PLC课程设计步进电机要点

电气控制技术

课程设计

题目: 步进电机的控制

院系名称：电气工程学院

成绩：

指导老师签名：

1 系统概述 (1)

1.1 对被控对象步进电机控制的分析 (1)

1.2 设计的目的及工作内容 (1)

2 方案论证 (2)

2.1 开环控制系统 (2)

2.2 闭环控制系统 (2)

3 硬件设计 (3)

3.1 系统的原理方框图 (3)

3.2 I/O分配 (3)

3.3 主电路及I/O接线图 (4)

3.4 元器件选型 (4)

3.4.1 步进电机选型 (4)

3.4.2 PLC选型 (5)

3.4.3 按钮选型 (6)

3.4.4 熔断器选型 (6)

3.5 元件清单 (7)

4 软件设计 (4)

4.1 主流程 (8)

4.1.1 转速控制 (8)

4.1.2 正反转控制 (9)

4.1.3 步数控制 (9)

4.1.4 程序流程图 (9)

4.2 梯形图及其功能注释 (10)

5 系统调试 (14)

5.1 软件调试 (14)

5.2 硬件调试 (14)

5.2.1 转速控制过程 (14)

5.2.2 正反转控制过程 (14)

5.2.3 单步执行控制过程 (14)

5.3 调试结果分析 (14)

设计心得 (15)

参考文献 (16)

1 系统概述

1.1 对被控对象步进电机控制的分析

三相步进电动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。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数（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。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。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改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。典型步进电机外观如图1-1。

图1-1典型步进机

1.2 设计的目的及工作内容

本设计的主要研究内容是以三菱FX2N系列PLC（可编程逻辑控制器）为核心控制步进电机，及其相关外围电路组成的控制电路设计。可以通过对几个开关按钮的控制来实现对步进电机转动的方向、速度和步数的控制。

用PLC控制三相六拍步进电机实现如下操作，其控制要求如下：

三相步进电动机有三个绕组：A、B、C，正转的顺利为：A-AB-B-BC-C-CA-A；反转的顺利为：A-CA-C-BC-B-AB-A。

1.要求能实现正、反转控制，而且正、反转切换无须经过停车步骤。

2.具有两种转速：

（1）开关闭合，则转过一个步距角需0.5s。

（2）开关闭合，则转过一个步距角需1s 。

3.要求步进电机转动100个步距角后自动停止运行。

4.设置按钮K1，每按一次K1，电动机转动一步。

5.按题意要求，画出I/O 分配图、PLC 端子接线图、流程图、控制梯形图。

6.完成PLC 端子接线工作，并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。 2 方案论证

在步进电动机控制系统中，步进电动机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种控制中，其控制主要有开环、闭环控制。

2.1 开环控制系统

开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置，因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造成本低等优点。另外，步进电动机受控于脉冲量，它比直流电机或交流电机组成的开环精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。开环控制方框图如图2-1所示。输出

负载步进电动机功率

驱动器环形

分配器指令脉冲

图2-1开环控制方框图

2.2 闭环控制系统

闭环控制系统定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。图2-2

为闭环控制系统的原理框图。

速度反馈位置反馈速度

传感器

输出

负载步进电动机速度控制电路位置比

较电路指令脉冲

图2-2闭环控制方框图

综合上述两种方案，根据步进电动机的特点，从制造成本与系统结构复杂程度考虑，本设计采用方案一，在开环控制系统中，用PLC控制三相步进电动机。

3 硬件设计

3.1 系统的原理方框图

如图3-1为系统的原理结构框图，控制面板上的启动按钮按下开启控制装置，低速按纽按下步进电机低速运行100步，高速按钮按下步进电机告诉运行100步，转向按钮按下转变控制方向，停止按钮按下停止运行。在控制面板上设定速度和方向等参数，PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动器，达到对距离、速度、方向控制的目的。

图3-1系统原理结构图

3.2 I/O分配表

表3-1为根据设计要求，得出的I/O分配表。

表3-1I/O分配表

元件I/O号功能定义元件I/O号功能定义I/O号功能定义SB0 X0 启动SB3X3单步Y0控制U相SB1X1低速SB4X4正反转Y1控制V相SB2X2高速SB5X5停止Y2控制W相

