步进电机的三菱PLC控制

设计一种基于PLC的步进电机掌握系统, 通过微型变速箱将步进电机角位移转化为直线位移, 进而带动直线

伸缩机构运行.该系统构造简略、性能稳定、经济价值和使用效果突出, 可以或许知足毫米级准确位移的使用需求.

症结词: PLC; 步进电机; 驱动器; 脉冲；偏向.

目 录

第1章绪论1

1.1 设计布景1

1.2 系统设计的任务3 1.3 本章小结3

第2章步进电机及PLC简介4

2.1 步进电机简介4 2.2 PLC的成长概述8

2.3 PLC技巧在步进电机掌握中的应用8 2.4 本章小结10

第3章 PLC掌握步进电机工作方法的选择11

3.1 罕有的步进电机的工作方法11 3.2 步进电机掌握原理12

3.3 PLC掌握步进电机的办法12

3.4 PLC掌握步进电机的设计思路13 3.5 本章小结15

第4章 FX2N掌握步进电机硬件设计16

4.1 三菱FX2nPLC的介绍16 4.2 步进电机的选择18

4.3 步进电机驱动电路设计20 4.4 PLC驱动步进电机21 4.6 I/O接线图24 4.7 本章小结25

第5章掌握系统的程序设计26

5.0 本设计相关指令介绍26 结论30 参考文献31 致谢32 附

录

33

第1章 绪 论

设计布景

步进电念头已成为除直流电念头和交换电念头以外的第三类电念头，传统电念头作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化进程中起着症结的作用.可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电念头的功效已不克不及知足工场自动化和办公自动化等各类运动掌握系统的要求.为适应这些要求，成长了一系列新的具备掌握功效的电念头系统，其中较有自己特点，且应用十分普遍的一类等于步进电念头.

步进电念头的成长与盘算机工业亲密相关.自从步进电念头在盘算机外围设备中取代小型直流电念头以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电念头的成长.另一方面，微型盘算机和数字掌握技巧的成长，又将作为数控系统执行部件的步进电念头推广应用到其他范畴，如电加工机床、小功率机械加工机床、丈量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等.任何一种产品成熟的进程，根本上都是规格品种逐步统一和简化的进程.现在，步进电念头的成长已归结为单段式构造的磁阻式、混杂式和爪极构造的永磁式三类.爪极电机价钱便宜，性能指标不高，混杂式和磁阻式主要作为高分辩率电念头，由于混杂式步进电念头具有掌握功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位.最典范的产品是二相8极50齿的电念头，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电念头，五相电念头主要用于运行性能较高的场合.到今朝，工业蓬勃国度的磁阻式步进电念头已少少见.

[1]

步进电念头最大的生产国事日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电念头性能和外不雅质量，照样生产手段，都堪称是世界上最好的.现在日本步进电念头年产量（含国外独资公司）近2亿台，德国也是世界上步进电念头生产大国.德国B.L.公司1994年五相混杂式步进电念头专利期满后，推出了新的三相混杂式步进电念头系列，为定子6极转子50齿构造，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电念头的分辩率，还可以在此基本上再10细分，分辩率提高10倍，这是一种很好的计划，充分运用了电流型驱动技巧的功效，让三相电念头同时具有二相和五相电念头的性能.与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混杂式步进电念头.该公司阪正文博士研制了三种不合的永磁式三相步进电念头，即HB型（混杂

式）、RM性（定子和混杂式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM型.将三相步进电念头同二相步进电念头进行比较后得出： 1）在获得小步距角方面，三相电念头比二相电念头要好.

2）三相电念头的两相励磁最大保持力矩为3T1（T1为单相励磁转矩），而二相电念头为 2T1，所以三相电念头的合成力矩大. 3）三相电念头的转矩摇动比二相电念头要小.

4）三相电念头持续2步用于半步的转矩差比二相电念头的要小.

5）三相电念头绕组可以星形衔接，三个终端驱动，励磁电路晶体管6个； 而二相电念头是8个.

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.

别的的结论是HB型电念头更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电念头比两相电念头的性能要好.因此，当前最有成长前景的当属混杂式步进电念头，而混杂式电念头又向以下四个偏向成长：

成长趋势一，

随着电念头自己应用范畴的拓宽以及各类整机的不竭小型化，要求与之配套的电念头也必须越来越小，在57、42机座号的电念头应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25偏向向下延伸.瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电念头.

