五项步进电动机的控制.doc
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1、毕业设计(论文)学 院 专 业 姓 名 XX大学毕业设计(论文)任务书站名姓名 专业年级 设计(或论文)题目: 五相步进电动机控制完成日期: 年 月 日具体要求:1、要求对五相步进电动机五个绕组依次自动实现如下方式的循环通电控制:第一步:A-B-C-D-E第二步:A-AB-BC-CD-DE-EA第三步:AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA第四步:EA-ABC-BCD-CDE-DEA五相步进电动机的模拟控制的实验面板图:图所示五相步进电动机的模拟控制面板上图中,下框中的A、B、C、D、E分别接主机的输出点;SD接主机的输入点。上框中发光二极管的点亮与熄灭用以模拟步进电机五个绕组
2、的导电状态。2、实现步进电动机正反转和调速控制。指导老师: 职称: 年 月 日前 言随着现代工业自动化的日益发展,电动机作为重要的电器元件,被广泛的应用在各种自动化控制系统中。步进电动机由于其具有易于电脑操作、步数误差小、精度高、使用系统时间长和成本低等优点,被广泛应用于工业控制中。其中五相混合式步进电机总体性能优于其它种类的步进电动机,是工业上应用最为广泛的步进电动机品种,被广泛的应用在各个领域中。所以对五相步进电动机实现自动化是工业自动化的必然趋势。打印机作为计算机的输出设备之一,运用步进电动机作为打印机的字车动力源和走纸机构,通过牵引机构将步进电动机的转动转变为走纸移动,可以实现打印纸的
3、纵向移动,因其要求精度比较高,所以,打印机的走纸结构能够使用五相步进电动机来控制。对五相步进电动机的使用,工业中应用比较广泛,但大都应用于高精度的机床控制系统中,整个系统比较庞大,所以,本文以步进电动机在的打印机中的精密控制为背景介绍使用PLC控制五相步进电动机按照给定频率自动运行和自由调速的模拟控制方法。摘 要主要阐述了以五相步进电动机在针式打印机走纸结构中的应用为背景,介绍了一种用三菱FX-2N系列PLC实现对规格型号90BYG550A-0301的五相步进电动机控制的方法,利用PLC产生脉冲信号对五相步进电动机进行模拟控制,实现对五相步进电动机五个绕组的通电状态,达到五相步进电动机按照固定
4、速度的循环自动运行的目的,并实现步进电动机正反转和调速控制。用PLC控制五相步进电动机驱动针式打印机的走纸结构控制纸张的进退,实现打印机的打印工作。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单,实现方便,定位精度搞,参数设置灵活等有点,在工业过程控制中使用可靠性高,监控方便。本设计还包括步进电动机的工作原理和特点,PLC的主要功能和应用,各硬件软件元件的介绍选择以及控制程序的编程方法。关键字:五相步进电动机,PLC控制目 录一、设计课题分析- 1 -1.1 设计课题要求- 1 -1.2 设计课题的目的和应用- 1 -1.3 设计课题背景和工作环境- 2 -二、流程图和工作过程- 3 -2.1 五相步
5、进电动机运行流程图- 3 -2.2 工作过程- 3 -三、方案选择- 6 -3.1 控制方案- 6 -3.2 选择方案- 6 -四、硬件选择- 8 -4.1 步进电动机介绍- 8 -4.2 五相步进电动机的选择- 14 -4.3 PLC的选择- 17 -4.4 变频器的选择- 23 -4.5 其它硬件设备的选择- 27 -五、软件选择- 28 -5.1 外部接线图- 28 -5.2 I/O分配表- 29 -5.3 程序梯形图- 29 -六、系统调试- 30 -6.1 调试步骤- 30 -6.2 调试过程的故障诊断- 30 -总 结- 32 -致 谢- 33 -参考文献- 34 -附 录- 35
6、 -一、设计课题分析1.1 设计课题要求1、要求对五相步进电动机五个绕组依次自动实现如下方式的循环通电控制:第一步:A-B-C-D-E第二步:A-AB-BC-CD-DE-EA第三步:AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA第四步:EA-ABC-BCD-CDE-DEA五相步进电动机的模拟控制的实验面板图:图所示五相步进电动机的模拟控制面板上图中,下框中的A、B、C、D、E分别接主机的输出点;SD接主机的输入点。上框中发光二极管的点亮与熄灭用以模拟步进电机五个绕组的导电状态。2、实现步进电动机正反转和调速控制。1.2 设计课题的目的和应用通过PLC控制五相步进电动机的五个绕组线圈的通
