精品学习资料---收集网络如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 《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 专业班级：学生姓名： 学号： 指导教师： 2014 华中科技大学武昌分校制精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 《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 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； 当钮子开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止； 当钮子开关拨到三拍时，旋转的角度为3 当钮子开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；当钮子开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转； 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) 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) 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) 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) 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) 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 系统的I/O 分配表 含软件设计（程序及必要的说明） 调试及调试结果，以及在调试过程中出现的问题及解决办法 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 三、原始资料 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进行硬件连接及调试； （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： 设计方案、课程设计过程和设计思想、方法、原理； 系统的I/O 分配表及程序的详细说明； 参考资料、参考书及参考手册； 其他需要说明的问题，例如操作说明、程序的调试过程、遇到的问题及解决方 法、对课程设计的认识和建议等； 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； 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及解决办法。 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 精品学习资料---收集网络如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 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。 利用实验室设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。 共计10 六、主要参考资料（1）马小军.可编程控制器及其应用.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. 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 指导教师（签名）： 20 年月日 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 目录 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 步进电机及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 设计方案及实验调试…………………………………………………………………93.1 步进电机 口分配表……………………………………………………………93.2I/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 调试过程及问题分析……………………………………………………………13 课程设计总结………………………………………………………………………14 参考文献……………………………………………………………………………15 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 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 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； 当钮子开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止； 当钮子开关拨到三拍时，旋转的角度为3 当钮子开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；当钮子开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转； 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) 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) 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) 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) 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) 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) 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 步进电机及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 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 （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、 精品学习资料---收集网络如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 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 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、 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 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重要的参数之一。比如，当人们说2Nm 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 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 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 （相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 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 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 偏移（-1/3 相通电，A，B相不通电，齿 对齐，此时转子又向右移过1/3 ，此时齿4 偏移为1/3对齐。如A 相通电，B，C 相不通电，齿4 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 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 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线。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 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 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及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 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 的可编程控制器的输出端。图(b)是这 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 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。 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。 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 精品学习资料---收集网络 如有侵权 请联系 网站删除 LDX000；接在左侧母线 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 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 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 圈通电,当T
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