PLC的三相步进电动机的控制设计
PLC的三相步进电动机的控制设计[20200123191530]
日 期： 2012年10月27日 【摘要】
步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。而PLC是一种便于对动作顺序进行控制的元件。随着科学电子技术的发展，对步进电动机的控制要求正朝向高精度、自动化控制的方向发展。工业生产中运用PLC控制步进电动机可以简便的实现控制，不需要复杂的控制电路，而且控制的时候只需要进行编程以及搭配少量相关硬件，即可实现控制。本论文介绍了通过PLC控制三相步进电动机，用按钮开关的通断来实现对步进电动机的正、反转控制，通过对按钮的控制来实现高、中、低速度的控制，不同步数的控制。
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关键字:】三相步进电动机；PLC；转速控制；三相六拍
引言 1
一、PLC设计步骤及基本内容 2
（一）PLC控制系统设计的基本内容 2
（二）PLC控制系统设计的一般步骤 2
二、控制要求及分析 3
（一）开环控制系统 3
（二）控制要求 3
（三）控制要求的分析 3
三、步进电动机的选型 4
（一）步进电动机的种类 4
（二）36BF02A型反应式步进电动机参数 5
（三）36BF02A型反应式步进电动机的特点 5
（四）三相反应式步进电动机的工作原理 5
四、系统设计 6
（一）确定I/O点数 6
（二）PLC控制步进电机系统框图 7
（三）I/O分配表 7
（四）I/O端子接线图 7
（五）控制过程分析 8
（六）梯形图分析 8
（七）程序 12
总结 13
参考文献 14
谢辞 15
引言
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。
一、PLC设计步骤及基本内容
（一）PLC控制系统设计的基本内容
1) 拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个系统的设计依据。
2) 选择电力拖动形式和电动机、电磁阀等执行机构。
3) 选定PLC的型号。
4) 分配PLC的I/0点，绘制PLC的I/0硬件接线图。
5) 设计控制系统梯形图并调试。
6) 设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及它们的安装接线图。
7) 编写设计说明书和使用说明书。
（二）PLC控制系统设计的一般步骤
PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此用PLC设计自动控制系统与微机的控制系统的开发过程也不完全一样。需要根据PLC的特点，以程序形式来体现其控制功能。设计可按照以下几个步骤进行。
1．确定控制对象及控制范围
详细了解被控对象的控制要求，确定必须完成的动作及完成的顺序，归纳出工作循环和状态流程图。
2．PLC型号的选定
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
3．硬件设计
根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电器控制系统总装配图和接线图。
4．软件设计
（1）在进行硬件设计的同时可以同时着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在程序设计的时候建议将使用的软继电器（内部继电器、定时器、计数器等）列表，标明用途以便于程序设计、调试和系统运行维护，检修时候查阅。
（2）程序初调也成为模拟调试。将设计好的程序通过程序编辑工具下载到PLC控制单元中。由外接信号源加入测试信号，通过各种状态指示灯了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，消除缺陷，直到满足设计的要求为止。
5．现场调试
在初调合格的情况下，将PLC与现场设备连接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接的正确无误的情况下即可送电。把PLC控制单元的工作方式布置为“RUN”开始运行。反复调试消除可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改老配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。试运行无问题后可将程序固化在具有长久记忆功能的存储器中，并做备份（至少应该作2份）。
二、控制要求及分析
本设计采用在开环控制系统中，用PLC控制三相步进电动机。
（一）开环控制系统
1）结构，如图2-1所示；
图2-1 开环步进电动机控制系统框图
2）特点：
开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置，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。
（二）控制要求
PLC要对三相步进电动机做出以下几点控制要求：
1）能够对三相步进电动机的转速进行控制；
2）能够对三相步进电动机的正反转进行控制；
3）能够对三相步进电动机的步数进行控制。
（三）控制要求的分析
1）转速的控制
由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，其接通顺序为：
该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是：
选择不同的脉冲同期T，可以获得不同频率的控制脉冲，从而实现对步进电动机的调速。
2）正反转的控制
步进电机的正反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，三相六拍步进电动机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A时电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时电机反转。因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环形分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。即通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0、Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转控制。
正转：
反转：
3）步数的控制
步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。
式中ΔL为步进电机的输出位移量（mm），d为机构的脉冲当量（mm/脉冲）。