7、电状态自动实现固定设定方式的循环通电控制,并对五项步进电动机的速度进行调节。对固定频率的循环方式运动进行更方便、更精确的控制,以适应更多不同环境下的设备调速。在模拟控制面板中,自动控制设定方式所对应的绕组发光二极管的点亮熄灭,实现步进电动机的模拟控制。对五相步进电动机的运行方式进行自动化控制,可以让其能够应用于各种高精度自动化控制系统中。五相步进电动机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制,由于其优良的性能,相比其他反应式步进电动机更适合应用在高精度、经济型数控车床和其他开环数控系统中。在各种自动化控制系统中具有运行稳定、高精度、低振动、低噪音等优点,被广泛应用在各种自动化控制和精密机械等领域
8、。例如:仪器仪表、机床设备、打印机、绘图仪等。还被应用在各种家电产品中,例如:磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。本次设计将五相步进电动机应用在针式打印机中的走纸结构中,通过牵引机构将步进电动机的转动转变为走纸移动,实现打印纸的纵向移动。1.3 设计课题背景和工作环境依据现实情况,本文将五相步进电动机在针式打印机中的走纸结构中的应用作为背景进行模拟控制。以PLC发出脉冲信号控制五相步进电动机的自动控制实现打印机走纸结构在打印机工作中的运行控制方法。根据针式打印机的工作原理:主机送来的代码,经过打印机输入接口电路的处理后送至打印机的主控电路,在控制程序的控制下,产生字符或图形的编码,驱动
9、打印头打印一列的点阵图形,同时字车横向运动,产生列间距或字间距,再打印下一列,逐列进行打印;一行打印完毕后,启动走纸机构进纸,产生行距,同时打印头回车换行,打印下一行。用PLC控制五相步进电动机驱动针式打印机的走纸结构控制纸张的进退,实现打印机的打印工作。本设计用PLC控制五相步进电动机五个绕组线圈的通电状态,实现五相步进电动机的自动调速控制,将其控制方式进行模拟控制。二、流程图和工作过程2.1 五相步进电动机运行流程图五相步进电动机运行方式分为半步运行和整步运行,半步运行时有十拍运行动作。而半步运行时则有五拍运行,而步进电动机的正转和反转不同的运行方式。五相步进电动机的这种运行方式使其具有更
10、多的转动精度,根据五相步进电动机的工作流程可以做出其运行流程图。图见附录A根据课题要求,五相步进电动机需要按照课题给定的运行状态进行循环控制,所以需要设定五相步进电动机的通电顺序以达到课题的要求。五相步进电动机可以根据五个绕组线圈通电顺序的不同实现不同的运行频率,从而实现自动调速控制。所以,根据本次课题设计的要求,能够做出适合本次设计的运行流程图。图见附录B。2.2 工作过程在模拟控制面板中,五个绕组的通电状态会由发光二极管的点亮和熄灭进行模拟。按下启动按钮,系统开始工作,控制系统自动进行自检并检测步进电动机的运行方式,开始启动五相步进电动机,由五相步进电动机流程图可以看出,五相步进电动机的运
11、行方式分为单五拍、单十拍和双五拍。系统自动按照预先设定好的通电方式给五相步进电动机的五个绕组进行通电,如程序设计流程图,每种通电方式通电时间均为1S,也就是说每相所对应的发光二极管的点亮时间就为1S,这样就可以从模拟面板中直观的看出五相步进电动机的运行状态。设计要求第一步A-B-C-D-E,程序启动,系统自检完成,检测步进电动机是否正转,运行是,步进电动机按照单五拍正转的运行方式进行循环工作。第一步工作完成,循环至A相通电完成后运行下一步,而下一步工作方式为双五拍在正转状态下,AB-BC-CD-DE-EA,在电动机在单五拍工作执行完A相导通后,会直接跳相至双五拍运行方式继续执行下一个状态,直至
12、第二步循环至双五拍开始状态AB相通电,运行第三步工作状态,直接从双五拍跳相至单十拍状态下,才能按照要求第三步,AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA方式进行运行,电动机按照AB相同时通电,ABC相同时通电,BC相同时通电,BCD相同时通电,CD相同时通电,CDE相同时通电,DE相同时通电,DEA相同时通电的用电顺序进行通电运行,因为单十拍运行中电动机有十种运行状态,而控制要求中只有八种通电运行状态,所以在运行到DEA相同时通电完成后,根据系统预设的程序,电动机开始运行相第四步EA-ABC-BCD-CDE-DEA,运行完EA同时通电后,不运行EAB同时通电状态直接跳相到ABC同时
