基于PLC的步进电机同步控制毕业设计论文

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1、 基于PLC的步进电机同步控制摘 要PLC是80年代发展起来的一种新型的电器控制装置它的诞生给工业控制带来了一次革命性的飞跃。它将传统的继电器控制技术和计算机控制技术融为一体具有灵活通用、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、功能强大、易于实现机电一体化等显著优点目前已经广泛应用于工业生产自动控制过程中。 本文主要介绍了基于VB语言的上下位机控制系统的设计。控制系统的设计主要包括两个方面。一是下位机测控系统的设计二是上位机监控系统的设计。 在下位机设计部分本文简要介绍了三菱FX3U系列的可编程控制器PLC。重点介绍了运用可编程控制器这一起源于常规开关量控制的控制器来对模拟量进行常规PID

2、控制的实现方法及下位机测控系统的硬件构成。并说明了FX3U通讯模板的具体使用方法及注意事项。 在上位机系统设计部分,本文介绍了Visual Basic6.0语言的MSComm控件的基本概念对FX3U系列可编程控制器和PC机之间的通讯协议进行的详尽的介绍着重介绍了基于VB的利用MSComm控件实现串口通讯的方式对利用FX3U通讯模板及编程口实现上下位机通讯的方法作了比较区分了分别用编程口和用RS232通讯口进行串行数据通讯报文格式的不同点。并给出了利用MSComm控件实现上位机与三菱FX3U系列可编程控制器之间通讯的部分程序。关键词:PLC 串行通讯 Visual Basic 6.0目录第1章

3、绪论11.1课题的背景11.2课题的意义11.3 本课题研究的主要内容1第2章 PC与PLC串口通信32.1 VB语言简介32.1.1 Basic到Visual Basic的发展32.1.2 Visual Basic的编程基础32.2 VB与串口通信52.2.1串口通信的基本参数52.2.2 VB的通讯控件及属性62.3 Vb与plc通信82.3.1 PC与PLC串口通信程序设计的目的92.3.2 PC与PLC串口通信程序设计用的软、硬件102.3.3 PC与PLC串口通信程序设计硬件线路图如图2-5所示。112.3.4 PC端（上位机）VB程序11第3章 步进电机与步进驱动器153.1 步进

4、电机153.1.1步进电机与伺服电机的区别153.1.2步进电机的基本情况173.1.3步进电机的工作原理173.1.4步进电机的一些基本参数173.1.5步进电机的一些特点183.1.6本设计所使用的步进电机193.2步进驱动器203.2.1 为何要使用步进电机驱动器203.2.2 细分原理213.2.3 本设计中所用的步进驱动器24第4章 PLC控制步进电机294.1 PLC的概述294.2 PLC的结构及各部分的作用304.3 PLC的工作原理314.3.1输入处理314.3.2程序执行314.3.3 输出处理314.4 PLC编程语言324.4.1梯形图编程语言324.4.2 语句表编

5、程语言324.4.3控制系统流程图编程图324.5 三菱PLC控制三个步进电机同步运动324.5.1 PLC的基本结构324.5.2 PLC控制步进电机的I/O分配如表4-1所示。334.5.3 PLC程序代码334.5.4 VB作为上位机时控制PLC的程序（测试阶段）394.5.5 外部电路接线图如图4-1、4-2 、4-3所示。394.6 小结41第5章 总结与展望425.1本文总结425.2 展望42致谢43参考文献4444第1章 绪论1.1课题的背景PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC是一种

6、专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。随着PLC技术的发展，其功能越来越多，集成度也越来越高，它的型号和种类繁多，不同型号自成体系有不同的程序语言和使用方法。在工业生产中，需要多个电机带动一整块模板同时上下回返运动。模板的上表面一定要保持水平，误差尽可能小。若多个步进电机速度不同，会使模板在运动中卡死。PLC控制步进电机呢

