1、東 北 石 油 大 學 課 程 設 計課 程 電機拖動課程設計 題 目 三相六拍步進電動機控制程序設計 院 系 電氣信息工程學院電氣工程系 專業班級 學生姓名 學生學號 指導教師 劉偉 20 年 月 日東北石油大學課程設計任務書課程 電機拖動課程設計 題目 三相六拍步進電動機控制程序的設計 專業 電氣 姓名 學號 主要內容：1、步進電動機主要特性及其工作原理；2、三相六拍步進電動機控制程序的設計；3、程序的分析與比較。基本要求：1、了解步進電動機的主要特性及其工作原理；2、了解三相六拍步進電動機控制程序的設計思路及其過程；3、了解三相六拍步進電動機控制程序設計的比較和分析。參考資料：1、常斗南

2、，李全利，張學武編著。可編程序控制器原理、應用、實驗 M.北京：機械工業出版社 1998年7月2、李乃夫編著。可編程序控制器原理、應用、實驗 M.北京：中國輕工業出版社 1998年1月3、何衍慶，戴自祥，俞金壽編著。可編程序控制器原理及應用技巧 M.北京：化學工業出版社 1998年8月4、俞雷聲，方宗達編著。電氣控制與PLC應用 M.北京：機械工業出版社 1998年10月5、易傳祿，韓希光編著。可編程序控制器應用指南 M.上海：上海科學普及出版社 1993年6月完成期限 指導教師 劉偉 專業負責人 20 年 月 日目 錄1、步進電動機簡介11.1 步進電機的主要特性11.2 三相六拍步進電機2

3、2、三相六拍步進電動機控制程序的設計42.1 程序設計的基本思路42.2 梯形圖程序設計52.3 梯形圖程序72.4 三相六拍步進電機控制語句表102.5 步進電機的IO分配113、程序的分析與比較113.1 簡捷性113.2 柔性化124、結論145、心得體會15參考文獻16電機拖動課程設計（報告）1、步進電動機簡介1.1 步進電機的主要特性(1)步距角和靜態步距誤差: 步進電機的步距角是決定開環伺服系統脈沖當量的重要參數, 數控機床中常見的反應式步進電機的步距角一般為0.5°0.3° 一般情況下, 步距角越小, 加工精度越高, 靜態步距誤差指理論的步距角和實際的步距角之

4、差, 以分表示, 一般在10以內。步距誤差主要由步進電機齒距角制造誤差、定子和轉子間氣隙不均勻、各相電磁轉矩不均勻等因素造成的, 步距誤差直接影響工作的加工精度以及步進電機的動態特性。(2)動頻率fd： 空載時, 步進電機由靜止突然啟動, 并進人不丟步的正常運行所允許的最高頻率, 稱為啟動頻率或突跳頻率用fd表示, 若啟動頻率大于突跳頻率, 步進電機就不能正常啟動, fd與負載慣量有關, 一般說來隨著負載慣量的增長而下降。空載啟動時, 步進電機定子繞組通電狀態變化的頻率不能高于突跳頻率。(3)連續運行的最高工作頻率fmax：步進電機連續運行時, 它所能接受的, 即保證不丟步運行的極限頻率fma

5、x稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態最高變化頻率的參數, 它決定了步進電機的最高轉速。其值大于fq, 并且隨著負載的性質和大小而異, 與驅動電源也(4)加減速特性： 步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中, 定子繞組通電狀態的變化頻率與時間的關系。當要求步進電機啟動到大于突跳頻率的工作頻而停止時,變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和逐漸下降的加速時間、減速不能過小, 否則會出現失步或超步。我們用加速時間常數來描述步進電機的升速和降速特性見圖1。圖1.1 加速器特性曲線(5)矩頻特性與動態轉矩：矩頻特性M=F(f), 圖1.2是描述轉矩一頻率關系的

6、曲線, 該特性曲線上每一個頻率對應的轉矩稱為動態轉矩。可見, 動態轉矩隨連續頻率的上升或下降。上述步進電機的主要特性除第一項外, 其余均與電源有很大關系。驅動電源性能好, 步進電機的特性可能得到明顯改善。圖1.2 轉矩一順率特性曲線1.2 三相六拍步進電機三相六拍步進電機是一典型單定子、徑向分相、反應式伺服電機。其結構原理圖如圖3所示。它與普通電機一樣, 分為定子和轉子兩部分, 其中定子又分為定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯由電工鋼片疊壓而成。定子繞組繞制在定子鐵芯上, 六個均勻分布齒上的線圈, 在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯在一起, 構成一相控制繞組。三相步進電機可構成三相控制繞組, 若任

