步进电机系统设计方案总体设计说明

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1、摘 要随着高精密加工技术的不断发展，人们对工作台的加工精度提出了越来越高的要求。而工作台的定位精度是影响其加工精度的主要因素之一，所以如何方便实用的提高对工作台的精确定位成为现在各个方面都在研究的重要课题。而对于开环和半闭环控制系统，由于开环环节的存在，使得我们在本次研究过程中的定位精度受到了一定的限制，对于工作台的定位精度主要取决于电机的控制精度以与程序控制误差的双重影响，为了达到最大限度的满足两自由度工作台X-Y的精确定位，本设计主要从基于高速脉冲的精确定位出发，以满足和提高现代机床的定位操作，从而满足人们两自由度工作台越来越高的要求。为了在一定场合取代高成本的定位控制，实现精确定位控制系

2、统最优的性价比，采用西门子S7-200系列PLC作为控制器，通过驱动器控制步进电机运行以实现准确定位。本设计采用PLC基于高速脉冲的两自由度工作台精确定位控制系统，得出了精确定位控制系统设计与实施的关键，并给出了实现精确定位的控制方案与PLC程序。这种使用PLC实现的定位方法具有快速、精确、成本低、易于实现的特点，在工业生产中十分实用。关键词：工作台 精确定位 PLC 步进电机 引 言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时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”），其旋转以固定的角度运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定

3、位的目的;同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机，因其没有积累误差（精度为100%）而广泛应用于各种开环控制。可编程序控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。通过对步进电机定位与PLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脉冲输出实现步进电机位置控制功能的有关见解与方法，介绍了步进电机加减速控制原理以与用PLC实现步进电机快速精确定位的方法，给出了位置控制系统方案与软件设计思路，在实验室运行通过，对于工矿企业实现相关步进电机

4、的精确定位控制具有较高的应用与参考价值1.1两自由度X-Y工作台精确定位的背景与发展随着现代微科技技术的发展，研制定位精度高、测量围大、运动平面度高的二自由度工作台，即X-Y移动工作台具有重要现实的意义。精确定位技术的发展，不仅在精密测量、半导体光刻方面需要十分精确的定位和非常精细的运动，其他如微型机械、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域都需要精密工作台的协同运动，因此研究两自由度X-Y工作台精确定位成为当务之急。在电机驱动工作台精确定位的系统中，可以利用现代控制理论的新发展，选择合适的控制方法，在不断更新设备的情况下同时提高对工作台的精确定位。1.2设计的意义和目的随着现代技

5、术的发展，特别是微型计算机的普与和应用，使现代机械加工技术发生了深刻的变化，这种变化主要涵盖两个方面，一是想着提高产品加工的生产效率为主的高度自动化的方向发展，另一个是向着提高产品质量为主的精度化的方向发展。而由于现代机电设备结构的复杂化，融机、电、光、液等技术于一体，功能也越来越复杂，越来越完善，在这种情况下如何提高产品的加工质量成为机械行业迫切需要解决的问题，而精确定位两自由度X-Y工作台作为加工机床的关键部分，具有它广泛的研究围和经济的研究价值，对于提高生产效率和生产精度等提高生产的方面的发展具有深刻的意义。基于高速脉冲对两自由度X-Y工作台的精确定位，是一种方便、实用、和低成本的有效方

6、法，这也是本设计研究目的之所在。1.3设计的主要原理与方案要点1.3.1主要原理本设计主要以两自由度X-Y工作台的精确定位作为研究对象，通过PLC可编程控制器与接口电路相连接，发送高速脉冲指令，通过驱动装置驱动步进电机带动XY工作台的动作。工作原理图如下所示：PLC控制器驱动电路步进电机工作台1.3.2方案要点（1）两自由度X-Y工作台控制系统的设计。PLC可编程控制器作为本设计的关键部分，必须有合理精确的程序作为控制指令。（2）（3）第二章 系统方案总体设计2.1设计思想利用PLC的高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位，目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的高速脉冲输出指令，可以很

7、方便地和步进电机构成运动定位控制系统。由PLC高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位的实质是PLC通过高速脉冲输出指令PTO/PWM输出高速脉冲信号，经步进电机脉冲细分驱动器控制步进电机的运行，从而推动工作台移动到达指定的位置，实现准确定位。工作台移动的距离与PLC脉冲数之间的关系为：式中：N为PLC发出的控制脉冲的个数;n为步进电机驱动器的脉冲细分数(如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动);为步进电机的布距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度;d为丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离;为脉冲当量(定位精度);i为传动速比;L为工作台移动的距离。显然，利用PLC控制步