成长趋势之二，是改圆形电念头为方形电念头.由于电念头采取方型构造，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.同样机座号的电念头，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％

成长趋势之三，对电念头进行综合设计.即把转子位置传感器，减速齿轮等和电念头本体综合设计在一起，这样使其能便利地组成一个闭环系统，因而具有加倍优越的掌握性能.

成长趋势之四，向五相和三相电念头偏向成长.今朝普遍应用的二相和四相电念头，其振动和噪声较大，而五相和三相电念头具有优势性.而就这两种电念头而言，五相电念头的驱动电路比三相电念头庞杂，因此三相电念头系统的性能价钱比要比五相电念头更好一些.

°°°°）不一样，用户转变这种产品构造不是很容易的，这就使得两种机型并存的局势难以在较短时间内转变.这种现状对步进电念头的成长是晦气的.

系统设计的任务

步进电机具有较好的掌握性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方法的转变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的掌握精度，因而得到了普遍的应用.步进电机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.步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、掌握简略等特点，已成为运动掌握范畴的主要执行元件之一.

随着微电子和盘算机技巧的成长，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的掌握范畴都将有普遍应用.而现在的可编程掌握器(通常称PLC)

是一种工业掌握盘算机，具有模块化构造、设置装备摆设灵巧、高速的处理速度、准确的数据处理才能、多种掌握功效、网络技巧和优越的性价比等性能，能充分适应工业情况，简略易懂，操纵便利，靠得住性高，是今朝普遍应用的掌握装置之一.

本设计是采取是FX2N-32MT掌握三相六拍的反响步式步进电机，通过软件设计脉冲频率来掌握步进电机的运行速度，通过加减频率来掌握步进念头的转速.围绕这两个主要方面，可提出具体的掌握要求如下:

1）可正转运行或反转运行；

2）系统上电后，赋一个初始速度值； 3）步进速度可手动变速；

1.3 本章小结

本章阐述了此次设计的布景，即步进电机的成长状况，和步进电机在工业自动化生产中的重大作用.提出了本次设计的设计任务，用PLC掌握步进电机以不合的方法运行.

第2章 步进电机及PLC简介

2.1 步进电机简介

步进电念头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.在阅历了一个大的成长阶段后，今朝其成长趋于平缓.然而，由于电念头的工作原理和其它电念头有很大的不同，具有其它电念头所没有的特性.因此，沿着小型、高效、低价的偏向成长.

步进电念头由此而得名.步进电念头的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的，其转子走过的步数，或者说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比.别的，步进电念头动态响应快，掌握性能好，只要转变输入脉冲的顺序，就能便利地转变其旋转偏向.这些特点使得步进电念头与其它电念头有很大的不同.因此， 步进电念头的上述特点，使得由它和驱动掌握器组成的开环数控系统，既具有较高的掌握精度，优越的掌握性能，又能稳定靠得住地工作.因此，在数字掌握系统出现之初，步进电念头阅历过一个大的成长阶段.

[3]

2.1.1 步进电机的分类

1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度.

2）反响式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大.

3）混杂式步进电机是指混杂了永磁式和反响式的优点，它又分为两相和五相.两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为普遍.

三相反响式步进电机的构造如图所示.

定子、转子是用硅钢片或其他软磁资料制成的.定子的每对极上都绕有一对绕组，组成一相绕组，共三相称为A、B、C相.

图2-1 三相反响式步进电机的构造图

在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采取适当的齿数合营，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距.如图所示：

图2-2 A相通电定转子错开示意图

电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系.而偏向由绕组通电的顺序决议.

2.1.2 步进电机的根本参数

1.电机固有步距角

它暗示掌握系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度.电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关. 2.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，今朝经常使用的有二相、三相、四相、五相步进电机.电机相数不合，其步距角也不合，一般二相电机的步距角为°°、三相的为°°、五相的为°° .在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不合相数的步进电机来知足自己步距角的要求.如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上转变细分数，就可以转变步距角.

3.保持转矩

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时的力矩接近保持转矩.由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不竭衰减，输出功率也随速度的增大而变更，所以保持转矩就成为了权衡步进电机最重要的参数之一.比方，当人们说2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机. 4.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.由于反响式步进电机的转子不是永磁资料，所以它没有钳制转矩.

2.1.3 步进电机主要特点

1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积.

