三相步进电机的PLC控制课程设计.docx
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三相步进电机的PLC控制课程设计
《电气控制与可编程控制器技术A》
课程设计报告
题目：
三相步进电机的模拟控制
院（系）：
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
2014年6月3日至2014年6月13日
华中科技大学武昌分校制
《电气控制与可编程控制器技术A》课程设计任务书
1、设计（调查报告/论文）题目
三相步进电机的模拟控制
2、设计（调查报告/论文）主要内容
（1）控制要求：
本设计要求利用PLC构成三相步进电机控制系统，完成主电路的接线，并编写三拍、六拍、单步和连续控制的程序并调试。
（2）设计要求
①当钮子开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；
②当钮子开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；
③当钮子开关拨到三拍时，旋转的角度为3度；
④当钮子开关拨到六拍时，旋转的角度为1.5度；
⑤当钮子开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；
⑥当钮子开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；
⑦当单步要转到连续，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑧当连续要单步连续，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑨当三拍要转到六拍，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑩当六拍要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑪当正转要转到反转，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑫当反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
（3）撰写说明书
①系统的I/O分配表
②含软件设计（程序与必要的说明）
③调试与调试结果，以与在调试过程中出现的问题与解决办法
三、原始资料
1三相步进电机的资料
2GX-developer仿真软件的资料
四、要求的设计（调查/论文）成果
（1）了解三相步进电机的工作原理，掌握步进电机的三相三拍，三相六拍的控制方式，对实验室提供的三相步进电机实验设备进行硬件连接与调试；
（2）掌握集成开发环境GX-developer的使用，并能在这个开发环境下编写三相步进电机控制系统的梯形图程序。
（3）利用实验室设备进行运行调试。
（4）撰写课程设计说明书，课程设计报告内容包括：
①设计方案、课程设计过程和设计思想、方法、原理；
②系统的I/O分配表与程序的详细说明；
③参考资料、参考书与参考手册；
④其他需要说明的问题，例如操作说明、程序的调试过程、遇到的问题与解决方法、对课程设计的认识和建议等；
⑤用电脑编排打印，报告格式按照《华中科技大学武昌分校课程设计管理办法》执行。
课程设计报告要求内容正确完整，图表清晰，叙述简明，语句通顺，字数不得少于2000汉字；
⑥课程设计报告按封面、任务书、设计说明书、图纸、实物照片贴页（实物照片贴在A4复印纸上）、成绩评定表的顺序装订。
（5）总结调试过程中出现的问题与解决办法。
以上设计课题完成后，均要总结设计结果、提交专业课程设计说明书并进行设计答辩。
五、进程安排
内容
时间
下达课程设计任务书。
讲解课程设计的任务与要求、进度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料。
学生到实验室熟悉设备。
1天
搜集资料、方案论证、初步设计。
1天
系统设计、绘制系统控制原理图、接线图与软件编程。
2天
利用实验室设备完成控制系统的硬件接线工作，运行控制程序，进行运行调试。
3天
方案优化、总结完善、整理资料、撰写课程设计报告
2天
答辩、课程设计总结。
1天
共计
10天（2周）
六、主要参考资料
（1）马小军.可编程控制器与其应用.南京：
东南大学出版社，2007.
（2）姚锡禄.变频器技术应用.北京：
电子工业出版社，2009.
（3）巫莉.电气控制与PLC应用.北京：
中国电力出版社，2008.
（4）王兆义.小型可编程控制器实用技术.北京：
机械工业出版社，2013.
指导教师（签名）：
20年月日
1三相步进电机的PLC控制与要求……………………………………………………1
1.1控制要求……………………………………………………………………………1
1.2设计要求……………………………………………………………………………1
2步进电机与PLC的工作原理…………………………………………………………2
2.1步进电机简介………………………………………………………………………2
2.2步进电机的分类……………………………………………………………………2
2.3步进电机的基本参数………………………………………………………………3
2.4步进电机主要特点…………………………………………………………………4
2.5反应式步进电机原理…………………………………………………………4
2.6PLC的工作原理……………………………………………………………………5
2.7GX-Developer简介…………………………………………………………………7
3设计方案与实验调试…………………………………………………………………9
3.1步进电机I/O口分配表……………………………………………………………9
3.2I/O口端子接线图…………………………………………………………………9
3.3设计流程……………………………………………………………………………9
3.4设计梯形图………………………………………………………………………11
3.5调试过程与问题分析……………………………………………………………13
课程设计总结………………………………………………………………………14
参考文献……………………………………………………………………………15
1三相步进电机的PLC控制与要求
1.1控制要求
本设计要求利用PLC构成三相步进电机控制系统，完成主电路的接线，并编写三拍、六拍、单步和连续控制的程序并调试。
1.2设计要求
①当钮子开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；
②当钮子开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；
③当钮子开关拨到三拍时，旋转的角度为3度；
④当钮子开关拨到六拍时，旋转的角度为1.5度；
⑤当钮子开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；
⑥当钮子开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；
