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1、PLC课程设计步进电机(总18页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOnel-CAL-本页仅作为文档封面,使用请直接删除电气限制技术课程设计题目：步进电机的限制院系名称：电气工程学院成绩：指导老师签名：日期:目录1系统概述1. 1对被控对象步进电机限制的分析O1.2设计的目的及工作内容O2方案论证12. 1开环限制系统12.2闭环限制系统23硬件设计23.1 系统的原理方框图23.2 1/0分配33.3 主电路及I/O接线图43.4 元器件选型43.4.1步进电机选型43.4.2PLC选型53.4.3按钮选型63.4.4熔断器选型63.5元件清单74软件设计44.1主流
2、程84.1.1转速限制84.1.2正反转限制94.1.3步数限制94.1.4程序流程图104.2梯形图及其功能注释115系统调试145.1软件调试145.2硬件调试145.2.1转速限制过程145. 2.2正反转限制过程146. 2.3单步执行限制过程145.3调试结果分析15设计心得15参考文献161系统概述1.1 对被控对象步进电机限制的分析三相步进电动机是i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.所以只要限制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电
3、相序,便可限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限制性能,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,且可获得较高的限制精度,因而得到了广泛的应用典型走进电机外观如图1-1.图IT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FX2系列PLC（可编程逻辑限制器）为核心限制步进电机,及其相关外围电路组成的限制电路设计可以通过对几个开关按钮的限制来实现对步进电机转动的方向、速度和步数的限制.用PLC限制三相六拍步进电机实现如下操作,其限制要求如下：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
4、为：A-CA-C-BC-B-AB-A.1 .要求能实现正、反转限制,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,那么转过一个步距角需O.5s.(2)开关闭合,那么转过一个步距角需1s.3 .要求步进电机转动100个步距角后自动停止运行.4 .设置按钮口，每按一次Kl,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、限制梯形图.6 .完成PLC端子接线工作,并利用编程器输入梯形图限制程序,完成调试.2方案论证在步进电动机限制系统中,步进电动机作为一种限制用的特种电机,利用其没有积累误差的特点,广泛应用于各种限制中，其限制主要有开环、闭环控制
5、.2.1 开环限制系统开环限制系统没有使用位置、速度检测装置及反响装置,因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造本钱低等优点.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.开环限制方框图如图2-1所示.2.2 闭环限制系统闭环限制系统定位精度高,但调试和维修都较困难,系统复杂,本钱高.图2-2为闭环限制系统的原理捱图.图2-2闭环限制方框图综合上述两种方案,根据步进电动机的特点,从制造本钱与系统结构复杂程度考虑,本设计采用方案一,在开环限制系统中,用PLC限制三相步进电动机.3硬件设计3.1 系统的原理方框图如图3-1为系
6、统的原理结构框图,限制面板上的启动按钮按下开启限制装置，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,转向按钮按下转变限制方向,停止按钮按下停止运行.在限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，限制步进电机的驱动器,到达对距离、速度、方向限制的目的.控制面板止向进速速动 停转步高低启输输PLC入出步进电机负载图3T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3-11/0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SBOXO启动SB3X3单步YO限制U相SBlXl低速SB
7、4X4正反转YI限制V相SB2X2高速SB5X5停止Y2限制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3.5,本例中PLC选用继电器输出型其负载电流水平可达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3-2.3.4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：反响式(VariableReluctance,VR)、永磁式(PermanentMagnet,PM)和混合式(HybridStepping,HS).反响式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成.结构简单、本钱低、步距角小,可达1.2、但动态
8、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响式和永磁式的优点,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升步矩精度.其特点是输出力矩大、动态性能好,步距角小,但结构复杂、本钱相对较高.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573509型三相混合式步进电机作为限制对象,生产厂家定为雷赛公司所选573S09参数如表3-2.额定功率22-50W
9、额定电压3.5A（每相）额定转速1600rmin额定转矩0.9(NM)外形尺寸56mm产品认证CE适用范围3ND5833.4.2PLC选型目前,世界上有200多个厂家生产PLC,比拟著名的有美国的人8,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FXis,FXin,FX2n,FXznc等子系列.德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序限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
10、域都有应用.西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、ST-1200.S7-300.S7-400等.西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信水平,功能更强,可靠性高,但本钱较高.（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、本钱较低的PLC,在CPU单元中装配了1040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
11、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家族中比拟先进的子系列,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,LAW,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
12、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）LAlO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
13、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,但本钱较高.本设计的一个原那么就是经济性.依据上述的系列按钮的性能比拟,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：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.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