8、进电机实现准确定位的关键是对PLC产生的脉冲数的设定。而脉冲数与脉冲当量、传动速比、步进电机驱动器的细分数以与脉冲频率等都有关。2.2设计要求假设以货物仓储系统中的对直线导轨的定位控制设计为例加以说明。在仓储系统中，要求由步进电机拖动直线导轨将料块送到指定的仓库门口。假设从起点到终点的运送距离为100 mm，即要求由步进电机带动导轨作直线运动，定位距离为100 mm。为实现准确定位，本设计应注意以下要求22.1对PTO的要求系统采用西门子S7-200系列CPU224型PLC、四通57BYG250C混合式步进电机和森创SH-20403步进电机驱动器等设备。其中CPU226型PLC的CPU有两个脉

9、冲发生器，分别是Q0.0端子和Q0.1端子。这两个端子均可输出PTO/PWM高速脉冲信，脉冲频率可达20 kHz。根据控制要求，系统拟采用高速脉冲串输出PTO功能，PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方波信号。输出脉冲的周期以s或ms为增量单位。PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。2.2.2对步进电机的要求为了消除电机的低频振荡，提高分辨率，采用了步进电机细分驱动器，驱动步距角为0.9/1.8，脉冲细分数设定为4。为保证速度和定位精度要求，步进电机运行一般要经历三个过程，即启动加速、恒速运行和接近定位点时的减速运行。为了维护步进电

10、机以与驱动设备，要求驱动脉冲频率也线性增大，所以，本定位控制系统采用多管线操作，控制电机的运行过程。设直线导轨起始位置在A点，现欲从A点移至D点，其中AD=100 mm。定位精度只与步进电机脉冲当量有关，取脉冲当量为0.11 mm/脉冲，则需要900个脉冲完成定位。步进电机运行过程中，要从A点加速到B点后恒速运行，又从C点开始减速到D点完成定位过程用200个脉冲完成升频加速，500个脉冲恒速运行，200个脉冲完成降频减速。如图2所示。2.3设计步骤（总体到局部，小到大，软件到硬件）2.3设计组成部分的选择(1)PLC类型的选择。首先，PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式。其次，PLC输

11、出最高脉冲频率大小必须满足控制要求。(2)步进电机脉冲细分驱动器的选择与参数设置。(3)步进电动机的选择。首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是品种选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以与有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Ti、额定转矩TN和运行频率fy，以确定步进电机的具体规格和控制装置。(4)脉冲当量的计算。第三章设计方案论证3.1方案选择的多样性 当今世界，随着计算机和微机电系统的快速发展以与对生产加工的要求，实现对工作台精确定位的方法也越来越多，如：基于传感器换

12、向的两自由度工作台的精确定位、利用PLC的PID指令与软、硬件配合实现准确定位、利用PLC的EM253模块实现的准确定位等。这些方案对工作台的精确定位都从某一角度作出了比较好的诠释。32方案选择的优越性然而在本设计中，利用PLC的高速脉冲指令控制步进电机实现准确定位，基于高速脉冲对两自由度X-Y工作台的精确定位，是一种方便、实用、和简单的有效方法，加之我们通过的这种控制方式属于对步进电机的一种开环控制，其优点是结构简单、成本低、定位准确、易于实现等。这也是本设计选择其作为两自由度X-Y工作台精确定位的方案之所在。第四章硬件设计4.1PLC41.1PLC简介PLC即可编程控制器（Programm

13、able logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种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与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。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高

14、、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行与信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。4.1.2PLC的工作原理PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出与时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序外，每次循环

15、过程中，PLC不还要完成部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5 个阶段，如图4-6所示。 PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 图4-6 扫描工作方式2.扫描工作周期在工作状态下，执行一次图4-6所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。其典型值为1-100ms。输入采样阶段。 PLC 首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新容。 程序执行阶段。 根据 PLC 梯形图程序”先左后右，

16、先上后下”扫描原则进行逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉与输入、输出状态时， PLC 就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件 ( “软继电器” ) 的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件 ( “软继电器” ) 的状态会随着程序执行过程而变化。 输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通 / 断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。3.输入输出滞后时间输入输出滞后时间又