日 期： 2012年10月27日 【摘要】
步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。而PLC是一种便于对动作顺序进行控制的元件。随着科学电子技术的发展，对步进电动机的控制要求正朝向高精度、自动化控制的方向发展。工业生产中运用PLC控制步进电动机可以简便的实现控制，不需要复杂的控制电路，而且控制的时候只需要进行编程以及搭配少量相关硬件，即可实现控制。本论文介绍了通过PLC控制三相步进电动机，用按钮开关的通断来实现对步进电动机的正、反转控制，通过对按钮的控制来实现高、中、低速度的控制，不同步数的控制。
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关键字:】三相步进电动机；PLC；转速控制；三相六拍
引言 1
一、PLC设计步骤及基本内容 2
（一）PLC控制系统设计的基本内容 2
（二）PLC控制系统设计的一般步骤 2
二、控制要求及分析 3
（一）开环控制系统 3
（二）控制要求 3
（三）控制要求的分析 3
三、步进电动机的选型 4
（一）步进电动机的种类 4
（二）36BF02A型反应式步进电动机参数 5
（三）36BF02A型反应式步进电动机的特点 5
（四）三相反应式步进电动机的工作原理 5
四、系统设计 6
（一）确定I/O点数 6
（二）PLC控制步进电机系统框图 7
（三）I/O分配表 7
（四）I/O端子接线图 7
（五）控制过程分析 8
（六）梯形图分析 8
（七）程序 12
总结 13
参考文献 14
谢辞 15
引言
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。
一、PLC设计步骤及基本内容
（一）PLC控制系统设计的基本内容
1) 拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个系统的设计依据。
2) 选择电力拖动形式和电动机、电磁阀等执行机构。
3) 选定PLC的型号。
4) 分配PLC的I/0点，绘制PLC的I/0硬件接线图。
5) 设计控制系统梯形图并调试。
6) 设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及它们的安装接线图。
7) 编写设计说明书和使用说明书。
（二）PLC控制系统设计的一般步骤
PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此用PLC设计自动控制系统与微机的控制系统的开发过程也不完全一样。需要根据PLC的特点，以程序形式来体现其控制功能。设计可按照以下几个步骤进行。
1．确定控制对象及控制范围
详细了解被控对象的控制要求，确定必须完成的动作及完成的顺序，归纳出工作循环和状态流程图。
2．PLC型号的选定
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
3．硬件设计
根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电器控制系统总装配图和接线图。
4．软件设计
（1）在进行硬件设计的同时可以同时着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在程序设计的时候建议将使用的软继电器（内部继电器、定时器、计数器等）列表，标明用途以便于程序设计、调试和系统运行维护，检修时候查阅。
（2）程序初调也成为模拟调试。将设计好的程序通过程序编辑工具下载到PLC控制单元中。由外接信号源加入测试信号，通过各种状态指示灯了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，消除缺陷，直到满足设计的要求为止。
5．现场调试
在初调合格的情况下，将PLC与现场设备连接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接的正确无误的情况下即可送电。把PLC控制单元的工作方式布置为“RUN”开始运行。反复调试消除可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改老配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。试运行无问题后可将程序固化在具有长久记忆功能的存储器中，并做备份（至少应该作2份）。
二、控制要求及分析
本设计采用在开环控制系统中，用PLC控制三相步进电动机。
（一）开环控制系统
1）结构，如图2-1所示；
图2-1 开环步进电动机控制系统框图
2）特点：
开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置，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。
（二）控制要求
PLC要对三相步进电动机做出以下几点控制要求：
1）能够对三相步进电动机的转速进行控制；
2）能够对三相步进电动机的正反转进行控制；
3）能够对三相步进电动机的步数进行控制。
（三）控制要求的分析
1）转速的控制
由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，其接通顺序为：
该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是：
选择不同的脉冲同期T，可以获得不同频率的控制脉冲，从而实现对步进电动机的调速。
2）正反转的控制
步进电机的正反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，三相六拍步进电动机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A时电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电时电机反转。因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环形分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。即通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0、Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转控制。
正转：
反转：
3）步数的控制
步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。
式中ΔL为步进电机的输出位移量（mm），d为机构的脉冲当量（mm/脉冲）。
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