7、一相繞組通電, 便形成一組定子磁極, 其方向即圖1.3中所示的N3極。在定子的每個磁極上, 即定子鐵芯上的每個齒上開了五個小齒, 齒槽等寬, 齒間夾角為9°, 轉子上沒有繞組, 只有均勻分布的個40小齒, 齒槽也是等寬的, 齒間夾角也是, 與磁極上的小齒一致。此外, 三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開13齒距, 如圖1.4所示。當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時, B相磁極上的齒剛好超前或滯后轉子齒輪13齒距角, C相磁極齒超前或滯后轉子齒23齒距角。圖1.3 單定子徑向分相反應式伺服步進電機結構原理圈圖1.4 步進電機齒矩線三相六拍步進電機的工作原理激磁式如圖1.3,當A

8、相繞組通電時, 轉子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電, B相通電, 由于磁力的作用, 轉子的齒與定子BB上的齒對齊, 轉子沿順時針方向轉過3°, 如果控制線路不停地按ABCA的循環順序控制步進電機繞組的通電、斷電, 步進電機的轉子便不停地順時針轉動, 這是三相三拍。而當AB同時通電時, 由于兩個滋力的作用, 定子繞組的通電狀態每改變一次, 轉子轉過1.5°，原理與三相三拍相同, 從而形成三相六拍, 其通電順序為：2、三相六拍步進電動機控制程序的設計2.1 程序設計的基本思路在進行程序設計時，首先應明確對象的具體控制要求。由于CPU對程序的串行掃描工作方式，會造成輸人偷出

9、的滯后，而由掃描方式引起的滯后時間，最長可達兩個多掃描周期_1 J，程序越長，這種滯后越明顯，則控制精度就越低。因此，在實現控制要求的基礎上，應使程序盡量簡捷、緊湊。另一方面，同一個控制對象，根據生產的工藝流程的不同，控制要求或控制時序會發生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。以SIMATIC移位指令為步進控制的主體進行程序設計，可較好地滿足上述設計要求。2.1.1 三相六拍步進電機的控制要求對三相六拍步進電機的控制，主要為兩個方面：三相繞組的接通與斷開順序控制以及步進速度的控制。即：正轉順序：AABBBCCCAA；反轉順序：AAC C CBBBAA 以及每個步距角(每

10、個箭頭)的行進速度。圍繞這兩個主要方面，可提出具體的控制要求如下：(1)可正轉起動或反轉起動；(2)運行過程中，正反轉可隨時不停機切換；(3)步進兩種速度可分為高速(005 S)、低速(05 s)兩檔，并可隨時手控變速；(4)停止時，應對移位寄存器清零，使每次起動均從A相開始。2.1.2 控制程序框圖及軟件模塊由上述具體控制要求，可作出步進電機在起動運行時的程序框圖，如圖1所示。以工作框圖為基本依據，結合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分成4個模塊進行編程，即模塊1：步進速度選擇；模塊2：起動、停止和清零；模塊3：移位步進控制功能模塊；模塊4：A、B、C三相繞組對象控制。然后，將各模塊進

11、行連接，最后經過調試、完善、實現控制要求。圖2.1 步進電機控制程序流程圖線2.2 梯形圖程序設計2.2.1 輸入慚出編址控制步進電機的各輸入開關及控制A、B、C三相繞組工作的輸出端在PLC中的IO編址如表1所示。表2-1 輸入與輸出編址線輸入端輸出端I0.0步進電動機正轉啟動按鈕Q0.0控制A相繞組I0.1步進電動機反轉啟動按鈕Q0.1控制B相繞組I0.2停止及清零按鈕Q0.2控制C相繞組I1.0低速開關（1）I1.1高速開關（2）2.2.2 狀態真值表采用移位指令進行步進控制。首先指定移位寄存器MB0，按照三相六拍的步進順序，移位寄存器的初值見表2。表2-2 移位寄存器初值1M0.5M0.

