可编程控制器课程设计报告

可编程控制器课程设计报告 题目：PLC实现步进电机正反转调速控制

班 级

姓 名 杨振华

学 号 200708214

指导教师 王庆贤

设计时间

目录

目录........................................................................................................................... - 1 -

一、 概述............................................................................................................. - 1 -

1.1步进电机的工作原理 ................................................................................ - 1 -

1.2 步进电机的种类 ....................................................................................... - 2 -

1.3 步进电机的发展 ....................................................................................... - 3 -

二．课程设计目的及要求....................................................................................... - 4 -

2.1 设计目的 ................................................................................................... - 4 -

2.2 控制要求： ............................................................................................... - 4 -

三、设计方案论证及电路图................................................................................... - 5 -

3.1 PLC的输入输出接线图：........................................................................ - 5 -

3.2编程元件地址分配表： ............................................................................ - 5 -

3.3硬件组态： ................................................................................................ - 6 -

3.4.1线性化控制程序(双四拍)： ......................................................... - 6 -

3.4.2 结构化OB1主控制程序： ........................................................ - 11 -

3.4 仿真结果 ................................................................................................. - 13 -

四、心得体会......................................................................................................... - 14 -

五、参考文摘......................................................................................................... - 15 -

一、 概述 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出

功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。

使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。

正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。

1.1步进电机的工作原理

图1 三相反应式步进电机的结构示意图

1——定子 2——转子 3——定子绕组{{分页}}

图1是最常见的三相反应式步进电机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60º。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360º/40=9º，而定子每

个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3º。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3º；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3º。依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3º的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3º的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θb为30º。三相步进电机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。反应式步进电机的步距角可按下式计算：

θb=360º/NEr (1)

式中 Er——转子齿数；

N——运行拍数，N=km，m为步进电机的绕组相数，k=1或2。

1.2 步进电机的种类 目前常用的步进电机有三类：

1、反应式步进电动机（VR）。

采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。

2、永磁式步进电动机（PM）。

转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

3、混合步进电动机（HB）。

这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则

为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

1.3 步进电机的发展

步进电机问世以后，很快确定了自己的应用场合为开环高分辨率的定位系统，工业应用发展到今已有约30年的历史，目前还没有更适合的取代它的产品，而且已经发展成为除直流和交流电机外的第三大类电动机产品，但毕竟发展历史不长，人们从应用的角度看仍有不成熟的感觉。

我国步进电机产品的发展有自己的特点，80年代以前一直以磁阻式步进电动机为主，70年代末形成的系列产品以定子6极转子40齿的三相磁阻式步进电动机为主。另外有定子10极转子100齿的五相磁阻式步进电动机和其他的品种。80年代开始发展混合式步进电动机，也是以定子8极转子50齿的二相(四相)混合式步进电动机为主，1987年开始生产定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的产品，例如定子8极转子60个齿的二相(四相)混合式步进电动机；转子100齿的三相、九相混合式步进电动机；转子200齿的五相混合式步进电动机等。这就使得我国步进电动机产品形成特别混杂的局面，对产业的发展很不利。认识到这一点，找出有效的办法来改变这种局面，对步进电机产业的发展是很重要和有利的。

因此，当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：

发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。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。

发展趋势之二，是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％。

发展趋势之三，对电动机进行综合设计。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。

发展趋势之四，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，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。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。

二．课程设计目的及要求

2.1 设计目的

⑴了解步进电机的工作原理及步进电机的开环控制原理。

⑵ 综合应用所学PLC知识设计基于PLC的步进电机开环控制系统；

⑶ 通过自行编程调试掌握PLC控制系统的设计方法。

2.2 控制要求：

⑴ 能够实现步进电机的起动和停止、正转和反转及改变转速。

⑵ 能够实现步进电机的单四拍、双四拍、单双八拍运行。

⑶ 当按下按钮SB1时，步进电机以单四拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；

当按下按钮SB2时，步进电机以单四拍方式和500MS/步的频率逆时针方向运行30步后停止；

当按下按钮SB3时，步进电机以双四拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；

当按下按钮SB4时，步进电机以双四拍方式和500MS/步的频率和逆时针方向运行30步后停止；

当按下按钮SB5时，步进电机以单双八拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；

当按下按钮SB6时，步进电机以单双八拍方式和500MS/步的频率逆时针方向运行30步后停止；

任何时刻按下按钮SB7，步进电机停止。

三、设计方案论证及电路图

(PLC的输入输出接线图、编程元件地址分配表、硬件组态、控制程序)

3.1 PLC的输入输出接线图：

图2 控制两相步进电动机正反转控制线路接线图

3.2编程元件地址分配表：

图3 plc编程元件的地址分配及相应符号表

3.3硬件组态：

图 4 PLC硬件组态表：

3.4控制程序：

3.4.1线性化控制程序(双四拍)： 线性化程序段

1

线性化程序段2：

线性化程序段3：

线性化程序段4：

线性化程序段5：

线性化程序段6：

线性化程序段7：

线性化程序段8：

线性化程序段9：

线性化程序段11：

线性化程序段12：

① 结构化化控制程序（单四拍）：

图5 FC1输出符号表

图6 FC1输入符号表

3.4.2 结构化OB1主控制程序：

OB1程序段1：

OB1程序段2：

OB1程序段3：

OB1程序段

4

★结构化FC1分控制程序：

FC1程序段1：

FC1程序段3：

FC1程序段 4：

FC1程序段6：

3.4 仿真结果

将程序运行的到如下结果：

图7 仿真结果

四、心得体会

（对课程设计进行总结，并写出设计中的体会）

回顾起此PLC的设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在梁强老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在王老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们设计成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！通过这次PLC设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

五、参考文摘

5.1、赵峰 贾石峰 顾桂梅编著《现代电气控制与PLC应用》兰州大学出版2006年第一版

5.2、张万忠编著。《电器与PLC控制技术》北京化学工业出版社 2003

5.3、汪志峰编著。《可编程控制器原理与应用》 西安电子科技大学出版社 2004

5.4、胡学林编著。《可编程控制器教程（实训篇）》北京电子工业出版社 2004