【正文】 A 圖 33 三相六拍工作方式時序圖 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 12 步進電機 控制原 理 控制步進電機換向順序 通電換向這一過程稱為脈沖分配。 控制步進電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電 ，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。 PLC 控制 步進電機的方法 在本設計中直接使用 PLC 控制步進電機，可使用 PLC 產生控制步進電機所需要的各種時序的脈沖。 這三種方式的主要區(qū)別是 :電機繞組的通電、放電時間不同。因此，同一脈沖頻率時，六拍的工作方式出力最大。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進電機的運行特性好，步進電機分辨率最高 。并使用 PLC 產生各種時序的脈沖。 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 13 圖 34 三相單六拍正向時序圖 PLC 控制步進電機的設計思路 步進電機控制方式 典型的步進電機控制系統(tǒng)如圖所示： 圖 35 典型的步進電機控制系統(tǒng) 步進電動機是一種將數(shù)字脈沖信號轉換成機械角位移或者線位移的數(shù)模轉換元件。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件 ， 每當對其施加一個電脈沖時 ， 其輸出轉過一個固定的角度。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的順序 ， 便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉向。 步進電機的控制和驅動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為 :普通集成電路 控制、單片機控制、工業(yè)控制機控制、可編程控制器控制等幾種 ； 按照控制結構可分為 :硬脈沖生成器硬脈沖分配結構 (硬 硬結構 )、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結構 (軟 軟結構 )、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結構 (軟 硬結構 )。這種控制驅動方式運行速度比較快，但是電路復雜，功能單一。用單片機、工業(yè)控制機、普通個人計算機、可編程序控制器控制步進電機一般均可采用這種結構。 3． 軟 —— 硬結構 如圖 所示，這種步進電機的控制驅動系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅動器組成。這種控制驅動方法電路結構簡單、可以實現(xiàn)復雜的功能，同時占用 CPU 時間較少，用可編程 控制器全部實現(xiàn)了控制器和驅動器的功能。如圖 所示，這是一種軟 軟結構，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序實現(xiàn)。 三菱 PLC 本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生 器，其發(fā)出的頻率最大為 10KHz，能夠滿足步進湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 15 電動機的要求。一是在此應用的 PLC 最好是具有實時刷新技術的 PLC， 使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫芝或更高。二是 PLC 本身的輸出端口應該采用大功率晶體管 ， 以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅動要求。 本章小結 本 章說明了三相步進電機幾種常見的工作方式，即三相單三拍，三相雙三拍和三相六拍。 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 16 第 4 章 FX2N 控制步進電機硬件設計 三菱 FX2nPLC 的介紹 1） FX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先進的系列。 2） 為大量實際應用而開發(fā)的特殊功能 。定位控制達到 16 軸，脈沖串輸出或為 J和 K 型熱電偶或 Pt 傳感器開發(fā)了溫度模塊。 3） 網絡和數(shù)據通信 ： 連接到世界上最流行的 開放式網絡 CCLink， Profibus Dp 和 DeviceNet 或者采用傳感器層次的網絡解決您的通信需要。快速斷開端子塊 因為采用了優(yōu)良的可維護性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時間設置和比較指令易于操作。 5） 持續(xù)掃描功能 ： 為應用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。 7） 注解記錄功能 ： 元件注解可以記錄在程序寄存器中。 9） RUN/STOP 開關 面板上運行 /停止開關易于操作。 三菱 PLC 應用中需要注 意的 問題 1） 溫度： PLC 要求環(huán)境溫度在 0 ℃～ 55 ℃ ， 安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面 ， 四周通風散熱的空間應足夠大。 3） 震動：應使 PLC 遠離強烈的震動源 ， 防止振動頻率為 10 Hz～ 55Hz 的頻繁或連續(xù)振動。 4） 空氣：避免有腐蝕和易燃的氣體 ， 如氯化氫、硫化氫等。 5） 電源： PLC 對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。一般 PLC 都有直流 24 V 輸出提供給輸入端 ， 當輸入端使用外接直流電源時 ， 應選用直流穩(wěn)壓電源。 控制系統(tǒng)中干擾及其來源 影響 PLC 控制系統(tǒng)的干擾源 ， 大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位 ， 其原因是電流改變產生磁場 ， 對設備產生電磁輻射 ； 磁場改變產生電流 ， 電磁高速產生電磁波 ， 電磁波對其具有強烈的干擾。