3.3 主电路及I/O接线图

由于本例中三相步进电机选择573S09型号，其额定电压24-48V，额定电流3.5A，本例中PLC选用继电器输出型其负载电流能力可达8A，故无需驱动电路，本例中主电路与I/O接线图和为一起，如图3-2。

图3-2主电路及I/O接线图

3.4 元器件选型

3.4.1 步进电机选型

步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。

反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

本设计依据上述的各类型步进电机的特点，并查阅了很多相关资料，综合考虑各方面因素，最后确定选用573S09型三相混合式步进电机作为控制对象，生产厂家定为雷赛公司。

所选573S09参数如表3-2。

表3-2 573S09参数

额定功率22-50W

额定电压 3.5A（每相）

额定转速1600r/min

额定转矩0.9（NM）

外形尺寸56mm

产品认证CE

适用范围3ND583

3.4.2 PLC选型

目前，世界上有200多个厂家生产PLC，比较著名的有美国的AB，日本的三菱、欧姆龙，德国的西门子，法国的施耐德等。其中（1）三菱FX系列PLC应用广泛，它的特点是：系统配置即固定又灵活，编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能，高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化。三菱小型PLC有FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC等子系列。（2）德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高，但成本较高。（3）欧姆龙PLC包括微型机，中型机，大中型机三种。微型机属于结构紧凑、成本较低的PLC，在CPU 单元中装配了10~40点的输入输出端子，为一体化组建型的PLC。增加了实现平稳输入输出动作的输入滤波器功能、外部输入中断功能、快速响应输入功能、高速计数器功能，模拟设定定时器功能等采用快速山村，无电池的内存支持得以实现，维护简单化。

本设计依据上述各类PLC的性能特点，在功能满足要求的前提下，综合考虑可靠性、经济性、使用维修方便等各方面因素，最后选用三菱的FX系列PLC，其中FX2N子系列是FX家族中比较先进的子系列，具有执行速度快，通信功能齐

全等特点，结合I/O点数，单元类型，输出形式的选择，故PLC的型号确定为FX2N-16MR。

3.4.3 按钮选型

按钮的规格品种众多，目前生产的按钮产品有LA2，LA4，LA10，LA18，LA19，LA25，LA30等系列。（1）LA2系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压80V 以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所。（2）LA4系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压380V以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所。（3）LA10系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压380V以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所。（4）LA18系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压380V以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所，指示灯有多种颜色可供选择。（5）LA19系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压380V以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所，并带有紧急指示灯，但成本较高。本设计的一个原则就是经济性。

依据上述的系列按钮的性能比较，综合各方面因素的考虑，最后选用LA18系列按钮，具体型号我们选择LA18-66J，生产厂家定为中国红波按钮制造有限公司。

3.4.4 熔断器选型

熔断器有以下几种常见种类：

（1）插入式熔断器：它常用于380V及以下电压等级的线路末端，作为配电支线或电气设备的短路保护用。

（2）螺旋式熔断器：熔体上的上端盖有一熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹出，可透过瓷帽上的玻璃孔观察到，它常用于机床电气控制设备中。螺旋式熔断器。分断电流较大，可用于电压等级500V及其以下、电流等级200A以下

的电路中，作短路保护。

（3）封闭式熔断器：封闭式熔断器分有填料熔断器和无填料熔断器两种，有填料熔断器一般用方形瓷管，内装石英砂及熔体，分断能力强，用于电压等级500V 以下、电流等级1KA以下的电路中。无填料密闭式熔断器将熔体装入密闭式圆筒中，分断能力稍小，用于500V以下，600A以下电力网或配电设备中。

（4）快速熔断器：快速熔断器主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低。只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。

（5）自复熔断器：采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。当短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。自复熔断器只能限制短路电流，不能真正分断电路。其优点是不必更换熔体，能重复使用。

本设计综合考虑经济性，工作场所和要求等各方面因素，选择RT18系列无填料式封闭熔断器，最终型号确定为RO15 gG 8A,厂家确定为浙江茗熔电器保护系统有限公司。

