电气控制技术课程设计题目: 步进电机的控制院系名称：电气工程学院成绩：指导老师签名：目录1 系统概述 (1)1.1 对被控对象步进电机控制的分析 (1)1.2 设计的目的及工作内容 (1)2 方案论证 (2)2.1 开环控制系统 (2)2.2 闭环控制系统 (2)3 硬件设计 (3)3.1 系统的原理方框图 (3)3.2 I/O分配 (3)3.3 主电路及I/O接线图 (4)3.4 元器件选型 (4)3.4.1 步进电机选型 (4)3.4.2 PLC选型 (5)3.4.3 按钮选型 (6)3.4.4 熔断器选型 (6)3.5 元件清单 (7)4 软件设计 (4)4.1 主流程 (8)4.1.1 转速控制 (8)4.1.2 正反转控制 (9)4.1.3 步数控制 (9)4.1.4 程序流程图 (9)4.2 梯形图及其功能注释 (10)5 系统调试 (14)5.1 软件调试 (14)5.2 硬件调试 (14)5.2.1 转速控制过程 (14)5.2.2 正反转控制过程 (14)5.2.3 单步执行控制过程 (14)5.3 调试结果分析 (14)设计心得 (15)参考文献 (16)1 系统概述1.1 对被控对象步进电机控制的分析三相步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。

步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数（脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。

所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。

步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。

典型步进电机外观如图1-1。

图1-1典型步进机1.2 设计的目的及工作内容本设计的主要研究内容是以三菱FX2N系列PLC（可编程逻辑控制器）为核心控制步进电机，及其相关外围电路组成的控制电路设计。

可以通过对几个开关按钮的控制来实现对步进电机转动的方向、速度和步数的控制。

用PLC控制三相六拍步进电机实现如下操作，其控制要求如下：三相步进电动机有三个绕组：A、B、C，正转的顺利为：A-AB-B-BC-C-CA-A；反转的顺利为：A-CA-C-BC-B-AB-A。

1.要求能实现正、反转控制，而且正、反转切换无须经过停车步骤。

2.具有两种转速：（1）开关闭合，则转过一个步距角需0.5s。

（2）开关闭合，则转过一个步距角需1s。

3.要求步进电机转动100个步距角后自动停止运行。

4.设置按钮K1，每按一次K1，电动机转动一步。

5.按题意要求，画出I/O分配图、PLC端子接线图、流程图、控制梯形图。

6.完成PLC端子接线工作，并利用编程器输入梯形图控制程序，完成调试。

2 方案论证在步进电动机控制系统中，步进电动机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种控制中，其控制主要有开环、闭环控制。

2.1 开环控制系统开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置，因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造成本低等优点。

另外，步进电动机受控于脉冲量，它比直流电机或交流电机组成的开环精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。

开环控制方框图如图2-1所示。

图2-1开环控制方框图2.2 闭环控制系统闭环控制系统定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。

图2-2为闭环控制系统的原理框图。

图2-2闭环控制方框图综合上述两种方案，根据步进电动机的特点，从制造成本与系统结构复杂程度考虑，本设计采用方案一，在开环控制系统中，用PLC控制三相步进电动机。

3 硬件设计3.1 系统的原理方框图如图3-1为系统的原理结构框图，控制面板上的启动按钮按下开启控制装置，低速按纽按下步进电机低速运行100步，高速按钮按下步进电机告诉运行100步，转向按钮按下转变控制方向，停止按钮按下停止运行。

在控制面板上设定速度和方向等参数，PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动器，达到对距离、速度、方向控制的目的。

图3-1系统原理结构图3.2 I/O分配表表3-1为根据设计要求，得出的I/O分配表。

表3-1I/O分配表元件I/O号功能定义元件I/O号功能定义I/O号功能定义SB0 X0 启动SB3X3单步Y0控制U相SB1X1低速SB4X4正反转Y1控制V相SB2X2高速SB5X5停止Y2控制W相3.3 主电路及I/O接线图由于本例中三相步进电机选择573S09型号，其额定电压24-48V，额定电流3.5A，本例中PLC选用继电器输出型其负载电流能力可达8A，故无需驱动电路，本例中主电路与I/O接线图和为一起，如图3-2。