7、不是直接控制的，其实是PLC发出脉冲或控制信号控制步进驱动器，由驱动器来驱动步进电机。PLC不具备驱动电机的能力，不能提供那么高的电压和电流，它只能驱动控制器的控制信号。和发出可调的高频脉冲。而伺服驱动器驱动伺服电机呢又恰恰需要外部的脉冲信号。这两个东西就是这么合作的。1.2课题的意义PLC在步进电机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快，可靠性高，灵活性强等优点，使得PLC成为现代工业自动化的支柱。随着PLC成本的降低和应用的日益广泛，步进电机的常规控制应用PLC技术越来越成为现实。所以用三菱系列PLC控制多个步进电机同步运动的研究具有现实意义。1.3 本课题研究的主要内容针对

8、毕业设计课题进行分析，三菱PLC同时控制三个步进电机同步运动这一课题是在设计科研设备的过程中产生的，国内外针对相同的科研测试，设备的设计方案也是各种各样的，随着将来工业制造工艺的发展，如快速成型之类的技术更加成熟，或许会有更好的解决方案，就目前而言，每种方案都有其优缺点，PLC在伺服电机控制中的应用，与传统的继电器控制相比，具有控制速度快，可靠性高，灵活性强等优点，使得PLC成为现代工业自动化的支柱。随着PLC成本的降低和应用的日益广泛，伺服电机的常规控制应用PLC技术越来越成为现实。所以用三菱系列PLC控制多个伺服电机同步运动的研究具有现实意义。在分析了国内外的设计之后，提出了一种自己的解决

9、方案，能很好的满足该测量设备的设计要求，列出了需要的零件，设计原理图，设备工程图，程序源代码，在进行可行性分析以及多次修改优化之后，以实验室提供的设备及原材料制作出了导师要求的功能模块，经过测试之后安装到设备上。最终设备能达到设计要求。第2章 PC与PLC串口通信2.1 VB语言简介2.1.1 Basic到Visual Basic的发展 BASIC是Beginners All-purpose symbolic instruction Code初学者通用符号指令代码的缩写，是国际上广泛使用的一种计算机高级语言。BASIC简单、易学。目前仍是计算机入门的主要学习语言之一。BASIC语言的问世及发展

10、 BASIC语言自其问世经历了以下四个阶段。 第一阶段 1964年 70年代初 1964年BASIC语言问世。 第二阶段 1975年 80年代中 微机上固化的BASIC。第三阶段 80年代中 90年代初 结构化BASIC语言。 第四阶段 1991年以来 Visual BASIC。 BASIC是种易学易用的高级语言,非常适合初学者学习运用。常用的编译软件有True BASIC,Turbo BASIC Quick BASIC,Visual BASIC,CAREALIZER,GFA BASIC,POWER BASIC,等等. 1991年微软推出了Visual Basic1.0版。这在当时引起了很大的

11、轰动。许多专家把VB的出现当做是软件开发史上的一个具有划时代意义的事件。其实以我们现在的目光来看VB10的功能实在是太弱了。但在当时它是第一个可视的编程软件。这使得程序员欣喜之极都尝试在VB的平台上进行软件创作。微软也不失时机地在四年内接连推出VB2.0,VB3.0,VB4.0三个版本。并且从VB3.0开始微软将ACCESS的数据库驱动集成到了VB中，这使得VB的数据库编程能力大大提高。从VB4.0开始VB也引入了面向对象的程序设计思想。VB功能强大,学习简单。而且VB还引入了“控件”的概念使得大量已经编好的VB程序可以被我们直接拿来使用。如今VB已经有了6.0版。 通过几年的发展它已成为一种

12、真真专业化的开发语言和环境。用户认为可用Visual Basic快速创建Windows程序。在现在还可以编写企业水平的客户服务器程序及强大的数据库应用程序。Visual Basic新版中还有更多可用功能。 2.1.2 Visual Basic的编程基础1.什么是程序 首先需要知道下面这个问题的答案，“程序到底是什么？”计算机程序是指令集。它告诉计算机如何执行特殊的任务。读者也许对许多种指令熟悉，如按菜谱烹调特殊的食物或按指定的方向到达不熟悉的目的地。没有这些特殊的指令就不能执行预期的任务。 计算机也是一样，只是它们需要为执行的每一个任务提供指令。甚至对最简单的任务也需要指令，例如如何取得击键？