3.5 元件清单

根据所选元器件列元器件清单如下表3-3

表3-3 元器件清单

序号元件名称型号数量厂家

1 步进电机573S09 1 雷赛公司

2 PLC FX2N-16MR 1 三菱公司

3 按钮LA18-66J 6 中国红波按钮制

造有限公司

4 熔断器RO1

5 gG 8A 1 浙江茗熔电器保

护系统有限公司

4 软件设计

4.1 主流程

三相步进电动机的启动和停止分别由按钮SB0、SB5控制，转速分慢速、快速两挡，分别通过按钮SB1、SB2选择；正、反转控制由开关SB4选择，单步执行由按钮SB3控制，其中低速高速步进100步由内部计数器C0控制。

4.1.1 转速控制

由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过内部功能指令 SFTR 使三个输出继电器Y0、Y1和Y2按照三相六拍的通电方式接通，其接通顺序如图4-1：

图4-1

该过程对应于三相步进电动机的通电顺序如图4-2：

图4-2

选择不同的脉冲同期T，可以获得不同频率的控制脉冲，从而实现对步进电动机的调速。

三相步进电机的输出脉冲时序图如图4-3所示：

图4-3三相输出时序图（正转）

4.1.2 正反转控制

步进电机的正反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，三相六拍步进电机通电顺序为U-UV-V-VW-W-VU……时电机正转；当绕组按W-VW-V-UV-U-UV……顺序通电时电机反转。因此，可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环形分配器的输出顺序，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。即通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0、Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转控制。经过研究本人决定通过软件来实现换相，从而节省了硬件的投资。

4.1.3 步数控制

步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。

n L d

式中L

?为步进电机的输出位移量（mm），d为机构的脉冲当量（mm/脉冲）。

本设计通过脉冲计数器，控制六拍时序脉冲数，以实现对步进电动机步数的控制。

4.1.4 程序流程图

如图4-4为本设计程序流程图。

结束 N N N

开始

启动

正转低速高速步进步进1步高速100步低速100步低速100步低速

高速

步进

高速100步步进1步Y

Y Y Y N

图4-4 程序流程图

4.2 梯形图及其功能注释

4.2.1 梯形图

本设计的核心内容即梯形图如图4-5所示。

图4-5 梯形图

4.2.2 梯形图功能注释

本梯形图中X对应的所有输入皆为按钮。

第0和100步：X0和X5控制M50的通电自锁和关断，下接主控指令实现对整个程序开关的控制。

第8-16步：T0产生周期1s，T1产生周期0.5秒，持续一个扫描周期的脉冲，X3在按下时，M11接通一个扫描周期，分别对应低速、高速、步进的脉冲信号。

第19到24步：X1按下后M12通电自锁，则进入低速运行状态，X2和M13对应高速运行状态，由于X1、X2、X3互锁故运行时三者可以不用停止，直接切换，且三种状态互不冲突。

第29步：三个按钮按下时候，提示计数器C0重新开始计数。

第37步：在M1接通（低速运行状态），后面的T0为M20提供周期为1s 的脉冲，同理M2（高速运行状态）通过T1为M20提供0.5s的脉冲，步进按钮X3按下让M20接通一个扫描周期。

第44-50步：这是程序的关键，当M20（对应三种运行状态的一种）来一个脉冲的时候，位元件右移指令SFTR将通过M1-M5确定的M10移到重M0开始的第六位即M5，原来M5、M4、M3、M2、M1右移一位到M4、3M、M2、M1、M0中。从而实现M6-M0：100000-010000-001000-000100-000010-000001-100000的循环(M20每来一个扫描周期的脉冲实现一个转移）。

第61-69步：通过软件将M6-M0的移位脉冲转换成M100、M1O1、M102的三相六拍脉冲：100-110-010-011-001-101。

第73-76步：每按下X4，M98产生的一个脉冲使M99发生反转。

第76-94步：通过M99的接通或断开和M100-M102的三相六拍脉冲使Y0-Y2产生正序或负序的三相六拍脉冲，从而实现步进电机的正反转。并且实现了要求的无需停止实现正反转的切换。

第96步：在高速和低速状态下，每来100个脉冲（步进电机行100步）使C0动作结束工作。在步进状态下，由29步可以看出，CO不会对步进指令计数。

5 系统调试

5.1 软件调试

打开GX-Developer软件，将上述梯形图程序输入编辑区，并将梯形图转换成下图中的指令程序，将该程序写入PLC的RAM，并调试运行该程序。

5.2 硬件调试

5.2.1 转速控制过程

1、先按下，SB0开启控制，再选择慢速（按下SB1），再观察Y0,Y1,Y2输出状态，实验室调试时选择用灯接在Y0,Y1,Y2上，这样能更加直观的观察Y0,Y1,Y2的输出状态。调试时可以随时按下SB5以观察停止按钮的功能。

