五相十拍步进电动机控制程序_电子/电路_工程科技_专业资料。摘 要 本论文主要阐述了五相十拍步进电动机控制领域中的应用，其中可编程控制器是工 业自动化设的主导产品，具有控制功能强，可靠性高，适用于不同控制要求的各种 控制对象等优点，其工作原理，设计和使用

　　摘 要 本论文主要阐述了五相十拍步进电动机控制领域中的应用，其中可编程控制器是工 业自动化设的主导产品，具有控制功能强，可靠性高，适用于不同控制要求的各种 控制对象等优点，其工作原理，设计和使用方法为电气和机电类专业必修课程的学习 内容。 本设计涉及的内容有：步进电动机的硬件驱动过程、五相十拍步进电动机的 PLC 软 件实现等。通过对硬件软件的结合，从而实现电动机的正反转控制。PLC 是现代工业 自动控制的一种通用计算机,但其工作方式与微机控制系统不同，与继电接触器控制 系统也有本质的不同。PLC 应用系统设计包括硬件设计和软件设计两个方面。 关键词：步进电动机;PLC 软件设计;PLC 硬件设计 目 录 1 绪论 ........................................................................... 2 1.1 可编程控制器 ............................................................... 2 1.1.1 PLC 的工作原理 .......................................................... 2 1.1.2 可编程序控制器的组成 .................................................... 2 1.1.3 可编程序控制器的特点 .................................................... 3 1.1.4 可编程控制器的应用 ...................................................... 4 1.2 步进电动机 .................................................................. 5 1.2.1 步进电机概述............................................................ 5 1.2.2 步进电动机的特点 ........................................................ 5 1.2.3 步进电动机的基本原理及步距角的计算 ...................................... 5 1.2.4 步进电动机的动态指标及术语.............................................. 6 2 软件设计 ....................................................................... 7 2.1 西门子 S7-200 介绍 ........................................................... 7 2.1.1 CPU22X 型的选择 ......................................................... 8 2.1.2 S7-200 元件的介绍 ....................................................... 8 2.2 五相十拍步进电动机的 PLC 设计过程 ........................................... 10 2.2.1 五相十拍步进电动机的控制要求 ........................................... 10 2.2.2 PLC 外部接线图 ......................................................... 11 2.2.3 I/O 地址分配表 ........................................................ 11 2.2.4 程序设计.............................................................. 12 3 硬件设计 ...................................................................... 15 3.1 环形分配器 ................................................................. 17 3.2 功率放大器 ................................................................. 18 结 束 语 ........................................................................ 19 参考文献 ........................................................................ 19 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 1 绪论 1.1 可编程控制器 1.1.1 PLC 的工作原理 PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器， 定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类 可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算 术操作等面向用户的指令， 并通过数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。 一般来说，PLC 的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图 1-1 所示，即一个扫描 周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 图 1-1 可编程控制器的扫描周期 1.1.2 可编程序控制器的组成 可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编 程器六部分构成: 中央处理器（ Central Processor Unit 简称 CPU） ：它是可编程序控制器的心 脏部分。CPU 由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存 储数据、变量的数据储器构成。 2 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 电源 （Power Supply） ：给中央处理器提供必需的工作电源。 输入组件（Inputs） ：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。 现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。 