基于PLC的步进电动机控制系统设计

某某某某某某某某毕业设计说明书(论文)作者: 某某学号：123456789学院(系):机械工程学院专业: 机械工程及自动化题目: 基于PLC的步进电动机控制系统设计某某实验师指导者：评阅者：2012 年 6 月针对步进电动机的驱动控制系统，本文设计出了一套以PLC为主控制器的中功率步进电机控制系统，并且用PMM8713脉冲分配器对PLC输出的脉冲进行整形，之后输出至细分驱动电路，从而对步进电机实现转速、转向以及位置等方面的控制。

最后结合高低压驱动电路对大功率的步进电动机的驱动进行简单分析，并且给出了具体的硬件设计系统和详细的电路设计。

关键词步进电动机中功率PLCTitle The PLC-based Stepper Motor Control System DesignAbstractStepper motor drive control system design out of a PLC-based controller in the power stepper motor control systems,and PMM8713 pulse distributor of PLC output pulse shaping,output to the breakdown of driverscircuit,to achieve speed of the stepper motor,steering and location control. Finally,high and low voltage driver circuit to a simple analysis of high-power stepper motor drive,flat and given a specific hardware design and detailed circuit design.Keywords Stepper motor Medium-power PLC目录1 绪论 ............................................... 错误！未定义书签。

1.1 步进电动机控制发展 ............................... 错误！未定义书签。

1.2 步进电动机的特点 ................................. 错误！未定义书签。

1.3 研究内容 (3)2 步进电动机的工作原理 (4)2.1 步进电动机的分类 (4)2.2 步进电动机性能的比较 ............................. 错误！未定义书签。

2.3 步进电动机的工作原理 (5)2.4 本章小结 (6)3 步进电动机数字控制方法研究 (7)3.1 基于电子电路的控制 (7)3.2 基于PLC的控制 (7)3.3 基于单片机的控制 (8)3.4 基于DSP的控制 (9)3.5 几种控制方式的比较 (10)3.6 本章小结 (10)4 步进电动机的驱动技术 (11)4.1 步进电动机的驱动概述 (11)4.2 步进电动机的常用驱动电路 (12)4.3 驱动电路的性能比较 (17)4.4 本章小结 (17)5 控制系统的整体设计 (18)5.1 总体设计 (18)5.2 控制系统的工作原理 (18)5.3 PLC的简要介绍及周围模块设计 (21)5.4 本章小结 ......................................... 错误！未定义书签。

6 控制系统具体应用举例 (32)6.1 中功率步进电动机控制系统 (32)6.2 大功率步进电动机控制系统 ......................... 错误！未定义书签。

6.3 本章小结 .......................................... 错误！未定义书签。

结论 .................................................. 错误！未定义书签。

致谢 .................................................. 错误！未定义书签。

参考文献 .............................................. 错误！未定义书签。

1 绪论在微电子技术和计算机技术不断的发展下，可编程序控制器也有了非常大的进步与发展。

当可编程控制器与计算机有效地结合后，能够控制模拟量，具备了远程控制通信等等功能，这个时候可编程控制器已经大大超出了逻辑以及顺序控制这个范围。

很多人把可编程控制器与机器人、CAD/CAM并称为现代工业控制的三根支柱[1]。

现在PLC已经广泛地应用于冶金业、矿业、机械行业、轻工业等领域，对工业自动化提供了非常大的作用，是一种有力的工具。

基于步进电机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、轧钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。

作为机电一体化的重要产品之一的步进电机已经被广泛应用在自动化控制等重要领域中。

一些简单的PLC控制，比如说在某一时刻让小型的电动机起动、制动或者正转之类的控制，仅仅需要用PLC自带的继电器或电子开关元件让电路接通或断开就可以了。

可编程控制器PLC已经被熟练运用在机床设备及生产流水线上，利用PLC来对生产线进行规律的控制。

至于那些比较复杂的控制，则要用PLC控制电机的电压大小、电流多少、转矩高低、转速快慢、转角大小等等数据，使电机按照既定的指示与命令来进行准确的工作。

通过PLC控制，能够提高电机的机械性能。

就拿直流电动机来说，它的调速性能较好这个优点，但同时又存在因机械换向器所带来的机械损坏和换向火花这个缺点。

交流电动机，不论是异步还是同步电动机，结构都简单，相比直流电机而言工作也更可靠，但是在频率恒定的电网上运行时，速度却不能方便而又经济地调节，它们之间各自都存在着优缺点。

