基于plc控制的步進電機控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文-在線瀏覽
2025-08-04 22:31本頁面
【正文】 LC 作為控制器和把 步進電機作為執(zhí)行元件組成的運動控制系統(tǒng) 具有相當?shù)牡湫托院屯ㄓ眯?，通過研究用 PLC 來控制步進電動 機的，既可實現(xiàn)精確定位控制，又能降低控制成本，還有利于維護。 XXX 本科 畢業(yè)設計（論文） 4 本課題研究的內(nèi)容 本課題主要研究三相步進電機的控制 ，使用的 PLC 是西門子 S7200 CN 系列PLCCPU224XPCN AC/DC/RLY, 能對三相步進電動機的轉速進行控制，能對三相步進電動機的步數(shù)進行控制實現(xiàn)調速功能，實現(xiàn)快速啟動、快速停止、正反轉互換控制及制動操作等。 22K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，擁有獨立的高速計數(shù)器 (100KHz)達 6個，并且還有 100KHz的高速脈沖 輸出 2個，上升沿和下降沿邊沿中斷各 4 個， RS485通訊 /編程口 2 個，同時具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 步 進電機和 PLC 必須要相匹配才能達到給定的系統(tǒng)參數(shù)；比如 PLC 輸出的最高頻率決定了步進電機的最高轉速 等。 式中， Tn 是 n 相同時通電時轉矩， m表示電機相數(shù)。 由于本設計用 PLC 控制三相步進電動機，故選用 36BF02 型反 應式步進電機作為控制對象，三相步進電動的步距角為 ? 或 ? 。 空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟 動的脈沖頻率 。在有負載的情況下，啟動頻率 會 更低。 (1)步進電機結構剖面圖如圖 21 所示。與齒 5 相對齊，那么就是說 A39。定轉子的展開圖如圖 22所示。 當采用 AABBBCCCAA 這種導電狀態(tài)時 ，原來每步 1/3? 會變成每步 1/6? ，甚至可以組合不同的二相電流，使其 1/3? 變?yōu)?1/12? ，乃至于 1/24? ，這就是電機細分驅動的基本理論依據(jù)。 36BF003 型步進電動機的三 個繞組分別用 A、 B、 C 表示。 六拍運行時，正轉通電順序為 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→ A? ；反轉通電順序為 A→ AC→ C→ CB→ B→ BA→ A? 。 圖 22 定轉子的展開圖 (3)頻率關系和轉速的關系 )/(60 KZMfn ??? 式中， M、 Z、 K 同上 ； n 為每分鐘轉速 r/min；當 M 相 M 拍通電時， K=1，當 M相 2M 拍通電時 ， K=2。 在線性狀態(tài)下，得出力矩公式 BrNVFM ???? V:半徑力矩與電機有效 N:安匝數(shù) 因此，力矩與電機有效體積、勵磁安匝數(shù)成正比，而與定轉子間氣隙成反比，反之亦然 [8]。 (2)步進驅動器：依控制器所投入的脈沖信號指令，提供電流來驅動步進電機動作。 所以步進電機系統(tǒng)構成簡單，不需要速度感應器（ ENCODER、 轉速發(fā)電機）、位置傳感器（ SENSOR），即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制 [9]。 在實現(xiàn)控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔﹑緊湊。 圖 24 占空比可調的方波發(fā)生器 3 驅動電路電源設計方案 方案設計 (1)方案一 步進電機選反應式步進電機，驅動電路選用高低壓切換電源。