13、通电类似跳相运行至DEA结束,程序运行一个循环结束,完成后自动跳转回系统设定的开始相继续运行。五相步进电动机的正反转,可以由开关进行控制,也可由变频器同事控制电动机的正反转和调速,程序给定的运行方式处于五相步进电动机的正转过程中,反转则与同样按照相反顺序进行循环自动控制。控制五相步进电动机的速度可以采用变频器的无极调速,改变输入脉冲的强弱来控制,也可以根据实际所需要的固定速度给定五相步进电动机的工作速度。五相步进电动机工作在打印机的送纸器上,根据所打印字的行距和字的大小,和打印所需纸张的长度,用步进电动机进行精密控制,在每行字打印完毕进行下一行工作时,步进电动机运行下一个运行状态,将纸张送进所
14、能打印一行文字的距离,直至完成打印工作。三、方案选择3.1 控制方案五相步进电动机作为工业自动化的主要电气元件,它通其他步进电动机一样,也是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换为相应的角位移或线位移的伺服电动机。为了能够控制五相步进电动机,就必须给它一个电脉冲信号,目前,比较典型的控制方法有:1)用单片机产生脉冲序列来控制步进电动机单片机是集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器、计时器、显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路电路等功能集成到一块鬼片上构成的一个小而完善的计算机系统。
15、单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机具有体积小、功耗低、设计简单,程序编写简单,成本低等优点被广泛应用在各个中小型系统中。单片机可以产生脉冲序列给步进电动机输入的电脉冲信号,从而控制步进电动机的正反转运行,并可实现步进电动机的调速控制。2)用可编程控制器(PLC)产生脉冲信号来控制步进电动机可编程控制器(PLC)是采用微机技术的通用工业自动化装置,通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成,系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造。具有体积小,重量轻,能耗低,可靠性高,抗干扰能力强,功能
16、完强等特点被广泛应用在工业自动化控制领域PLC能够根据系统程序的编写,产生脉冲信号,控制步进电动机,快速、方便、稳定、高精度的控制步进电动机的运行。3.2 选择方案单片机虽然体积小、成本低、运行方便,但是采用单片机空寂步进电动机,不仅需要设计复杂的控制程序和I/O接口电路,实现比较麻烦,而且对工业现场的恶劣环境适应性差,可靠性不高,控制精度也不高。基于PLC控制的步进电动机程序设计简单、实现方便、定位精度高、参数设置灵活,在工业过程控制中使用,可靠性高,监控方便,不受各种环境因素的影响。而且,在大专学习过程中,没有涉及到单片机使用方式的学习,只学习了PLC的编程和应用,以及对变频器的使用方法和
17、应用。对单片机的使用编程方法不够明了。用变频器控制步进电动机进行调速变频器是应用变频技术和微电子技术,通过改变电动机工作的频率和振幅和幅度的方式来控制电动机的电力传动元件。集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术,得到广泛应用。能够方便按照设定参数进行控制电动机的速度,实现电动机的无极调速,具有参数设置灵活,使用快捷方便、简单实用易操作等特点。使用变频器可以对五相步进电动机的速度进行方便、快捷的调节,按照自己的需求调整步进电动机的运行速率,控制步进电动机的运行状态。所以,由于知识范畴的有限,在本次设计过程中,采用可编程控制器(PLC)来实现对五相步进电动机的控制。而对五相步进电动机电动机的调速
18、控制则采用学习过程中比较方便快捷的变频器来控制。四、硬件选择本设计过程中使用到的硬件设备有:五相步进电动机、可编程控制器(PLC)、变频器、模拟控制面板以及控制开关和导线等。下面对使用到的硬件设备的型号和参数予以选择,以更好的实现设计要求的目标。4.1 步进电动机介绍4.1.1 步进电动机发展历程步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机,它是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换为相应的角位移或线位移的伺服电动机。它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机,由专用电源给定电脉冲,每输入一个电脉冲,步进电动机就移动一步,所以称为步进电动机。又因其绕组上所加的电源式脉冲,又是 也称它为脉冲电动机。
