三相步进电机控制系统设计

CHENGNAN COLLEGE OF CUST 工厂电气控制与PLC课程设计题目：三相步进电动机控制系统设计

学生姓名：刘深圳

学号： 2

班级: 工业电气自动化1301班

专业：自动化（工业电气自动化）

所在院(系): 电气与信息工程系

指导教师：贺勇

起止日期：2015年12月28日～2016年1月8日

目录

一. 目的与要求 (3)

二．三相步进电机的工作原理 (3)

三．方案设计 (5)

四．可编程逻辑控制器概述 (6)

五. 可编程控制器工作原理 (7)

六. 输入输出信号分析与PLC I/O分配图 (8)

七. PLC的选型 (9)

八. 三相步进电机主电路图 (11)

九. 控制流程图 (12)

十. 控制方法 (13)

十一. 程序设计 (14)

十二. 控制面板 (21)

十三.运行与调试程序 (21)

十四.总结 (22)

十五．参考文献 (22)

一、目的和要求

(1) 用PLC 实现对三相步进电动机的控制

(2) 掌握用计时器设计脉宽为一个扫描周期且频率可变的脉冲发生器和用循环移位指令

产生时序脉冲的编程方法和技巧

(3) 训练能综合各种信号实现某种控制规律的编程思路和方法

(4) 掌握PLC 控制系统设计的基本原则和步骤，从而提高应用PLC 的能力

二、三相步进电动机工作原理简介：

(1) 概述：

步进电动机是利用电磁铁的作用原理将电脉冲转变成直线位移或角位移。在非超载的情况下，电动机的转速、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，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动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动机来控制变得非常的简单。步进电动机通常用于数控机床、绘图机、自动控制和记录仪表等。

(2) 结构：

图1 是一个三相反应式步进电机结构图。从图中可以看出，它分成转子和定子两大部分，定子是由硅钢片叠成的，两个相邻定子齿之间的夹角为60°，转子由软磁材料制成。步进电动机三个励磁绕阻绕过相对的两个定子齿，构成一相（A-A’，B-B’，C-C’），定子齿上有5 个均匀分布的矩形小齿；转子上没有绕组，而有40 个小齿均匀分布在其圆周上。当某相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S 极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。

图1 三相步进电动机结构图

反应式步进电机的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最小磁阻的位置(定子小齿和转子小齿对齐的位置)，并处于平衡状态。对三相步进电机来说，当某一相的磁极处于最小磁阻位置时，另外两相必须处于非最小磁阻位置(定子小齿和转子小齿不对齐的位置)。把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿；把定子小齿和转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提。因为定子齿距角和转子相同，所不同的是，转子的齿是圆周分布的，而定子的齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一相处于对持状态时，该相磁极上的定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐。

步进电机转动的角度（步距角）的大小与转子的齿数及通电的方式有关，

θ＝360°/Z2N

其中：θ－步距角，Z2－转子齿数，N－通电脉冲数。可见步进电机转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。

(3) 旋转：

以三相步进电动机，四齿转子为例，电流脉冲的施加共有三种方式。

1) 单相三拍方式------按单相绕组施加电流脉冲

2) 双相三拍方式-----按双相绕组施加电流脉冲

3) 三相六拍方式------单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲

单相三拍方式的每一拍步进角为30°，三相六拍的步进角则为15°。因此，在三相六拍下，步进电机的运行平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动脉冲的频率需提高一倍，对驱动开关管的开关特性要求较高。

(4) 本实训项目中步进电动机采用三相六拍工作方式。其工作原理见图2 所示。

① A 相首先通电，转子齿与定子A－A’级对齐(图2 a )。

②在A 相继续通电的情况下接通B 相，这时定子B－B’极对转子齿2－4 产生磁拉力，

这时转子的位置如图2b 所示，即转子从图2 a 位置顺时针转过了15°。

③ A 相断电，B 相继续通电。这时转子齿2－4 和定子B－B’极对齐(图2c)，转子从图2b 的位置又转过了15°。其位置如图2c 所示。

图2 三相步进电动机动作原理图

这样，如果按A-AB-B-BC-C-CA-A 的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A-AC-C -CB-B-BA-A 的顺序通电，则电动机转子逆时针方向转动。

（5）步进电机工作方式三相六拍：A-AB-B-BC-C-CA-A

三相六拍工作方式时序图

三、方案设计

在步进电动机控制系统中，步进电动机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种控制中，根据步进电动机的特点，从制造成本与系统结构复杂程

因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造成本低等优点。另外，步进电动机受控于脉冲量，它比直流电机或交流电机组成的开环精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。

输 出

负 载 步进电动机 功率

驱动器 环形

分配器指令脉冲 开环步进电机控制系统框图

四． 可编程逻辑控制器概述

“PLC 是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。”上述是国际电工