12、4M0.3M0.2M0.1M0.0100000每右移1位，電機前進一個步距角(一拍)，完成六拍后重新賦初值。其中MO6和MO7始終為“0”。據此，可作出移位寄存器輸出狀態及步進電機正反轉繞組的狀態真值表，如表3所示。從而得出三相繞組的控制邏輯關系式：正轉時A相 QO0= MO5+MO4+MO0B相 QO1= MO4+MO3+MO2C相 QO2= MO2+MO1+MO0反轉時A相 QO0= MO5+MO4+MO0B相 QO1= MO2+MO1+MO0C相 QO2= MO4+MO3+MO2表2-3 移位寄存器輸出狀態及步進電機繞組狀態真值表移位寄存器MB0正轉反轉M0.5M0.4M0.3M0.2M

13、0.1M0.0ABCABC0000000000001000001001000100001101010010000101010001000110110000100010100000011011102.3 梯形圖程序根據程序模塊及三相繞組的控制邏輯關系，即可編寫出梯形圖控制程序，如圖2所示。其中Networkl3對應模塊1；Network46對應模塊2；Network7 12對應模塊3；Networkl316對應模塊4。必須注意，在進行各模塊的連接時，應充分考慮各模塊功能之間的聯鎖關系、CPU串行掃描的工作方式對各指令執行結果的影響以及可隨時進行正反轉切換和步進變速的要求。經過調試、運行，該程序完

14、全滿足控制要求。圖2 .2 步進電機梯形圖控制程序2.4 三相六拍步進電機控制語句表LD I1.0 LD T33EU SRB MB0,1AN I1.1 LD T33MOVW 50,VW100 = M2.0LD I1.1 LD M2.0EU LD C0AN I1.0 0 I0.2MOVW 5,VW100 CTU C0,6LD I0.0 LD M0.50 M1.0 0 M0.4AN I0.1 0 M0.0AN I0.2 = Q0.0= M1.0 LD M0.4LD I0.1 0 M0.30 M1.1 0 M0.2AN I0.0 AN M1.1AN I0.2 LD M0.2= M1.1 0 M0.1

15、LD I0.2 0 M0.0AN M1.0 AN M1.0AN M1.1 0LDMOVB 0,MB0 = Q0.1LD M1.0 LD M0.40 M1.1 0 M0.3EU 0 M0.20 C0 MOVB 2#100000,MB0 AN M1.0LD C0 LD M0.2= M3.0 0 M0.1LD M1.0 0 M0.00 M1.1 AN M1.1AN M2.0 0LD AN I0.2 = Q0.2TON T33,VW1002.5 步進電機的IO分配圖2.2 硬件連接線路圖圖2.3 硬件連接線路圖3、程序的分析與比較3.1 簡捷性如前所述，步進電機的控制程序設計，可有多種方法，比如，用S

16、IMATIC順控指令(SCRSCRT、SCRE)編程，程序沒有復雜的邏輯關系，設計比較方便，但由于每一次步進切換都須經過對狀態的開始、轉換和結束處理，會令程序的網絡數大大增加 ；或可用許多的定時器實現各步距角的時間控制，以及變速時間間隔的設置等，則程序冗長、松散；也可以用定時器結合比較指令控制各步進時段，但會使各網絡變得復雜，彼此之間的邏輯關系不甚清晰，程序也會比較長。比如，僅作兩檔轉速控制，程序便需約20個網絡，若再以加法、減法指令配合對兩檔轉速進行調速，則程序還要增加34個網絡；有的程序甚至可達約30個網絡，而以移位指令作為步進控制的主體編程，獲得的程序簡捷、清晰，僅需15個網絡即可實現，

17、且程序模塊間的邏輯關系十分明確。3.2 柔性化3.2.1 步進速度的變化以移位指令作為步進控制主體編程的另一長處，就是程序的柔性好，非常容易修改。在11中提孫：對步進電機的控制主要是兩個方面，三相繞組接通、斷開的順序控制和步進速度的控制。前者一般不變，而后者卻可多變。比如，本文例子中，如果要求電機在運行過程中步進速度可任意加、減，而不是僅有三檔速度，此時任何變速實際上只是改變移位指令的執行速度，即改變移位脈沖的發生周期(VWl00)，其他所有網絡均可不變。所以，只需將程序模塊1“步進速度選擇(Network13)”作如下修改便可實現，如圖3所示。圖3.1 程序模塊1的修改其中，原低速開關I10