13、怎样在屏幕上放一个字母？怎样在磁盘中保存讯息？幸运的是许多这样的指令包含在处理器芯片中或内置于操作系统中，因此用户不必担心它们。相反，应集中于为任务提供指令。如计算雇员工资，创建邻居邮件列表或设置格式化文本以显示最近的年度报表信息。虽然我们用自然语言读这些指令，但计算机指令必须是二进制代码。即一系列在计算机内存和处理器中的开或关的状态。有些语言如汇编程序，可以允许直接写这种类型的代码。但是以这种方法编程十分困难。因此Visual Basic和其他编程语言使程序员可以用与自然语言有点相近的方式编写指令。即使是这些指令仍有限，并要遵循高度定义的结构。 2.事件驱动编程 Visual Basic允许

14、创建反映用户动作和系统事件的程序。这种编程叫事件驱动编程。要了解事件驱动程序是怎样工作的，先要了解过去的程序怎样运行及在Windows环境中有何不同。在Windows之前，回到往日的DOS和“史前时代”，之前，程序以顺序方式运行，也就是说一旦程序启动，它就一条指令一条指令的向前执行，直到程序结束或出现致命错误。 3.面向对象编程 使创建Windows程序较为容易的关键技术是面向对象编程。这种技术可以创建可重用组建，它是程序的组成模块。 4. VB中的几个定义 在讨论Visual Basic时，经常可以听到这些术语，因此对这些术语的基本理解对编程十分有帮助。 控件：提供程序可见界面的可重用对象。

15、控件的示例有文本框、标签和命令按钮。 事件：由用户或操作系统引发的动作。事件的示例有击键、单击鼠标、一段时间的限制或从端口接收数据。 方法：嵌入在对象定义中的程序代码。它定义对象怎样处理信息并响应某事件。例如，数据库对象有打开纪录集并从一个记录移动到另一个记录的方法。 对象：程序的基本元素。它含有定义其特征的属性，定义其任务和识别它可以响应的事件的方法。控件和窗体是Visual Basic中所有对象的示例。 过程：为完成任务而编写的代码段。过程通常用于响应特定的事件。 属性：对象的特征，如尺寸、位置、颜色或文本。属性决定对象的外观，有时也决定对象的行为。属性也用于为对象提供数据和从对象取回信息

16、。2.2 VB与串口通信接口技术是工业实时控制和数据采集中非常重要的计算机应用技术，它可以实现CPU与存储器，I/O设备，控制设备，通信设备，A/D及D/A转换器的信息交换。VB是程序设计人员在Windows环境下最常用的开发串口通信程序的编程语言。利用VB开发串口通信程序主要有两种方法：一是使用MSComm串口控件，二是调用Windows API函数。在实践中，使用VB串口控件MSComm实现通信的方法比调用API函数的方法更加方便，快捷，而且用较少的代码可以实现相同的功能，从而使编程效率大大提高。2.2.1串口通信的基本参数串行端口的通信方式是将字节拆分成一个接着一个的位再传送出去，接到此

17、电位信号的一方再将此一个一个的位组合成原来的字节，如此形成一个字节的完整传送。双方为了进行通信，必须遵守一定的通信规则，这个共同的规则就是通信端口的初始化。通信端口的初始化必须对以下几项参数进行设置。1.数据的传输速度串行通信的传输受到通信双方硬件配备性能及通信线路的特性控制，收发双方必须按照同样的速度进行串行通信，即收发双方采用同样的波特率。我们通常将传输速度称为波特率，指的是串行通信中每一秒所传送的数据位数，单位是bit/s。例如，在某异步串行通信中，每传送一个字符需要8位，如果采用波特率为4800bit/s进行传送，则每秒可传送600个字符。2.数据的传送单位一般串行通信端口所传送的数据

18、是字符型，若用来传输文件，则会使用二进制的数据型。当使用字符型时，工业界使用到的有ASCII字符码及JIS字符码。ASCII码使用了8位形成一个字符，而JIS码则以7位形成一个字符。以实际的RS-232传输上看来，由于工业上常使用的PLC大多只是传送文字码，因此只要7位就可以将ASCII码的0-127码表达出来（共有128种组合方式），所有的可见字符也落在此范围内，所以只要7个数据位就够了。不同的情况下（看所使用的协议），会使用到不同的传送单位，使用多少位合成一个字节必须先行确定。3.起始位与停止位由于异步串行传输中并没有使用同步脉冲作基准，故接收端完全不知道发送端何时将进行数据的传送，发送端

