电机拖动课程设计（三相六拍步进电动机控制程序设计）

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

课 程 电机拖动课程设计 题 目 三相六拍步进电动机控制程序设计

院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 刘伟

20 年 月 日

东北石油大学课程设计任务书

课程 电机拖动课程设计 题目 三相六拍步进电动机控制程序的设计 专业

电气 姓名 学号

主要内容：

1、步进电动机主要特性及其工作原理； 2、三相六拍步进电动机控制程序的设计； 3、程序的分析与比较。 基本要求：

1、了解步进电动机的主要特性及其工作原理；

2、了解三相六拍步进电动机控制程序的设计思路及其过程； 3、了解三相六拍步进电动机控制程序设计的比较和分析。 参考资料：

[1]、常斗南，李全利，张学武编著。《可编程序控制器原理、应用、实验》 [M].北京：机械工业出版社 1998年7月

[2]、李乃夫编著。《可编程序控制器原理、应用、实验》 [M].北京：中国轻工业出版社 1998年1月

[3]、何衍庆，戴自祥，俞金寿编著。《可编程序控制器原理及应用技巧》 [M].北京：化学工业出版社 1998年8月

[4]、俞雷声，方宗达编著。《电气控制与PLC应用》 [M].北京：机械工业出版社 1998年10月

[5]、易传禄，韩希光编著。《可编程序控制器应用指南》 [M].上海：上海科学普及出版社 1993年6月

完成期限 指导教师 刘伟 专业负责人

20 年 月 日

目 录

1、步进电动机简介 .............................................................................................. 1

1.1 步进电机的主要特性 ............................................................................ 1 1.2 三相六拍步进电机 ................................................................................ 2 2、三相六拍步进电动机控制程序的设计 .......................................................... 4

2.1 程序设计的基本思路 ............................................................................ 4 2.2 梯形图程序设计 .................................................................................... 5 2.3 梯形图程序 ............................................................................................ 7 2.4 三相六拍步进电机控制语句表 .......................................................... 10 2.5 步进电机的I／O分配 ........................................................................ 11 3、程序的分析与比较 ........................................................................................ 11

3.1 简捷性 .................................................................................................. 11 3.2 柔性化 .................................................................................................. 12 4、结论 ................................................................................................................ 14 5、心得体会 ........................................................................................................ 15 参考文献 .............................................................................................................. 16

电机拖动课程设计（报告）

1、步进电动机简介

1.1 步进电机的主要特性

(1)步距角和静态步距误差: 步进电机的步距角?是决定开环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0.5°～0.3° 一般情况下, 步距角越小, 加工精度越高, 静态步距误差指理论的步距角和实际的步距角之差, 以分表示, 一般在10’以内。步距误差主要由步进电机齿距角制造误差、定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀等因素造成的, 步距误差直接影响工作的加工精度以及步进电机的动态特性。

(2)动频率fd： 空载时, 步进电机由静止突然启动, 并进人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用fd表示, 若启动频率大于突跳频率, 步进电机就不能正常启动, fd与负载惯量有关, 一般说来随着负载惯量的增长而下降。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突跳频率。

(3)连续运行的最高工作频率fmax：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fmax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。其值大于fq, 并且随着负载的性质和大小而异, 与驱动电源也

(4)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而停止时,变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速不能过小, 否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数来描述步进电机的升速和降速特性见图1。

图1.1 加速器特性曲线

1

电机拖动课程设计（报告）

(5)矩频特性与动态转矩：矩频特性M=F(f), 图1.2是描述转矩一频率关系的曲线, 该特性曲线上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。可见, 动态转矩随连续频率的上升或下降。

上述步进电机的主要特性除第一项外, 其余均与电源有很大关系。驱动电源性能好, 步进电机的特性可能得到明显改善。

图1.2 转矩一顺率特性曲线

1.2 三相六拍步进电机

三相六拍步进电机是一典型单定子、径向分相、反应式伺服电机。其结构原理图如图3所示。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芯和定子绕组。定子铁芯由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子铁芯上, 六个均匀分布齿上的线圈, 在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起, 构成一相控制绕组。三相步进电机可构成三相控制绕组, 若任一相绕组通电, 便形成一组定子磁极, 其方向即图1.3中所示的N3极。在定子的每个磁极上, 即定子铁芯上的每个齿上开了五个小齿, 齿槽等宽, 齿间夹角为9°, 转子上没有绕组, 只有均匀分布的个40小齿, 齿槽也是等宽的, 齿间夹角也是, 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1.4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齿轮1／3齿距角, C相磁极齿超前或滞后转子齿2／3齿距角。