2）步进电机外表允许的最高温度取决于不合电机磁性资料的退磁点，步进电机温渡过高时会使电机的磁性资料退磁，从而导致力矩下降甚至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不合电机磁性资料的退磁点；一般来讲，磁性资料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常.

3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降.当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大.在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降.

4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴随啸啼声.

步进电机有一个技巧参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下可以或许正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不克不及正常启动，可能产生丢步或堵转.在有负载的情况下，启动频率应更低.如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应有加快进程，即启动频率较低，然后按一定加快度升到所希望的高频.

[4]

2.1.4 反响式步进电机原理 2.1.4.1 构造

电机转子平均散布着许多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分离与转子齿轴线错开.0、1/3、2/3（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以暗示），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：

图2-3 定转子的展开图

2.1.4.2 旋转

三相如A相通电，B，C相欠亨电时，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相欠亨电时，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相欠亨电，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相欠亨电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3这样经由A、B、C、A分离通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不竭地按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.而偏向由导电顺序决议.不过，出于对力矩、平稳、噪音及削减角度等方面斟酌.往往采取A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，所以本设计采取三相六拍.这样将原来每步1/3转变成1/6.甚至于通过二相电流不合的组合，使其1/3变成1/12，1/24，这就是电机细分驱动的根本理论依据.

[5]

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分离与转子齿轴线偏移1/m，2/m……(m-1)/m，1.并且导电按一定的相序电机就能正反转被掌握——

这是步进电机旋转的物理条件.只要相符这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面斟酌，市场上一般以二、三、四、五相为多.

2.1.5 步进电机在工业掌握范畴的主要应用

步进电机作为执行元件，是机电一体化的症结产品之一，

普遍应用在各类家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等.别的步进电机也普遍应用于各类工业自动化系统中.由于通过掌握脉冲个数可以很便利的掌握步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积聚，可以达到准确定位的目标.还可以通过掌握频率很便利的转变步进电机的转速和加快度，达到任意调速的目标，因此步进电机可以普遍的应用于各类开环掌握系统中

]

[6

.

2.2 PLC的成长概述

可编程掌握器(简称 PLC) 是种数字运算操纵的电子系统，是在20 世纪 60 年月末面向工业情况由美国科学家首先研制成功的.它采取可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序掌握、计数和算术运算等操纵指令，并通过数字的、模仿的输入和输出，控各类类型的机械或生产进程.可编程序掌握器及其有关设备，都是按易于与工业掌握系统形成一体、易于扩充其功效的原则设计的.PLC 自产生至今只有30多年的汗青，却得到了迅速成长和普遍应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一.产生和成长进程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反响，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品.老式的继电器掌握系统已无法知足这一要求，迫使人们去寻找一种新的掌握装置取而代之.

PLC实质是一种专用于工业掌握的盘算机，其硬件构造根本上与微型盘算机相同:

1）处理单元(CPU)是PLC的掌握中枢.它依照PLC系统程序付与的功效吸收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检讨电源、存储器、I/O以及警惕准时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误.当PLC投入运行时，首先它以扫描的方法吸收现场各输入装置的状态和数据，并分离存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经由敕令说明后按指令的划定执行逻辑或算数运算的成果送入I/O映象区或数据存放器内.等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出存放器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行.

为了进一步提高PLC的靠得住性，近年来对大型PLC还采取双CPU组成冗余系统，或采取三CPU的表决式系统.这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行.

2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器.存放应用软件的存储器称为用户程序存储器.

[7]

2.3 PLC技巧在步进电机掌握中的应用

随着微电子技巧和盘算机技巧的成长，可编程序掌握器有了突飞大进的成长，其功效已远远超出了逻辑掌握、顺序掌握的规模.持续沿着小型化的偏向成长.随着电念头自己应用范畴的拓宽以及各类整机的不竭小型化，要求与之配套的电念头也必须越来越小.对电念头进行综合设计.即把转子位置传感器，减速齿轮等和电念头本体综合设计在一起，这样使其能便利地组成一个闭环系统，因而具有加倍优越的掌握性.向五相和三相电念头偏向成长，今朝普遍应用的二相和四相电

念头，其振动和噪声较大，而五相和三相电念头具有优势性.而就这两种电念头而言，五相电念头的驱动电路比三相电念头庞杂，因此三相电念头系统的性能价钱比要比五相电念头更好一些.

