基于PLC的步进电机控制方法与实现 扬大吴佳因Word文档下载推荐.docx
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3、课题主要内容及要求:
(1)步进电机的工作原理及控制方法
(2)PLC的工作原理、应用及特点
(3)控制系统的硬件设计:
PLC选型I/O分配、步进驱动器工作原理和硬件接线
(4)控制系统的软件设计:
控制程序梯形图
(5)总结
4、课题主要进程安排:
03。
07-03.15:
在老师的指导下完成开题报告
16—04.02:
查阅资料完成步进电机工作原理及控制方法论述。
04。
03—04。
10:
查阅资料完成PLC原理、应用及特点的论述。
04.11-04.29:
控制系统的硬件设计。
30:
中期检查,提出整改意见
05.01—05.20:
控制系统软件设计,完成初稿
05.21:
论文整体检查,提出整改意见
05.22-06.01:
检查,若无问题打印装订
06。
15:
答辩
5、参考文献:
廖常初PLC编程及应用[M]第一版。
北京:
机械工业出版社.20063-6
王登贵基于PLC的四相步进电机控制方法及实现[J]
微计算机信息
2006(34)36-38
钟肇新可编程控制器原理及应用[M]第三版华南理工大学出版20035—392。
廖常初FX系列PLC编程及应用[M]第一版.北京:
机械工业出版社。
20077—11
6、课题成果要求:
(1)根据控制要求完成整个控制系统的软硬件设计
(2)能够实现利用PLC对步进电机的有效控制,包括启停,正反及调速。
任务书发于:
年月日
完成期限:
年月日
学生姓名:
班级
指导教师(签名):
校外指导教师(签名):
教科部主任(签名):
学生所在学院签字盖章:
学生见习企业盖章:
年月日年月日
扬大机械工程学院毕业设计(论文)开题报告
毕业设计(论文)题目
课
题
类
型
课题性质
三结合情况
是否新题
继承性
工
程
设
计
实
验
研
究
理
论
探
讨
其
它
室
建
科
生
产
际
是
否
开题报告的内容:
一、课题的目的和意义
二、本课题在国内外的发展概括
三、课题的主要内容及实施方案
步进电机可以作为一种控制用的特种电机,其优点是结构简单、运行可靠、控制方便.尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点,给实际的应用带来了很大的方便。
它广泛用于消费类产品(打印机、照相机)、工业控制(数控机床、工业机器人)、医疗器械等机电产品中。
研究步进电机的控制和测量方法,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用,基于PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制,可省去该单元的数控系统,使该单元的控制系统成本降低。
本设计的目的是以PLC为核心设计出一个步进电机控制系统。
本系统采用FX2N系列PLC作为控制单元,通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。
外文资料与译文
外文资料
Withmicroelectronicsandcomputertechnologydevelopment,thesteppingmotorofthegrowingdemand,itiswidelyusedintheprinter,electrictoyandconsumerproductsandCNCmachines,industrialrobots,medicalequipmentandothermechanicalandelectricalproducts,inallitsnationaleconomicdomainhasapplications。
Studythestepmotorcontrolsystem,toimprovethecontrolprecisionandresponsespeed,savingenergyhastheimportantmeaning.
Steppingmotoriswillsignaltransformationintoelectricalimpulsesmechanicalangulardisplacementofadevice,eachpulsetostepintoasteptheaxisfromtheAngleincremental,angulardisplacementoutputandinputpulseisproportionaltothenumber,thespeedandisproportionaltotheinputpulses,thespeedandthepulsefrequencyisproportionaltotheinput。
Thestepmotorcontrolmodeissimple,belongtotheopenloopcontrol,andnoaccumulatedpositioningerror,haveahighprecision,andPLCasakindofindustrialcontrolcomputer,istorealizetheintegrationofthemotorisapowerfultool,sobasedonPLCsteppingmotorcontroltechnologyhasbeenwidelyusedindigitalpositioningcontrol。
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Thedesignofthecontrolsystem,thehardwaredesignandsoftwaredesignoftwoparts.Amongthem,thehardwaredesignincludesthestepmotorworkingprinciple,thestepmotordrivecircuitdesign,PLC'
sinput/outputcharacteristics,PLCperipheralcircuitdesignandPLCandthestepmotorconnectionandmatchingtherealizationoftheproblems。
Thesoftwaredesignincludingthemainprogramaswellaseachmodulecontrolprogram,andfinallyachievethesteppermotorrotationdirectionandrotatingspeedcontrol。
Thissystemhastheintelligence,practicalandreliablecharacteristic。
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译文
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中,其在各个国民经济领域都有应用.研究步进电机的控制系统,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
步进电机是将电脉冲信号变换成机械角位移的一种装置,每个脉冲使转轴步进一个步距角增量,输出角位移与输入脉冲数成正比,转速与输入脉冲成正比,转速与输入脉冲频率成正比。
步进电机的控制方式简单,属于开环控制,且无累积定位误差,有较高的定位精度,而PLC作为一种工业控制微机,是实现电机一体化的有力工具,因此基于PLC的步进电机控制技术已广泛用于数字定位控制中.