图3-2主电路及I/O接线图3.4 元器件选型3.4.1 步进电机选型步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。

反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

本设计依据上述的各类型步进电机的特点，并查阅了很多相关资料，综合考虑各方面因素，最后确定选用573S09型三相混合式步进电机作为控制对象，生产厂家定为雷赛公司。

所选573S09参数如表3-2。

表3-2 573S09参数3.4.2 PLC选型目前，世界上有200多个厂家生产PLC，比较著名的有美国的AB，日本的三菱、欧姆龙，德国的西门子，法国的施耐德等。

其中（1）三菱FX系列PLC应用广泛，它的特点是：系统配置即固定又灵活，编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能，高速运算；使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化。

三菱小型PLC有FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC等子系列。

（2）德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。

西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高，但成本较高。

（3）欧姆龙PLC包括微型机，中型机，大中型机三种。

微型机属于结构紧凑、成本较低的PLC，在CPU 单元中装配了10~40点的输入输出端子，为一体化组建型的PLC。

增加了实现平稳输入输出动作的输入滤波器功能、外部输入中断功能、快速响应输入功能、高速计数器功能，模拟设定定时器功能等采用快速山村，无电池的内存支持得以实现，维护简单化。

本设计依据上述各类PLC的性能特点，在功能满足要求的前提下，综合考虑可靠性、经济性、使用维修方便等各方面因素，最后选用三菱的FX系列PLC，其中FX2N子系列是FX家族中比较先进的子系列，具有执行速度快，通信功能齐全等特点，结合I/O点数，单元类型，输出形式的选择，故PLC的型号确定为FX2N-16MR。

3.4.3 按钮选型按钮的规格品种众多，目前生产的按钮产品有LA2，LA4，LA10，LA18，LA19，LA25，LA30等系列。

（1）LA2系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压80V 以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所。

（2）LA4系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压380V以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所。

（3）LA10系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压380V以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所。

（4）LA18系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压380V以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所，指示灯有多种颜色可供选择。

（5）LA19系列按钮适用于交流50Hz或60Hz，交流电压380V以下，直流电压220V以下的电磁起动器，接触器，继电器及其其它电气线路中做遥控之用，其中带灯按钮还适用于需要灯光信号指示的场所，并带有紧急指示灯，但成本较高。

本设计的一个原则就是经济性。

依据上述的系列按钮的性能比较，综合各方面因素的考虑，最后选用LA18系列按钮，具体型号我们选择LA18-66J，生产厂家定为中国红波按钮制造有限公司。

3.4.4 熔断器选型熔断器有以下几种常见种类：（1）插入式熔断器：它常用于380V及以下电压等级的线路末端，作为配电支线或电气设备的短路保护用。

（2）螺旋式熔断器：熔体上的上端盖有一熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹出，可透过瓷帽上的玻璃孔观察到，它常用于机床电气控制设备中。

螺旋式熔断器。

分断电流较大，可用于电压等级500V及其以下、电流等级200A以下的电路中，作短路保护。

（3）封闭式熔断器：封闭式熔断器分有填料熔断器和无填料熔断器两种，有填料熔断器一般用方形瓷管，内装石英砂及熔体，分断能力强，用于电压等级500V 以下、电流等级1KA以下的电路中。

无填料密闭式熔断器将熔体装入密闭式圆筒中，分断能力稍小，用于500V以下，600A以下电力网或配电设备中。

（4）快速熔断器：快速熔断器主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。

由于半导体元件的过载能力很低。

只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。

（5）自复熔断器：采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。

当短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。

自复熔断器只能限制短路电流，不能真正分断电路。

其优点是不必更换熔体，能重复使用。

本设计综合考虑经济性，工作场所和要求等各方面因素，选择RT18系列无填料式封闭熔断器，最终型号确定为RO15 gG 8A,厂家确定为浙江茗熔电器保护系统有限公司。