输出组件（Outputs） ：输出组件接收 CPU 的控制信号，并把它转换成电压或电流 等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设的执行器。 输入输出（简称 I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼 睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电 偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电 机启动等直流和交流设。 编程器（Programmer） ：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制 逻辑程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统 故障时作为检查故障的有效工具。 1.1.3 可编程序控制器的特点 现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一 经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下： （1）抗干扰能力强，可靠性高 微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动， 机械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而 PLC 在电子 线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产家长期积累的工业控制经验，主要模块 均采用大规模与超大规模集成电路，I／0 系统设计有完善的通道保护与信号调理电 路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、 滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这 些使 PLC 具有较高的抗干扰能力。PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是 一般微机不能比拟的。 继电器—接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使 设连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和 繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。 （2）控制系统结构简单，通用性强 PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系 统。 在 PLC 构成的控制系统中， 只需在 PLC 的端子上接入相应的输入输出信号线即可， 不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。 当需要变更控制系 统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个 PLC 装置用于不同的控制对 3 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 象，只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC 的输入输出可直接与交流 220 V，直 流 24V 等强电相连，并有较强的带负载能力。 （3）编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习 惯。PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器 原理图相类似， 这种编程语言形象直观， 容易掌握， 不需要专门的计算机知识和语言， 只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。 （4）功能完警 PLC 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量 和模拟量的输入输出。 由于采用了微处理器， 它能够很方便地实现定时、 计数、 锁存、两相步进电机 比较、跳转和强制 I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺 序控制功能，而且还具模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还 可以和其他微机系统、控制设共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数 据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此 PLC 具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。 1.1.4 可编程控制器的应用 随着计算机技术的迅猛发展及元器件成本大幅度下降，PLC 的性能价格比以前大 大提高，其应用范围也日益广泛。如今，PLC 已经在电力、纺织、机械、汽车制造、 造纸、钢铁、食品、轻工、化工、公用事业等领域得到广泛使用。PLC 的应用可以划 分如下类型。 （1） 顺序控制及时序控制 从 PLC 诞生之日起，顺序控制和时序控制就是 PLC 基本的功能，并取代了传统 的继电器控制回路。如今，PLC 仍在这一领域发挥着气无可比拟的优越性。 （2）过程控制 现在的 PLC 系统在软件硬件上提供了一系列措施， 使用户可以方便地实现回路控 制，如现在广泛使用的 PID 控制功能。许多 PLC 在硬件上提供了 PID 调节智能模块， 这种模块可以独立实现 PID 调节功能；在软件上，许多 PLC 提供了 PID 算法功能块， 通过软件功能块及模拟量输入/输出模块，也可实现 PID 控制功能。 （3） 运动控制 随着工自动化的日趋发展，PLC 的运动控制功能也日益完善。借助其运动控制 模块、驱动器、伺服电动机等，PLC 可以方便地实现装配、输送、存放及取回、材料 移动、成型等自动控制功能，甚至可以完成一些复杂的仿行功能。 （4） 数据处理 4 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 现在的 PLC 指令系统不仅可以实现传统的逻辑运算及整数四则运算， 还可以实现 32 位浮点复杂运算、ASCII 码读写、矩阵处理、数据传送、移位、数据检索、BCD 及 二进制码的相互转换，工程量转换等各项功能。 （5） 网络通信 为了实现 PLC 与远程之间、PLC 之间、PLC 与上位机之间及 PLC 与第三方产品之间的 联系，PLC 的网络通信功能已得到飞速发展，各 PLC 家都开发了自己的工业控制网 络， 如美国 A-B PLC 使用的 DH+网、 美国 MODICON PLC 使用的 MB+网、 德国 SIEMENS PLC 使用的 SINEC 1.2 步进电动机 1.2.1 步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉 冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”） ， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的； 同时可以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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积 累误差（精度为 ）的特点，广泛应用于各种开环控制。 