第一章緒論
1.1技術概述
在電氣時代的今天，電動機一直在現代化的生產和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農業生產還是在日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動機。因此，對電動機的控制變得越來越重要。
電動機的控制技術的發展得力於微電子技術、電力電子技術、感測器技術、永磁材料技術、自動控制技術、微機應用技術的最新發展成就。正是這些技術的進步使電動機控制技術化。
步進電機是機電控制中一種常用的執行機構，其原理是通過對它每相線圈中的電流和順序切換來使電機作步進式旋轉。驅動電路由脈衝訊號來控制，所以調節脈衝訊號的頻率便可改變步進電機的轉速。通俗的說：
當步進驅動器接收到乙個脈衝訊號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動乙個固定的角度（即步進角）。通過控制脈衝個數即可以控制角位移量，從而達到精確定位的目的。同時通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（vr）、永磁式步進電機（pm）、混合式步進電機（hb）和單項式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.50；反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.
50，但雜訊和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料製成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的有點。
它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8，而五相步進角一般為0.
720。這種步進電機的應用最為廣泛。
步進電機的一些基本引數：
電機固有步距角：它表示控制系統每發出乙個步進脈衝訊號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了乙個步距角的值，如86byg250a型電機給出的值為0.
90/1.80（表示半步工作時為0.90、整步工作時為1.
80），這個步距角可以稱之為「電機固有步距角」，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。
步進電機的相數：指電機內部的線圈組數，目前常用的有兩相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.
90/1.80、三相的為0.750/1.
50、五相的為0.360/0.720。
在沒有細分驅動器時，使用者主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則「相數」將變得沒有意義，使用者只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。
保持轉矩：指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的引數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。
由於步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為衡量步進電機最重要的引數之一。比如：當人們說2n·m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2n·m的步進電機。
步進電機的一些特點：
① 一般步進電機的精度為步進角的3%~5%，且不會將一步的誤差累積到下一步，因而有較好的位置精度和運動的重複性；
② 電機旋轉的角度正比於脈衝數；
③ 電機停轉時具有最大的轉矩；
④ 優秀的起停和反轉響應；
⑤ 由於沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決於軸承壽命；
⑥ 當步進電機轉動時，低階各相繞組的電感將形成乙個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降；
⑦ 步進電機低速時可以正常運轉，但若高於一定速度就無法啟動，並伴有嘯叫聲。空載啟動頻率：步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈衝頻率，如果脈衝頻率高於該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。
在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈衝頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，再按一定加速度公升到預期的高頻（電機轉速從低速公升到高速）。
plc全稱為可程式設計控制器，是在電氣控制技術和計算機技術的基礎上開發出來的，並逐漸發展成為以微機處理器為核心，將自動化技術、計算機技術、通訊技術融為一體的新型工業控制裝置。目前，plc已被廣泛應用於各種生產機械和生產過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業控制裝置。被公認為現代工業自動化的三大支柱（plc、機械人、cad/cam）之一。
從近年的統計資料看，在世界範圍內plc產品的產量、銷售、用量高居工業控制裝置榜首。而且市場需求量一直以每年15%的比率上公升。我國的plc研製、生產和應用也發展得很快，尤其在應用方面更為突出。
plc技術之所以高速發展，除了工業自動化的客觀需求外，主要是因為它具有很多獨特的有點，較好的解決了工業領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、經濟問題。plc可靠性高，抗干擾能力強，其平均無故障時間可達幾十萬個小時，之所以有這麼高的可靠性，是由於它採用了一系列的硬體和軟體的抗干擾措施。其次plc程式設計簡單、使用方便，目前大多數plc採用的程式語言都是梯形圖語言，梯形圖與電氣控制線路相似，形象、直觀，不需要掌握計算機知識，很容易被廣大工程技術人員掌握。
plc功能完善、通用性強、設計安裝簡單、維護方便。採用了積體電路，其結構緊湊、體積小、能耗低，是實現機電一體化的理想控制裝置。
目前plc已廣泛應用於冶金、石油、化工、建材、機械製造、電力、汽車、輕工、環保及文化娛樂等各個行業。隨著plc的價效比不斷提高，其應用領域還將不斷擴大。為此，本文主要研究基於plc的步進電機控制系統，實現plc與步進電機的一體化問題。
1.2 設計目的及系統功能
二十一世紀的今天，電動機在工農業生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。步進電機是最常見的一種控制電機，在各領域中得到廣泛應用。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。
隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈衝轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到乙個脈衝訊號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動乙個固定的角度（稱為「步距角」），它的旋轉是以固定的角度一步一步執行的。
可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，其優點是結構簡單、執行可靠、控制方便。尤其是步距值不受電壓、溫度的變化的影響，誤差不會長期積累的特點，給實際應用帶來了很大的方便。
它廣泛應用於消費類產品（印表機、照相機）、工業控制（數控工具機、工業機械人）、醫療器械等機電產品中。研究步進電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節約能源等都具有重要意義。
本設計的目的是以微控制器為核心設計出乙個步進電機控制系統。本系統採用三菱fx2n系列plc作為控制單元，
第二章 plc及步進電機簡介
2.1 plc控制系統
2.1.1 plc概述
2.1.1.1 plc的基本概念
可程式設計控制器（programmable controller）是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計製造的。早期的可程式設計控制器稱作可程式設計邏輯控制器（programmable logic controller）,簡稱plc，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的範圍。
因此，今天這種裝置稱作可程式設計控制器，簡稱pc。但是為了避免與個人計算機（personal computer）的簡稱混淆，所以將可程式設計控制器簡稱plc。
plc是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。2023年，國際電工委員會（international electrical committee）對plc做出了定義：「可程式設計控制器（plc）是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計。
它採用一類可程式設計的儲存器，用於其內部儲存程式、執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向使用者的指令，並通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種型別的機械或生產過程。可程式設計控制器及其有關外部裝置，都按易於與工業控制系統聯成乙個整體、易於擴充其功能的原則設計。」
2.1.1.2 plc的組成
plc主要由cpu模組、輸入模組、輸出模組及一些特殊模組組成。
① cpu模組
cpu模組主要由微處理器和儲存器組成。在可程式設計控制器中，cpu模組處於核心地位，它不斷地採集輸入訊號，執行使用者程式，重新整理輸出訊號。它控制所有其他部件的操作，一般由控制電路、運算器、暫存器等組成，通過位址匯流排、資料匯流排和控制匯流排與儲存器、i/o介面電路連線。
cpu是plc的「大腦」。其中儲存器又分為：唯讀儲存器（存放plc製造廠家編寫的系統程式）和讀寫儲存器（存放使用者程式，為了防止失電後程式丟失，一般採用電池或電容保持電路）。
為了進一步提高plc的可靠性，近年來對大型plc還採用雙cpu構成的冗餘系統，或採用三cpu的表決式系統。這樣，即使某個cpu出現故障，整個系統仍能繼續正常執行。
② i/o模組
輸入（input）模組和輸出（output）模組統稱為i/o模組，它們是連線外部環境和cpu模組的紐帶。輸入模組是用來採集輸入訊號的。一般來說，輸入訊號有兩種：
一種是從按鈕、開關、各種接近開關而來的開關量輸入訊號；另外一種是由電位器、熱電阻、熱電偶及各種變送器提供的連續變化的模擬輸入訊號。
plc是通過輸出模組來控制外部裝置的，這些裝置包括電磁閥、調節閥等裝置；另外，還可以控制燈、繼電器、接觸器等裝置。
③ 電源
plc的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有乙個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此plc的製造商對電源的設計和製造也是十分重視的。plc使用交流220v電源或者直流24v電源供電，其內部的穩壓電源可以為各個模組的內部電路供電。
一般驅動現場執行機構的電源都要由使用者提供。
2.1.1.3 plc的工作原理
當plc投入執行後，其工作過程一般分為三個階段：輸入取樣、使用者程式執行和輸出重新整理。完成上述三個階段稱為乙個掃瞄週期。
在整個執行期間，plc的cpu以一定的掃瞄速度重複執行上述三個階段。
① 輸入取樣階段：在輸入取樣階段，plc以掃瞄方式依次讀入所有輸入狀態和資料，並將它們存入i/o映像區中的相應單元內。輸入取樣結束後，轉入使用者程式執行和輸出重新整理階段。
在這兩個階段中，即使輸入狀態和資料發生變化，i/o映像區中相應單元的狀態和資料也不會改變。因此，如果輸入是脈衝訊號，則該脈衝訊號的寬度必須大於乙個掃瞄週期才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
② 使用者程式執行階段：在使用者程式執行階段，plc總是按由上而下的順序依次的掃瞄使用者程式（梯形圖）。在掃瞄每一條梯形圖時，總是先掃瞄梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，並按先左後右，先上後下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然後根據邏輯運算的結果，重新整理該邏輯線圈在系統ram儲存區中對應位的狀態；或者重新整理該輸出線圈在i/o映像區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。
基於PLC的步進電機轉速控制方法研究
摘要 概述了plc控制的優點 步進電機的工作原理。提出了一種基於plc的四相步進電機控制方法，介紹了系統的硬體組成以及相應的i o分配。軟體設計包括脈衝產生和控制 脈衝分配及步數設定三大模組，用軟體完成脈衝分配功能，可以減少硬體資源，控制引數改變方便靈活，提高了系統控制的可靠性和靈活性。步進電機又叫...
步進電機PLC控制設計
目錄第一章控制工藝流程分析 1 1.1步進電機的控制過程描述 1 1.2 plc控制步進電機的控制工藝分析 2 第二章步進電機plc控制系統總體方案設計 2 2.1系統硬體組成 2 2.2控制方法分析 4 2.3 i o分配 5 2.4系統接線圖設計 7 第三章控制系統梯形圖程式設計 8 3.2控制...
PLC控制步進電機的方法步進電機工作原理
一 引言 微電子技術和計算機技術發展，可程式設計序控制器有了突飛猛進發展，其功能已遠遠超出了邏輯控制 順序控制範圍，它與計算機有效結合，可進行模擬量控制，具有遠端通訊功能等。有人將其稱為現代工業控制三大支柱 即plc，機械人，cad cam 之一。目前可程式設計序控制器 programmable c...