PLC控制步进电机步进电机的可编程控制器控制.docx

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PLC控制步进电机步进电机的可编程控制器控制

2.3步进电机主要特点11

2.4步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍12

2.5西门子PLC对步进电机的控制方法12

2.6PLC直接控制步进电机13

2.7步进电机动态指标及术语15

1绪论

近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。

数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。

数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。

1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。

由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

1.1设计的背景和意义

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机,传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。

可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。

为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。

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@步进电动机的发展与计算机工业密切相关。

自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。

另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。

任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。

现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。

爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。

最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8／0.9°（全步／半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。

到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。

%步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。

现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台"w3nAoX%德国也是世界上步进电动机生产大国。

德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。

与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。

该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM型。

将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后显示：

1）在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。

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.三相电动机的两相励磁最大保持力矩为3T1（T1为单相励磁转矩），而二相电动机为2T1，所以三相电动机的合成力矩大。

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3）三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。

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4）三相电动机连续2步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。

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ci三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管6个；而二相电动机是8个。

6）连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小.`lQNr2mq结论是显而易见的。

另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。

因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：

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FAFAZHANG发展发发展发展趋势一，随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。

瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。

发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。

由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。

同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％

发展趋势之三，对电动机进行综合设计。

即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。

KOF*Ji$F@k发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。

目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。

而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。

我国的情况有所不同，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。

尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0.9°/1.8°）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75°/1.5°）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。

这种现状对步进电动机的发展是不利的。

1.2步进电机工作原理

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。

由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,通过控制脉冲数量来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;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;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的。

总结来说,步进电机主要具有以下一些工作特性:

（1）输入脉冲数严格的和电机的角位移成正比,电机运转一周后没有积累误差,因此具有良好的跟随特性;

（2）由于其良好的跟随特性,步进电机可以与驱动器电路组成开环数字控制系统,同时,也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。

（3）步进电机的动态响应快,易于启动和停止、正反转和变速。

（4）速度可以在相当宽的范围内平滑调节;在低速动作状态下仍能保证获得大的转矩

1.3系统设计的目标

本设计是采用是S7—300控制三相六拍的反应步式步进电机，通过软件设计移位脉冲频率来控制步进电机的慢速、中速、快速。

移位寄存器指令MW0的低八位按照三相六拍的步进顺序进行赋值来控制步进动机的正反转。

步进电机是一种将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，其速度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、速度和方向。

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可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。

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。

步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点,已成为运动控制领域的主要执行元件之一。

步进电机是机电一体化的关键产品,广泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中。

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,在各个行业的控制领域都将有广泛应用。

而现在的可编程控制（ProgrammableLogicController,通常称PLC）是一种工业控制计算机,具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能,能充分适应工业环境,简单易懂,操作方便,可靠性高,是目前广泛应用的控制装置之一。

PLC对步进电机也具有良好的控制能力,利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能,即可实现对步进电机的控制。

利用PLC控制步进电机,其脉冲分配可以由软件实现,也可由硬件组成。

2步进电机的分类、基本结构

2.1步进电机的分类

（1）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7.5度或15度。

（2）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1.5度，但噪声和振动都很大。

（3）混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。

两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为0.72度，。

这种步进电机的应用最为广泛。

三相反应式步进电机的结构如图所示。

定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。

定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。

三相反应式步进电机的结构图

在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。

如图所示

A相通电定转子错开示意图

2.2步进电机的基本结构

2.2.1电机固有步距角

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出厂时给出了一个步距角的值，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。

2.2.2步进电机的相数

步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、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0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。

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。

2.2.3保持转矩（HOLDING  TORQUE）

保持转矩是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了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。

2.2.4钳制转矩（DETENT  TORQUE）

钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

2.3步进电机主要特点

1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2）步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机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。

4）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。

步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即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，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

2.4步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等。

另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。

由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。

还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中

2.5西门子PLC对步进电机的控制方法

在本设计中直接使用PLC控制步进电机，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。

例如三相步进电机可采用三种工作方式：

三相单三拍，三相双三拍，三相单六拍。

本设计采用三相六拍

三相单三拍工作方式

三相双三拍工作方式

三相单六拍工作方式

2.6PLC直接控制步进电机

可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图。

并使用PLC产生各种时序的脉冲例如：

本设计采用西门子S7-300PLC控制三相步进电机的过程。

三相单六拍正向时序图

2.6.1反应式步进电机原理

2.6.1.1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,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），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）如图：