⑦当单步要转到连续，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑧当连续要单步连续，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑨当三拍要转到六拍，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑩当六拍要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑪当正转要转到反转，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
⑫当反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换；（通过编程）
2步进电机与PLC的工作原理
2.1步进电机简介
步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。
在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。
然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。
因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。
步进电动机由此而得名。
步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的，其转子走过的步数，或者说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比。
另外，步进电动机动态响应快，控制性能好，只要改变输入脉冲的顺序，就能方便地改变其旋转方向。
这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。
因此，步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。
因此，在数字控制系统出现之初，步进电动机经历过一个大的发展阶段[3]。
2.2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。
图2-1三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：
图2-2A相通电定转子错开示意图
电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由绕组通电的顺序决定。
2.3步进电机的基本参数
（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）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。
（3）保持转矩
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2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。
（4）钳制转矩
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，所以它没有钳制转矩。
2.4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。
2.5反应式步进电机原理
（1）反应式步进电机结构
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
、2/3
（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以
表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3
，C与齿3向右错开2/3
，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）如图：
图2-3定转子的展开图
（2）反应式步进电机的旋转
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
，此时齿3与C偏移为1/3
，齿4与A偏移（
-1/3
）=2/3
。
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
，此时齿4与A偏移为1/3
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
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
，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、噪音与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
改变为1/6
。
甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3
变为1/12
，1/24
，这就是电机细分驱动的基本理论依据[5]。
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。
（3）步进电机在工业控制领域的主要应用
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、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。
2.6PLC的工作原理
可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。
在运行状态中，可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的控制要求。
为了使可编程控制器的输出与时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不仅仅执行一次，而是反复不断地重复执行，直到可编程控制器停机或切换到STOP工作状态。
下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程。
图2-4（a）所示的PLC的输入输出接线图，起动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分加别接在编号为X000和X001的可编程控制器的输入端，接触器KM的线圈接在编号为YO00的可编程控制器的输出端。
图（b）是这3个输入/输出变量对应的I/O映像寄存器。
图（c）是可编程控制器的梯形图，它与图2-4所示的继电器电路的功能相同。
但是应注意，梯形图是一种程序，是可编程控制图形化的程序。
图中的X000等是梯形图中的编程元件，XO00与X001是输入继电器，Y000是输出继电器。
编程元件X000与接在输入端子XO00的SB1的常开触点和输入映像寄存器XO00相对应，编程元件Y000与输出映像寄存器Y000和接在输出端子Y000的可编程控制器内部的输出电路相对应。
（a） （b） （c） （d）
图2-4PLC的外部接线图与梯形图
梯形图以指令的形成储存在可编程控制器的用户程序存储器中，梯形图与下面的4条指令对应“；”之后是该指令的注解。
LDX000；接在左侧母线上的X000的常开触点。
ORY000；与X00O的常开触点并联的Y000的常开触点。
ANIX001；与并联电路串联的X001的常闭触点。
OUTY000；Y000的线圈。
