控制步进电机课程设计

控制步进电机课程设计

第1章控制工艺流程分析

1.1步进电机的控制过程描述

近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。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，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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；同时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。

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机

精确定位。步进电机驱动器有很多，应以实际的功率要求合理的选择驱动器。

步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。在一般的电路驱动中，需将由CPU产生的脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。随着大规模集成电路技术的发展，逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片，它们配合功率放大的驱动电路可以实现步进电机的驱动。

1.2 PLC控制步进电机的控制工艺分析

可编程序控制器简称PLC，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等优点，因此迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。

PLC所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源：具有良好的自诊断功能．一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；简化编程语言，对信息进行保护和恢复．设置警戒时钟WDT；对程序和动态数据进行电池后备。上述措施使PLC有高的可靠性。而采用循环扫描工作方式也提高其抗干扰能力。

PLC在工业自动化领域起着举足轻重的作用。在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。实践证明80％以上的工业控制可以使用PLC来完成。PLC可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信联网等。使用PLC可实现步进电机的控制。可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高。

时至今日，软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。虽然软件的发展速度比不上硬件的发展速度那么迅速，但已能满足现在的工业需求。对步进电机的传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。随着PLC的普及，现在已普遍采用硬件与软件相结合的方式对其进行控制，这种控制方法有很多优点，比如：可以实现高精度的控制，降低成本，降低控制难度，简化控制电路等。今后步进电机的总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方向发展。

PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。

以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。

PLC对步进电机的控制主要包括三个方面，即步进电机的转速控制、方向控制、步数控制。改变步进电机定子绕组的通电顺序，就改变步进电机的旋转方向，改变脉冲频率，就改变步进电机的转速，改变脉冲个数。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序。便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。

步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。本系统PLC选用S7-200PLC。其控制系统如图1-1所示。

图1-1 PLC控制步进电机系统框图