1.2.2 步进电动机的特点 步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得 到广泛的应用。鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发 生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电 机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低 生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。在此基础上提出了双三拍步进电机程序控 制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。 1.2.3 步进电动机的基本原理及步距角的计算 (1).步进电机的基本原理:步进电机作为执行元件， 是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。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，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位 移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向 转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控 5 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 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。步进电机可以作 为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 )的特点，广泛应用于 各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR） 、永磁式步进电 机（PM） 、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。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；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。反应式步进电机的转子 磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。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为广泛，也是本次细分 驱动方案所选用的步进电机。 (2）步距角的计算 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求， 将负载的小分辨率 （当 量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速） 。电机的步距角应 等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相 电机） 、0.9 度/1.8 度（二、四相电机） 、1.5 度/3 度 （三相电机）等。 步距角的大小和通电方式、转子齿数、定子励磁绕组的相数的关系： α =360°/mZK= 360? 5 ? 100? 2 =0.36 m——步进电机的相数； Z——转子齿数；取 Z=100 K——通电方式系数；K=拍数/相数=10/5=2 所以五相步进电动机采用的步距角为 0.36°/0.72°。 1.2.4 步进电动机的动态指标及术语 (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*。 (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) 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，能够直接起动的频率。 (5) 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重要的，也是电机选择的根本依据。 6 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 如下图所示： 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。 如下图 1-2-1 所示： 其中，曲线 电流、或电压;曲线 电流小、或电压， 曲线与负载的交点为负载的速度点。 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。 图 1-2 步进电动机的矩频特性 (7) 电机正反转控电动机的矩频特性制： 当电机绕组通电时序为 ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB 为正转，通电时序为 ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB 时为反转。 2 软件设计 2.1 西门子 S7-200 介绍 本设计以西门子的 S7-200 系统小型 PLC 为主要讲述的。S7-200 以其极高的 性能价格比，在国内占有很大的市场份额。S7-200 适用于各种各业的检测、监测及 控制的自动化，无论独立运行或连成网络，都能实现复杂的控制功能。 7 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 2.1.1 CPU22X 型的选择 CPU22X 型 PLC，具有两种不同的电源供电电压，输出电路分为继电器输出和晶体 管直流输出两大类。CPU22X 系列 PLC 可提供 4 个不同型号的 I/O 种基本单元 CPU 供 用户选用，型及参数如表 2-1 所示。 表 2-1 CPU22X 系列 PLC 的类型及参数 CPU22X 型 CPU221 类型 直流输入 直流输出 直流输入继电器输 出 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 直流输入 直流输出 直流输入 继电器输出 85～264V 交流 24V 直流 24V 直流 24～230V 交直流 24V 直流 24V 直流 85～264V 交流 24V 直流 24V 直流 24～230V 交流 24V 直流 电源电压 24V 直流 输入电压 24V 直流 输出电压 24V 直流 输出电流 0.75A, 晶体管 2A， 继电器 0.75A, 晶体管 2A， 继电器 CPU221 集成 6 输入/4 输出共 10 个数字量 I/O 点，两相步进电机无 I/O 扩展能力，6KB 程序和数据 存储器空间。 