定转子的展开图

2.6.2旋转

三相如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。

不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。

往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，所以本设计采用三相六拍。

这样将原来每步1/3て改变为1/6て。

甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

不难推出：

电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……（m-1）/m,1。

并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。

只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

2.6.3力矩

电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比,其磁通量Ф=Br*S其中Br为磁密，S为导磁面积.F与L*D*Br成正比,L为铁芯有效长度，D为转子直径.Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。

力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

静转矩：

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

2.7步进电机动态指标及术语

1）步距角精度：

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示：

误差/步距角100%。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2）失步：

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步。

3）失调角：

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4）最大空载起动频率：

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5）最大空载的运行频率：

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6）运行矩频特性：

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

运行矩频特性

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

图2.9电机动态力矩频率关系

其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

7）、电机的共振点

步进电机均有固定的共振区域，二、三相感应子式步进电机的共振区一般在180-250p步距角1.8度或在步距角为0.9度，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多

3CPU步进电机的选择

3.1CPU的选择

CPU313C集成3个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道，3个通道位CPU313C集成数字量输出点首位字节的最低三位，这三位通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。

再需要高频脉冲输出时，可通过硬件设置定义这三位的属性，将其作为高频脉冲输出通道来使用作为普通数字量输出点使用时，其系统默认地址为Q124.0、Q124.1、Q124.2（该地址用户可根据需要自行修改），作为高速脉冲输出时，对应的通道分别为0通道、1通道、2通道（通道号为固定值，用户不能自行修改）。

每一通道都可输出最高频率为2.5KHZ（周期为0.4ms）的高频脉冲CPU313C中，X2前接线端子22、23、24号接线端子分别对应通道0、通道1、和通道3。

另外，每个通道都有自己的硬件控制门，0通道的硬件门对应X2前接线端子的4号接线端子，对应的输入点默认地址为I124.2。

1通道硬件门7号接线端子，对应的输入点默认地址为I124.5，而2号通道硬件门为12号接线端子，对应的输入点默认地址为I125.0。

CPU313C的结构

3.2三相反应式步进电机的选择

45BF三相反应式步进电机

三相反应式步进电机参数

45BF三相反应式步进电机

45BF技术参数

本设计选用45BF008。

相数是三相、步距角1.5/3度。

.电压24V、相电流0.2A、保持转距0.118NM（1.2kg.cm）、空载启动频率500，

D为45；

D1为25；　高H为2.5；

d为4；E为14.5；L为58；

D2为33；MS为4-M3

4软件设计

4.1SETP7概述

STEP7编程软件用于SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。

STEP7具有以下功能：

硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。

在STEP7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。

STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。

实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。

4.2SETP7的硬件接口

PC/MPI适配器用于连接安装了STEP7的计算机的RS-232C接口和PLC的MPI接口。

计算机一侧的通信速率为19.2kbit/s或38.4kbit/s，PLC一侧的通信速率为19.2kbit/s~1.5Mbit/s。

除了PC适配器，还需要一根标准的RS-232C通信电缆。

使用计算机的通信卡CP5611、CP5511或CP5512，可以将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，通过网络实现计算机与PLC的通信。

也可以使用计算机的工业以太网通信卡CP1512或CP1612，通过工业以太网实现计算机与PLC通信。

在计算机上安装好STEP7后，在管理器中执行菜单命令“Option”→“SettingtheG/PCInterface”,打开“Install/RemoveInterfaces”

对话框。

在中间的选择框中，选择实际使用的硬件接口。

点击【Select…】按钮，打开“Install/RemoveInterfaces”对话框，可以安装选择框中没有列出的硬件接口的驱动程序。

点击【Properties…】按钮，可以设置计算机与PLC通信的参数。

4.3STEP7的编程功能

STEP7的标准版只配置了3种基本的编程语言，梯形图（LAD）、功能块图（FDB）和语句表（STL），有鼠标拖放、复制和粘贴功能。

语句表是一种文本编程语言，用户能节省输入时间和存储区域，并且“更接近硬件”。

STEP7专业版的编程语言包括S7-SCL（结构化控制语言）、S7-GRAPH（顺序功能图语言）、S7HiGraph和CFC，这四种语言对于标准版是可选的。

STEP7用符号表编辑器工具管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。

使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。

测试功能和服务功能包括设置断点、强制输入和输出、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态等。

程序中的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找

STEP7的帮助功能