[8]

今朝应用可编程序掌握器（即PLC技巧）可以便利地实现对电机速度和位置的掌握，便利地进行各类步进电机的操纵，完成各类庞杂的工作，它代表了先进的工业自动化，加快了机电一体化的实现.

用PLC对步进电机也具有优越的掌握才能，应用其高速脉冲输出功效或运动掌握功效，现对步进电机的掌握.

[9]

步进电机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，其输出轴便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，其转向与脉冲分派到步进电机的各相绕组的相序有关.所以只要掌握指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，即可掌握步进电机的输出位移量、速度和转向

0]

[1

.PLC直接掌握步进电机系统由PLC和步进电机组成，PLC具有实时刷新技巧，输

出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分派能有很高的分派速度，充分应用步进电机的速度响应才能，提高整个系统的快速性.并且，PLC有采取大功率晶体管的输出端口，可以或许知足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求.

[11]

有以上步进电机的工作原理以及工作方法我们可以看出：

掌握步进电机最重要的就是要产生出相符要求的掌握脉冲.三菱PLC自己带有高速脉冲计数器和高速脉冲产生器，其发出的频率最大为10KHz，可以或许知足步进电念头的要求.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巧的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高.其目标是使脉冲能有较高的分派速度，充分应用步进电机的速度响应才能，提高整个系统的快速性.二是PLC自己的输出端口应该采取大功率晶体管，以知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.如下图所示：

[12]

输入信号 PLC 图2-4 步进电机的PLC直接掌握

步进电机

2.4 本章小结

本章阐述了步进电机的主要特点与工作原理，并介绍了PLC的成长状况以及PLC技巧在步进电机掌握中所施展的伟大作用.

第3章 PLC掌握步进电机工作方法的选择

3.1 罕有的步进电机的工作方法

罕有的步进电机的工作方法有以下三种： 1.三相单三拍：A-> B-> C-> A

图3-1 三相单三拍工作方法时序图

2.三相双三拍：AB -> BC -> CA -> AB

图3-2 三相双三拍工作方法时序图

3.三相六拍：A -> AB -> B -> BC -> C -> CA -> A

图3-3 三相六拍工作方法时序图

3.2 步进电机掌握原理

3.2.1 掌握步进电机换向顺序

通电换向这一进程称为脉冲分派.例如：三相步进电机的三相三拍工作方法，其各相通电顺序为A-B-C-D，通电掌握脉冲必须严格依照这一顺序分离掌握A、B、C、D相的通断.

3.2.2 掌握步进电机的转向

如果给定工作方法正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转.

3.2.3 掌握步进电机的速度

如果给步进电机发一个掌握脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步.两个脉冲的距离越短，步进电机就转得越快.调剂发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速.

3.3 PLC掌握步进电机的办法

在本设计中直接使用PLC掌握步进电机，可使用PLC产生掌握步进电机所需要的各类时序的脉冲.三相步进电机可采取三种工作方法：三相单三拍，三相双三拍，三相单六拍.这三种方法的主要区别是:电机绕组的通电、放电时间不合.工作方法是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长.因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方法出力最大.并且，电机是三拍的工作方法时，其分辩率为3度，六拍的工作方法时，分辩率是1.5度.所以，在本课题中，我们采取三相六拍的工作方法，在这种掌握方法下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辩率最高.

可依据步进电机的工作方法，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图.并使用PLC产生各类时序的脉冲.例如：本设计采取三菱FX2n-32MT PLC掌握三相步进电机的进程.

图3-4 三相单六拍正向时序图

3.4 PLC掌握步进电机的设计思路

3.4.1 步进电机掌握方法

典范的步进电机掌握系统如图所示：

图3-5 典范的步进电机掌握系统 步进电念头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.在阅历了一个大的成长阶段后，日前其成长趋向平缓.然而，其基起源基本理是不变的，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，其转向与脉冲分派到步进电机的各相绕组的脉冲顺序有关.所以只要掌握指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，即可掌握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根本的电磁铁作用，可简略地界说为，依据输人的脉冲信号，每转变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不转变励磁状态则保持一定位置而静止的电念头:从广义上讲，步进电念头是一种受电脉冲信号掌握的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率规模内转速与掌握脉冲频率同步的同步电念头.