19、准备要开始传送数据时，发送端会在所送出的字符前后分别加上高电位的起始位（逻辑0）及地点为的停止位（逻辑1），它们分别是所谓的起始位与停止位。也就是说，当发送端要开始传送数据时，便将传输线上的电位由低电位提升至高电位，而当传送结束后，在将电位降至低电位。接收端会因起始位的触发（因电压由低电位升至高电位）而开始接受数据，并因停止位的通知（因电压维持在低电位）而明确数据的字符信号已经结束。当加入了起始位及停止位才比较容易达到多字符的接受能力，起始位固定为1位，而停止位则有1,1.5，2位等多种选择。该如何选择呢？只要通信双方协议通过即可，没有强制规定。4.校验位为了预防错误的产生，使用校验位作为检查

20、的机制。校验位是用来检查所传送数据正确性的一种核对码，又分成奇校验与偶校验两种，分别是检查字符码中1的数目是奇数或偶数。以偶校验为例，“A”的ASCII码是41H（十六进制），将它以二进制表示时，是01000001，其中1的数目是2，因此校验位便是0，使1的数目保持偶数。同样的，校验位是奇数、校验时，“A”的校验位便是1，使1的数目保持在奇数。接受者在重新计算奇偶校验位，如果新的计算值正确，那么表示正常。如果新的计算值有误，那么接收端就会收到一些指示，表示此次接受的数据有误。2.2.2 VB的通讯控件及属性 1. MSComm通讯控件简介 微软的软件系统中提供了MSComm通讯控件。该控件在w

21、indowssystem目录下。通讯控件是PC机通过串行端口与其它设备实现轻松连接的通用工具Visual basic、Visual C+等开发人员都可以使用它。通过使用MSComm通讯控件，可以简单高效地实现设备之间的通讯，而不必调用低级的API函数，从而使编程效率大大提高，也降低了因编程不当导致系统不稳定。 2. MSComm控件的引用 （1） 创建新的工程 启动Visual Basic 6.0 在文件菜单中单击新建工程选择标准.exe单击确定。新建工程如图2-1所示。图2-1 新建工程（2） 加入MSComm控件 在工程菜单中单击部件显示部件对话框，选定Microsoft Comm Con

22、trol 6.0控件名称左边的复选框，如图2-2所示。图2-2 加入MSComm控件单击确定关闭部件对话框。MSComm控件将出现在工具框中，将MSComm控件添加到窗体上。如图2-3所示图2-3 添加MSComm控件（3) MSComm控件的属性 名称功能CommPort设置并返回通讯端口号，通讯端口范围为1-16InBufferSize设置并返回接收缓冲区的大小，以字节数为单位InputMode设置并返回数据输入方式ComInputModeBinary数据通过Input属性以二进制形式取回comInputModeText数据通过Input属性以文字形式取回OutBufferSize设置并返

23、回输出缓冲区的大小，字节数为单位Rthreshold设置并返回要接收的字符数。当接收缓冲区中的字符数大于等于该值时将产生OnComm事件Setting设置初始化参数。以字符串形式设置或返回波特率、奇偶校验、数据位和停止位四个参数、其格式为“BBBB，P， D， S”其中BBBB为波特率， P为奇偶校验方式，D为数据位数，S为停止位数。PortOpen设置或返回通讯连接端口的状态Input从输入寄存器传回并移除字符Output将一个字符串写入输出寄存器InoutLen指定由串行端口读入的字符串长度CommEvent只要有通讯错误或事件发生时都会产生OnComm事件。CommEvent属性存有该错

24、误或事件的数值代码HandShaking指定通讯双方的握手协议ComNone 0没有握手协议ComXonXoff 1Xon/Xoff握手协议ComRTS 2RTS/CTS握手协议ComRTSXonXoff 3RTS和Xon/Xoff握手协议2.3 Vb与plc通信可编程逻辑控制器（简称PLC）主要为现场控制而设计的，其人机界面主要是开关，按钮，指示灯等。其良好的适应性和可扩展能力而得到越来越广泛的应用，采用PLC控制系统或装置具有可靠性高，易于控制，系统设计灵活，能模拟现场调试，编程使用简单，性价比高，有良好的抗干扰能力等特点。但是PLC也有不易显示各种实时图表/曲线（趋势线）和汉字，无良好的

