机电控制课程设计

第一章 绪论

目前世界上发达国家生产和使用的数量日益增多,它作为工业控制器广泛地应用于冶金生产、汽车制造、石油化工、轻工食品、能源、交通等几乎所有工业领城。其控制方法也从简单的单机开关量控制向过程控制、数字控制和多机网络控制方向发展。传统电器控制, 使用最多的电器是继电器, 而且继电器控制采用固定接线,很难适应产品机型的更新换代。生产线承担的加工对象改变后,加工控制程序随之改变要求。对于大型自动化生产线的控制系统使用的继电器数很多, 这些有触点的电器工作频率较低, 在频繁动作的情况下, 寿命较短, 容易造成系统故障,使生产运行的可靠性、稳定性降低。使用比可编程控制器实现三相六拍步进电机驱动,可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高,同时,由于实现了模块化结构, 使系统构成十分灵活,而且编程语言简单易学,便于掌握。可以进行在线修改,柔性好,体积小,维修方便。

步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点,所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。目前,比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。但采用单片机控制,不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路,实现比较麻烦,而且对工业现场的恶劣环境适应性差,可靠性不高。基于PLC 控制的步进电机具有设计简单,实现方便,定位精度高,参数设置灵活等优点,在工业过程控

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制中使用,可靠性高,监控方便。

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， 与驱动电源也有关系。

（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下图。

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(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1-1转矩一顺率特性曲线

1.2 步进电动机的优缺点

优点：

1． 电机旋转的角度正比于脉冲数；

2． 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3． 由于每步的精度在3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4． 优秀的起停和反转响应；

5． 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；

6． 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本较低；

7． 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。

8． 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。 缺点：

1． 如果控制不当容易产生共振； 2． 难以运转到较高的转速。 开环控制：

步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。

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这种控制避免了使用昂贵的传感器以及象光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你（转子）的位置。 1.3 步进电机在低速运行时存在的问题及解决方法

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度，无位置累积误差；特有的开环运行机制，与闭环控制系统相比降低了系统成本，提高了可靠性，在数控领域得到了广泛的应用。但是，步进电机在低速运行时的振动、噪声大，在步进电机的自然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降，这些缺点限制了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器，改善驱动器的性能，可以显著地提高步进电机的性能。

下图为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D／A转换器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。从理论上讲，自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。

为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题，可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题，但仍然存在

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一些问题。比如：当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时，该控制信号将丢失，一般可通过加大D触发器时钟频率解决。

1.4 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1-2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1-2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。

图1-2 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理圈

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图1-4 步进电机齿矩

三相六拍步进电机的工作原理激磁式如图1-2,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：

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第二章

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。

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图2-1 步进电机控制程序流程图

2.2 梯形图程序设计

2.2．1 输入输出编址

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2-2-1所示。

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表2-2-1 输入与输出编址

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M，按照三相六拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表2-2-2。 表2-2-2 移位寄存器初值1

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2-2-3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

表2-2-3 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表

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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。

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图2-3步进电机梯形图控制程序

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2.4 三相六拍步进电机控制语句表

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2.5 步进电机的I／O分配

图2-5 硬件连接线路图

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第三章

电动机控制系统设计

3.1 三相单三拍通电方式

当A 相控制绕组通电,其余两相均不通电,电机内建立以定子A

相极为轴线的磁场.由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,使转子齿1, 3 的轴线与定子A 相极轴线对齐,如图3-4 (A)所示.若A 相控制绕组断电,B 相控制绕组通电时,转子在反应转矩的作用下,逆时针方向转过30,°使转子齿2,4 的轴线与定子B 相极轴线对齐,即转子走了一步,如图3-4(B)所示, 若再断开B相,使C相控制绕组通电,转子又转过30° 使转子齿1,3 的轴线与定子C相极轴线对齐,如图3-4(C)所示.如此按A-B–C-A 的顺序轮流通电,转子就会一步一步地按逆时针方向转动,其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率,旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按A-C-B-A 的顺序通电,则电机按顺时针反方向转动.

上述通电方式称为三相单三拍运行,”三相”是指三相步进电动机,”单”是指每次只有一相控制绕组通电,控制绕组每改变一次通电方式称为一拍,三拍是指经过三次改变通电方式为一个循环,我们称每一拍转子转过的角度为步距角.三相单三拍运行时的步距角为30度.其原理图如3-1所示:

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图3—1定转子展开图（A相绕组通电）

3.2三相双三拍通电方式

控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同时有两相绕组通电三拍为一个循环，当A B 两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A 相极和B 相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置如3-2（B）所示，可见双三拍运行时的步距角仍是30°,但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如由A B 两相通电变为B C 两相通电时，B 相保持持续通电状态C 相磁拉力图使转子逆时针方向转动，而B 相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用。即起到一定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳，而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用，所以转子达到新的平衡位置容易产生振荡稳定性不如双三拍运行方式。三相双三拍运行方式AB相与BC相导通的结构如图3-2所示：

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图3—2 三相双三拍运行方式

图3—3三拍时的矩角特性族

图3—4六拍时的矩角特性族

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第四章 结论

4.1 程序的分析与比较

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。

4.2柔滑性

4.2.1 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中提出：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。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。

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图4-2-1 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”置“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”置“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。

4.2.2 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5-2-2。

表4-2-2 移位寄存器初值

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EDC— DC— DCB— CB

— CBA

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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。

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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] 王宗培, 孔昌平, 李楚武编著。 步进电动机及其控制系统[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社

[9] 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

[10] 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

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