17、称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时间到它的控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式的滞后时间三部分组成。滞后时间与模块的类型有关。继电器输出电路的滞后时间一般在10ms左右，双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间为1ms，负载断开时的最大滞后时间为10ms，晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达2个扫描周期。4.2Pto指令脉冲列(PTO)功能提供周期与脉冲数目可以由占空比控制的占空比为50%的方波脉冲输出。其图形如图4-7所示。 图4-7 方波脉冲串1.周期和

18、脉冲数周期：单位可以是微秒s或毫秒ms；为16位无符号数据，周期变化围是5065535s或265535ms，通常应设定周期值为偶数，若设置为奇数，则会引起输出波形占空比的轻微失真。如果编程时设定周期单位小于2，系统默认按2进行设置。脉冲数：用双字长无符号数表示，脉冲数取值围是14294967295之间。如果编程时指定脉冲数为0，则系统默认脉冲数为1个2.中断事件类型高速脉冲串输出可以采用中断方式进行控制，各种型号的PLC可用的高速脉冲串输出的中断事件有两个，如表4.1所示。 表4.1 中断事件3.PTO的使用使用高速脉冲串输出时，要按以下步骤进行：确定脉冲发生器与工作模式 设置控制字节写入周期

19、值、周期增量值和脉冲数装入包络的首地址设置中断事件并全局开断执行PLS指令4.3驱动器4.3.1驱动器概述 1.由于本设计中选用了两相混合式步进电机，故此采用细分型两相混合式步进电机驱动器DQ542.其实物如图4-5所示 图4-5 驱动器DQ542DQ542型细分型两相混合式步进电机驱动器，采用直流1850V供电，适合驱动电压18V50V，电流小于4.0A外径4286毫米的两相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行很平稳，几乎没有振动和噪音。高速时力矩也大大高于其它二相驱动器，定位精度高。广泛适用于雕刻机、数控机床、包装机械等分辩率要求较高

20、的设备上。2.主要特点(1) 平均电流控制，两相正弦电流驱动输出(2) 直流1850V供电(3 )光电隔离信号输入/输出(4) 有过压、欠压、过流、相间短路保护功能(5) 十五档细分和自动半流功能(6) 八档输出相电流设置(7) 具有脱机命令输人端子(8) 电机的扭矩与它的转速有关，而与电机每转的步数无关(9) 高启动转速(10).高速力矩大4.3.2接口定义1、控制信号定义PUL+(+5V)： 步进脉冲信号输入正端或正向步进脉冲信号输入正端PUL-(PUL)： 步进脉冲信号输入负端或正向步进脉冲信号输入负端DIR+(+5V)： 步进方向信号输入正端或反向步进脉冲信号输入正端DIR-(DIR)

21、： 步进方向信号输入负端或反向步进脉冲信号输入负端ENBL+(+5V)： 脱机使能复位信号输入正端ENBL-(ENB： 脱机使能复位信号输入负端脱机使能信号有效时复位驱动器故障，禁止任何有效的脉冲，驱动器的输出功率元件被关闭，电机无保持扭矩。2、功能选择（SW1-SW8的定义）(1)设置电机每转步数驱动器可将电机每转的步数分别设置为400、800、1600、3200、6400、12800、25600、1000、2000、4000、5000、8000、10000、20000、25000步。用户可以通过驱动器正面板上的拨码开关的SW5、SW6、SW7、SW8位来设置驱动器的步数（如表1）： 表1S

22、W5状态OFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFSW6状态ONOFFOFFONONOFFOFFONONOFFOFFONONOFFOFFSW7状态ONONONOFFOFFOFFOFFONONONONOFFOFFOFFOFFSW8状态ONONONONONONONOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF步数400800160032006400128002560010002000400050008000100002000025000(2)控制方式选择拨码开关SW4位可设置成两种控制方式：当设置成“OFF”时，为有半流功能。当设置成“ON”时，为无半流功能。(

23、3)设置输出相电流为了驱动不同扭矩的步进电机，用户可以通过驱动器面板上的拨码开关SW1、SW2、SW3位来设置驱动器的输出相电流（有效值）单位安培，各开关位置对应的输出电流，不同型号驱动器所对应的输出电流值不同。具体见表2。 表2输出电流 (A)SW1SW2SW3PEAKRMSONONON1.000.71OFFONON1.461.04ONOFFON1.911.36OFFOFFON2.371.69ONONOFF2.842.03OFFONOFF3.312.36ONOFFOFF3.762.69OFFOFFOFF4.203.00(4)半流功能半流功能是指无步进脉冲500ms后，驱动器输出电流自动降为额