由于電網覆蓋范圍廣 ， 電網受到空間電磁干擾而在線路上感應電壓。 2） 柜內干擾。 3） 來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾。 4） 來自 PLC 系統(tǒng)內部的干擾。 5） 變頻器干擾。 主要抗干擾措施 1） 合理處理電源以抑制電網引入的干擾 對于電源引入的電網干擾 可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為 1∶ 1 的隔離變壓器 ， 以減少設備與地之間的干擾 ， 還可以在電源輸入端串接 LC 濾波電路。 PLC 應遠離強干擾源 ， 柜內 PLC 應遠離動力線 ( 二者之間距離應大于 200 mm)， 與 PLC 裝在同一個柜子內的電感性負載 ， 如功率較大的繼電器、接觸器的線圈 ， 應并聯(lián) RC 消弧電路。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線 ， 屏 蔽層應一端或兩端接地 ， 接地電阻應小于屏蔽層電阻的 1/10。 正確選擇接地 點以完善 接地系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。 1） 安全地或電源接地：將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。接 地電阻值不得大于 4 Ω ， 一般需將 PLC 設備系統(tǒng)地和控制柜內開關電源負端接在一起 ， 作為控制系統(tǒng)地。 步進電機的選擇 本設計選用 45BF008。電壓 24V、相電流 、保持轉距 ()、空載啟動頻率 500， D 為 45； D1 為 25； 高 H為 ； d 為 4； E 為 ； L 為 58； D2 為 33； MS 為 4M3。圖中僅為一相的驅動電路，其余兩相與之相同。當三極管截止時，無集電極電流流通，開關相當于斷開；當三極管飽和時， 流過的集電極電流最大， 開關相當于閉合，該開關“動作”可由加于基極的電流來控制。電路中使用光電耦合器將控制和驅動信號隔離。 圖 44 步進電機驅動電路 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 21 驅動 電路 接口 圖 45 驅動器接口 PLC 驅動步進電機 三菱 PLC 本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的要求。一是在此應用的 PLC 最好是具有實時刷新技術的 PLC， 使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫芝或更高。二是 PLC 本身的輸出端口應該采用大功率晶體管 ， 以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅動要求。步進電機的轉動，由于步進電機是 電感性負載 ， 直流電阻很小 ， 故接限流電阻以免脈沖電流過大損壞，當步進電機各相繞組的通電順序按 ：? A— AB—B— BC— C— CA— A? 導通斷開時 ， 步進電機正轉。每當步進電機走一步 ， 環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一 ， 當步數(shù)減為零時 ， 停止環(huán)形脈沖分配 ， 等待下一次的脈沖輸入。 PUL 為脈沖信號，通 過控制脈沖的頻率來控制步進電機的運行速度， DIR 為方向控制。 引腳信號定義 引腳信號功能的詳解 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 23 電氣特性 細分和電流設定 1） 細分設定 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 24 改變驅動器的細分倍數(shù)，可改變電機旋轉一圈所需的脈沖數(shù) 2） 電流設定 對于同一電機，電流設定值越大時，電機的輸出力矩越大，但電流大的同時電機和驅動器的發(fā)熱也比較嚴重，所以一般情況是把電流設成供電機長期工作時出現(xiàn)溫熱但不過熱的數(shù)值。簡單介紹了 三菱 FX2n 系列 PLC，以及 FX2n系列 PLC 在使用中應該注意的問題。 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 26 第 5 章 控制系統(tǒng)的 程序 設計 本設計相關指令介紹 PLSY 指令 和 PLSR 指令 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 27 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 28 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 29 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 30 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 31 結 論 本文論述了基于 PLC 的步進電機控制系統(tǒng)的設計方法和研制過程，包括硬件設計、軟件設計 以及系統(tǒng)組態(tài) 等方面。軟件程序用 PLC 梯形圖語言寫成。利用 PLC 輸出的時序脈沖和方向信號，改變對步進電機繞組的通電方式和通電順序，來準確控制步進電機的正轉、反轉等工作狀態(tài)。 目前利用可編程序控制器（即 PLC 技術）可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便地進行各種 步進電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化技術水平 ，加速了機電一體化的實現(xiàn)。 導師前瞻性的科學思維、寬 廣的專業(yè)知識和兢兢業(yè)業(yè)的工作精神，令我敬佩，使我受益匪淺。 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 34 附 錄