2

电机拖动课程设计（报告）

图1.3 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理圈

图1.4 步进电机齿矩 线

三相六拍步进电机的工作原理激磁式如图1.3,当A相绕组通电时, 转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电, B相通电, 由于磁力的作用, 转子的齿与定子BB上的齿对齐, 转子沿顺时针方向转过3°, 如果控制线路不停地按A→B→C→A的循环顺序控制步进电机绕组的通电、断电, 步进电机的转子便不停地顺时针转动, 这是三相三拍。而当AB同时通电时, 由于两个滋力的作用, 定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过1.5°，原理与三相三拍相同, 从而形成三相六拍, 其通电顺序为：

3

电机拖动课程设计（报告）

2、三相六拍步进电动机控制程序的设计 2.1 程序设计的基本思路

在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输人偷出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个多扫描周期_1 J，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简捷、紧凑。另一方面，同一个控制对象，根据生产的工艺流程的不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。以SIMATIC移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好地满足上述设计要求。

2.1.1 三相六拍步进电机的控制要求

对三相六拍步进电机的控制，主要为两个方面：三相绕组的接通与断开顺序控制以及步进速度的控制。即：正转顺序：A—AB—B—BC—C—CA—A；反转顺序：A—AC— C— CB—B—BA—A 以及每个步距角(每个箭头)的行进速度。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：

(1)可正转起动或反转起动；

(2)运行过程中，正反转可随时不停机切换；

(3)步进两种速度可分为高速(0．05 S)、低速(0．5 s)两档，并可随时手控变速；

(4)停止时，应对移位寄存器清零，使每次起动均从A相开始。

2.1.2 控制程序框图及软件模块

由上述具体控制要求，可作出步进电机在起动运行时的程序框图，如图1所示。以工作框图为基本依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分成4个模块进行编程，即模块1：步进速度选择；模块2：起动、停止和清零；模块3：移位步进控制功能模块；模块4：A、B、C三相绕组对象控制。然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。

4

电机拖动课程设计（报告）

图2.1 步进电机控制程序流程图 线

2.2 梯形图程序设计 2.2.1 输入惭出编址

控制步进电机的各输入开关及控制A、B、C三相绕组工作的输出端在PLC中的I／O编址如表1所示。

5

电机拖动课程设计（报告）

I0.0 I0.1 I0.2 I1.0 I1.1

表2-1 输入与输出编址

输入端 线 Q0.0 Q0.1 Q0.2 输出端 控制A相绕组 控制B相绕组 控制C相绕组 步进电动机正转启动按钮 步进电动机反转启动按钮 停止及清零按钮 低速开关（1） 高速开关（2） 2.2.2 状态真值表

采用移位指令进行步进控制。首先指定移位寄存器MB0，按照三相六拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表2。

M0.5 1

表2-2 移位寄存器初值1

M0.4 0 M0.3 0 M0.2 0 M0.1 0 M0.0 0 每右移1位，电机前进一个步距角(一拍)，完成六拍后重新赋初值。其中MO．6和MO．7始终为“0”。据此，可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表3所示。从而得出三相绕组的控制逻辑关系式：

正转时

A相 QO．0= MO．5+MO．4+MO．0 B相 QO．1= MO．4+MO．3+MO．2 C相 QO．2= MO．2+MO．1+MO．0 反转时

A相 QO．0= MO．5+MO．4+MO．0 B相 QO．1= MO．2+MO．1+MO．0 C相 QO．2= MO．4+MO．3+MO．2

6

电机拖动课程设计（报告）

表2-3 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表

移位寄存器MB0 A 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 正转 B 0 0 1 1 1 0 0 C 0 0 0 0 1 1 1 A 0 1 1 1 0 0 1 反转 B 0 0 0 0 1 1 1 C 0 0 1 1 1 0 0 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 0 1 0 0 0 0 0

2.3 梯形图程序

根据程序模块及三相绕组的控制逻辑关系，即可编写出梯形图控制程序，如图2所示。其中Networkl～3对应模块1；Network4~6对应模块2；Network7 12对应模块3；Networkl3～16对应模块4。

必须注意，在进行各模块的连接时，应充分考虑各模块功能之间的联锁关系、CPU串行扫描的工作方式对各指令执行结果的影响以及可随时进行正反转切换和步进变速的要求。经过调试、运行，该程序完全满足控制要求。