24、定输出电流的70%，用来防止电机发热。3、 功率接口(1)连接驱动器电源DC+：直流电源正级，电源电压直流1655V。最大电流是5A。DC-：直流电源负级。(2)A+ A- B+ B-：连接两相混合式步进电机 驱动器和两相混合式步进电机的连接采用四线制，有高转速和高转距两种接法。 高转速时A+：黑色 A-：黄色 B+：红色 B-：白色 高转矩时A+：黑色 A-：绿色 B+：红色 B-：蓝色电机绕组有并联和串联接法，并联接法，高速性能好，但驱动器电流大(为电机绕组电流的1.73倍)，串联接法时驱动器电流等于电机绕组电流。4.4步进电机4.4.1步进电机简介：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线

25、位移的开环控制组件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 单相步进电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。多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进 电机时，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机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（

26、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。在非超载的情况下， 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电机按旋转结构分两大类：1是圆型旋转电机如下图A 2直线型电机，结构就象一个圆型旋转电机被展开一样，如下图B4.4.2步进电机的分类和结构步进电机的种类现在，在市场上所出现的步进电机有很多种类，依照性能与使用目的等有各自不同的区分使用。举个例子，各自不同的区分使用有精密位置决定控制

27、的混合型，或者是低价格想用简易控制系构成的PM型，由于电机的磁气构造分类，因此就性能上来说就会有影响，其它的有依步进 电机的外观形状来分类，也有由驱动相数来分类，和驱动回路分类等。以步进电机的转子的材料可以分为三大类。1PM型步进电机:永久磁铁型(permanent magnet type)2VR型步进电机:可变磁阻型(variable erluctance type)3HB型混合型步进电机，复合型(hybrid type)1，PM型PM型步进电机的原理构造如图1所示，转子是永久磁铁所构成，更进一步的往这个周围配置了复数个的固定子。在图2.2.1上，转子磁铁为N、S一对，而它的固定子线圈由4个

28、构成，这些因为和步进角有直接关系，所以如需要较微细的步进角时，转子磁铁的极数和发生驱动力的固定子线圈的数不能不对应的增加，还有在图1的构造步进角为90。 图1 PM型步进电机的原理图(2相单极)而且，PM型的特征是因为在转子是永久磁铁构成的，所以就算在无激磁(固定子的任何线圈不通电时)也需在一定程度上保持了转矩的发生，因而，依照利用这种的性质效果，可以构成省能积形的系统。这种的步进电机，它的步进角种类很多，钐钴系磁铁的转子是用在45或者90上，而且这些也可以用氟莱铁(ferrite)磁铁作为多极的充磁，有3.75、11.25、15、18、22.5等丰富的种类，但是从这些数字上看7.5(转48步

29、进)是最为普与化的。2， VR型VR型步进电机的构造，如图2所示，转子是利用转子的突极吸引所发生的转力，因而VR型在无激磁的时候，并不发生保持转矩。 图2 VR型步进电机的原理图(2相单极)主要的用途适用在比较大的转矩上的工作机械，或者特殊使用的小型起动机的上卷机械上。其它也有用在出力为1W以下的超小型电机上，总之，VR型的数量是非常少的，在步进 电机的全部生产量上只有数%程度而已。还有，步进角的种类有15、7.5、也有1.8，但是在数量上以1.5步进为最普与化。3 ，HB混合型混合型步进电机，是由固定子磁(齿)极以与和它对向的转子磁极所构成的，更近一步的它的转子有这多数的齿车状，在这些上是由

30、转轴和在同方向被磁化的永久磁铁所组合而成，还有在构造上比前面的PM型以与VR型更复杂，基本上是可以考虑由VR型和PM型一体化的构造。hybrid type型有混合型的意思存在，这个刚好是VR型和PM型两者组合的情况，所以就有如此的称呼。一般上混合型，因具有高精度、高转矩、微小步进角和数个优异的特征，所以刚开始在OA关系，其它的分类上也大幅的被使用，特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。还有，在步进角上有0.9、1.8，其它的3.6也有，比起其它的电机而言，具有极细的步进角。图3为混合型步进电机的构造图，在此，在固定子上侧有8个激磁线圈部，更近一步的在磁极的先端上有复数的小齿(齿