本控制系统的设计,由硬件设计和软件设计两部分组成。
其中,硬件设计主要包括步进电机的工作原理、步进电机的驱动电路设计、PLC的输入输出特性、PLC的外围电路设计以及PLC与步进电机的连接与匹配等问题的实现。
软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序,最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制。
本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
摘要
Abstract
基于PLC对步进电机的控制方法及实现
摘要:
随着微电子技术和计算机技术的发展,可编程控制器有一了徒费猛进的发展,奇功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围,基于PLC的四相步进电机控制的方法,可以实现对四相步进电机的转速控制、正反转控制、以及步数控制.方法简单易行,编程容易,可靠性高,有效节约成本。
关键词:
PLC,步进电机
MethodofControllingSteppingMotorBasedOnPLC
Abstract:
Withmicroelectronicstechnologyandthedevelopmentofcomputertechnology,programmablecontrollerhavearapiddevelopmentoftheACTSfee,canhaveexpressedfarbeyondthelogiccontrol,orderofcontrol,PLCisbasedonfourstepmotorcontrolmethod,whichcanmakethefourphasethestepmotorspeedcontrol,andreversingcontrol,andthenumberofcontrol.Methodissimple,andprogrammingeasy,highreliability,higheffectivecostsaving。
Keywords:
PLC,Steppingmotor
第一章绪论
1。
1步进电机的概念
步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器
虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用.
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲:
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。
您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;
同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
2步进电机的发展
步进电机技术,历经上世纪几十年的发展,已成为相对成熟的技术。
但随着应用范围的推广和新工艺、新技术的不断出现,步进电机技术仍然在不断发展完善中。
主要表现在步进电机本身的改进以及驱动技术的多样化和精密化等几个方面。
目前,最有发展前景的当属混合式步进电动机,而混合式电动机又向以下四个方向发展:
1.小型化方向发展。
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,在57、42机座号的电动机应用了多年后,现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。
瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。
2。
改圆形电动机为方形电动机.由于电动机采用方型结构,使得转子有可能设计得比圆形大,因而其力矩体积比将大为提高。
同样机座号的电动机,方形的力矩比圆形的将提高30%~40%.
3。
一体化设计.即把转子位置传感器,减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起,这样使其能方便地组成一个闭环系统,因而具有更加优越的控制性能。
4。
向五相和三相电动机方向发展。
目前广泛应用的二相和四相电动机,其旋转磁场和电磁转矩不完全对称,振动和噪声较大,而五相和三相电动机则是完全对称的,因此更具有优势性。
而就这两种电动机而言,五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂,因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。
3步进电机的前景展望
步进电机机经过几十年的发展,已成为除直流电动机和交流电动机以外的应用最广泛的第三类电动机。
在开环高分辨率的定位系统中,至今还没有发展更适合取代它的产品,特别是在一些功率相当小的系统中,步进电机更具有无可替代的主流地位。
预计未来步进电机的研究还会持续深入下去,研究方向之一是电机与驱动的一体化,是步进电机体积更小巧、性能更优越,性价比更高,在大量的民用设备中批量使用,如家庭机器人、民用智能化设备等;
研究发现之二是在功率或机座号相对较大的步进电动机中,与属于BIDCM(稀土永磁无刷直流电机)的交流伺服电动机系统会合,具体来说可能会借鉴交流伺服系统的控制技术,但保留了部分步进电动机的特点,形成一种新的“步进伺服电动机”或“伺服步进电动机”,在克制低频振荡、高频过载能力小、快速性不足和效率低等方面取得突破性进展,从而在现代军事、机密机械加工、航空航天等领域的应用越来越深入。
第二章步进电机的结构与工作原理
步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统.在此系统中,执行元件是步进电机。
它受驱动控制线路的控制,将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移,并通过齿轮和丝杠带动工作台移动.由于该系统没有反馈检测环节,它的精度较差,速度也受到步进电机性能的限制。
但它的结构和控制简单、容易调整,故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值.
