的細分問題。轉速越低，對它控制時的細分就越嚴格。此外還有扭矩的問題，當轉動過慢時，即使細分也無法達到應有的扭矩，這都是控制時遇到的問題。簡單的說，目前普遍存在于步進電機控制中的問題就是低速運轉和低速啟動的問題。當今是科學技術及儀

4、器設備高度智能化飛速發展的信息社會，電子技術的進步，給現代工業帶來了質的提升。現代電子領域中，PLC的應用正在不斷的走向深入，這必將導致傳統控制的日益革新。PLC的控制具有高可靠性、高性價比。比如在機械手、液體混合罐、液壓、氣壓等方面都得到了廣泛的應用。PLC在工業方面的應用水平已逐步成為一個國家工業發展水平的標志之一。利用PLC采用程序設計方法來對步進電機進行控制，具有線路相對簡單，結構緊湊，價格低廉，而且可以通過控制按鈕實現對步進電機的正反轉和步進電機轉速的控制，用途廣泛等優點。1.2 PLC控制步進電機發展的趨勢時至今日，軟件以及電子設備等相關技術都有了長足發展。雖然軟件的發展速度比不上

5、硬件的發展速度那么迅速，但已能滿足現在的工業需求。對步進電機的傳統控制通常完全由硬件電路搭接而成。隨著PLC的普及，現在已普遍采用硬件與軟件相結合的方式對其進行控制，這種控制方法有很多優點，比如：可以實現高精度的控制，降低成本，降低控制難度，簡化控制電路等。今后步進電機的總體發展趨勢是向著低功耗、高頻率精度、多功能、高度自動化和智能化的方向發展。1.3 本設計的目的、意義本設計的主要研究內容是以三菱FX1N系列PLC（可編程邏輯控制器）為核心控制步進電機，及其相關外圍電路組成的控制電路設計。可以通過對幾個開關按鈕的控制來實現對步進電機的方向，以及對高、中、低速的控制。比如用兩個開關分別控制電機

6、正反轉，兩個開關分別控制電機啟動和停止，三個開關分別控制電機的高中低轉速，使得步進電機的控制更加簡便。甚至還可以利用更少的開關來控制，但為了使得本設計更加直觀和易讀，故采用七個控制開關。此外，本設計更加便于實現對步進電機的自動化控制。1.4小結 步進電機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執行元件。而PLC是一種便于對動作順序進行控制的元件。隨著科學電子技術的發展，對步進電機的控制要求正朝向高精度、自動化控制的方向發展。工業生產中運用PLC控制步進電機可以簡便的實現控制，不需要復雜的控制電路，而且控制的時候只需要進行編程以及搭配少量相關硬件，即可實現控制。第二章 三相六拍步進電

7、機的PLC控制和要求2.1可編程控制器的工作原理可編程控制器有兩種基本的工作狀態，即運行（RUN）狀態與停止（STOP）狀態。在運行狀態中，可編程控制器通過執行反應控制來實現用戶的控制要求。為了使可編程控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不僅僅執行一次，而是反復不斷地重復執行，直到可編程控制器停機或切換到STOP工作狀態。下面用一個簡單的例子來進一步說明可編程序控制器的掃描工作過程。圖2.11（a）所示的PLC的輸入輸出接線圖，起動按鈕SB1和停止按鈕SB2的常開觸點分加別接在編號為X000和X001的可編程控制器的輸入端，接觸器KM的線圈接在編號為YO00的可編程控制器的輸

8、出端。圖(b)是這3個輸入/輸出變量對應的I/O映像寄存器。圖（c）是可編程控制器的梯形圖，它與圖2.11所示的繼電器電路的功能相同。但是應注意，梯形圖是一種程序，是可編程控制圖形化的程序。圖中的X000等是梯形圖中的編程元件，XO00與X001是輸入繼電器，Y000是輸出繼電器。編程元件X000與接在輸入端子XO00的SB1的常開觸點和輸入映像寄存器XO00相對應，編程元件Y000與輸出映像寄存器Y000和接在輸出端子Y000的可編程控制器內部的輸出電路相對應。(a)(b) (c) (d)圖2.11 PLC的外部接線圖與梯形圖梯形圖以指令的形成儲存在可編程控制器的用戶程序存儲器中，梯形圖與下

