摘要:设计一种基于PLC的步进电机控制系统, 通过微型变速箱将步进电机角位移转化为直线位移, 进而带动直线伸缩机构运行。

该系统结构简单、性能稳定、经济价值和使用效果突出, 能够满足毫米级精确位移的使用需求。

关键词: PLC; 步进电机; 驱动器; 脉冲；方向。

目录第1章绪论 (1)1.1 设计背景 (1)1.2 系统设计的任务 (3)1.3 本章小结 (3)第2章步进电机及PLC简介 (4)2.1 步进电机简介 (4)2.2 PLC的发展概述 (8)2.3 PLC技术在步进电机控制中的应用 (8)2.4 本章小结 (10)第3章PLC控制步进电机工作方式的选择 (11)3.1 常见的步进电机的工作方式 (11)3.2 步进电机控制原理 (12)3.3 PLC控制步进电机的方法 (12)3.4 PLC控制步进电机的设计思路 (13)3.5 本章小结 (15)第4章FX2N控制步进电机硬件设计 (16)4.1 三菱FX2nPLC的介绍 (16)4.2 步进电机的选择 (18)4.3 步进电机驱动电路设计 (20)4.4 PLC驱动步进电机 (21)4.5步进电机驱动器的使用说明 (22)4.6 I/O接线图 (24)4.7 本章小结 (25)第5章控制系统的程序设计 (26)5.0 本设计相关指令介绍 (26)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)附录 (34)第1章绪论1.1 设计背景步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机，传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。

可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。

为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。

步进电动机的发展与计算机工业密切相关。

自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。

另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。

任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。

现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。

爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。

最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。

到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见[1]。

步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。

现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台，德国也是世界上步进电动机生产大国。

德国B.L.公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。

与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。

该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即HB型（混合式）、RM性（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM型。

将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后得出：1）在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。

2）三相电动机的两相励磁最大保持力矩为3T1（T1为单相励磁转矩），而二相电动机为2T1，所以三相电动机的合成力矩大。

3）三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。

4）三相电动机连续2步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。

5）三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管6个；而二相电动机是8个。

6）连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小.结论是显而易见的[2]。

另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。

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：发展趋势一，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复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。

我国的情况有所不同，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。

尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0.9°/1.8°）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75°/1.5°）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。

这种现状对步进电动机的发展是不利的。

1.2 系统设计的任务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的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。

步进电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。

步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件之一。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的控制领域都将有广泛应用。

而现在的可编程控制器(通常称PLC) 是一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置之一。

本设计是采用是FX2N-32MT控制三相六拍的反应步式步进电机，通过软件设计脉冲频率来控制步进电机的运行速度，通过加减频率来控制步进动机的转速。

围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下:1）可正转运行或反转运行；2）系统上电后，赋一个初始速度值；3）步进速度可手动变速；1.3 本章小结本章阐述了此次设计的背景，即步进电机的发展状况，和步进电机在工业自动化生产中的重大作用。

提出了本次设计的设计任务，用PLC控制步进电机以不同的方式运行。

第2章步进电机及PLC简介2.1 步进电机简介步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。

在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。

然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。

因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。

步进电动机由此而得名。

步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的，其转子走过的步数，或者说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比。

另外，步进电动机动态响应快，控制性能好，只要改变输入脉冲的顺序，就能方便地改变其旋转方向。

这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。

因此，步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。

因此，在数字控制系统出现之初，步进电动机经历过一个大的发展阶段[3]。

2.1.1 步进电机的分类1）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。

2）反应式步进电机一般为三相，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。

3）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。

两相步进角一般分为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。

三相反应式步进电机的结构如图所示。

定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。

定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。

图2-1 三相反应式步进电机的结构图在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A 相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。

如图所示：图2-2 A相通电定转子错开示意图电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由绕组通电的顺序决定。

2.1.2 步进电机的基本参数1.电机固有步距角它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距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

2.步进电机的相数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，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。

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距角的要求。

如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。