步进电机的掌握和驱动办法许多，依照使用的掌握装置来分可以分为:普通集成电路掌握、单片机掌握、工业掌握机掌握、可编程掌握器掌握等几种依照掌握构造可分为:硬脉冲生成器硬脉冲分派构造(硬-硬构造)、软脉冲生成器软脉冲分派器构造(软-；

软构造)、软脉冲生成器硬脉冲分派器构造(软-硬构造). 1．硬——硬构造

如图3.6所示，这种步进电机的掌握驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分派器、驱动器组成.这种掌握驱动方法运行速度比较快，但是电路庞杂，功效单一.

2．软——软构造

如图3.7所示，这种步进电机的掌握驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分派器、驱动器组成，而软件脉冲生成器和脉冲分派器都有微处理器或微掌握器通过编程实现.用单片机、工业掌握机、普通小我盘算机、可编程序掌握器掌握步进电机一般均可采取这种构造.这种掌握驱动办法电路构造简略、可以实现庞杂的功效，但是占用CPU时间多，给微处理器运行其他工作造成艰苦. 3．软——硬构造

如图3.8所示，这种步进电机的掌握驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分派器和硬件驱动器组成.硬件脉冲分派器是通过脉冲分派器芯片(如8713芯片)来实现通电换相掌握的.这种掌握驱动办法电路构造简略、可以实现庞杂的功效，同时占用CPU时间较少，用可编程掌握器全部实现了掌握器和驱动器的功效.在PLC中，由软件代替了脉冲生成器和脉冲分派器，直接对步进电机进行并行掌握，并且由PLC输出端口直接驱动步进电机.如图3.7所示，这是一种软-软构造，脉冲生成器和脉冲分派器均有可编程序掌握器程序实现.

图3-6 硬硬构造掌握 图3-7 软软构造掌握 图3-8 软硬构造掌握

由以上步进电机的工作原理以及工作方法我们可以看出：

掌握步进电机最重要的就是要产生出相符要求的掌握脉冲.三菱PLC自己带有高速脉冲计数器和高速脉冲产生器，其发出的频率最大为10KHz，可以或许知足

步进电念头的要求.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巧的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高.其目标是使脉冲能有较高的分派速度，充分应用步进电机的速度响应才能，提高整个系统的快速性.二是PLC自己的输出端口应该采取大功率晶体管，以知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.

对输入电机的相关脉冲掌握，从而达到对步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动.

3.5 本章小结

本章说清楚明了三相步进电机几种罕有的工作方法，即三相单三拍，三相双三拍和三相六拍.阐述了步进电机的掌握原理，以及PLC掌握步进电机运行的办法.

第4章 FX2N掌握步进电机硬件设计

4.1 三菱FX2nPLC的介绍

1）FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列.由于FX2n系列具备如下特点：最大规模的包涵了尺度特点、程式执行更快、全面填补了通信功效、适合世界列国不合的电源以及知足单个需要的大量特殊功效模块，它可以为你的工场自动化应用提供最大的灵巧性和掌握才能.

2）为大量实际应用而开辟的特殊功效.开辟了各个规模的特殊功效模块以知足不合的需要----模仿I/O，高速计数器.定位掌握达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开辟了温度模块.对每一个FX2n主单元可设置装备摆设总计达8个特殊功效模块.

3）网络和数据通信 ：衔接到世界上最风行的开放式网络 CC-Link，Profibus Dp和DeviceNet或者采取传感器条理的网络解决您的通信需要.

4）其它功效

：内置式24V直流电源

24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件.快速断开始子块 因为采取了优良的可维护性快速断开始子块，即使接着电缆也可以改换单元.时钟功效和小时表功效

在所有的FX2NPLC中都有实时时钟尺度.时间设置和比较指令易于操纵.小时表功效对进程跟踪和机械维护提供了有价值的信息.

5）持续扫描功效：为应用所需求的持续扫描时间界说操纵周期.

61）输入滤波器调节功效 ：可以用输入滤波器平整输入信号（在根本单元中x000到x017）.

7）注解记载功效 ：元件注解可以记载在程序存放器中.

8）在线程序编辑 ：在线转变程序不会损失工作时间或停止生产运转. 9）RUN/STOP 开关 面板上运行/停止开关易于操纵.

10）远程维护 ：远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据

11）暗码呵护 ：使用一个八位数字暗码呵护您的程序.