考虑到交流电机是用正弦脉宽调制方式进行变频调速的，若用一般的模拟电路或者是数字电路来完成这个，需要用到的电路是很繁杂的，可是运用微机控制就要比前者简单许多。

为了达到提高调速精度和加强动态性能这个目的，我们可以采用矢量控制。

在用矢量控制的时候由于传统的控制电路比较复杂，这里用PLC可以很好的实现目标[2]。

本论文中系统介绍了可编程控制器对混合式步进电动机的驱动及控制原理。

1.1 步进电动机控制发展传统的步进电机是由主控制器发出指令，由脉冲分配器将接收的比较单一的脉冲串进行整形（整形主要根据电机的工作方式和转向之类的要求）后发送到步进电机的各相绕组的功率放大器中的控制方式。

这样方案的控制方式对系统的可靠性影响较大。

现在，很多的PLC都有内设脉冲输出功能和配对的控制指令来达到控制步进电机较好的要求，即使对步进电机进行直接控制也是很方便的。

通过此种方案步进解决了系统工作量大的问题，而且还消除了因接口信号的匹配而带来的问题，从而提高的系统的可靠性和工作效率。

PLC直接控制步进电动机技术在控制数控滑台等等工业领域中达到了相当大的作用。

现在，我们国家正在对怎么低成本运用PLC进行工业自动化控制方面不断研究，正在向智能化、低消耗、小型化迈步[3]。

到了70年代后，对步进电机的研究主要以微步驱动技术为目标。

当运用了微步驱动这一技术后，步进电机的分辨率已经达到了可以提高以及可以根据要求提高的水平，并且达到接近连续运动控制器件的状态，这种被人们被称之为“类伺服”特性。

步进驱动技术是一种通过电流波形来达到控制目的的技术，一般在普通的驱动器中，只对每相绕组的电流进行导通及阻断控制，假如说要增加电动机的分辨率，则需要增加相数，这个前提是保证转子齿数不变。

比如说五相反应式步进电动机比三相反应式步进电动机增多了相数，提高了分辨率，并且其他的运行性能也得到了较大的提高。

在运用了电流波形控制技术后，三相为例达到增加分辨率的目的就只需增加电流波形的阶梯数目。

这就让步进电机的相数统一变得更为方便[4]。

1.2 步进电动机的特点现在，传统电机分类的界线是越来越不清楚，这主要是受到电子技术以及自动控制技术还有电动机本体发展的影响。

就传统的步进电机而言，步进电机可定义为：从主控制器接收到一个脉冲就改变一次励磁状态同时改变一个位置状态，假如励磁状态不改变则电机位置状态不变，也就保持静止。

从广义上讲，步进电机也是一种无刷直流电机，只不过其受制于脉冲信号而已，另外说步进电机是同步电机，是因为其转速和脉冲频率是同步的[5]。

步进电机的特色，归纳如下：（1）整个系统简单、廉价，能够用数字信号直接进行开环控制。

（2）使用方便，可以直接获取数字信号，不需要进行数模转换。

（3）步距角的误差不会长期累加，既可以进行简单的控制，也能够达到较高精度的控制要求。

（4）电动机本体部件少，使其使用时可靠性更高。

（5）响应性较好，便于启停以及制动控制。

（6）有自锁功能。

（7）步距角能够从很小的角度到180度的大范围内选择。

在步距角较小的情况下也可以不通过减速器直接驱动负载工作。

（8）多台步进电机不仅可以被一台控制进行同步控制，其速度还可以在速度可以在较大范围内变动。

（9)不能够直接使用普通的交流电源对其进行驱动控制[6]。

1.3 研究内容此次毕业设计就针对步进电动机的控制系统进行了研究，主要是利用PLC来对42BYG4503混合式步进电机进行控制，在了解步进电动机的发展史跟工作原理的同时，基于步进电机的优点，简单了解不同功率的步进电机驱动电路。

该控制系统要能完成对步进电机的调速及方向控制、位置定位控制。

1.4 本章小结本章节主要介绍了步进电动机的控制发展以及步进电动机的特点，还有接下来将要研究的内容。

2 步进电动机的工作原理2.1 步进电动机的分类步进电动机的存在很多种，但是现在被广泛使用的只有反应式步以及混合式步进电机。

对于步进电机，从广义上来说，可分为机械式、电磁式、组合式三种；从结构特点上来说，步进电机可分为反应式、永磁式、混合式三种类型；从相数来说，步进电机可为两相、三相、四相和多相[7]。

（1）反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)是一种传统的步进电机，简而言之反应式步进电机的工作原理比价简单，主要通过磁性转子的铁芯与定子发出的脉冲电磁场而产生旋转。

转子上有分布均匀的齿槽，而定子齿上绕有励磁绕组，定子所在轴线与转子所在轴线相互错开。

反应式步进电机步距角可以做得很小，但动态性能较差。

市场上一般以二、三、四、五相的反应式步进机居多。

反应式步进电机在数控机床、光电组合装置、阀门控制、计算机外部设备、银行终端、电子钟表及医疗设备等领域中被广泛使用。