9、面的4條指令對應“；”之后是該指令的注解。LD X000 ；接在左側母線上的X000的常開觸點。OR Y000 ；與X00O的常開觸點并聯的Y000的常開觸點。ANI X001 ；與并聯電路串聯的X001的常閉觸點。OUT Y000 ；Y000的線圈。在輸入處理階段，CPU將SB1，SB2的常開觸點的狀態讀入相應的輸入映像寄存器，外部觸點接通時存入寄存器的是二進制數“1”，反之存入“0”。執行第一條指令時，從輸入映像寄存器X000中取出二進制數并存入運算結果寄存器。執行第二條指令時，從輸出映像寄存器Y000中取出二進制數，并與運算結果寄存器中的二進制數相“或”（觸點的并聯對應“或”結算），然后

10、存入運算結果寄存器。執行第三條指令時，取出輸入映像寄存器X001中的二進制數，因為是常閉觸點，取反后與前面的運算結果相“與”（電路的串聯對應“與”運算），然后存入運算結果寄存器。在輸出處理階段，CPU將各輸出映像寄存器中的二進制數傳送給輸出模塊并鎖存起來，如果輸出映像寄存器Y000中存放的是二進制數“1”，外接的KM線圈將通電，反之將斷電。X000，X001和Y000的波形如圖2.11(D)所示,高電平表示按下按鈕或KM線圈通電,當TT1時,讀入輸入映像寄存器X000和X001的均為二進制數“0”此時輸出映像寄存器Y000中存入的亦為“0”在程序執行階段,經過上述邏輯運算過程之后,運算結果仍為

11、Y000=0,所以KM的線圈處于斷電狀態.在TT1區間,雖然輸入/輸出信號的狀態沒有變化,用戶程序確在一直反復不斷地執行著。T=T1時按下起動按鈕SB1，X0變為“1”狀態，經邏輯運算后Y000變為“1”狀態，在輸出處理階段，將Y000對應的輸出映像寄存器中的“1”送到輸出模塊，將可編程控制器內Y000對應的物理繼電器的常開觸點接通，使接觸器KM的線圈通電。22步進電機的工作原理及其控制要求2.2.1工作原理步進電機是將給定的電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。給定一個電脈沖信號，步進電機轉子就轉過相應的角度，這個角度就稱作該步進電機的步距角。目前常用步進電機的步距角大多為1.8度（

12、俗稱一步）或0.9度（俗稱半步）。以步距角為0.9度的進步電機來說，當我們給步進電機一個電脈沖信號，步進電機就轉過0.9度；給兩個脈沖信號，步進電機就轉過1.8度。以此類推，連續給定脈沖信號，步進電機就可以連續運轉。由于電脈沖信號與步進電機轉角存在的這種線性關系，使得步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應用。步進電機的使用至少需要三個方面的配合，一是電脈沖信號發生器，它按照給定的設置重復為步進電機輸送電脈沖信號，目前這種信號大多數由可編程控制器（PLC）或單片機來完成；二是驅動器（信號放大器），它除了對電脈沖信號進行放大、驅動步進電機轉動以外，還可以通過它改善步進電機的使用性能，事實

13、上它在步進電機系統中起著重要的作用，一般一種步進電機可以根據不同的工況具有多種驅動器；三是步進電機，它有多種控制原理和型號，現在常用的有反應式、感應子式、混合式等。步進電機的速度控制是通過改變輸入脈沖的頻率高低實現的。當發生脈沖的頻率減小時，步進電機的速度就下降；當頻率增加時，速度就加快。還可以通過頻率的改變來提高步進電機的位置精度。步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數量控制的。給定一個脈沖，轉過一個步距角，當停止的位置確定以后，也就決定了步進電機需要給定的脈沖數。其工作原理如下：設A相首先通電，轉子齒與定子A、A對齊（圖2.21a）。然后在A相繼續通電的情況下接通B相。這時定子B、B極對轉子齒

