课题：三相六拍步进电机控制程序的设计与调试

系    别：  电气与电子工程系       

专    业：        自动化          

姓    名：  谢     兴     祥        

学    号：      092410149         

            指导教师：  孙     炳      海     

河南城建学院

2013年 6月 21日

一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分

课程设计成绩评定

成绩：        （五级制）

指导教师签字                               年    月   日

课题：三相六拍步进电机控制程序的设计与调试    1

1 引言    4

2 系统总体方案设计    5

2.1 系统硬件配置及组成原理    5

2.2、系统变量的定义及分配表    7

    2.3、系统的接线图设计    8

2.4、系统的可靠性设计    9

3 控制系统设计    10

3.1 控制程序流程图设计    10

3.2 控制程序时序图设计    11

3.3 控制程序设计思路    11

3.4 创新设计内容    12

4 系统调试及结果分析    12

4.1 系统调试及解决的问题    12

4.2 结果分析    13

结束语    14

参考文献    14

附录    16

1 引言

用pLc控制三相六拍步进电机，其控制要求如下：

三相步进电动机有三个绕组：A， B， C

正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A

反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A

要求能实现正、反转控制，而目正、反转切换无须经过停车步骤。具有两种转速：1号开关合上，则转过一个步距角需0.5秒。2号开关合上，则转过一个步距角需0.05秒。

当然，为了更加系统的将这学期所学的关于PLC的编程方面的思想串联起来,本次设计的又一大设计目标就是要使高速和低速也能实现任意切换。

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。

可编程控制器(简称 PLC) 是种数字运算操作的电子系统，是在20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。

2 系统总体方案设计

首先要做的工作就是PLC的选型，经过查阅资料，发现有以下两种备选型号，分别是日本三菱的FX2N系列的PLC和德国西门子的S7—300，PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。

德国西门子的S7—300优点明显，因为控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。

但是，由于本学期学习的主要为日本三菱的FX2N系列的PLC，而此次设计又主要采用了状态转移图的编程方法，所以，综合各方面的考虑，还是选择了日本三菱的FX2N系列的PLC。

2.1 系统硬件配置及组成原理

1、步进电机的工作原理

步进电机与普通电机是存在一些区别的，首先是在结构上，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2-1所示：

       图2-1 步进电机定转子展开图

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。

2、步进电机的选型

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。

下图2-2为所选步进电机的机械设计图：

              图2-2 步进电机45BF008的机械设计图

3、系统的组成原理

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，日前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不变的，即：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，每当对其施加一个电脉冲时，其输出转过一个固定的角度。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(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脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输人的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机:从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。

以下为系统的组成图：

                        图2-3 系统组成图

2.2、系统变量的定义及分配表

系统的输入主要有电源启动开关及停止开关，三相六拍正传开关、反转开关，0.5S每步低速开关、0.05S每步高速开关；输出分别有A、B、C三相通电，以及高速和低速。具体的I/O分配表如下表2-1：

2.3、系统的接线图设计

系统的接线主要分为以下几个部分：

1、步进电机的驱动接线原理图，如图2-4所示；

                            图2-4 步进电机的驱动原理图

如图所示，当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时， 流过的集电极电流最大， 开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由 T2、T3 两个三极管组成达林顿式功放电路， 驱动步进电机的 3个绕组，使电机绕组的静态电流达到近 2A。电路中使用光电耦合器

进电机的 3个绕组，使电机绕组的静态电流达到近 2A。电路中使用光电耦合器

将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1 截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，因此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1 饱和导通， 于是红外发光二极管被点亮， 使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流， 使其导通，绕组被通以电流。以下是步进电机的驱动接线图；

图2-5 步进电机驱动接线图

2、PLC的外部接线图

根据对PLC的I/O地址的分配表，设计PLC的外部接线图如下图2-6所示：

                      图2-6 PLC的外部接线图

2．4、系统的可靠性设计

1、合理处理电源以抑制电网引入的干扰

对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为 1∶1 的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接 LC 滤波电路。

2、合理安装与布线

动力线、控制线以及 PLC 的电源线和 RS485 网线应分别配线，各走各的桥架或线槽。PLC 应远离强干扰源，柜内 PLC 应远离动力线( 二者之间距离应大于 200 mm)，与 PLC 装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联 RC 消弧电路。PLC 的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的 1/10。交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

