1、机电工程系基于 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)2目录一、步进电机工作原理 11.步进电机简介 12.步进电机的运转原理及结构 13.旋转 14.步进电动机的特征 21)运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机 22)运转量与脉冲数的比例关系 23)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 31.产品特点 32.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
2、1.控制要求 62.流程图 63.梯形图 7六、参考文献 9七、控制系统设计总结 91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
3、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 、2/3 ,即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3 ，C 与齿 3 向右错开 2/3 ，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
4、/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（-1/3 ）=2/3 。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 ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 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 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，2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 ,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
5、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 表示。=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=360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =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：
6、控制器、驱动器、步进电动机驱动器 步进电机提供电力脉冲信号控制器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33) 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
7、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m 级位置控制器配套的步
8、进系统输出精度接近 m 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 15kH。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 3A10A 可调，可驱动 90BF、110BF、130BF 步进电机，输出转矩 2Nm25Nm。2.主要技术参数驱动器型号 DF3A-03 DF3A-04 DF3A-05 DF3A-06 DF3A-08 DF3A-10490BF- 110BC380B 130BC380C130BC380D适配电机110BC380C 130BC380E输入电源AC110V -15
9、%+10% 50/60HZ3A(Max)AC220V -15%+10% 50/60HZ 3A(Max)输出相电流（A）3A 4A 5A 6A 8A 10A电机最高转速不低于 1300rpm工作环境045 10%85%RH、不结露。无腐蚀性、易燃、易爆、导电性气体、液体和粉尘。保存环境-2080 10%85%RH、不结露。驱动方式单高压恒流斩波半桥方式细分选择4 位 DIP 开关上电前设定 1/5/10/20 细分。输入脉冲方式单脉冲方式： CP+DIR（脉冲+方向）；双脉冲方式：CW+CCW（正转脉冲+反转脉冲）。脉冲频率不大于 250KHZ（20 细分时）脉冲宽度不小于 1s换向间隔不小于
10、10s使能输入FREE 信号有效时驱动器有电流输出、电机受控。5四、 PLC 与步进电机驱动器接口原理图五、 PLC 控制实例的流程图及梯形图1. 控制要求输入信号电平5V、3mA10mA，12V 时串入 1K 电阻，24V 时串入 2.2K 电阻。输入回路有电流时输入有效。初始相位输出信号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。保护功能过流、短路保护；过热保护；欠压保护。报警输出FREE 无效或过流短路过热欠压保护时，ALM 输出（NPN 型 OC）无效。FRE
11、E 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。绿色 LED：H.POWER(电源指示) A.PHASE/B.PHASE/C.PHASE(相电流指示)状态指示 红色 LED：ALARM（报警指示，保护有效时亮）61) 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I0.5（高速）I0.5（低速）I0.4（关）I0.4（开）启动时能信号选择方向速度及控制步数PLS 脉冲输入3. 梯形图789六、 参考文献1 张运刚、宋小春 主编.西门子 S7-
12、200 系列. 北京：人民邮电出版社. 2010.12 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。