CPU222 集成 8 输入/6 输出共 14 个数字量 I/O 点，可连接 2 个扩展模块，扩展至 78 路数字量 I/O 或 10 路模拟量 I/O 点，6KB 程序和数据存储空间。 CPU224 集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点，可连接 7 个扩展模块，扩展 至 168 路数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O 点，13KB 程序和数据存储空间。 CPU226 集成 24 输入/16 输出共 40 个数字量 I/O 点，可连接 7 个扩展模块，扩展 至 248 路数字量 I/O 或 35 路模拟量 I/O 点，13KB 程序和数据存储空间。 根据以上本设计应采用 CPU224 系列。 2.1.2 S7-200 元件的介绍 1、基本位操作指令 PUC 运行扫描到触点符号时，到触点位地址指定的存储器位访问，该位数据状态为 1 时，触点为动态，即“合触点闭合，动合触点断开” ；数据状态为 0 时，触点为常 态，即“动合触断开，动断触点闭合” 。当逻辑运算结果为 1 时，能量流可以到达线 圈，使线圈通电，CPU 将线圈位地址指定的存储器位置 1；当逻辑运算结果为 0 时， 线圈不通电，存储器位置置 0。基本位操作指令格式及功能如表 2-2 所示。 8 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 表 2-2 基本位操作指叙的格式及功能 LAD STL 功能 LD BIT LDN BIT 用于网络段起始的动合/动断触点 A BIT AN BIT 动合/动断触点串联，逻辑与/与非指令 O BIT ON BIT 动合/动断触点并联，逻辑或/或非指令 =BIT 线圈输出，逻辑置位指令 2、边沿触发指令 边沿触发是指用边沿触发信号产生一个机器周期的扫描脉冲，通常用作脉冲整 形。边沿触令分为正跳变触发（上升沿）和负跳变触发（下降沿）两大类。正跳变触 发指输入脉冲的上升沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。负跳变触发指输入脉冲的下 降沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。边沿触发指令格式及功能如表 2-3 所示。 表 2-3 边沿触发指令格式及功能 LAD STL EU(Edge Up) ED(Edge Down) 功能、注释 正跳变，无操作元件 负跳变，无操作元件 3、通电延时定时器指令 使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从 0 开始递增，大于或等于预 置值（PT）时，定时器输出状态位置 1（输出触点有效） ，当前值的值为 32767。 使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置 0） 。通电延时定 时器指令格式及功能如表 2-4 所示。 表 2-4 通电延时定时器指令格式及功能 LAD STL 功能、注释 TON 通电延时型 9 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 5、增计数器指令 增计数器指令在 CU 端输入脉冲上升沿，计数器的当前值增 1 计数。当前值大于或 等于预置值（PV）时，计数器状态位置 1。当前值累加的值为 32767。复位输入 （R）有效时，计数器状态复位（置 0） ，当前计数值清零。增计数器指令格式及功能 如表 2-5 所示。 表 2-5 增计数器指令格式及功能 LAD STL 功能 CTU （Counter Up）增计数器 2.2 五相十拍步进电动机的 PLC 设计过程 PLC 应用系统软件设计的主要内容就是编写 PLC 用户程序。设计步骤包括分析控制 要求，确定控制方案、I/O 地址分配表、PLC 外部接线图、程序设计、系统调试等。 2.2.1 五相十拍步进电动机的控制要求 (2) 用五个开关控制其工作： 1 号开关控制其运行（启/停） 2 号开关控制其低速运行（转过一个步距角需 0.5s） 3 号开关控制其中速运行（转过一个步距角需 0.1s） 4 号开关控制其低速运行（转过一个步距角需 0.03s） 5 号开关控制其转向（ON 为正转，OFF 为反转） (3) 设有五台电动机作顺序循环控制，控制时序图如图 2-7 所示。 (4) 设有四台电动机作顺序循环控制，控制时序图如图 2-8 所示。 10 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 图 2-7 五台电动机顺序循环控制 图 2-8 四台电动机顺序循环控制 2.2.2 PLC 外部接线图 PLC 外部接线图的输入输出设、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来 设定。步进电动机采用五相十拍控制外部接线 所示。步进电动机采用单相 控制外部接线 步进电动机采用五相十拍控制 外部接线 步进电动机采用单相控制 外部接线 I/O 地址分配表 根据 PLC 外部接线图可以列写出电器元件符号及功能说明表和 I/O 地址分配表， 见表 2-11。这直观地描述了外部信号与 PLC 接线端子的关系。I/O 地址分配表如表 2-12。 表 2-11 电器元件符号及功能说明表 序号 1 2 3 4 5 6 符号 K1 K2 K3 K4 K5 K6 功能描述 启/停开关 0.5s 低速运行开关 0.1s 中速运行开关 0.03s 低速成运行开关 控制转向开关 运行控制开关 序号 7 8 9 10 11 12 13 符号 A B C D E KM1 KM2 功能描述 A 绕组 B 绕组 C 绕组 D 绕组 E 绕组 一号电机 二号电机 11 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 14 15 16 序号 1 2 符号 I0001 I0002 功能描述 启动按钮 停止按钮 序号 3 4 5 6 KM3 KM4 KM5 符号 KM1 KM2 KM3 KM4 三号电机 四号电机 五号电机 功能描述 一号电机 二号电机 三号电机 四号电机 表 2-12 I/O 地址分配表 输入 K1 K2 K3 K4 K5 K6 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 输出 A B C D E KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 输入 SB1 SB2 I0.0 I0.1 输出 KM1 KM2 Q0.0 Q0.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 2.2.4 程序设计 (1) 五相十拍步进电动机的拍数实现梯形图如图 2-13 所示。 低速 0.5s 时所采用的定时器从 T37——T46。 中速 0.1s 时所采用的定时器从 T47——T56。 低速 0.03s 时所采用的定时器从 T57——T63、T101——T103。 12 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 图 2-13 五相十拍步进电动机的拍数实现梯形图 (2) 五台电动机采用五相十拍作顺序循环控制如图 2-15 所示。 电机的工作过程 如图 2-14 所示。定时器从 T104——T107。 