4.1.1 三菱 PLC 应用中需要注意的问题

1）温度：PLC 足够大.

2）湿度：为了包管 PLC 的绝缘性能，空气的相对湿度应小于 85%( 无露水) . 3）震动：应使 PLC 远离强烈的震动源，防止振动频率为 10 Hz～55Hz 的频繁或持续振动.当使用情况不成防止震动时，必须采纳减震措施，如采取减震胶等.

4）空气：防止有腐化和易燃的气体，如氯化氢、硫化氢等.对于空气中有较多粉尘或腐化性气体的情况，可将 PLC 装置在关闭性较好的掌握室或掌握柜中.

5）电源：PLC

对于电源线带来的干扰具有一定的抵制才能.在靠得住性要求很高或电源干扰特别严重的情况中，可以装置一台带屏蔽层的隔离变压器，以削减设备与地之间的干扰.一般

PLC

都有直流

24

V输出提供应输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源.普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使 PLC 吸收到错误信息.

要求情况温度在

0 ℃～55 ℃，装置时不克不及放在发烧量大的元件下面，四周通风散热的空间应

4.1.2 掌握系统中干扰及其起源

影响

PLC

掌握系统的干扰源，大都产生在电流或电压激烈变更的部位，其原因是电流转变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场转变产生电流，电磁高速产生电磁波，电磁波对其具有强烈的干扰.

1）强电干扰.由于电网笼罩规模广，电网受到空间电磁干扰而在线路上感应电压.尤其是电网内部的变更，刀开关操纵浪涌、大型电力设备启停、交直传播动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边.

2）柜内干扰.掌握柜内的高压电器，大的电感性负载，凌乱的布线都容易对 PLC 造成一定程度的干扰.

3）来自接地系统凌乱时的干扰.正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使 PLC 系统将无法正常工作.

4）来自

PLC

系统内部的干扰.主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模仿电路的影响，模仿地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等.

5）变频器干扰.一是变频器启动及运行进程中产生谐波对电网产生传导干扰

，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作.

4.1.3 主要抗干扰措施

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装置一台带屏蔽层的变比为

的隔离变压器，以削减设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接 滤波电路.

2）合理装置与布线 动力线、掌握线以及 应远离动力线( RC

PLC

的电源线和 应远离强干扰源，柜内 200

mm)，与

RS485 PLC PLC

网线应分离配线，各走各的桥架或线槽.PLC

二者之间距离应大于

1∶1 LC

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

消弧电路.PLC

的输入与输出最好离开走线，开关量与模仿量也要离开敷设.模仿量信号的传送应采取屏蔽线，屏蔽层应一端或两头接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的 1/10.交换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，防止并行.

4.1.4 正确选择接地点以完善接地系统

PLC

掌握系统的地线包含系统地、屏蔽地、交换地和呵护地等.接地系统凌乱对 地环路电流，影响系统正常工作.

1）平安地或电源接地：将电源线接地端和柜体连线接地为平安接地. 2）系统接地：PLC

掌握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

设备系统地和掌握柜内开关电源负端接在一起，作为掌握系统地.

3）信号与屏蔽接地：一般要求信号线必须要有唯一的参考地.

PLC PLC

系统的干扰主要是各个接地点电位散布不均，不合接地点间存在地电位差，引起

4.2 步进电机的选择

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.

图4-2 45BF三相反响式步进电机实物图

图4-3 45BF三相反响式步进电机尺寸

4.3 步进电机驱动电路设计

4.3.1 驱动电路

下图为步进电机的驱动电路.图中仅为一相的驱动电路，其余两相与之相同.在图中三极管 和时，

两个三极管组成达林顿式功放电路， 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掌握和驱动信号隔离.当掌握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 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.

饱和导通，

T1

流过的集电极电流最大，

T2、T3

驱动步进电机的

起开关作用.当三极管截止时，无集电极电流流畅，开关相当于断开；当三极管饱开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来掌握.由

图4-4 步进电机驱动电路

4.3.2 驱动电路接口

图4-5 驱动器接口

4.4 PLC驱动步进电机

三菱PLC自己带有高速脉冲计数器和高速脉冲产生器，其发出的频率最大为10KHz，可以或许知足步进电念头的要求.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巧的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高.其目标是使环形脉冲分派能有较高的分派速度，充分应用步进电机的速度响应才能，提高整个系统的快速性.二是PLC自己的输出端口应该采取大功率晶体管，以知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.如下图所示：

图4-6 PLC直接驱动电机

环形分派程序对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分派，从而掌握接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动.步进电机的转动，由于步进电机是电感性负载，直流电阻很小，故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏，当步进电机各相绕组的通电顺序按

：…A—AB—

B—BC—C—CA—A…导通断开时，步进电机正转.按A—AC—C—CB—B—BA—A…依次导通、断开时，步进电机反转，即步进电机可以按三相六拍工作.每当步进电机走一步，环形脉冲分派程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分派，等待下一次的脉冲输入.