圖中當分配器輸出端出現(xiàn)控制信號 U,要求繞組通電時，三極管的基極都有信號輸入使導通，于是在高壓電源的作用下，繞組電流迅速上驅動電路 工作臺 步進電動機 驅動指令 R S TD I ST H RT R IC O NG N DV G CO U TV c cC 2C 1R 3R 2R 1U 1 = 6 VU 2 = 01 51 61 71 8 XXX 本科 畢業(yè)設計（論文） 8 升，電流迅速上升，電流前沿很陡。低壓電源的電壓值應使繞組中的電流限制在額定穩(wěn)態(tài)電流值。繞組中的電流經(jīng)二極管及電阻向高壓電源放電，電流迅速下降。圖 32 是單一電壓型電源的一相功放電路（ m 相電機有 m 個這樣的功放的電路）的原理圖。 V1 是功放電路的末級功放管，它與步進電機一相繞組串聯(lián)，所以通過功放管 V1的電流與通過步進電機的電流是相等的。若要提高轉矩，應縮短電流上升的時間常數(shù) Ta，使電流前沿變陡，這樣，電流波形接近矩形。另外，如果加大圖 31 中串聯(lián)的電阻 R1 也就可以使時間常數(shù) Ta 下降，但是加大 R1 以后，為了達到同樣的穩(wěn)態(tài)電流值，電源電壓就要作相應的提高；圖 33中曲線 I’和 I’’分別表示串聯(lián)電阻 R1’和 R1’’（ R1’’ R1’） 時的繞組電流波形圖。這樣可以增大轉矩，提高啟動和連續(xù)運行頻率，并使啟動和運行矩頻特性下降緩慢，如圖 34 所示曲線 T’和 T’’分別表示串聯(lián)電阻為 R1’和 R1’’時候的特性。但是它的最主要缺點是電流流過串聯(lián)電阻 R1 后要消耗非?？捎^的電能，這部分消耗的電功率變成了熱量白白的浪費掉了。這樣，一方面是電源設備的效率大為下降，同時所散發(fā)的熱量又使控制柜內(nèi)溫度升高，為了不影響電子元件的性能，還需要增添許多散熱設備，因而增大了電源體積，提高了成本。而且高低 壓切換電源加在繞組中的電壓和電流波形圖也會得到很大改善如圖 35，所以導致電機的轉矩特性很好，啟動和運行頻率都得到很大的提高。 通過對方案一和方案二的比較，本次設計選擇方案一。 (5)調速范圍的確定 由于技術參數(shù)已經(jīng)給定，所以在選用步進電機的時候要注意在調速時在調速范圍內(nèi) 基于 PLC的步進電機控制 系統(tǒng)設計 9 的脈沖頻率不能小于步進電機的自由振動頻率的 1/k，否則轉子會發(fā)生強烈振蕩甚至失步。 圖 31 高低電壓驅動電路原理圖 圖 32 單電壓驅動電路原理圖 I T T’’ T’ r f 圖 33 不同串聯(lián)電阻值對電流的影響 圖 34不同串聯(lián)電阻對矩頻特性的影響 U1 t 圖 35 繞組換接時電流和電壓的變化 步進電機的速度控制 步進電機的運轉速度會與輸入的脈沖速度成等比例的關系，所以在脈沖的速度愈快時，步進電機的轉速也會跟著加快；脈波速度愈慢時，電機的轉速自然也跟著變慢。 步進電機分割數(shù) /圈 步 進 電 機一 相 繞 組R 2V 2V 1R 1電 流 放 大高 壓 信 號 U 1電 源 電 壓 UI’’ I’ 步進電機繞組R 2V 2V 1R 1低 壓 控制 回 路高 壓 控制 回 路V 3控 制 信 號 U高 壓 U 1低 壓 輸入 信 號高 壓 輸入 信 號V 4 XXX 本科 畢業(yè)設計（論文） 10 說明： (1)RPM 為一般電機的速度單位，即 rev / min，為每分鐘電機所轉的圈數(shù)； PPS 為步進、伺服電機的速度單位，即 pulse per second， 為每秒所送出的脈沖數(shù)。 (3)步進電機分割數(shù) /圈，又代表要讓電機轉一圈所必須送出的脈沖數(shù)。速度控制梯形圖見圖 36，控制方式參數(shù)見 表 31，脈沖輸出頻率設定曲線見圖 37。而移動量的大小，是依照電機分辨率的大小與輸入的脈沖數(shù)來決定。 減小步距角的途徑方法 本課題使用的步進電機未細分時能達到的最小步距角為 176。轉速較高時，由于轉子本身的慣性，電機可近似看作勻速轉動。此外實際應用中 176。 減小步距角有以下四種方法： (1) 增加步進電機控制繞組的數(shù)量。三相步進電機單拍運行時的步距角為 3176。 （ 50 轉子齒）。
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