7

电机拖动课程设计（报告）

8

电机拖动课程设计（报告）

图2 .2 步进电机梯形图控制程序

9

电机拖动课程设计（报告）

2.4 三相六拍步进电机控制语句表

LD I1.0 LD T33 EU SRB MB0,1 AN I1.1 LD T33 MOVW 50,VW100 = M2.0 LD I1.1 LD M2.0 EU LD C0 AN I1.0 0 I0.2 MOVW 5,VW100 CTU C0,6 LD I0.0 LD M0.5 0 M1.0 0 M0.4 AN I0.1 0 M0.0 AN I0.2 = Q0.0 = M1.0 LD M0.4 LD I0.1 0 M0.3 0 M1.1 0 M0.2 AN I0.0 AN M1.1 AN I0.2 LD M0.2 = M1.1 0 M0.1 LD I0.2 0 M0.0 AN M1.0 AN M1.0 AN M1.1 0LD

MOVB 0,MB0 = Q0.1 LD M1.0 LD M0.4 0 M1.1 0 M0.3 EU 0 M0.2 0 C0

MOVB 2#100000,MB0 AN M1.0 LD C0 LD M0.2 = M3.0 0 M0.1 LD M1.0 0 M0.0 0 M1.1 AN M1.1 AN M2.0 0LD AN I0.2 = Q0.2

10

电机拖动课程设计（报告）

TON T33,VW100

2.5 步进电机的I／O分配

图2.2 硬件连接线路图

图2.3 硬件连接线路图

3、程序的分析与比较

3.1 简捷性

如前所述，步进电机的控制程序设计，可有多种方法，比如，用SIMATIC顺控指令(SCRSCRT、SCRE)编程，程序没有复杂的逻辑关系，设计比较方便，但由于每一次步进切换都须经过对状态的开始、转换和结束处理，会令程序的网络数大大增加 ；或可用许多的定时器实现各步距角的时间控制，以及变速时间间隔的设置等，则程序冗长、松散；也可以用定时器结合比较指令控制各步进时段，但会使各网络变得复杂，彼此之间的逻辑关系不甚清晰，程序也会比较长。比如，仅作两

档转速控制，程序便需约20个网络，若再以加法、减法指令配合对两档转速进行调速，则程序还要增加3～4个网络；有的程序甚至可达约30个网络，而以移位指令作为步进控制的主体编程，获得的程序简捷、清晰，仅需15个网络即可实现，且程序模块间的逻辑关系十分明确。

11

电机拖动课程设计（报告）

3.2 柔性化

3.2.1 步进速度的变化

以移位指令作为步进控制主体编程的另一长处，就是程序的柔性好，非常容易修改。在1．1中提孙：对步进电机的控制主要是两个方面，三相绕组接通、断开的顺序控制和步进速度的控制。前者一般不变，而后者却可多变。比如，本文例子中，如果要求电机在运行过程中步进速度可任意加、减，而不是仅有三档速度，此时任何变速实际上只是改变移位指令的执行速度，即改变移位脉冲的发生周期(VWl00)，其他所有网络均可不变。所以，只需将程序模块1“步进速度选择(Network1～3)”作如下修改便可实现，如图3所示。

图3.1 程序模块1的修改

其中，原低速开关I1．0变为步进基速赋值开关(Network1)；原中速开关I1．1变为减速开关，每次I1．1从“0”一“1”，步进速度减慢0．01s，即以加法指令实现转过每步距角所需时间增加 0．01s(Network2)；原高速开关I1．2变为加速开关，每次I1．2从“0”一“1”，经减法指令使转过每步距角所需时间减少0．01s(Network3)，每次加速或减速的幅度可按需要任意修改设定。而如果用其他方法编程，比如以定时器、比较指令等编程，则每变化一次速度，所有的定时器和比时段都须作出相应的调整，为程序修改带来不便。

3.2.2 从三相六拍到五相十拍

如果控制对象为五相十拍的步进电动机，则依

据三相六拍的编程思路，只需在模块3中，将8位(字节)移位寄存器改为16位(字)移位寄存器。比如：取寄存器MW3=MB3+MB4，其初值见表4。

12

电机拖动课程设计（报告）

M3.7 M3.6 M3.5 M3.4 M3.3 M3.2 M3.1 M3.0

0 0 0 0 0 0 1 0 表3-1 移位寄存器初值

M4.7 M4.6 M4.5 M4.4 M4.3 M4.2 M4.1 M4.0 0 0 0 0 0 0 0 0 移位指令相应由“SHR—B”修改为“SHR—w”，然后根据五相十拍步进电动机的工作顺序：

正转 ABC— BC— BCD— CD— CDE—DE— DEA — EA — EAB— AB— ABC

反转 ABC— BA— BAE— AE— AED—ED 一Ⅱ )C— DC— D(1B— CB — CBA

作出移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表，得出五相绕组控制逻辑关系式，最后，在模块4(对象控制)中增加控制对象D、E和修改控制逻辑关系，便可非常方便地完成五相十拍的梯形图控制程序。