25、用户界面，不便于监控等缺陷。二十世纪九十年代后，许多的PLC都配备有计算机通信接口，通过总线将一台或多台PLC相连接。计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行系统的监控和管理，进行程序编制，参数设定和修改，数据采集等，既能保证系统性能，又能使系统操作简便，便于生产过程的有效监督。而PLC作为下位机，执行可靠有效的分散控制。用一台计算机（上位机）去监控下位机（PLC）,这就要求PC与PLC之间稳定，可靠的数据通信。三菱某型号PLC示意图如图2-4所示。图2-4 三菱某型号PLC2.3.1 PC与PLC串口通信程序设计的目的1.掌握PC与PLC串口通信的线路连接方法。2.掌握PC与PLC串口通

26、信的VB程序设计方法。2.3.2 PC与PLC串口通信程序设计用的软、硬件本设计用到的硬件和软件清单如表2-1所示。表2-1 本设计需要的软、硬件清单序号名称数量1PC（计算机）12PLC(三菱:FX3U-64MT/ES)13SC-09编程电缆，PC/PPI电缆各14开关（DC24V）15直流电源（OUT:DC24V）16Visual Basic 6.012.3.3 PC与PLC串口通信程序设计硬件线路图如图2-5所示。PC COM1COM1 Y0 Y3 Y10 Y13 Y20 Y23编程口 FX3U PLCX7 X6 X5 X4 X3 X1 X0 COM N L转换器脉冲方向步进驱动器脉冲方

27、向脉冲方向SC-09编程电缆RS232DC24VAC220V+图2-5 PC与PLC串口通信程序设计硬件线路图2.3.4 PC端（上位机）VB程序1.程序界面设计运行VB，创建标准的工程项目文件，设计程序窗体。添加串口通信控件MSComm和两个CommandButton控件。设计的程序界面如图2-6所示。图2-6 设计程序界面2.属性设置程序窗体、控件对象的主要属性设置如表2-2所示。表2-2 窗体、控件对象的主要属性设置控件类型名称主要属性功能FormForm1Caption=VB与PLC串口通信窗体标题栏显示程序名称CommandButtonCommand1Caption=向上运动按下按钮

28、 电机向上运动CommandButtonCommand2Caption=向下运动按下按钮 电机向下运动MSCommMSComm1在程序中设置串口参数设置3.程序代码设计：程序初始化Private Sub Form_Load()MSComm1.CommPort = 1 通信口MSComm1.Settings = 9600,e,7,1 串口参数设置MSComm1.Handshaking = 0 握手信号MSComm1.InputLen = 0 MSComm1.OutBufferCount = 0MSComm1.InBufferCount = 0MSComm1.PortOpen = True 打开串

29、口End Sub向上运动的按钮按下，步进电机向上运动Private Sub Command1_MouseDown(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single)MSComm1.Output = Chr(2) + 73209 + Chr(3) + 08End SubPrivate Sub Command1_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single)MSComm1.Output = Chr(2) + 83209 + Chr(

30、3) + 09End Sub向下运动的按钮按下，步进电机向下运动Private Sub Command2_MouseDown(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single)MSComm1.Output = Chr(2) + 73309 + Chr(3) + 09End SubPrivate Sub Command2_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single)MSComm1.Output = Chr(2) + 83309

31、+ Chr(3) + 0AEnd Sub 在VB控制PLC中，以MSComm1.Output=Chr （2）+“73209”+Chr（3）+“08”为例：Chr（2）+“字符串”+Chr（3）表示串口输出“73209”中，“7”表示置位，即PLC的常开触点闭合。“3209”表示地址同理，“83209”中，“8”表示复位，即触点断开。“08”表示奇偶校验位。4.运行程序程序设计、调试完毕，执行菜单的“运行/启动”命令或单击工具栏快捷按钮“启动”，运行程序。第3章 步进电机与步进驱动器3.1 步进电机3.1.1步进电机与伺服电机的区别步进电机和交流伺服电机性能比较，步进电机是一种离散运动的装置，它

32、和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。1.控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百

