基于plc的步进电动机控制系统

基于plc的步进电动机控制系统内容摘要：

使 B 相绕组单独接通 ，如图 1（ b）所示 ；再同时接通 B、 C 相绕组， 如图 2（ b）所示， 依此进行。 在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为 “六拍 ”，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此亦称为 “三相单、双六拍 ”。 在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角α应为 15176。 ，其具有带负载能力增加 的优点 [9]。 基于 PLC的步进电动机控制系统 4 图 2 三相双三拍步进运行 3 步进电动机控制系统原理和组成 步进电机控制 方法 根据步进电机的工作原理，可知步进电机的角位移量与控制脉冲的个数成正比，角速度与控制脉冲的 频率成正比，旋转方向与各相绕组通电顺序有关。 因此步进电机的驱动电路，必须能控制步进电机各相励磁绕组电信号的通电断电变化频率、脉冲数和通电顺序。 步进电机的控制方式 如果通过按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字脉冲 —— 角度的转换 [10]。 转动的角度大小与施加的脉冲数成正比。 转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向与脉冲顺序有关。 以转子带有四个齿的三相步进电机为例，列表说明步进电机的控制原理。 表 31 三相单三拍方式 三相 绕组 正转 反转 A B C A B C T1 1 0 0 0 0 1 T2 0 1 0 0 1 0 T3 0 0 1 1 0 0 咸阳师范学院 2020届本科毕业论文 5 表 32 三相双三拍方式 三相 绕组 正转 反转 A B C A B C T1 1 1 0 1 0 1 T2 0 1 1 0 1 1 T3 1 0 1 1 1 0 表 33 三相六拍 三相 绕组 正转 反转 A B C A B C T1 1 0 0 1 0 0 T2 1 1 0 1 0 1 T3 0 1 0 0 0 1 T4 0 1 1 0 1 1 T5 0 0 1 0 1 0 T6 1 0 1 1 1 0 注意： T1T6 表示脉冲周期； A、 B、 C表示电机各相； 1 表示此时有一个脉冲（对应电机绕组接通）， 0 表示没有脉冲（对应电机绕组断开）。 控制系统的组成 步进电动机控制系统结构 图 3 步进电机控制系统结构框图 PLC 控制器 脉冲控制输出 驱动电路 指 令 电 源 步进 电机 负 载 基于 PLC的步进电动机控制系统 6 步进电机控制系统结构图如图 3 所示，各个部分的功能如下： (1) PLC 控制器 ： 将 PLC 与外接开关连接。 它根据指令将脉冲按一定的顺序加在功率放大电路的控制极上来控制步进电机各相绕组的通断，以实现电机的速度、 正转与反转控制 ，这是整个控制系统的核心。 (2) 驱动电路 ： 由于 PLC输出的电流只有几毫安，而一般的步进电机需要几安到几十安的电流。 因此只有 PLC的输出信号进行适当的放大才能去驱动步进电机。 步进电动机驱动电路实际上是一个功率开关电路， 可 使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作，提供的足够功率的控制信号。 步进电动机 运行 控制 方式实现 在步进电动机的 PLC控制中， 控制信号由 PLC 产生。 其基本控制作用如下 [12]。 (1) 步距角度的控制 三相步进电动机 不同的工作方式下，其步距角也是不同的。 当为三 相单三拍的工作方式时，其各相 通电的顺序为 A B C A， 当为三相六拍工作方式时，其各相 通电的顺序 为AABBBCCCAA。 根据本文中公式 22 可知，单三拍工作方式下，步距角大，而六拍工作方式下，步距角小。 (2) 控制电动机的转向 通过前面介绍的步进电动机原理我们己经知道，如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转。 如果按反序通电换相，则电动机就反转。 例如，三相步进电 动机在单三拍方式， 通电换相正序是 A B– CA ，电动机正转。 如果按反序 ACBA ，电动机就反转。 (3) 控制电动机的速度 如果给步进电动机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转 一个角度。 两个脉冲间隔时间越短， 步进电动机就转的越快。 因此， 输出 脉冲的频率决定了步进电动机的转速。 调整 PLC发出的脉冲频率，就可以对步进电动机进行调速。 4 控制系统硬件的设计 控制系统硬件的核心是可编程控制器（ PLC）， PLC 选用 西门子公式的整体式 CPU224，其具有可靠性高、功能强、体积小等优点。 CPU224 的简介 咸阳师范学院 2020届本科毕业论文 7 图 4 整 体式 PLC 的组成示意图 西门子 CPU224 是一种整体式的 PLC，其组成示意图如图 4 所示。 整体式机构的 PLC是将中央处理单元（ CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、 I/O 端口等组装在一个箱体内构成主机。 另外还有独立的 I/O 扩展单元等与主机配合使用。 整体机结构紧凑、体积小，小型机和微型机常采用这种结构。 西门子 CPU224 是 S7－ 200 系列 PLC 中的典型产品，它的基本单元有 14 个开关量输入口和 10 个输出口，最大可连接 7 个扩展模块，能够方便地处理开关量、模拟量，并具有 7 个 PID 回路控制功能。 CPU224 具有很强的功能，如自带高速计数器、自带通信接口、具有脉冲输出功能、具有实时时钟、能进行浮点运算等。 此外， CPU224 允许在程序中立即读写输入、输出口，允许在程序中在使用中断、设置停止模拟数字量输出状态，可以允许为数字量及模拟量输入加滤波器，还具有窄脉冲捕捉功能，为复杂的工业控制提供了方便。 输入 /输出端子地址分配 为了实现 步进电机 速度、正转、反转、三相单三拍和三相六拍等多种运行方式的控制， 需要 7个输出控制信号，因此 输入端子的 选用 为 、 、 、 、 、。 其中 为启动按钮， 为停止按钮 ， 至 是控制电动机运行方式 的选择，其中 与 是控制 正、反转的选择； 是控制单三拍运行方式， 是控制六拍运行方式； 是对速度的选择。 输出端子地址为 、 、 ， 控制三相步进电机绕组的接通和断开，实现步进电机的运行。 当它们为 1 时与其对应的相就为通电状态。 具体地址分配如表 41所示 ，相应的硬件电路如图 5 所示。 电源 中央 处理器 （ CPU） 用户程序存储器 系统程序存储器 特殊扩展单元 I/O 扩展单元 输入单元 用户输入设备 外设接口 输出单元 用户输出设备 I/O扩展接口 编程器 上位计算机 EPROM 写入器 可编程终端 PT PLC 基于 PLC的步进电动机控制系统 8 表 41 CPU224 输入 /输出端子地址的分配 输入信号 输出信号 名称 输入端子 名称 输出端子 启动 步进电机 A相。