另外，需注意，在修改程序时，图2中Net—work6和Network7的传送指令亦应相应地改为字传送指令“MOV—w(Mw3)”以及Networkl2计数器指令的“PT”相应改为10。

13

电机拖动课程设计（报告）

4、结论

在本次的课程设计也是以《电机与拖动》我们的教材为主线，我们基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。

通过上面的设计可知：步进电动机的主要特性有：步距角和静态步距误差、动频率fd、连续运行的最高工作频率fmax、加减速特性、矩频特性与动态转矩。三相六拍步进电机是一典型单定子、径向分相、反应式伺服电机。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芯和定子绕组。定子铁芯由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子铁芯上, 六个均匀分布齿上的线圈, 在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起, 构成一相控制绕组。

在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简捷、紧凑。同一个控制对象，根据生产的工艺流程的不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。所以采用SIMATIC移位指令为步进控制的主体进行程序设计。

通过最终设计出来的控制程序实现了对三相六拍步进电动机的的控制要求，从而在实际中得到很好的应用。

14

电机拖动课程设计（报告）

5、心得体会

一周的时间很快就要过去了，通过独立完成这次《电机与拖动》课程设计。从明确实验设计目标，设计出符合目标的可行方案到调试成功并通过验收，真正体会到设计的乐趣。通过这次设计，一方面增强了自己的动手动脑能力,另一方面也为以后的设计奠定一些基础。总的来说，这次模电课程设计让我受益匪浅，收获不少。

在设计过程中我认真理解并掌握了每一个相关知识点，就是在掌握这些知识点的前提下，我才能有这个规范的设计。在此次的设计中，我感受了同学们认真完成课程设计的态度和热情。在做课程设计的过程中，我感到自己学到的知识十分有限，所以查阅了大量书籍，通过这次书记的学习，我的知识增长了很多。更深刻地了解有关变压器的知识，同时也弄明白了以前不明白的知识点。

在做课程设计的过程中，需要的不仅仅是深厚的知识，更是自己性格的体现，做本次设计就是做人一般，若是有成功和失败，也有高兴与失落，要有百战不殆的决心，百战百败，百败百战。要有永不放弃的决心与勇气，要有坚定的对自己的信心，才能够在短短的一周之内，做一个象样的作品向老师与自己交一份答卷。

此次设计,在拓宽了自己的视野，激发了自己的兴趣同时，理论和实践结合的程度进一步提高。在没有进行课程设计之前，我总觉得书本上学的东西太少，而且不知怎么使用，理论跟实际联系不起来。现在，我对模拟电路设计有了一定的认识，也对它产生了兴趣，并有了将书本知识与实际设计相结合的想法和能力。

在这次电机与拖动课程设计中，收获的不仅仅是一份报告，一个作品，一个过程，更重要的是对自己的一些反思。这次课程设计让我认识到了自己还要学的东西还有很多，比如实践的重要性，培养了我们的探究能力、自己动手动脑的能力，设计过程中所应的思想使我受益匪浅。

15

电机拖动课程设计（报告）

参考文献

[1]、常斗南，李全利，张学武编著。《可编程序控制器原理、应用、实验》 [M].北京：机械工业出版社1998年7月

[2]、李乃夫编著。《可编程序控制器原理、应用、实验》 [M].北京：中国轻工业出版社1998年1月

[3]、何衍庆，戴自祥，俞金寿编著。《可编程序控制器原理及应用技巧》 [M].北京：化学工业出版社 1998年8月

[4]、俞雷声，方宗达编著。《电气控制与PLC应用》 [M].北京：机械工业出版社 1998年10月

[5]、易传禄，韩希光编著。《可编程序控制器应用指南》 [M].上海：上海科学普及出版社 1993年6月

[6]、黄大雷，吴庚申编著。 《可编程序控制器及其应用》 [M].人民交通出版社 1993年1月

[7]、马洪飞，陈宏钧 ，刘汉奎编著。《电气自动化英语》 [M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 1999年7月

[8]、 刘宝廷，程树康编著。《步进电动机及其驱动控制系统》 [M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社 1997

[9]、陈隆昌，阎治安，刘新正编著。《控制电机》 [M].西安：西安电子科技大学出版社 2000年5月

16

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称 题目名称 学生姓名 序号 评价项目 工作量、工作态度和出勤率 电机拖动课程设计 三相六拍步进电动机控制程序的设计 学号 指导教 师姓名 指 标 按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析2 课程设计质量 问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。 3 4 总分 评语： 指导教师： 年 月 日

创新 答辩 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。 能正确回答指导教师所提出的问题。 5 30 45 20 刘伟 职称 满分 教授 评分 1

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ave6.html