33、格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。2.低频特性不同步

34、进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。3.矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM

35、。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。4.过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。5.运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的

36、现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。6.速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本

37、等多方面的因素，选用适当的控制电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。步进相对于伺服价格便宜些

38、。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。步进适用在低速。3.1.2步进电机的基本情况在电气时代的今天，电机一直在现代化的生产生活中起着举足轻重的作用。无论是工农生产还是日常生活的家用电器，都大量使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要。电动机的控制技术发展得力于传感器技术，自动控制技术，微电子技术，永磁材料技术，电力电子技术，微机应用技术等。正是这些技术的进步使电机控制技术化。3.1.3步进

39、电机的工作原理步进电机是一种感应电机，其工作的基本原理在于将电脉冲转化为角位移进行输出。在通常情况下，电机的转速以及停止的位置只与脉冲信号的频率和脉冲数有关，而不受负载变化的影响。当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设计的方向转动一个固定的角度。因此，本次设计的中心思想是通过控制脉冲输出信号的频率和个数，实现步进电机的速度、方向、定位等功能。步进电机在机电控制中是一种长用的执行机构，其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来让电机做步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，因此，调节脉冲信号的频率便可以改变电机的额转速。通俗地说，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按原

40、来设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉冲的额数量就可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时通过控制发出脉冲的频率来控制步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR），永磁式步进电机（PM）,混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。PM一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度；VR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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。HB是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度，

41、而五相步进角一般为0.72度。这种步进应用最为广泛。3.1.4步进电机的一些基本参数1.电机固有的步矩角：他表示控制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矩角的值。以86BYG250A型电机为例，给出值是0.90/1.80（表示半步工作时为0.90，整步工作时1.80），这个步矩角可以称之为电机固有步矩角。它不一定是电机实际工作时的真正步矩角，真正的步矩角和驱动器有关。2.步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相，三相，四相，五相步进电机。电机相数不同，它的步矩角也不相同，一般二相电机的步矩角为0.90/1.80，三相的为0.750/1.50，五相的

42、为0.360/0.720。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步矩角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”就变得没有意义。用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步矩角。3.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着速度的增大而不断衰减，输出功率也随着速度的增大而变化。所以保持转矩就成了衡量步进电机最重要的参数之一。例如，当说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下就指保持转矩为2N.m的步进电机。3.1.5步进电机的一些特点1一般步进电机的精度为步进角

43、的3%-5%，且不累积。2步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点，一般来讲，磁性材料的退磁点都在130摄氏度以上，有的甚至高达200摄氏度以上，所以步进电机外表温度8090摄氏度完全正常。3步进电机的力矩会随着转速的升高而下降。4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。频率越来越高，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。5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，并伴有啸叫声。介绍步进电机的一个技术参数：空载启动频率，即步进电

44、机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。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，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著地特点，在数字化制造时代发挥重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。3.1.6本设计所使用的步进电机BSHB三相混合式步进电机，采用交流伺服控制原理，三相正弦电流驱动，具有高转矩、低震动、发热小、可靠性高等优点，运行性能较二相、五相混合式步进电机有了全面的提高，

45、运行效果可与进口电机相媲美。步进电机的简单内部结构图如图3-1所示。图3-1 步进电机内部结构图1.通用规格（General specifications）步距精度5%温升80 Max环境温度-20+50绝缘电阻100M Min 500VDC耐压500V AC 1 minute径向跳动最大0.06mm（450g负载）轴向跳动最大0.08mm（450g负载）2.电气规格（Specifications）如表3-1所示。表3-1 电器规格表型号步距角电机长度保持转矩额定电流驱动器电源输入转子惯量电机重量适配驱动器ModelStep AngleLengthL(mm)Holding Torque(N.m

46、)Current(A/Phase)Power supplyRotor inertia(Kg.cm2)Weight(Kg)Matched driveBSHB397-H1.21.26921.75AC110V2A1.322Q3HB110MBSHB3976925.8DC40V5A1.322Q3HB64MABSHB3910-H9742AC110V2.5A2.43Q3HB110MBSHB39109745.8DC40V5A2.43Q3HB64MABSHB3913-H12562.25AC110V2.5A3.484Q3HB110MBSHB391312565.8DC40V5A3.484Q3HB64MA* 注：带H