14、2、4產生磁拉力，使轉子順時針方向轉動，但是A、A極繼續拉住齒1、3，因此，轉子將轉到兩個磁拉力平衡為止。這時轉子的位置如圖(2.21b)所示，即轉子從圖(a)位置順時針轉過了15。接著A相斷電，B相繼續通電。這時轉子齒2、4和定子B、B極對齊（圖c），轉子從圖(b)的位置又轉過了15。其位置如圖3d所示。這樣，如果按AA、BBB、CCC、AA的順序輪流通電，則轉子便順時針方向一步一步地轉動，步距角15。電流換接六次，磁場旋轉一周，轉子前進了一個齒距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的順序通電，則電機轉子逆時針方向轉動。圖 2.21 步進電機通電方式原理圖2.2.2控制要求（1）三相步進電動

15、機有三個繞組: A、B、C 正轉通電順序為：AABBBCCCA 反轉通電順序為：ACACBCBAB （2）用7個開關控制其工作#1開關控制其運行 ( 啟 )。 #2開關控制其運行 ( 停 )。 #3 號開關控制其低速運行 (轉過一個步距角需 0.5 s)。 #4 號開關控制其中速運行 (轉過一個步距角需 0.1 s)。 #5 號開關控制其高速運行 (轉過一個步距角需 0.04s)。 #6 號開關控制其轉向 ( ON 為正轉 )。 #7 號開關控制其轉向 ( OFF 為反轉)。2.2.3步距角的細分細分原理：細分控制本質上是對步進電機的勵磁繞組中的電流進行控制，使內部的合成磁場成為均勻的圓形旋轉

16、磁場。合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量的夾角大小決定了該步距角的大小。細分就是將輸入脈沖從原來的電流方波細分成以若干個等幅、等寬上升和下降的電流階梯波。電流波形有多少個臺階，轉子就會以相同的數量轉過一個步距角。這種將1個步距角細分成若干步的驅動方法稱為“細分驅動”。細分驅動的特點是，可以在不改變電機結構參數的情況下，使步距角減小、提高精度；同時能使步進電機運行平穩，提高勻速性，此外，還能減弱或消除振蕩。細分方法：用集成環形分配器芯片構成細分電路； 用微機控制步進電機的步距角細分。23 PLC控制系統所需I/O點數的確定和存儲器容量的估算步進電機是一種將脈沖信號

17、轉換成直線位移或角位移的執行元件。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數成正比，其速度與單位時間內輸入的脈沖數(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和方向。步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉及其它任何運行方式的改變都可在少數脈沖內完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應用。1 步進電機PLC控制系統IO接線圖的設計以三相步進電機為例，步進電機通常設有加速、減速控制及正反轉控制等控制方式。按控制要求可設計出步進電機的PLC控制系統IO接線圖(見圖2.31)。圖2

18、.31 步進電機的PLC控制系統IO接線圖 圖中：CP-脈沖信號輸入端子；CW-方向信號輸入端子；EN-使能信號輸入端子。步進電機脈沖頻率的變化規律步進電機在啟動和停止時有一個加速及減速過程，且加速度越小則沖擊越小，動作越平穩，所以步進電機工作一般要經歷以下的變化過程：加速-恒速(高速)-減速-恒速(低速)-停止。因步進電機轉速與脈沖頻率成正比，所以輸入步進電機的脈沖頻率也要經歷一個類似的變化過程，其變化規律見圖2。 可見在步進電機啟動時要使脈沖升頻，停車時使脈沖降頻。 由于步進電機驅動器在輸入脈沖200 Hz時處于震蕩區內，容易損壞內部元件，而在200 Hz以下運轉速度較慢，效率較低，故一般

19、采用350 Hz作為脈沖的低頻起點。經測試，輕載時高頻脈沖可達到68 kHz。24PLC控制系統所需機型的選擇PLC機型選擇的基本原則是：在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性價比最優的機型。通常做法是，在工藝過程比較固定、環境條件較好的場合，建議選用整體式結構的PLC；其他情況則最好選用模塊式結構的 PLC；對于開關量控制以及以開關量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項目中，一般其控制速度無須考慮，因此，選用帶 A/D轉換、D/A轉換、加減運算、數據傳送功能的低檔機就能滿足要求；而在控制比較復雜，控制功能要求比較高的工程項目中（如要實現PID運算、閉環控制、通信聯網等），可視

