基于PLC的步进电机驱动控制设计

第一章绪论1.1技术概述在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。

无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。

因此，对电动机的控制变得越来越重要。

电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使电动机控制技术化。

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。

驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。

通俗的说：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（即步进角）。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到精确定位的目的。

同时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。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单项式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.50；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.50，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的有点。

它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8，而五相步进角一般为0.720。

这种步进电机的应用最为广泛。

步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控制系统每发出一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.90/1.80（表示半步工作时为0.90、整步工作时为1.80），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数：指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.90/1.80、三相的为0.750/1.50、五相的为0.360/0.720。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩：指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。

比如：当人们说2N·m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电机。

步进电机的一些特点：①一般步进电机的精度为步进角的3%~5%，且不会将一步的误差累积到下一步，因而有较好的位置精度和运动的重复性；②电机旋转的角度正比于脉冲数；③电机停转时具有最大的转矩；④优秀的起停和反转响应；⑤由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承寿命；⑥当步进电机转动时，低级各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降；⑦步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

空载启动频率：步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，再按一定加速度升到预期的高频（电机转速从低速升到高速）。

PLC全称为可编程控制器，是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微机处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。

目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置。

被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。

从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销售、用量高居工业控制装置榜首。

而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。

我国的PLC研制、生产和应用也发展得很快，尤其在应用方面更为突出。

PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，主要是因为它具有很多独特的有点，较好的解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、经济问题。

PLC 可靠性高，抗干扰能力强，其平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。

其次PLC编程简单、使用方便，目前大多数PLC采用的编程语言都是梯形图语言，梯形图与电气控制线路相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易被广大工程技术人员掌握。

PLC功能完善、通用性强、设计安装简单、维护方便。

采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备。

目前PLC已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各个行业。

随着PLC的性价比不断提高，其应用领域还将不断扩大。

为此，本文主要研究基于PLC的步进电机控制系统，实现PLC与步进电机的一体化问题。

1.2设计目的及系统功能二十一世纪的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。

尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响，误差不会长期积累的特点，给实际应用带来了很大的方便。

它广泛应用于消费类产品（打印机、照相机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。

研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

本设计的目的是以单片机为核心设计出一个步进电机控制系统。

本系统采用三菱FX2N系列PLC作为控制单元，第二章PLC及步进电机简介2.1PLC控制系统2.1.1PLC概述2.1.1.1 PLC的基本概念可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。

因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

1985年，国际电工委员会（International Electrical Committee）对PLC做出了定义：“可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

”2.1.1.2 PLC的组成PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块及一些特殊模块组成。

①CPU模块CPU模块主要由微处理器和存储器组成。

在可编程控制器中，CPU模块处于核心地位，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新输出信号。

它控制所有其他部件的操作，一般由控制电路、运算器、寄存器等组成，通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口电路连接。

CPU是PLC的“大脑”。

其中存储器又分为：只读存储器（存放PLC制造厂家编写的系统程序）和读写存储器（存放用户程序，为了防止失电后程序丢失，一般采用电池或电容保持电路）。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成的冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能继续正常运行。

②I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块统称为I/O模块，它们是连接外部环境和CPU模块的纽带。

输入模块是用来采集输入信号的。

一般来说，输入信号有两种：一种是从按钮、开关、各种接近开关而来的开关量输入信号；另外一种是由电位器、热电阻、热电偶及各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。

PLC是通过输出模块来控制外部设备的，这些设备包括电磁阀、调节阀等设备；另外，还可以控制灯、继电器、接触器等设备。

③电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也是十分重视的。

PLC 使用交流220V电源或者直流24V电源供电，其内部的稳压电源可以为各个模块的内部电路供电。

一般驱动现场执行机构的电源都要由用户提供。

2.1.1.3 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段：输入采样、用户程序执行和输出刷新。

完成上述三个阶段称为一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

①输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

②用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次的扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右，先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。