47、表示高压型，不带H表示低压型，用于低速。本次设计所使用的步进电机的型号是BSHB3913，以它为例，步矩角是1.2度，那么电机转动一周就要300（360度/1.2度）个脉冲。PLC程序设计中科根据自己的需要来确定脉冲数。3.2步进驱动器3.2.1 为何要使用步进电机驱动器步进电机是一种开环伺服运动系统执行元件，以脉冲方式进行控制，输出角位移。与交流伺服电机及直流伺服电机相比，其突出优点就是价格低廉，并且无积累误差。但是，步进电机运行存在许多不足之处，如低频振荡、噪声大、分辨率不高等，又严重制约了步进电机的应用范围。步进电机的运行性能与它的驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机

48、的缺点。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。总体来说，细分驱动的控制效果最好。因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛。因为三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，所以三相混合式步进电机比二相步进电机有更好应用前景。传统的三相混合式步进电机控制方法都是以硬件比较器完成，本节主要讲述使用DSP及空间矢量算法SVPWM来实现三相混合式步进电机控制。3.2.2 细分原理步进电

49、机的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。最佳的细分方式是恒转矩等步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，即各相绕组电流的合成矢量应在空间作幅值恒定的旋转运动，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步伺服电机。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在

50、结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模型（图1）分析三相混合式步进电机的转矩特性。为便于分析，可做如下假设。1.电机定子三相绕组完全对称；2.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计；3.激磁电流无动态响应过程。图3-2 三相永磁同步电机的简单结构模型U、V、W 为定子上的3 个线圈绕组，3 个线圈绕组的轴线成 120。电机单相绕组通电的时候，稳态转矩可以表达为：T=f（i,theta）。其中，i为绕组中通过的电流；theta为电机转子偏离参考点的角度。由于磁饱和效应可以忽略不计，并且转子结构是圆形，其矩角特

51、性为严格的正弦，即：T=k *I*sin（theta），k 为转矩常数若理想的电流源以恒幅值为I 的三相平衡电流iU、iV、iW 供给电机绕组，即：iU=I*sin（wt）iV=I*sin（wt+2*PI/3）iW =I*sin（wt+4*PI/3）则电机各相电流产生的稳态转矩为：TU=k*I*sin（wt）*sin（theta）TV=k*I*sin（wt+2*PI/3）*sin（theta+2*PI/3）TW=k*I*sin（wt+4*PI/3）*sin（theta+4*PI/3）稳态运行时，theta=wt，则三相绕组产生的合成转矩为：T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin（PI/2

52、-wt+theta）=3/2*k*I以上分析表明，对于三相永磁同步电机，当三相绕组输入相差 120的正弦电流时，由于在内部产生圆形旋转磁场，电机的输出转矩为恒值。因此，将交流伺服控制原理应用到三相混合式步进电机驱动系统中，输入的220V 交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电机转动一步图3-3 电动机转动示意图通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，那么其阶梯数就越多，即细分就越大，从理论上说此角度可以设得足够的小，所以细分数可以是很大，而交流伺服控制的每

53、步角度与反馈的编码器的精度有很大的关系，一般使用的为2500线，所以每一步转过的角度仅为0.144度，而此方法控制的步进电机，比如其细分数为10000，则每一步转过的角度为0.036度，所以比一般的伺服控制精度高很多。当然，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，通过恒流方式可以使在电机低频和高频时保持同样的相电流从而使高频的力矩特性有所改善，这只能是在低速时，所以其综合性能（高低速噪声，高速力矩，高速平稳性等）很难赶超交流伺服控制系统。 图3-4 相差120的三相阶梯式正弦电流三

54、相混合式步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，按照电路基本定理，三相电流之和为零。即IU+IV+IW =0。所以通常只需产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可由其它两相求得。同样，只需要对相应两相绕组的实际电流进行采样，第三相绕组的实际电流可根据式求得。3.2.3 本设计中所用的步进驱动器DQ378M是基于DSP控制的三相步进电机驱动器。它是将先进的DSP控制芯片和独特的控制电路结合一起所构成的新一代全数字步进电机驱动器。驱动电压为DC24V-80V，适配电流在7.0A以下、外径57-86mm的各种型号的三相混合式步进电机。该驱动器内部采用类似伺服控制原理的电路，此电路可以使电机