图 2-14 电动机的工作过程 13 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 图 2-15 五台电动机采用五相十拍作顺序循环控制 (3) 四台电动机采用单相作顺序循环控制如图 2-16 所示。 14 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 图 2-16 四台电动机采用单相作顺序循环控制 3 硬件设计 步进电机控制系统的结构图如图 3-1 所示。主要由 PLC 控制器、步进电动机驱动器及 步进电机组成。步进电动机的五相十拍控制由软件实现，而步进电动机驱动器及步进 电动机由硬件设计。 图 3-1 步进电动机控制系统的结构图 步进电动机的驱动器包括环形分配器和功率放大器组成。 控制系统中 PLC 用来产生控 制脉冲;通过 PLC 编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制进给 量;同时通过编程控制脉冲频率——既控制进给速度;环行脉冲分配器将可编程控制 器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。采用硬件环行分配器， 虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用 PLC 的 I/O 口点数，步进电机功率放大器 15 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 将 PLC 输出的控制脉冲放大到几十～上百伏特、几安～十几安的驱动能力。一般 PLC 的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十 几～几十伏特、 几十～几百毫安。 但对于功率步进电机则要求几十～上百伏特、 几安～ 十几安的驱动能力，因此应该采用放大器对输出脉冲进行放大。进给方向控制即步进 电机的转向控制。 步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其 转向;如五相步进电机通电顺序为 ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB 时步进电机正转;当绕组按 ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB 顺序通 电时步进电机反转。 因此可以通过 PLC 输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输 出顺序来实现，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。 开环步进电动机控制系统图如图 3-2 所示。五相十拍步进电动机的驱动电路如图 3-3 所示。两相步进电机通过环形分配器和功率放大器共同完成步进电机的驱动。 图 3-2 开环步进电动机控制系统图 16 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 图 3-3 五相十拍步进电动机的驱动电路 3.1 环形分配器 环形分配器又称脉冲分配器，它接收控制脉冲和方向信号，并按步进电动机的分 式要求的状态顺序产生各相控制绕组导通或截止的信号， 实现对脉冲按分式 进行分配送到功率放大器。五相十拍环形分配器电路图如图 3-4 所示。 图 3-4 五相十拍环形分配器电路图 CP 是进给脉冲， 两者不会同时到来。 和 分别代表了进给脉冲是正方向还是负方向。 为高电 平时，代表 CP 进给脉冲为正方向； 为高电平时，代表 CP 是反方向进给脉冲， 对于五相步进电机，五相十拍的通电顺序为: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB→ABC 按照五相十拍步进电机的通电方式和通电顺序， 列出控制定子绕组通、 断电的线 所示。根据真值表，如果采用上一拍的通电状态作为下一拍通电状态的控制 条件，可写出逻辑式为： 正转时 反转时 表 3-5 五相十拍环形分配器线 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 按上述逻辑式再分别考虑到进给方向， 可设计出该五相十拍环形分配器线 功率放大器 功率放大器是输出级带一定的负载，为使负载能正常工作，输出级就必须输出足 够大的功率，即输出级不但要输出足够高的电压，同时，还要提供足够的电流。通过 功率放大器对脉冲分配回路输出的控制信号进行放大驱动步进电机的各相绕组， 使步 进电机转动。 功率放大电路有单电压型功放电路、 高低压切换型功放电路、 斩波恒流功放电路、 升频升压功放电路、细分功放电路、H 桥功率与多相功放电路。 当电机相数较多时， 使用大功率晶体管较多。 而使用多相桥可以减小一半晶体管。 例如，用五个 H 桥驱动五相混合式步进电动机要用 20 个功率晶体管，而采用五相桥 功放只用 10 个功率晶体管。五相功放电路的原理图见图 3-6 所示。这个电路有十个 输入端，其中 a、b、c、d、和 e 各端表示高压管的输入端，a＇b＇c＇d＇和 e＇表示 低压管的输入端。这些输入端的控制逻辑比较复杂，必须根据选定的分式进行设 计。例如，要求以实现五相十拍的拍 ABC，即 A 相、B 相、C 相绕组同时接高压 电源，电流从高压电源沿正向同时经过 A、B、C 相绕组，然后实现 ABC 的状态。以此 类推实现五相十拍步进电动机的其它拍数。 18 五相十拍步进电动机控制程序的设计与调试 图 3-6 五相功放电路的原理图 结 束 语 本论文在李振凯老师的悉心指导和严格要求下完成的，从课题选择到具体构思 和内容，无不凝聚着老师的心血和汗水，在三年的学习和生活期间，也始终感受着导 师的精心指导和无私的关怀， 我受益匪浅。 在此向老师表示深深的感谢和崇高的敬意。 这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做 的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能 力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我 在以后学习中激励我继续进步。不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，使我 能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和 支持，才使我的毕业论文工作顺利完成。 参考文献 [1] ：周雪 [2] ：孙津平 [3] ：胡幸鸣 [4] ：廖常初 [5] ：杨宜民 [6] ：孙平 [7] ：张凯 编著 模拟电子技术 西安：西安电子科技大学出版社，2005，7 编著 数字电子技术 西安：西安电子科技大学出版社，2005，7-9 编著 电机及拖动基础 编著 PLC 编程及应用 编著 新型驱动器及其应用 北京：机械工业出版社，2002，6 北京：机械工业出版社，2005，5-6 北京：机械工业出版社，1997，12-15 北京：科学出版社，2005 高等教育出版社，2002，11 南京：东南大学出版社，2005，2-5 [5] ：梅晓榕等 编著 自动控制元件及电路 编著 可编程控制器教程 编著 可编程控制器原理及应用 19
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