在输入处理阶段，CPU将SB1，SB2的常开触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。
执行第一条指令时，从输入映像寄存器X000中取出二进制数并存入运算结果寄存器。
执行第二条指令时，从输出映像寄存器Y000中取出二进制数，并与运算结果寄存器中的二进制数相“或”（触点的并联对应“或”结算），然后存入运算结果寄存器。
执行第三条指令时，取出输入映像寄存器X001中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”（电路的串联对应“与”运算），然后存入运算结果寄存器。
在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出映像寄存器Y000中存放的是二进制数“1”，外接的KM线圈将通电，反之将断电。
X000，X001和Y000的波形如图2.11（D）所示,高电平表示按下按钮或KM线圈通电,当TT=T1时按下起动按钮SB1，X0变为“1”状态，经逻辑运算后Y000变为“1”状态，在输出处理阶段，将Y000对应的输出映像寄存器中的“1”送到输出模块，将可编程控制器内Y000对应的物理继电器的常开触点接通，使接触器KM的线圈通电。
2.7GX-Developer简介
GX-Developer是三菱PLC的编程软件。
适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。
支持梯形图、指令表、SFC、ST与FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控与调试，具有异地读写PLC程序功能。
GX-Developer特点：
（1）软件的共通化 GX-Developer能够制作Q系列，QnA系列，A系列（包括运动控制（SCPU））,FX系列的数据,能够转换成GPPQ,GPPA格式的文档。
此外，选择FX系列的情况下，还能变换成FXGP（DOS）,FXGP（WIN）格式的文档。
（2）利用Windows的优越性，使操作性飞跃上升能够将Excel,Word等作成的说明数据进行复制，粘贴，并有效利用。
（3）程序的标准化
标号编程：
用标号编程制作可编程控制器程序的话，就不需要认识软元件的号码而能够根据标示制作成标准程序。
用标号编程做成的程序能够依据汇编从而作为实际的程序来使用。
（2）功能块（以下，略称作FB）：
FB是以提高顺序程序的开发效率为目的而开发的一种功能。
把开发顺序程序时反复使用的顺序程序回路块零件化，使得顺序程序的开发变得容易。
此外，零件化后，能够防止将其运用到别的顺序程序时的顺序输入错误。
（3）宏：
只要在任意的回路模式上加上名字（宏定义名）登录（宏登录）到文档，然后输入简单的命令就能够读出登录过的回路模式，变更软元件就能够灵活利用了。
（4）能够简单设定和其他站点的链接由于连接对象的指定被图形化而构筑成复杂的系统的情况下也能够简单的设定。
（5）能够用各种方法和可编程控制器CPU连接
①经由串行通讯口
②经由USB
③经由MELSECNET/10（H）计算机插板
④经由MELSECNET（Ⅱ）计算机插板
⑤经由CC-Link计算机插板
⑥经由Ethernet计算机插板
⑦经由CPU计算机插板
⑧经由AF计算机插板
（6）丰富的调试功能
①由于运用了梯形图逻辑测试功能，能够更加简单的进行调试作业。
没有必要再和可编程控制器连接。
没有必要制作条使用的顺序程序。
②在帮助中有CPU错误，特殊继电器/特殊寄存器的说明，所以对于在线中发生错误，或者是程序制作中想知道特殊继电器/特殊寄存器的内容的情况下提供非常大的便利。
。
③数据制作中发生错误况时，会显示是什么原因或是显示消息，所以数据制作的时间能够大幅度缩短。
3设计方案与实验调试
3.1步进电机I/O口分配
表3-1步进电机I/O口分配表
输入
功能
输出
功能
X0
启动
Y1
控制A相
X1
停止
Y2
控制B相
X2
正转
Y3
控制C相
X3
反转
X4
三拍
X5
六拍
X6
连续
X7
单步
3.2I/O口端子接线
图3-1I/O口端子接线图
3.3设计流程
三拍正转通电顺序为：
A→B→C
三拍反转通电顺序为：
A→C→B
六拍正转通电顺序为：
A→AB→B→BC→C→CA
六拍反转通电顺序为：
A→CA→C→BC→B→AB
按下启动后输出A2使其通电，经过延时后判断是否按下停止，若按下停止则返回初始未启动状态，若未按下停止则判断是否为单步。
若为单步则按下启动后接着判断正、反转，三拍还是六拍，进而使相应的相通电，如三拍正转输出B2,而连续则不需按启动直接判断输出。
每一步输出后都有是否停止判断，若按下停止则返回初始未启动状态。
每个停止判断后都有单步/连续判断，决定下一步输出是否需要按下启动。
所有相输出完毕后回到A相进行下一轮输出。
大致流程如下图：
图3-2设计流程图
3.4设计梯形图
图3-3设计梯形图
3.5调试过程与问题分析
将PLC的I/O口与步进电机三相和各个状态开关连接起来，程序写入PLC，开始执行后可以看到，按下启动步进电机按照设定的方式开始转动，如果设定为单步则每按一次启动步进电机转动一次，连续则一直转动。
其中六拍转动的步距角为三拍的一半。
在转动过程中拨动状态开关电机转动方式改变，若按下停止则电机停转。
调试过程中曾遇到设置为单步时，按下启动步进电机不转动或错误转动的问题，这是由于设定的延时时间与硬件反应时间不匹配造成的，通过多次调整实验，我们将延时时间改为0.5S，电机转动正常。
课程设计总结
我们这次的课题是应用PLC对三相步进电机进行控制，刚拿到题目时有些无从下手，毕竟从来没有学过步进电机，后来在查阅辅导书和老师的讲解下我基本明白了它的工作原理，感觉控制并不太难，于是以为做起来应该没什么问题，但在实际动手的过程中我才发现，想起来容易做起来难，理论到实践之间还存在着巨大的努力空间。
在这次的课程设计中，通过对GX-Developer的应用，我们了解了三菱FX2N系列PLC的优点和特点，并懂得了一些以前不懂或不熟练的语句，极大的锻炼了可编程控制器的使用能力，对三相步进电机也有了初步的认识。
在实际操作过程中我由于不熟悉、粗心以与对理论知识的掌握不到位，遇到了形形色色的问题，为了使步进电机按要求转动，必须灵活运用原理找出解决方法。
在老师和同学的帮助下，我们一一解决了这些问题。
有很多课堂上并没有讲授的知识应用中需要用到，我则通过去图书馆借阅资料、在网上搜索等形式自己吸收补充。
这整个过程很好地巩固了我们学过的专业知识，使我对可编程控制器也有了更进一步的了解和认识，同时对步进电机系列知识都有了一定的了解，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来,考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料、和组织材料的综合能力。
这次的课程设计使我受益良多，最后我谨向在这个过程中给予我帮助的老师以与各位同学们致以最诚挚的谢意。
参考文献
（1）马小军.可编程控制器与其应用.南京：
东南大学出版社，2007.
（2）姚锡禄.变频器技术应用.北京：
电子工业出版社，2009.
（3）巫莉.电气控制与PLC应用.北京：
中国电力出版社，2008.
（4）王兆义.小型可编程控制器实用技术.北京：
机械工业出版社，2013.
（5）范次猛.PLC编程与应用技术（三菱）.武汉：
华中科技大学出版社，2012.
（6）王建,张
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