3、安全地或电源接地：将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。

4、系统接地：PLC 控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不得大于 4 Ω，一般需将 PLC 设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。

5、信号与屏蔽接地：一般要求信号线必须要有唯一的参考地。

3 控制系统设计

3.1 、控制程序流程图设计

本课题要求步进电机是三相六拍运行

三相六拍正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA         

三相六拍反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB

所以我们可以根据通电的顺序，以及正反转和高速低速的切换要求，给相应的相序分配相应的地址，按照控制的要求我们就可以给出相应的控制程序流程图如下图3-1所示：

                          图3-1 控制程序流程图

3.2 控制程序时序图设计

根据设计要求，步进电机的控制时序非常明确，三相六拍：A > AB > B > BC > C > CA > A，此为正转，接着是反转，所以，该控制程序的时序图设计如下图3-2所示：

三相六拍：A > AB > B > BC > C > CA > A

图3-2 三相六拍工作方式时序图

3.3 控制程序设计思路

根据设计要求，运用状态转移图SFC的编程思想，可设计系统的六个转换状态，如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

3.4 创新设计内容

因为本身对步进电机的六个运行步骤的输出状态非常感兴趣，所以着重研究了步进电机的六拍的程序设计。我打算用到了比较简单的延时线圈来实现这个控制，于是产生了如下的一种完全由延时线圈来实现的六拍步进控制，控制程序如下所示：

4 系统调试及结果分析

4.1 系统调试及解决的问题

经过在GX Developer软件上的仿真及PLC实验室的实地操作，无论是基本程序还是创新程序都能基本的很好的完成设计要求。

基本程序主要完成了三相六拍步进电机的步进控制和正转、反转的控制，但没能达到正反转不经停车切换的设计要求，这也是本次设计的一个失误；完成的仿真截图如下图4-1到图4-4所示：

        图4-1 A相通电                              图4-2 B相通电

         图4-3 BC通电                               图4-4 C相通电

创新程序主要要是实现的是用延时线圈对步进电机的顺序控制，部分实验仿真截图如下图4-5到图4-7所示：

       图4-5 ABC全部高电平                         图4-6 BC通电

4.2 结果分析

总体的控制结果都已经达到了，只有在正反转不停车切换上未能达到设计要求，最终选择了状态转移图作为程序的设计思想本身就已经有局限性了，显然还需要进一步的分析与深究才能解决这一问题。若用继电器的控制思想可能程序上的实现会更加的容易一些，所以以后要加强对继电器控制思想的理解与掌握。

结束语

此次设计不但实现了用状态转移的编程思想来解决步进电机的六拍顺序控制，还创新使用了延时线圈作为控制步进电机的主要元件。

PLC课程设计已经完成，但是学习没有结束，在这次课程设计里面，不仅仅是设计一样东西，更多的是学习一种态度，对生活，对学习，不能只单单考虑一件事，一个方面，而是要更多的方面来思考，尽可能完善它，充实它，让它体现出一种人性化出来，让你学会一种态度，首先明确要做的是什么，然后开始思考设计思路，设计方法，然后一步一步把它实践出来，然后再看哪里不够完善，仔细修正，才能做出好的东西出来。

通过这次实践的机会，我能够初步掌握一些设计的基本思路，对PLC这门课程有了一定的认识，不能仅仅看做成一门设计编程的课本，他更多的是一种指示的意思，然你学会综合分析的思路，让你能够成站起来的一门课程，每门课程开出来总有一定的道理，它既然放在大三下学期，就是让你对未来有一定的认识，不能只是一个单一的设计人员，更多的是要综合考虑一件事物，这样才能更好的融入进去。

感谢老师提供了这次课设的机会，我们能够更好的系统的学习一门课程，能够更好的理解本专业的相关知识，也能更好的面对后面的学习与生活。

参考文献

[1] 肖清，王忠锋  电气与PLC控制技术实验指导书  江西理工大学应用科学

学院     2000   P39—P70

[2] 张万忠，刘明芹  电气控制与PLC   化学工业出版社 2005  P55—P90

[3] 宋君烈  可编程控制器实验教程   东北大学出版社  2010  P12—P87

[4] 李俊秀  可编程控制器应用技术   化学工业出版社     P44—P76

[5] 张万忠  可编程控制器入门与应用实例   中国电力出版社 P67—P101

附录

仿真源程序如下：

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