(完整版)基于PLC的步进电机控制系统的设计与实现开题报告zz

1工程概况

步进电机是一种利用脉冲控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机。而能够产

生相应的脉冲，所以本次设计就是通过PLC产生控制脉冲来控制步进电机的自

动化运行。其系统和驱动电源示意图如下

电流时（对应于时间t o ）,利用定时电路或者电流检测反馈等措施使V2基极上信号电

压消失。于是V2截止，而V i仍然导通。因此绕组电流立即转而由低压电源经过二极管

V3供给。低压电源的电压值应使绕组中的电流限制在额定稳态电流

出端信号电压U消失，要求绕组断电时，V1基极上的信号电压也消失了

PLC

.脉冲£■配器

电机

图22驱动电源方框图

2设计方案

万案一

步进电机选反应式步进电机，驱动电路选用高低压切换电源高低压切换型电源

的原理线路如图3-2所示。图中当分配器输出端出现控制信U,要求绕组通电时,

三极管V i, V2的基极都有信号输入, 使V i, V2导通，于是，在高压电源的作用下（这

时，二极管V3两端承受的是方向电压, 处于截止状态，可使低电压电源不对绕组作用）

绕组电流迅速上升, 电流迅速上升, 电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态

I wy值。当分配输

于是V i也截

脉冲信号

图2.1基于PLC的步进电机控制系统

脉冲助率

放大器

西南石油大学本科毕业设计（开题报告）

止，绕组中的电流经二极管V 4及电阻R 2向高压电源放电，电流迅速下降

万案二

驱动电路选择单一电压型电源。图

3-1是单一电压型电源的一相功放电路（m 相

电机有m 个这样的功放的电路）的原理图。来自分配器的信号经过几级电流放大后加 到三极管y 的基极，控制乂的导通和截止。y 是功放电路的末级功放管，它与步进电 机一相绕组串联，所以通过功放管y 的电流与通过步进电机的电流是相等的。 单一电

11

聲骗

图3-1单电压驱动电路原理图 Jtl

图3-2 高低电压驱动电路原理图

图3-3 不同串联电阻值对电流的影响 图3-4不同串联电阻对矩频特性的影响

图3-5绕组换接时电流和电压的变化

压型电源信号电压及绕组中的电流的波形如图3-5所示。由步进电机的工作原理可知

基于PLC的步进电机控制系统的设计与实现

道这样的电流波形会使步进电机的输出转矩减小，动态特性变坏。若要提高转矩，应

缩短电流上升的时间常数T a，使电流前沿变陡，这样，电流波形接近矩形。由于T a=R/L,要减少T a就要在设计电机时尽量要减小绕组电感L。另外，如果加大图3-1 中串联的电阻R也就可以使时间常数T a下降，但是加大R以后，为了达到同样的稳态电流值，电源电压就要作相应的提高；图3-3中曲线|'和|"分别表示串联电阻R和R i''（R"> R'）时的绕组电流波形图。可以看出，当R i增大后，电流幅值增大，波形更加接近于矩形。这样可以增大转矩，提高启动和连续运行频率，并使启动和运行矩频特性下降缓慢，如图3-4所示（图中，曲线T'和T"分别表示串联电阻为戌和R," 时候的特性）。

方案比较和选择

单一电压型电源只有一种电压，功放元件少，成本低。但是它的最主要缺点是电流流过串联电阻R i后要消耗非常可观的电能，这部分消耗的电功率变成了热量白白的浪费掉了。而且功耗随着R i值及其电机功率的增大而增大。这样，一方面是电源设备的效率大为下降，同时所散发的热量又使控制柜内温度升高，为了不影响电子元件的

性能，还需要增添许多散热设备，因而增大了电源体积，提高了成本。

而使用高低压切换型电源则不存在这样的问题，因为电机绕组上不需要串联电阻

或者只需要串联一个很小的电阻R i （为平衡各相电流，其值一般约为0. 1 ~0.5 Q），所以电源功耗也比较小。而且高低压切换电源加在绕组中的电压和电流波形图也会得到很大改善如图3-5，所以导致电机的转矩特性很好，启动和运行频率都得到很大的

通过对方案一和方案二的比较，本次设计选择方案一

3技术路线

通过三菱FX系列PLC编程控制其输出脉冲频率来控制步进电机的速度。通过对额定调速范围D和最小负载转矩T min的计算得出的参数选择步进电机的型号如图 2.i 和图2.2所示，控制面板上的速度按钮控制移动的速度，方向按钮控制转动的方向，位置按钮对位置的控制，启/停按钮控制电机的启停与停止。实际系统中的位置与速度往往需要分成几档，因此位置和速度按钮可选用波段开关。通过对波段开关的不同跳线进行编码，可以减少操作面板与PLC的连线数量。同时也减少了PLC的输入点数

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4可能会遇到的困难与措施

步进电机驱动电源的选择

步进电机是由专门的驱动电源供电的， 驱动电源和步进电机是一个有机整体， 步 进电机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合的综合表现。

调速范围的确定

由于技术参数已经给定，所以在选用步进电机的时候要注意在调速时在调速范围 内的脉冲频率不能小于步进电机的自由振动频率的 1/k ，否则转子会发生强烈振荡甚

至失步。

解决办法是为削弱振荡现象，一般都会装有机械阻尼器。

步进电机及PLC 的选择

步进电机和PLC 必须要相匹配才能达到给定的系统参数；

比如PLC 输出的最高频

率决定了步进电机的最高转速等。解决办法是根据相互参数计算得出。具体计算如下： 脉冲当量=（步进电机步距角X 螺距）/ （360x 传动速比）； 脉冲上限频率=（移动速度x 步进电机细分数）/脉冲当量； 最大脉冲数量=（移动距离x 步进电机细分数）/脉冲当量； 极限启动转矩T q =T max X COS —；

N

一般来说最大静转矩较大的电机， 可以带动较大的负载。负载转矩和最大静转矩 的比值通常取为0.3~0.5左右，即T L =（0.3~0.5） T jmax

性能指标的提高

在选择步进电机工作方式的时候要尽量提高其性能指标，如

T n ，调速范围D 等。

.n be . n Sin ---- n 1

Sin —— Tn= -T jmax --------------- sin[ e — - be ] -T jmax -------------------------------------- sin[

sin 上 2

sin —

2 m

式中，T n 是n 相同时通电时转矩，m 表示电机相数。

由上式可得其解决T n 的办法是多采用多相通电的双拍制，少采用单相通电的单拍制

e 口 ]

( 5-3)

m