本驱动器为M415B细分驱动器，适合驱动中小型的任何1.5A相电流以下的两相或四相混杂式步进电机.PUL为脉冲信号，通过掌握脉冲的频率来掌握步进电机

的运行速度，DIR为偏向掌握.通细致分设定来确定步进电机旋转一圈的脉冲数.

引脚信号界说

1）细分设定

转变驱动器的细分倍数，可转变电机旋转一圈所需的脉冲数 2）电流设定

对于同一电机，电流设定值越大时，电机的输出力矩越大，但电流大的同时电机和驱动器的发烧也比较严重，所以一般情况是把电流设成供电机长期工作时出现温热但不过热的数值.

3）步进电机驱动器的参数的设置

4.6 I/O接线图

4.7 本章小结

本章阐述了此次设计的硬件设计.简略介绍了三菱FX2n系列PLC，以及FX2n系列PLC在使用中应该注意的问题.设计了一个功率放大电路，并且说清楚明了本

次设计的硬件接线办法.

第5章 掌握系统的程序设计

5.0 本设计相关指令介绍

5.0.1 PLSY指令和PLSR指令

结 论

本文阐述了基于PLC的步进电机掌握系统的设计办法和研制进程，包含硬件设计、软件设计以及系统组态等方面.硬件电路用三菱PLC、放大电路和相关集成电路设计而成.软件程序用PLC梯形图语言写成.

在本次设计中，应用软硬件联合，实现对步进电机工作状态的自动掌握和准确掌握.应用PLC输出的时序脉冲和偏向信号，转变对步进电机绕组的通电方法和通电顺序，来准确掌握步进电机的正转、反转等工作状态.通过设定不合延时计时器的数值，来转变步进电机的工作频率.今朝应用可编程序掌握器（即PLC 技巧）可以便利地实现对电机速度和位置的掌握，便利地进行各类步进电机的操纵，完成各类庞杂的工作，它代表了先进的工业自动化技巧水平，加快了机电一体化的实现.

参考文献

[2] 96． [3] 19．

[4]廖常初．PLC基本及应用[M]．机械工业出版社，2006:112-127．

[5]史国生．电气掌握与可编程掌握器技巧[M]．化学工业出版社，2003:33-41． [6]阮友德．电气掌握与PLC实训教程[M]．人平易近邮电出版社，2006:57-82． [7]SX-815L 机电一体化综合实训考察设备说明书

[8]刘宝廷．步进电机及其驱动掌握系统[M]．哈尔滨工业大学出版社，1997:26-37．

[9]王鸿枉．步进电机掌握技巧入门[M]．同济大学出版社，1990:72-77． [10] Berger, Hans. Programmable controllers[M]. Berlin Siemens Aktiengesellschaft，

1993：55-67

. Programmable controllers for factory automation[M].N.Y.Marcel Dekker,1987: 10-12 [12]

David

G．Johnson．Programmable

Controllers

for

Factory

Automation[M].Marcel Dekker Inc, 2003: 8-16

常斗南．可编程序掌握器原理•应用•实验[M]．机械工业出版社，1998:12-林春方．可编程掌握器原理及其应用[M]．上海交通大学出版社，2004:77-

致 谢

在本次设计中，自动化教研室的张先生给我提供了优越的设计条件和细心的指导.导师前瞻性的科学思维、宽广的专业知识和谨小慎微的工作精力，令我敬仰，使我受益匪浅.在导师的指导和帮忙下，我顺利地完成了这次设计任务，在此向张先生致以最诚挚的感激！虽然毕业设计已经完成了，但是，由于自己所学的知识有限，在许多方面还不敷全面，我希望在以后的工作和专业成长中，导师能持续给以指导和帮忙下学到更多有关的知识.

附 录