19、它可以定义为:根据输入的脉冲信号,每改变一次励磁状态就前进一定角度(长度),若不改变励磁状态就保持一定的位置而静止的电动机。当采用适当的控制时步进电动机的输出步数总是和输入指令的脉冲数相等。每个脉冲使转轴进位一个步距增量,并依靠磁性将转轴准确锁定在所进位的步距位置上。步进电动机受电脉冲信号控制,它的直线位移量和角位移量与电脉冲数成正比,所以电动机的线速度或转速也与脉冲频率成正比,通过改变电脉冲频率的高低就可以在很大范围内调节电动机的转速,并能快速启动、制动和反转。所以,电动机步距角和转速大小都不受负载变化和电压波动的影响,也不受环境条件如气压、冲击、温度和震动等影响。它每转一周都有固定的步数,
20、在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。这些特点是它广泛使用于数字控制的开环系统中,并使整个系统大为简化而又运行可靠。20世纪60年代后期,随着永磁材料的发展,各种实用性步进电机应运而生,而半导体技术的发展则推动了步进电动机在众多领域的应用。近20年来,步进电动机驱动技术和电动机结构都得到了很大的发展,逐渐形成以混合式和反应式为主的产品格局。混合式步进电动机是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的,因而其性能更好。国外步进电动机研究较早,步进电动机驱动技术的研究成果也很多,其中,60年代GE公司申请了四相(两相)混合式步进电动机专利,70年代中期德国的BL公司申请了五项步进电动机的驱
21、动器的专利,发展了性能更高的混合式步进电动机系统。近年来,国外许多厂商相继推出了多种步进电动机控制与芯片和多种不同功率等级的功率模块,仅由几个专用芯片和一个功率模块就可以构成一个功率齐全、性能优异的步进电动机驱动器。国外所采用的集成技术涉及到了微电子技术、集成电路加工技术、电力电子技术的前沿。我国步进电动机的研究和制造始于上世纪50年代后期,对步进电动机精确模型也做了大量研究工作,理论研究方面比较成熟,发展和形成了比较完善的基础理论和设计方法,产品种类已经系列化,指标已接近、达到国外同类铲平水平。如今,各种各种步进电动机和驱动器作为产品被广泛应用。步进电动机作为一种数字伺服执行元件,具有结构简
22、单、运行可靠、控制性能好、控制方便等优点,广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。4.1.2 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理是基于电磁感应原理。根据机电能量转换原理,步进电动机与通常的的交流或直流电动机无异,是将电能变成机械能的电磁元件。但它的运行原理等方面存在特殊性步进电动机和一般旋转电机一样,分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成,装上一定相数的控制绕组,输入电脉冲对多相定子绕组进行励磁;转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构,转子本身没有励磁绕组的成为“反应式”步进电动机,用永久磁铁做转子的成为“永磁式”步进电动机。4.1.3 步进电动机的分类1从结构特点分类,一般
23、常用的步进电动机有以下几种类型:1)反应式步进电动机(VR型)定子绕组至少有三组磁极,每对磁极上装有控制绕组,转子式一个带齿的铁芯,无任何绕组,定转子绕组均由软磁材冲片叠装而成。它的结构简单,成本低,步距角可以做的很小,但动态性能较差。反应式步进电动机有单段式和多段式两种类型。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。2)永磁式步进电动机(PM型)定子磁极上装有多相控制绕组,转子由永久磁铁支撑,转子极数与每相绕组极数相同,所以一般步距角比较大。它的输出转矩大,动态性能好,消耗功率小(相比反应式步进电动机),但启动运行频率比较低,还需要正负脉冲供电。3
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