14、出,可透过瓷帽上的玻璃孔观察到,它常用于机床电气限制设备中.螺旋式熔断器.分断电流较大,可用于电压等级50OV及其以下、电流等级20OA以下的电路中,作短路保护.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,分断水平强,用于电压等级500V以下、电流等级IKA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，分断水平稍小,用于500V以下,600A以下电力网或配电设备中.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水平很低.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
15、的水平.(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R015gG8A,厂家确定为浙江茗熔电器保护系统.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573S091雷赛公司2PLCFX2N-16MR1三菱公司3按钮LA18-66J6中国红波按钮制造4熔断器RO15gG8A1浙江茗熔电保护系统
16、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SBO、SB5限制,转速分慢速、快速两挡,分别通过按钮SBhSB2选择；正、反转限制由开关SB4选择,单步执行由按钮SB3限制,其中低速高速步进100步由内部计数器CO限制.4.1.1 转速限制由脉冲发生器产生不同周期T的限制脉冲,通过脉冲限制器的选择,再通过内部功能指令SFTR使三个输出继电器Y0、Yl和Y2根据三相六拍的通电方式接通,其接通顺序如图4-1：ITTTTYOYOY1*YIYIY2N2Y2Y01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4一2选择不同的脉冲同期T,可以获得不同频率的限制脉冲,从而实现对步进
17、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 正反转限制步进电机的正反转限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输出的方向限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、Yl和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转限制.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 步数限制步
18、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限制.AA/d式中AC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,限制六拍时序脉冲数，以实现对步进电动机步数的限制.4.1.4程序流程图如图4-4为本设计程序流程图开始：一4.2.1梯形图本设计的核心内容即梯形图如图4-5所示.图4-5梯形图本梯形图中X对应的所有输入皆为按钮.第O和100步：XO和X5限制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限制.第8-16步：To产生周期Is,Tl
19、产生周期0.5秒,持续一个扫描周期的脉冲,X3在按下时,Mll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：Xl按下后M12通电自锁,那么进入低速运行状态,X2和M13对应高速运行状态，由于XI、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CO重新开始计数.第37步：在Ml接通（低速运行状态），后面的TO为M20提供周期为IS的脉冲，同理M2（高速运行状态）通过Tl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
20、冲的时候,位元件右移指令SFTR将通过M1-M5确定的MlO移到重MO开始的第六位即M5,原来M5、M4、M3、M2、Ml右移一位到M4、3M、M2、Ml、MO中.从而实现M6-M0：100000-010000-001000-000100-000010OOOOOl100000的循环M20每来一个扫描周期的脉冲实现一个转移）.第6169步：通过软件将M6-M0的移位脉冲转换成MlO0、MlOEMlo2的三相六拍脉冲：100110010011001101.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MloO-M102的三相六拍脉冲使YO
21、-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CO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软件调试翻开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列图中的指令程序,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转速限制过程1、先按下,SBO开启限制,再选择慢速（按下SBl）,再观察Y0,Yl,Y2输出状态,实验室调试时选择用灯接在YO,Y1,Y2上,这样能更加直观的观
22、察Y0,Yl,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 正反转限制过程先按下正反切换转按钮SB4,再重复上述转速限制操作.5.2.3 单步执行限制过程先按下启动按钮SBO,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限制.根据上述步骤,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丫0、YhY2模拟步进电机的U、V、W三个相序，当步进电机正转时,三个指示灯根据YOYOYlYlY1Y2Y
23、2Y2Y0YO顺序依次循环亮灭,按下SB4反转时,三个指示灯根据YOY2Y0Y2Y1Y2YlYOYlYO顺序依次循环亮灭；当对步进电机进行单步执行限制时,三个指示灯也根据上述的顺序逐步依次循环亮灭；按下SBl（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,我们感性地熟悉到理论与实际的差异,加深了我们对本课程设计的理解和熟悉.设计之初,我们本来方案用开关限制输入,通过查阅相关资料,并结合实际工程应用，发现
24、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良,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水平的同时也提升了我们的思考、解决问题的水平.调试的过程就是观察、分析、排错的过程.在进行实验时,应该根据设计的实验步骤进行观察、记录,然后与原设计进行比拟、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
25、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时机,也是让我们学会将理论知识综合运用、掌握实验技巧、提升动手水平的重要途径.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缺乏之处：比方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限制的地方却用了两个按钮，比方开关限制,而且有的地方软件设计复杂，比方正反转限制.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
26、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,步进电机的原理及限制,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,使自己的水平有更大一步提升！参考文献1、任胜杰编著.电气限制与PLC系统M北京：机械工业出版社2021年2月2、何衍庆,戴自祥,俞金寿编著.可编程序限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.电气限制与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.可编程序限制器应用指南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.可编程序限制器及其应用M人民交通出版社1993年1月
