基于PLC的步进电机运动
控制系统设计
专业： 测控技术与仪器 指导教师： xxx 姓名： xxx _______________
(2011年5月9日)
目录
一、步进电机工作原理................................................................................................................... 1
1.步进电机简介....................................................................................................................... 1 2.步进电机的运转原理及结构............................................................................................... 1 3.旋转 ...................................................................................................................................... 1 4.步进电动机的特征............................................................................................................... 2
1)运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机 ............................................... 2 2)运转量与脉冲数的比例关系 ....................................................................................... 2 3)运转速度与脉冲速度的比例关系 ............................................................................... 3
二、西门子S7-200 CPU 224 XP CN ............................................................................................. 3 三、三相异步电动机DF3A驱动器 ................................................................................................ 3
1.产品特点 .............................................................................................................................. 3 2.主要技术参数....................................................................................................................... 3 四、PLC与步进电机驱动器接口原理图........................................................................................ 5 五、PLC控制实例的流程图及梯形图............................................................................................ 6
1.控制要求 .............................................................................................................................. 6 2.流程图 .................................................................................................................................. 6 3.梯形图 .................................................................................................................................. 7 六、参考文献 .................................................................................................................................. 9 七、控制系统设计总结................................................................................................................... 9
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基于PLC的步进电机运动控制系统设计
一、 步进电机工作原理
1.
步进电机简介
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；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，从而达到调速的目的。
在非超载的情况下，电机的转速、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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电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机来控制变的非常的简单
2.
步进电机的运转原理及结构
电机转子均匀分布着很多小齿，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,即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C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）
3.
旋转
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，
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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。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
步进电机的静态指标术语
拍数：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，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）。
4. 步进电动机的特征
1) 运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机
①控制器 ②驱动器 脉冲信号 提供电力 ③步进电机 以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器，目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。
2) 运转量与脉冲数的比例关系
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3) 运转速度与脉冲速度的比例关系
二、 西门子S7-200 CPU 224 XP CN
本机集成14输入/10输出共14个数字量I/O点。2输入/1输出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30KHz高速计数器，2个独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS458通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强能力的控制器。
三、 三相异步电动机DF3A驱动器
1.产品特点
可靠性高:数字技术和单片机的应用,使得驱动器线路简单可靠;合理的
结构设计，使得整机结构紧凑、防护性能好；短路、过流、超温、欠压保护线路提供全面、可靠的保护、大大提高了步进驱动器的可靠性。低速性能好：引入单片机进行软环分及矢量细分，实现1:1平滑细分及5、10、20倍矢量细分，使得步进电机低速运行平稳，避免振荡及失步。矢量细分技术的应用，使得与μm级位置控制器配套的步进系统输出精度接近μm级。高速性能优：输入信号频率不大于250kHz（20细分时），输出电流频率可达15kHｚ。由于采用单高压（300V）恒流斩波，高速特性好，驱动步进电机空载运行最高速不低于7.0mm/min适用面广：输出电流3A～10A可调，可驱动90BF、110BF、130BF步进电机，输出转矩2N·m～25N·m。
2.主要技术参数
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驱动器型号 DF3A-03 DF3A-04 DF3A-05 DF3A-06 DF3A-08 DF3A-10 130BC380D 130BC380E 适配电机 输入电源 输出相电流（A） 电机最3A 90BF- 110BC380B 130BC380C 110BC380C AC110V -15%～+10% 50/60HZ3A(Max) AC220V -15%～+10% 50/60HZ 3A(Max) 4A 5A 6A 8A 10A 不低于 1300rpm 高转速 工作环0℃～45℃ 10%～85%RH、不结露。无腐蚀性、易燃、易爆、导电性气体、液境 体和粉尘。 保存环境 驱动方式 细分选择 -20℃～80℃ 10%～85%RH、不结露。 单高压恒流斩波半桥方式 4位DIP开关上电前设定1/5/10/20细分。 输入脉单脉冲方式： CP+DIR（脉冲+方向）；双脉冲方式：CW+CCW（正转脉冲+反转冲方式 脉冲）。 脉冲频率 脉冲宽度 不大于 250KHZ（20细分时） 不小于 1μs 换向间不小于 10μs 4
隔 使能输入 FREE信号有效时驱动器有电流输出、电机受控。 输入信5V、3mA～10mA，12V时串入1K电阻，24V时串入2.2K电阻。输入回路有电号电平 流时输入有效。 初始相位输出信号 保护功能 B相为上电初始输出相位，仅B相输出有效时PH.OUT输出(NPN型OC)有效:与OUT.COM接通,吸入电流不大于6mA电流,负载电压不大于24V。 过流、短路保护；过热保护；欠压保护。 FREE无效或过流／短路／过热／欠压保护时，ALM输出（NPN型OC）无效。 报警输出 FREE有效、无报警时，ALM与OUT.COM接通,吸入电流不大于100mA，负载电压不大于24V。 状态指绿色 LED：H.POWER(电源指示) A.PHASE/B.PHASE/C.PHASE(相电流指示) 示 红色 LED：ALARM（报警指示，保护有效时亮）
四、 PLC与步进电机驱动器接口原理图
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五、 PLC控制实例的流程图及梯形图
1. 控制要求
1) 要求点机能正反转 2) 电机有高低速两档 3) 电机位移和距离有两档 4) 要求说明用PLS原理
5) 所有换挡均需要在电机停止时进行
2. 流程图
启动时能信号 I0.4（开） 选择方向 I0.4（关） I0.5（低速） 速度及控制步数 I0.5（高速） PLS脉冲输入
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3. 梯形图
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六、 参考文献
[1] 张运刚、宋小春 主编.西门子S7-200系列. 北京：人民邮电出版社. 2010.1 [2] 徐国林主编. PLC应用技术. 北京：机械工业出版社. 2003
七、 控制系统设计总结
这次二十来天的学习和实际，是我们一次较全面，较深刻的对PLC知识的综合运用，通过这次学习，使得我们对PLC有了一个较为系统全面的认识，加深了对所学知识的理解和运用，将原来看来比较抽象的内容实现了具体化，初步掊养了我们理论联系实际的设计思想，训练了综合运用相关课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固、加深和扩展了有关PLC关于工业控制方面的知识。
通过制订设计方案，合理选择程序设计，以及针对学习中出现的问题查阅资料，大大扩展了我们的知识面，培养了我们在本学科方面的兴趣及实际动手能力，对将来我们在此方面的发展起了一个重要的作用。本次论文是我们对所学知识运用的一次尝试，是我们在PLC知识学习方面的一次有意义的实践。在学习中，通过老师的指导，使自己在设计思想、设计方法和考虑问题等方面都得到了一次良好的训练。
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