18、變為步進基速賦值開關(Network1)；原中速開關I11變為減速開關，每次I11從“0”一“1”，步進速度減慢001s，即以加法指令實現轉過每步距角所需時間增加 001s(Network2)；原高速開關I12變為加速開關，每次I12從“0”一“1”，經減法指令使轉過每步距角所需時間減少001s(Network3)，每次加速或減速的幅度可按需要任意修改設定。而如果用其他方法編程，比如以定時器、比較指令等編程，則每變化一次速度，所有的定時器和比時段都須作出相應的調整，為程序修改帶來不便。3.2.2 從三相六拍到五相十拍如果控制對象為五相十拍的步進電動機，則依據三相六拍的編程思路，只需在模塊3中，

19、將8位(字節)移位寄存器改為16位(字)移位寄存器。比如：取寄存器MW3=MB3+MB4，其初值見表4。表3-1 移位寄存器初值M3.70M4.70M3.60M4.60M3.50M4.50M3.40M4.40M3.30M4.30M3.20M4.20M3.11M4.10M3.00M4.00移位指令相應由“SHRB”修改為“SHRw”，然后根據五相十拍步進電動機的工作順序：正轉 ABC BC BCD CD CDEDE DEA EA EAB AB ABC反轉 ABC BA BAE AE AEDED 一 )C DC D(1B CB CBA作出移位寄存器輸出狀態及步進電機繞組狀態真值表，得出五相繞組控制

20、邏輯關系式，最后，在模塊4(對象控制)中增加控制對象D、E和修改控制邏輯關系，便可非常方便地完成五相十拍的梯形圖控制程序。另外，需注意，在修改程序時，圖2中Network6和Network7的傳送指令亦應相應地改為字傳送指令“MOVw(Mw3)”以及Networkl2計數器指令的“PT”相應改為10。4、結論在本次的課程設計也是以電機與拖動我們的教材為主線，我們基本能按照設計任務書、指導書、技術條件的要求進行。通過上面的設計可知：步進電動機的主要特性有：步距角和靜態步距誤差、動頻率fd、連續運行的最高工作頻率fmax、加減速特性、矩頻特性與動態轉矩。三相六拍步進電機是一典型單定子、徑向分相、反

21、應式伺服電機。它與普通電機一樣, 分為定子和轉子兩部分, 其中定子又分為定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯由電工鋼片疊壓而成。定子繞組繞制在定子鐵芯上, 六個均勻分布齒上的線圈, 在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯在一起, 構成一相控制繞組。在實現控制要求的基礎上，應使程序盡量簡捷、緊湊。同一個控制對象，根據生產的工藝流程的不同，控制要求或控制時序會發生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。所以采用SIMATIC移位指令為步進控制的主體進行程序設計。通過最終設計出來的控制程序實現了對三相六拍步進電動機的的控制要求，從而在實際中得到很好的應用。5、心得體會一周的時間很快就要過去

22、了，通過獨立完成這次電機與拖動課程設計。從明確實驗設計目標，設計出符合目標的可行方案到調試成功并通過驗收，真正體會到設計的樂趣。通過這次設計，一方面增強了自己的動手動腦能力,另一方面也為以后的設計奠定一些基礎。總的來說，這次模電課程設計讓我受益匪淺，收獲不少。在設計過程中我認真理解并掌握了每一個相關知識點，就是在掌握這些知識點的前提下，我才能有這個規范的設計。在此次的設計中，我感受了同學們認真完成課程設計的態度和熱情。在做課程設計的過程中，我感到自己學到的知識十分有限，所以查閱了大量書籍，通過這次書記的學習，我的知識增長了很多。更深刻地了解有關變壓器的知識，同時也弄明白了以前不明白的知識點。在

23、做課程設計的過程中，需要的不僅僅是深厚的知識，更是自己性格的體現，做本次設計就是做人一般，若是有成功和失敗，也有高興與失落，要有百戰不殆的決心，百戰百敗，百敗百戰。要有永不放棄的決心與勇氣，要有堅定的對自己的信心，才能夠在短短的一周之內，做一個象樣的作品向老師與自己交一份答卷。此次設計,在拓寬了自己的視野，激發了自己的興趣同時，理論和實踐結合的程度進一步提高。在沒有進行課程設計之前，我總覺得書本上學的東西太少，而且不知怎么使用，理論跟實際聯系不起來。現在，我對模擬電路設計有了一定的認識，也對它產生了興趣，并有了將書本知識與實際設計相結合的想法和能力。在這次電機與拖動課程設計中，收獲的不僅僅是一份報告，一個作品，一個過程，更重要的是對自己的一些反思。這次課程設計讓我