31、车状突极) ，这些是对于转子侧的齿车状磁极，还有步进电机的驱动机械装置。图3混合型步进电机的构造图(2相单极)2、 两相混合式步进电机的结构步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机那样在常规下使用。步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。 图4-7 混合式步进电机的定子(a)和转子(b) 在工业控制中采用如图4-7所示的定子磁极上带有小齿、转子齿数很多

32、的结构，其步距角可以做得很小。如图3-4两相混合式步进电动机的结构图，和图4-8步进电机绕组接线图，A、B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极，a、c磁极属于A相绕组，b、d磁极属于B相绕组，定子每个极面上有5个齿、极身上有控制绕组。转子由环形磁钢和两段铁芯组成环形磁钢和转子中部、轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端，使得转子轴向分为两个磁极。转子铁芯上均匀分布50个齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定、转子的齿距和齿宽一样。 图4-8 混合式步进电机绕组接线图4.4.3步进电机的特点和缺点的克服1、步进电机的特点（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（2)步进

33、电机外表允许的最高温度。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,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进

34、电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）。2、克服缺点的方法 步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服： A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区； B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高

35、； E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。4.4.4应用中的注意点& T0 U- |+ i+ h9 Y8 J, W5 B9 y! A1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。: - |$ O: I. j; x$ S1 P2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压，当然12伏的电压除12V恒压

36、驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。$ q1 I K+ 5 n: q- J4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5 V0 k: n0 V& k. Y5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。+ d5 b- / H) c7 I0 i5 x8、电机在600PPS（0.9度

37、）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选电机后选驱动的原则。& k! u r. x; H% g- Z4.5硬件电路图（见附录）第五章软件设计5.1各功能块简介5.2程序设计图（见附录）第六章测试与性能分析6.1准备工作6.1.1程序仿真1仿真软件的介绍2仿真过程与结果（显示说名）6.1.2线路连接硬件电路图（见附录）6.2实行方案的测试（简单的调试过程）6.3性能分析（测试结果的分析：设计和实际）第七章全文总结与课题展望7.1全文总结实践证明，本文提出的由PLC、旋转编码器、伺服电机等组成的准确定位控制系统具有结构简单、性价比高、易于实现等优点，可广泛地应用于工业生产与军

38、事领域。如板材的精确定长切割、军用雷达定位系统，丝网印刷机停机控制、以与在数控机床、物料计量、送膜包装等用异步电机或步进电机实现的定位控制领域有一定的实用和参考价值。可编程序控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。通过对步进电机定位与SiemensPLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脉冲输出实现步进电机位置控制功能的有关见解与方法，介绍了步进电机加减速控制原理以与用PLC实现步进电机快速精确定位的方法，给出了位置控制系统方案与软件设计思路，在实验室运行通过，对于工矿企业实现相关步进

39、电机的精确定位控制具有较高的应用与参考价值7.2课题展望（三自由度）结束语附录参考文献3. 硬件设计3.1 可编程控制器（PLC)3.1.1 PLC的选择PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比，选择可靠性高，功能相当，负载能力合适，经济实惠的PLC。在该设备整体方案选用了西门子S7200系列PLC。3.1.2 PLC的工作原理1、PLC的基本结构如下图所示 图3-1 PLC的基本结构 PLC有两种工作状态，即运行（RUN)状态和停止（STOP)状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出与时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是

40、反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC还要完成部处理、通信处理等工作，一次循环可分为五个阶段，如图3-2所示。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 图3-2 扫描工作方式2、扫描周期 在工作状态下，执行一次图3-2所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期。其典型值为1100ms。(1)输入采样阶段 PLC首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段

41、，才重新写入输入端的新容。(2)程序执行阶段 根据PLC梯形图程序“先左后右，先上后下”扫描原则进行逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转指令条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉与输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对于元件寄存器来说，每一个元件的状态会随着程序执行过程而变化。(3)输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外

42、部负载。3、输入输出滞后时间 输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时间到它的控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式的滞后时间三部分组成。3.1.3高速脉冲输出 脉冲宽度与脉冲周期之比称为占空比，脉冲列(PTO)功能提供周期与脉冲数目可以由占空比控制的占空比为50%的方波脉冲输出。脉冲宽度调制(PWM)功能提供连续的、周期与脉冲宽度可以由用户控制的输出。 每个CPU有两个PTO/PWM发生器，分别通过数字量输出点Q0.0或Q0.1输出搞死脉冲列或脉冲宽度可调的波形。 PTO/PWM发生器与输出