1步进电机的种类
步进电机的分类方式很多,常见的分类方式有按产生力矩的原理、按输出力矩的大小以及按定子和转子的数量进行分类等。
根据不同的分类方式,可将步进电机分为多种类型,如表2.1所示。
表2.1步进电机的分类
分
类
方
式
具
体
型
按力矩产生的原理
(1)反应式:
转子无绕组,由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行
(2)激磁式:
定、转子均有激磁绕组(或转子用永久磁钢),由电磁力矩实现步进运行
按输出力矩大小
(1)伺服式:
输出力矩在百分之几之几至十分之几,只能驱动较小的负载,要与液压扭矩放大器配用,才能驱动机床工作台等较大的负载
(2)功率式:
输出力矩在5-50N*m以上,可以直接驱动机床工作台等较大的负载
按定子数
(1)单定子式
(2)双定子式(3)三定子式(4)多定子式
按各相绕组分布
(1)径向分布式:
电机各相按圆周依次排列
(2)轴向分布式:
电机各相按轴向依次排列
2.2步进电机的结构
目前,我国使用的步进电机多为反应式步进电机。
在反应式步进电机中,有轴向分相和径向分相两种,如图2.1所述。
图2-1是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图.它与普通电机一样,分为定子和转子两部分,其中定子又分为定子铁心和定子绕组。
定子铁心由电工钢片叠压而成,其形状如图中所示。
定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈,在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起,构成一项控制绕组。
图2.1所示的步进电机可构成三相控制绕组,故也称三相步进电机。
若任一项绕组通电,便形成一组定子磁极,其方向即图中所示的NS极.在定子的每个磁极上,即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿,齿槽等宽,齿间夹角为9°
,转子上没有绕组,只有均匀分布的40个小齿,齿槽也是等宽的,齿间夹角也是9°
,与磁极上的小齿一致.此外,三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距,如图2.2所示。
当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时,B相磁极上的齿刚好超前(或滞后)转子的齿1/3齿距角,C相磁极的齿超前(或滞后)转子的齿2/3齿距角。
图2。
1单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
2步进电机的齿距
图2。
3是一个五定子、轴向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。
从图中可以看出,步进电机的定子和转子在轴向分为五段,每一段都形成独立的一项定子铁心、定子绕组和转子,图2.4所示的是其中的一段。
各段定子铁心形如内齿轮,由硅钢片叠成.转子形如外齿轮,也由硅钢片制成。
各段定子上的齿在圆周方向均匀分布,彼此之间错开1/5齿距,其转子的齿彼此不搓位.当设置在定子铁心环形槽内的定子绕组通电时,形成一项环形绕组,构成图中所示的磁力线.
除上面介绍的两种形式的反应式步进电机之外,常见的步进电机还有永磁式步进电机和永磁反应式步进电机,它们的结构虽不相同,但工作原理相同。
3五定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
4一段定子、转子及磁回路
3步进电机的工作原理
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。
图2—5是一种最简单的反应式步进电机,下面以它为例来说明步进电机的工作原理。
5(a)中,当A相绕组通以直流电流时,根据电磁学原理,便会在AA方向上产生一磁场,在磁场电磁力的作用下,吸引转子,使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。
若A相断电,B相通电,这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐,转子沿顺时针转过60°
。
通常,步进电机绕组的通断电状态每改变一次,其转子转过的角度α称为步距角.因此,图2-5(a)所示步进电机的步距角α等于60°
如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电机绕组的通断电,步进电机的转子便不停地顺时针转动.若通电顺序改为A→C→B→A…,同理,步进电机的转子将逆时针不停地转动。
上面所述的这种通电方式称为三相三拍。
还有一种三相六拍的通电方式,它的通电顺序是:
顺时针为A→AB→B→BC→C→CA→A…;
逆时针为A→AC→C→CB→B→BA→A…。
若以三相六拍通电方式工作,当A相通电转为A和B同时通电时,转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引,转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间,这时它的步距角α等于30°
.当由A和B两相同时通电转为B相通电时,转子磁极再沿顺时针旋转30°
,与B相磁极对齐。
其余依此类推。
采用三相六拍通电方式,可使步距角α缩小一半.
图2.5步进电机工作原理图
5(b)中的步进电机,定子仍是A,B,C三相,每相两极,但转子不是两个磁极而是四个.当A相通电时,是1和3与A相的两极对齐,很明显,当A相断电、B相通电时,2和4与B相两极对齐。
这样,在三相三拍的通电方式中,步距角α等于30°
在三相六拍通电方式中,步距角α则为15°
综上所述,可以得到如下结论:
(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次,它的转子便转过一个确定的角度,即步进电机的步距角α;
(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序,转子的旋转方向随之改变;
(3)步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快,其转子旋转的速度越快,即通电状态的变化频率越高,转子的转速越高;
(4)步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关,可用下式表示:
式中m相m拍时,k=1;
m相2m拍时,k=2;
依此类推。
对于图2-3所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机,当它以三相三拍通电方式工作时,其步距角为
若按三相六拍通电方式工作,则步距角为
4步进电机的主要特性
(1)步距角。
步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次,转子转过的角度。
它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数.数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为.步距角越小,数控机床的控制精度越高。
(2)矩角特性、最大静态转矩和启动转矩。
矩角特性是步进电机的一个重要特性,它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。
(3)启动频率。
空载时,步进电机由静止突然启动,并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率,称为启动频率或突跳频率。
若启动时频率大于突跳频率,步进电机就不能正常启动。
空载启动时,步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。
(4)连续运行的最高工作频率.步进电机连续运行时,它所能接受的,即保证不丢步运行的极限频率,称为最高工作频率.它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数,它决定了步进电机的最高转速.
(5)加减速特性。
步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中,定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。
当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时,变化速度必须逐渐上升;
同样,从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时,变化速度必须逐渐下降。
逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小,否则会出现失步或超步。
我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性,如图2.6所示。
6加减速特性曲线
5步进电机的控制
2.5.1开环控制
步进电机的最显著的优势是
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