20、控制規模及復雜程度來選用中檔或高檔機（其中高檔機主要用于大規模過程控制、全PLC的分布式控制系統以及整個工廠的自動化等）。本次設計選擇的是三菱系列的FX1N系列。25 PLC控制系統的設計思想. 最大限度地滿足被控對象的控制要求. 保證PLC控制系統安全可靠. 力求簡單、經濟、便于使用及維護. 適應發展的需要第三章 實驗調試和結果分析3.1 PLC控制系統中I/O端子接線圖及I/O地址分配表3.1.1步進電機I/O分配表輸入功能輸出功能X0正轉Y0控制A相X1反轉Y1控制B相X2啟動Y2控制C相X3停止X4低速X5中速X6高速3.1.2I/O端子接線圖3.1.3 步進電機控制流程圖3.2 梯形

21、圖3.3指令語句表3.4實驗的時序圖正轉時序圖反轉時序圖3.5實驗調試中遇到的問題及解決方案實驗中可能會有許多原因會引起調試的不成功，其中包括硬件方面的，和軟件方面的。硬件方面的主要是連線的錯誤，或者其他硬件方面的問題。比如硬件線路的接法不同也可能導致實驗的不成功。還有軟件方面的問題，比如因為軟件版本存在差異，使得一些語句不能實現，或者達不到預期的效果。這就要求我們在做實驗時要仔細的分析實驗中遇到的問題。3.6 小結通過實驗，我們感性地認識到理論與實際的差別，加深了我們對本課程設計的理解和認識。通過實驗來驗證設計并改善設計中的不足之處，實驗中我們會遇到很多問題和故障，在鍛煉了我們的動手能力的同

22、時也提高了我們的思考、解決問題的能力。調試的過程就是觀察、分析、排錯的過程。在進行實驗時，應該按照設計的實驗步驟進行觀察、記錄，然后與原設計進行比較、分析，以判斷每一步是否正確，從而推動整個實驗的進程。實驗的調試過程，實質上是一個不斷發現問題，不斷找出原因，不斷解決問題的過程。要解決問題關鍵是要發現問題的所在，而要能找到出錯的原因，只有通過反復的對實驗運行過程中記錄的參數進行分析、比較，才能發現問題。由此可見，在實驗室做好現場參數的記錄和分析是相當重要的。這不僅是培養我們養成良好實驗習慣的機會，也是讓我們學會將理論知識綜合運用、掌握實驗技巧、提高動手能力的重要途徑。對于一個實驗電路而言，往往難

23、以立即實現預期的電路功能，對各種客觀因素的影響也是難以完全預測的。因此必須要經過實驗測試和調整，以便發現和糾正設計和安裝中的不足，最后才能達到預定的設計要求。第四章論文總結及展望4.1 論文總結這次課程設計對我們而言是對所學課程內容掌握情況的一次自我驗證，對所學知識的綜合應用能力檢驗，它培養和訓練了我們的編程以及調試能力，進而提高了我們對學習和應用相關專業知識的興趣。通過本次設計我們的能力得到了鍛煉，因而有著極其重要的意義。我們本次課程設計的內容是三相六拍步進電動機控制程序的設計與調試，針對現在的PLC技術，實現一些設計。我們還應該加強PLC語句的練習，要能夠運用自如。此外還應掌握PLC的外部接線方法。通過大家合理的分工和不懈的努力，我們得到了一系列可靠的實驗數據，取得了一定的成績。但是在這次課程設計過程中也遇到了不少的問題和困難。比如剛開始時組員之間任務分配不均，導致組員之間的工作量不均勻；當我們大家在一起討論時，常會發生意見分歧；還有很重要的一點就是大家的基礎知識不夠扎實，使得設計進度緩慢，必須不斷的在書本上學習新的知識來彌補不足