基于PLC的三相步进电动机控制系统 目 录 摘要 1 第一章 PLC 简介 1.1 PLC的发展历程 第二章 三相步进电动机的基础知识 2.1 2.2 三相步进电机简介 2.2.1 三相异步电动机的机械特性 2.2.2 三相异步电动机的正反转控制 2.2.3 三相异步电机的调速 第三章 三相步进电机的控制 3.1 控制要求 3.2 怎样实现控制要求 3.3 PLC硬件的实现 3.3.1 I/O的分配 3.3.2 I/O的外部接线 3.4 PLC软件的实现 第四章 系统整体调试 4.1 硬件安装 4.2 软件调试 第五章 结束语 第六章 参考文献 摘要：本文阐述三相步进电动机结构与步进过程原理,以及对步进电动机的调速和正反转研究,采用PLC基本逻辑指令和常用指令的方法对步进电动机的调速和正反转控制,经过对步进电机的通电方式和步距角的计算研究,用可编程控制器进行硬件和软件设计,可用于数控机床步进电机的调速控制。 一、可程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），乃是一种固态电子装置，主要利用输入／输出装置的回授信号及储存程序，控制机械或程序的操作。在工厂自动化（FA）系统中，PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性佳的特点，故一直为自动化业界所采用。近几年来，各PLC制造厂家无不致力于新机种的研发，所以在CPU 处理速度、扩展模块及通讯的功能上，相较于早期PLC控制器，已有长足的进展。 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。 1.1 PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。 PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 1.2 PLC的特点及应用 1.2.1可编程序控制器fProgrammable Logic Controller)简称PLC，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等优点，因此迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。 1.2.2高可靠性 PLC所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源：具有良好的自诊断功能．一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；简化编程语言，对信息进行保护和恢复．设置警戒时钟WDT；对程序和动态 数据进行电池后备。上述措施使PLC有高的可靠性。而采用循环扫描工作方式也提高其抗干扰能力。 1.2.3通用性强、采用模块化结构 各个PLC的生产厂家都有各种系列化产品和各种模块供用户选择。用户可以根据控制对象的规模和控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统。在做应用设计时，一般不需要用户制作任何附加装置．从而能使设计工作简化。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外。绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件。包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模 块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合且扩充方便、组合灵活。 此外PLC具有丰富的I/O接口模块、编程简单易学、手段多；安装简单、维修方便；速度快等特点，是“机电一体化”特有的产品。 1.2.4 PLC的应用领域 PLC在工业自动化领域起着举足轻重的作用．在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。实践证明80％ 以上的工业控制可以使用PLC来完成。PLC可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信联网等。使用PLC可实现步进电机的控制．可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高 第二章 三相步进电动机的基础知识 2.1 工作原理及特性 　　步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的。步进电机的种类很多，按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机三类，按相数分则可以分为单相、两相和多相三种。 　　2.1.2 步进电机的特点 　　（1）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。 　　（2）由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。 　　（3）步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 　　（4）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。 　　（5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。 　　2.1.3 控制原则 　　步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”；与此类似，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。而电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。有了这些数据，就能有效地对步进电机进行变速控制。 2.2.1 三相异步电动机的机械特性 1 三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。由于转速n与转差率S有一定的对应关系，所以机械特性也常用Tem＝f（s）的形式表示。三相异步电动机的电磁转矩表达式有三种形式，即物理表达式、参数表达式和实用表达式。物理表达式反映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质，说明了电磁转矩是由主磁通和转子有功电流相互作用而产生的。参数表达式反映了电磁转矩与电源参数及电动机参数之间的关系，利用该式可以方便地分析参数变化对电磁转矩的影响和对各种人为特性的影响。实用表达式简单、便于记忆，是工程计算中常采用的形式。 电动机的最大转矩和启动转矩是反映电动机的过载能力和启动性能的两个重要指标，最大转矩和启动转矩越大，则电动机的过载能力越强，启动性能越好。 三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩（或临界转差率）为分界点，其线性段为稳定运行区，而非线性段为不稳定运行区。固有机械特性的线性段属于硬特性，额定工作点的转速略低于同步转速。人为机械特性曲线的形状可用参数表达式分析得出，分析时关键要抓住最大转矩、临界转差率及启动转矩这三个量随参数的变化规律。 2 三相异步电动机的启动 小容量的三相异步电动机可以采用直接启动，容量较大的笼型电动机可以采用降压启动。降压启动分为定子串接电阻或电抗降压启动、Y-D降压启动和自耦变压器降压启动。定子串电阻或电机降压启动时，启