43、映像寄存器共同使用Q0.0与Q0.1。当Q0.0或Q0.1被设置为PTO或PWM功能时，TO/PWM发生器控制这些输出点，在该输出点禁止使用数字量输出功能，此时输出波形不受输出映像寄存器的状态、输出强制或立即输出指令的影响。不使用TO/PWM发生器时，Q0.0与Q0.1作为普通的数字输出使用。建议在启动PTO或PWM操作之前，用R指令将Q0.0或Q0.1的映像寄存器置为0. 本次设计采用PTO控制，Q0.0与Q0.1发脉冲控制两台步进电机的转动，Q0.2与Q0.3控制两台步进电机的方向。 3.2步进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时就驱动步进电机

44、按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），其旋转以固定的角度运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的;同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机，因其没有积累误差（精度为100%）而广泛应用于各种开环控制。步进电机实物图如图3-3所示。 图3-3 步进电机3.2.1步进电机的分类和结构1、步进电机的分类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。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；反应式步进电机一

45、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。混合式步进电机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度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。3、 两相混合式步进电机的结构步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电

46、机并不能象普通的直流电机，交流电机那样在常规下使用。步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。 图3-4 混合式步进电机的定子(a)和转子(b) 在工业控制中采用如图3-4所示的定子磁极上带有小齿、转子齿数很多的结构，其步距角可以做得很小。如图3-4两相混合式步进电动机的结构图，和图3-5步进电机绕组接线图，A、B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极，a、c磁极属于A相绕组，b、d磁极属于B相绕组，定子每个极面上有5个齿、极身上有控制绕组。转子由环形磁钢和两段铁芯组成环形磁钢和转子中部、轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端，使得转子轴向分为两个磁极。转子铁芯

47、上均匀分布50个齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定、转子的齿距和齿宽一样。 图3-5 混合式步进电机绕组接线图3.2.2步进电机的特点和缺点的克服1、步进电机的特点（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。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

48、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,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电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）。2、克服缺点的方法 步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服： A.如步进电

49、机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区； B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。3.2.3应用中的注意点& T0 U- |+ i+ h9 Y8 J, W5 B9 y! A1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。: - |

50、$ O: I. j; x$ S1 P2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压，当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。$ q1 I K+ 5 n: q- J4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5 V0 k: n0 V& k. Y5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，

51、也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。+ d5 b- / H) c7 I0 i5 x8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选电机后选驱动的原则。& k! u r. x; H% g- Z3.3驱动器3.3.1驱动器概述 1.由于本设计中选用了两相混合式步进电机，故此采用细分型两相混合式步进电机驱动器DQ542.其实物如图3-4所示 图3-6 驱动器DQ542DQ542型细分型两相混合式步进电机驱动器，采用直流1850V供电，适

52、合驱动电压18V50V，电流小于4.0A外径4286毫米的两相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行很平稳，几乎没有振动和噪音。高速时力矩也大大高于其它二相驱动器，定位精度高。广泛适用于雕刻机、数控机床、包装机械等分辩率要求较高的设备上。2.主要特点(1) 平均电流控制，两相正弦电流驱动输出(2) 直流1850V供电(3 )光电隔离信号输入/输出(4) 有过压、欠压、过流、相间短路保护功能(5) 十五档细分和自动半流功能(6) 八档输出相电流设置(7) 具有脱机命令输人端子(8) 电机的扭矩与它的转速有关，而与电机每转的步数无关(9) 高启

53、动转速(10).高速力矩大3.2.2接口定义1、控制信号定义PUL+(+5V)： 步进脉冲信号输入正端或正向步进脉冲信号输入正端PUL-(PUL)： 步进脉冲信号输入负端或正向步进脉冲信号输入负端DIR+(+5V)： 步进方向信号输入正端或反向步进脉冲信号输入正端DIR-(DIR)： 步进方向信号输入负端或反向步进脉冲信号输入负端ENBL+(+5V)： 脱机使能复位信号输入正端ENBL-(ENB： 脱机使能复位信号输入负端脱机使能信号有效时复位驱动器故障，禁止任何有效的脉冲，驱动器的输出功率元件被关闭，电机无保持扭矩。2、功能选择（SW1-SW8的定义）(1)设置电机每转步数驱动器可将电机每转的步数分别设置为400、800、1600、3200、6400、12800、25600、1000、2000、4000、5000、8000、10000、20000、25000步。用户可以通过驱动器正面板上的拨码开关的SW5、SW6、SW7、SW8位来设置驱动器的步数（如表1）： 表122 / 22