55、运行平稳，几乎没有震动和噪音，电机在高速时，力矩大大高于二相和五相混合式步进电机。定位精度最高可达60000步/转。该产品广泛应用于雕刻机、小型数控机床、包装机械等分辨率较高的中、小型数控设备上。1.特点 高性能、低价格 设有16档等角度恒力矩细分，最高分辨率60000步/转； 最高反应频率可达200Kpps； 步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减到设定电流的一半； 光电隔离信号输入/输出； 驱动电流1.2A/相到7.0A/相分16档可调； 单电源输入，电压范围：DC24V-80V； 相位记忆功能（注：输入停止超过3秒后，驱动器自动记忆当时电机相位，重新上电或MF信号由低电平变为高电平

56、时，驱动器自动恢复电机相位）如图3-5所示为DQ378M的实物图。图3-5 DQ378M步进电机驱动器2.引脚功能说明表3-2 引脚功能说明端口定义针脚号标记符号功能注释RS-2321GND地线接上位机串口地（功能保留）7TX发送数据接上位机串口TX（功能保留）8RX接收数据接上位机串口RX（功能保留）信号端口1PU+输入信号光电隔离正端接+5V供电电源，+5V-+24V均可驱动，高于+5V需接限流电阻2PU-DP5= OFF, PU为步进脉冲信号下降沿有效，每当脉冲由高变低时电机走一步，输入电阻220，要求：低电平0-0.5V，高电平4-5V，脉冲宽度2.5SDP5=ON,PU为正相步进脉冲

57、信号3DR+输入信号光电隔离正端接+5V供电电源，+5V-+24V均可驱动，高于+5V需接限流电阻4DR-DP5= OFF, DR为方向控制信号用于改变电机转向。输入电阻220，要求：低电平0-0.5V，高电平4-5V，脉冲宽度2.5SDP5=ON,DR为反向步进脉冲信号5MF+输入信号光电隔离正端接+5V供电电源，+5V-+24V均可驱动，高于+5V需接限流电阻6MF-电机释放信号有效（低电平）时关断电机接线电流，驱动器停止工作，电机处于自由状态7RDY+驱动器准备好输出信号光电隔离正端驱动器状态正常，准备就绪接受控制器信号时该信号有效（低电平）8RDY-驱动器准备好输出信号光电隔离负端电机

58、，电源端1U电机接线2V3W4NC空端口5DC+电源电源：DC2480V6DC-3.常见问题和处理方法如表3-3所示。表3-3 常见问题和处理方法对照表现象可能的原因措施电机不转指示灯无显示检查供电是否正常 故障指示灯亮检查驱动器是否过流、过热、缺电机电机轴已锁，电机不动作。检查外部控制信号指示灯显示正常，电机轴未锁机检查MF信号是否有效电机堵转最高速度设置过大降低最高速度加速时间太短加长加速时间或增大驱动器脉冲滤波常数位置不准细分数不对选择正确的细分数电机负载过大更换电机或适当增大驱动器运行电流“漏电”现象驱动器、电机没有可靠接地把驱动器、电机可靠接地驱动器、电机严重发热驱动器运行电流大或外

59、界散热条件差适当的减小驱动器运行电流或增加驱动器和电机的通风散热4.电流设定：驱动器工作电流由DIP-1端子设定，运行电流为正常工作输出电流设置开关（注：本驱动器电流值为有效值）关系如表3-4.表3-4 运行电流与正常工作输出电流设置开关关系对照表运行电流（A） 1.21.52.02.32.53.03.23.64.04.55.05.35.86.26.57.0D1OFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFONONONONONONONOND2OFFOFFOFFOFFONONONONOFFOFFOFFOFFONONONOND3OFFOFFONONOFFOFFONONOFFOFFONONOFFOFFONOND4OFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFON5.细分设定：驱动器细分由DIP-2端子设定，共16档，由6位拨码开关的前四位分别设定（后两位为功能设定）。附表如：细分数(脉冲/转)，如表3-5所示。 表3-5 6位拨码开关对照表细分数 400500600800100012002000300040005000600010000120002000030000