2、按下SB2，并观察。

5.2.2 正反转控制过程

先按下正反切换转按钮SB4，再重复上述转速控制操作。

5.2.3 单步执行控制过程

先按下启动按钮SB0，再用按钮SB4选择步进电机的转动方向，最后再按按钮SB3对步进电机进行单步执行控制。

5.3 调试结果分析

按照上述步骤，分别对系统进行软件和硬件的调试，软件调试后，生成如图（12）所示的指令程序；在硬件调试的过程中，依次按上述的步骤对系统进行检验，看能否实现相应的功能，本实验用三个指示灯Y0、Y1、Y2模拟步进电机的U、V、W三个相序，当步进电机正转时，三个指示灯按照Y0 Y0Y1 Y1 Y1Y2 Y2 Y2Y0 Y0……顺序依次循环亮灭，按下SB4反转时，三个指示灯按照Y0 Y2Y0 Y2 Y1Y2 Y1 Y0Y1 Y0……顺序依次循环亮灭；当对步进电机进行单步执行控制时，三个指示灯也按照上述的顺序逐步依次循环亮灭；按下SB1（低速按钮），灯循环的速度较慢，而按下SB2(高速按钮)时，灯循环点亮的速度较快，并且二者在循环一定时间后停止运行；任何时候按下开关SB5（停止按钮），都能使灯循环点亮停止；综上所述，本设计步进电机实现了预定的功能。

设计心得

通过本次课程设计，我们感性地认识到理论与实际的差别，加深了我们对本课程设计的理解和认识。设计之初，我们本来计划用开关控制输入，通过查阅相关资料，并结合实际工程应用，发现开关太多给操作带来极大的不便，而且容易引起误操作，最后通过对梯形图的改进，全部用按钮代替开关，操作方便。在设计程序的过程中，考虑到现实中可能出现的情况，反复地对程序进行修改，尽可能地符合工程实际应用。实验中我们遇到很多问题和故障，在锻炼了我们的动手能力的同时也提高了我们的思考、解决问题的能力。调试的过程就是观察、分析、排错的过程。在进行实验时，应该按照设计的实验步骤进行观察、记录，然后与原设计进行比较、分析，以判断每一步是否正确，从而推动整个实验的进程。实验的调试过程，实质上是一个不断发现问题，不断找出原因，不断解决问题的过程。要解决问题关键是要发现问题的所在，而要能找到出错的原因，只有通过反复的对实验运行过程中记录的参数进行分析、比较，才能发现问题。由此可见，在实验室做好现场参数的记录和分析是相当重要的。这不仅是培养我们养成良好实验习惯的机会，也是让我们学会将理论知识综合运用、掌握实验技巧、提高动手能力的重要途径。对于一个实验电路而言，往往难以立即实现预期的电路功能，对各种客观因素的影响也是难以完全预测的。

对于本例还有一些自己认为不足之处：比如为了使操作简便化统一化，用按钮代替了开关，但是这却让本来能用一个开关控制的地方却用了两个按钮，比如开关控制，而且有的地方软件设计复杂，比如正反转控制。此外，本例为了简单明了，和节省硬件费用，用PLC直带动三相步进电机，这样将限制步进电机的运行功率，实用场合不大。

在本次自主设计中，我学到了很多东西，对硬件的选型，步进电机的原理及控制，PLC的软件设计都有了更深一步的了解，我会在接下来的一年半里面更加努力，使自己的能力有更大一步提高！

参考文献

[1]、任胜杰编著。电气控制与PLC系统[M] 北京：机械工业出版社2013年2月

[2]、何衍庆，戴自祥，俞金寿编著。可编程序控制器原理及应用技巧[M] 北京：化学工业出版社1998年8月

[3]、俞雷声,方宗达编著。电气控制与PLC应用[M] 北京：机械工业出版社1998年10月

[4]、易传禄,韩希光编著。可编程序控制器应用指南[M] 上海：上海科学普及出版社1993年6月

[5]、黄大雷,吴庚申编著。可编程序控制器及其应用[M]人民交通出版社 1993年1月