基于PLC的步进电机运动控制系统设计

机电工程系
基于PLC的步进电机运动控制系统设计
专业：测控技术与仪器
指导教师：xxx
姓名: xxx _______________
（2011年5月9日）
目录
一、步进电机工作原理 (1)
1。

步进电机简介 (1)
2。

步进电机的运转原理及结构 (1)
3。

旋转 (1)
4。

步进电动机的特征 (2)
1）运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机 (2)
2）运转量与脉冲数的比例关系 (2)
3）运转速度与脉冲速度的比例关系 (2)
二、西门子S7-200 CPU 224 XP CN (2)
三、三相异步电动机DF3A驱动器 (3)
1。

产品特点 (3)
2。

主要技术参数 (3)
四、PLC与步进电机驱动器接口原理图 (5)
五、PLC控制实例的流程图及梯形图 (5)
1.控制要求 (5)
2。

流程图 (5)
3.梯形图 (6)
六、参考文献 (6)
七、控制系统设计总结 (6)
基于PLC的步进电机运动控制系统设计
一、步进电机工作原理
1.步进电机简介
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：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（及步进角)。

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;也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。

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电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机来控制变的非常的简单
2.步进电机的运转原理及结构
电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て，即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て，A’与齿5相对齐，(A'就是A,齿5就是齿1）
3.旋转
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用,齿1与A对齐，（转子不受任何力，以下均同）。

如B相通电，A，C相不通电时,齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移(て—1/3て）=2/3て。

如C相通电，A,B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐. 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て
这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲）1/3て，向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转.由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系.而方向由导电顺序决定。

步进电机的静态指标术语
拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC—CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A—AB-B—BC—C—CD—D—DA—A。

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示.θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距角为θ=360度/(50＊4)=1。

8度（俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50＊8）=0。

9度（俗称半步）。

4.步进电动机的特征
1)运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机
以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。

控制器又叫脉冲产生器，目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等.
2)运转量与脉冲数的比例关系
3)运转速度与脉冲速度的比例关系
二、西门子S7—200 CPU 224 XP CN
本机集成14输入/10输出共14个数字量I/O点。

2输入/1输出3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。

22K字节程序和数据存储空间,6个独立的30KHz高速计数器，2个独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器.1个RS458通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯能力.I/O端子排可很容易地整体拆卸.是具
有较强能力的控制器.
三、三相异步电动机DF3A驱动器
1.产品特点
可靠性高:数字技术和单片机的应用,使得驱动器线路简单可靠;合理的
结构设计，使得整机结构紧凑、防护性能好；短路、过流、超温、欠压保护线路提供全面、可靠的保护、大大提高了步进驱动器的可靠性。

低速性能好：引入单片机进行软环分及矢量细分，实现1：1平滑细分及5、10、20倍矢量细分,使得步进电机低速运行平稳，避免振荡及失步。

矢量细分技术的应用，使得与μm级位置控制器配套的步进系统输出精度接近μm级.高速性能优：输入信号频率不大于250kHz（20细分时），输出电流频率可达15kHｚ。

由于采用单高压（300V）恒流斩波，高速特性好,驱动步进电机空载运行最高速不低于7。

0mm/min适用面广：输出电流3A～10A可调，可驱动90BF、110BF、130BF步进电机,输出转矩
2N·m～25N·m。

2。

主要技术参数
四、PLC与步进电机驱动器接口原理图
五、PLC控制实例的流程图及梯形图
1.控制要求
1)要求点机能正反转
2)电机有高低速两档
3)电机位移和距离有两档
4)要求说明用PLS原理
5)所有换挡均需要在电机停止时进行
2.流程图
3.梯形图
六、参考文献
［1］张运刚、宋小春主编。

西门子S7-200系列。

北京：人民邮电出版社. 2010.1 [2］徐国林主编. PLC应用技术。

北京：机械工业出版社. 2003
七、控制系统设计总结
这次二十来天的学习和实际，是我们一次较全面，较深刻的对PLC知识的综
合运用，通过这次学习，使得我们对PLC有了一个较为系统全面的认识，加深了
对所学知识的理解和运用，将原来看来比较抽象的内容实现了具体化,初步掊养
了我们理论联系实际的设计思想，训练了综合运用相关课程的理论，结合生产实
际分析和解决工程实际问题的能力，巩固、加深和扩展了有关PLC关于工业控制
方面的知识。

通过制订设计方案,合理选择程序设计，以及针对学习中出现的问题查阅资料，大大扩展了我们的知识面，培养了我们在本学科方面的兴趣及实际动手能力，对将来我们在此方面的发展起了一个重要的作用。

本次论文是我们对所学知识运用的一次尝试，是我们在PLC知识学习方面的一次有意义的实践.在学习中,通过老师的指导，使自己在设计思想、设计方法和考虑问题等方面都得到了一次良好的训练。