基于s7-200plc步进电机调速控制步进驱动控制系统设计论文[带图纸]

基于s7-200plc步进电机调速控制步进驱动控制系统设计论文[带图纸]内容摘要：

176。 （全步／半步）。 到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。 步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、 SANYO、东 方公司、 DENKI、NPM 及 MINEBEA 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。 现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近 2 亿台，德国也是世界上步进电动机生产大国。 德国 1994 年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子 6 极转子 50 齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为 200、 400、 1000、 20 4000、 10000 和 20200，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，在此基础上再 10 细分，分辨率提 高 10 倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具备二相和五相电动毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 机的性能。 与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。 该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即 HB 型（混合式）、 RM 性（磁阻式）和爪极 PM 型。 将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后得出： （ 1）在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。 （ 2）三相电动机的两相励磁最大保持力矩为 3T1（ T1 为单相励磁转矩），而二相电动机为 2T1，所以三相电动机的合成力矩大。 （ 3）三 相电动机连续 2 步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。 （ 4）三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。 （ 5）三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管 6 个； 而二相电动机是 8 个。 （ 6）连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小 .结论是显而易见的。 另外的结论是混合式型电动机更适合于低速大转矩用途；磁阻式型适用于平稳运行以及转速大于 1000r/min 的用途；而爪极型成本低，在高转速时的大转矩和低转速时的振动方面，三相 PM 型电动 机比两相电动机的性能要好。 因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机 [3]。 我国步进电机的研究及制造起始于本世纪 50 年代后期。 从 50 年代后期到 60 年代后期，主要是科研机构和高等院校为研究一些装置而开发或使用少量产品。 这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。 70 年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。 除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平。 70 年代中期至 80 年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。 自 80 年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大 量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。 经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，其中最主要的产品系列，一是 70 年代形成的磁阻式步进电动机系列产品在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括生产设备和引进技术，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到几个限定的规格品种上。 这种现状对步进电动机的发展是不利的 [4]。 PLC步进驱动控制系统主要研究工作 掌握步 进电机的原理及其驱动方法，掌握西门子 S7200 PLC 的原理与程序设计方法。 掌握步进电机的电气控制试验系统的工作原理，基于该系统设计 S7200 PLC 程序，实现PLC 对步进电机的调速控制。 主要研究工作如下： （ 1）了解 PLC 控制步进电机的工作原理 （ 2）掌握 PLC 的硬件构成，完成硬件选型 （ 3）设计 PLC 的控制系统 （ 4）用 STEP 7 完成 PLC 的编程 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 2 步进电机及 PLC 简介 步进电机简介 步进电机是一种将电脉冲信号转变为线位移或角位移的执行元件。 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，其转子的角位移量，或者说转子走过的步数，与输入脉冲数成正比。 步进电动机动态响应快，控制性能好，只需改变输入脉冲的顺序，就能方便地改变其转向。 另外， 可以通过控制 脉冲频率 来控制电机转动的加速度和速度，从而达到调 节 速 度 的目的。 这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。 由上述步进电动机的特点，使得由它和驱动控制器组成的 开环数控系统，既具有较良好的控制性能，高的控制精度，又能可靠稳定地工作。 因此，在数字控制系统刚出现时，步进电动机经历过一个巨大的发展阶段 [5]。 步进电机的分类 按其工作方式分为功率式和伺服式：功率式输出转矩较大，能直接带动较大的负载；伺服式输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。 按结构分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 按使用频率分为高频步进电动机和低频步进电动机。 按运动方式：旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动。 按工作原理：反应式（磁阻 式）、永磁式、永磁感应子式（混合式）。 反应式： 定子上有转子、绕组由软磁材料组成。 步距角小，成本低、结构简单、但效率低、动态性能差、发热大，可靠性难 以 保证。 永磁式 ：永磁式 步进电机的转子用永磁材料制成，定子的极数与转子的极数相同。 其特点是输出力矩大、动态性能好，但 是 电机精度差，步矩角大（一般为 176。 或 15176。 ）。 混合式 ：混合式 步进电机综合了永磁式和反应式的优点，其定子上有转子、多相绕组上采用永磁材料，转子和定子上 都 有多 数 小齿以提高步矩精度。 其特点是步距角小 、 输出力矩大、动态性能好，但成本相对较高、结构 复杂。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。 最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占 97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。 该种电机的基本步距角为 176。 /步，配上半步驱动器后，步距角减少为 176。 ，配上细分驱动器后其步距角可细分达 256 倍（ 176。 /微步）。 由于制造摩擦力和精度等原因，实际控制精度略低。 同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果 [6]。 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。 电机生产时给出了一个步距角，这个步距角可称之为“电机固有步距角”，它不一定是实际工作时的真正步距角，真正步距角与驱动器有关。 （ 2）保持转矩 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 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运行时的力矩接近保持转矩。 因为步进电机的输出力矩是随着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。 例如，当人们说 4Nm 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 4Nm的步进电机。 （ 3） 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。 （ 4）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。 步进电机的相数不同，其步距角也会不同，一般二相电机的步距角为 176。 /176。 、三相的为 176。 /176。 、五相的为 176。 /176。 在没有细分驱动器时，主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的需求。 如果使用细分驱动器，则步进电机的相数就变得毫无意义，用户只要在驱动 器上更改细分数，就可以改变步距角 [7]。 步进电机的特点 步进电机的特点如下： （ 1） 步进电机没有积累误差：一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积 ，具有良好的跟随性。 （ 2）电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。 当它转动一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。 （ 3）由驱动电路与步进电动机组成的开环数控系统，既非常非常可靠、廉价又简单。 同时，它也能与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 （ 4）步进电动机的动态响应快，易于起停、正转、 反转及变速。 （ 5）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。 （ 6）步进电机转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合。 （ 7）步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 （ 8）步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 （ 9）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源以及直流电源 [8]。 步进电机在工业中的应用 步进电机作为执行元件，是机电一体 化的关键产品之一，由于步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。 步进电机具有较好的控制性能，其启动、停止、正转、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，通过控制脉冲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累积，能够达到准确定位的目的。 还可以通过控制频率改变步进电机的加速度和转速，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种不同的系统领域中。 毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料 步进电机具有明显的优势超过其他电动机，这些优势 与精密控制有关，以及其相对较低的成本，步进电机有许多高科技技术应用在程序上， 例如机械手臂、磁盘驱动器、打印机、录像机、 机器人和遥控车 等。 另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。 PLC的特点 （ 1） 通用性强，使用方便。 由于 PLC 产品的模块化和系列化， PLC 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。 当控制对象的硬件配置确定以后就可通过修改用户程序，快速方便地适应工艺条件的 种种 变化。 （ 2） 功能性强，适 用 面广。 现代 PLC 不仅具有计时、计数、逻辑运算、顺序控制等功能，而且还具有 D/A 和 A/D 转换、数据 处理、数值运算等功能。 因此，它既可对模拟量进行控制，也可对开关量进行控制，既可控制 1 条生产线、 1 台生产机械，也可控制 1个生产过程。 PLC 还具有通讯联络功能，可与上位计算机构成分布式控制系统，实现遥控功能。 （ 3） 可靠性高，抗干扰能力强。 绝大多数用户都 把 可靠性作为选择控制装置的 前提条件。 针对 PLC 是专为在工业环境下应用而设计的，故采取了一系列软件和硬件抗干扰措施。 硬件方面，隔离是抗干扰的主要措施之一。 PLC 的输入、 输出电路一般用光电耦合器来传递信号，使外部电路与 CPU 之间无电路联系， 有效地抑制了外部干扰 源对 PLC 的影响，同时，还可防止外部高电压窜入 CPU 模块。 滤波是抗干扰的另一主要措施，在 PLC的 I/O 模块和电源电路中， 设置了多种滤波电路，对高频干扰信号有 很好 的抑制作用。 软件方面，设置故障检测与诊断程序。 釆用以上抗干扰措施后，一般 PLC 无故障 平均 时间 可达到 4 万 〜 5 万小时。 （ 4） 编程方法简单，容易掌握。 PLC 配备有易于掌握和接受的梯形图语言。 该语言编程表达方式和元件的符号与继电器控制电路原理图相当接近。 （ 5） 控制系统的设计、安装、调试和维修方便。 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的计数器 等部件、时间继电器、中间继电器，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。 PLC 的用户程序大都可以在实验室模拟调试，调试好后再将 PLC 控制系统安装到生产现场，进行联机统调。 在维修方面， PLC 的故障率很低，且有完善的诊断和实现功能，一旦 PLC 外部的输入装置和执行机构发生故障，就可根据 PLC 上发光二极管或编程器上提供的信息， 快速 查明原因。 若是 PLC 本身问题，则可更换模块， 快速 排除故障，维修极为方便。 （ 6） 质量小、体积小、功耗低，由于 PLC 是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑，坚固，体积小，质量 小，功耗低，而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。 因此， PLC 很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化较理想的控制设备 [9]。 PLC 控制 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。 PLC技术在步进电机控制中的应用 随计算着微电子技术发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。 继续沿着小型化的方向发展。 随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。 对电动机进行毕业设计说明书论文 1961660126 课件之家的资料精心整理好资料。