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基于PLC的步进电机控制系统设计

2014/10/6    来源:万方数据    作者:            
关键字:PLC  步进电机  单片机  磁阻转矩  
基于设计步进电机控制系统的目的,主要设计以 PLC 为核心控制器的步进电机控制系统。在对常见的三相反应式步进电动机工作原理详细阐述的基础上,对步进电机的控制原理进行分析说明。以西门子 S7 -200 系列 PLC 对步进电机的控制为例,通过对 S7 -200 系列 PLC 的高速输出点直接对步进电机进行运动控制的方案设计,设计相应的外部接线图、程序,并对具体的控制参数进行说明。

0 引言

    步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列,输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下,它每转一周具有固定的步数; 做连续步进运动时,其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。因此步进电机具有快速启停、精确步进以及能直接接收数字量的特点。由于步进电动机能直接接受数字量的控制,所以特别适宜采用微处理器、微机及PLC 进行控制。

1 步进电机工作原理

    目前常用的有 3 种步进电动机: 1) 反应式步进电动机( VR) 。反应式步进电动机结构简单,生产成本低,步距角小; 但动态性能差。2) 永磁式步进电动机( PM) 。永磁式步进电动机出力大,动态性能好; 但步距角大。3) 混合式步进电动机( HB) 。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,它的步距角小,出力大,动态性能好,是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

    图 1 是最常见的三相反应式步进电动机的结构示意图。图中 1,2,3 分别为电动机的定子、转子和绕线线圈。电机的定子上有 6 个均布的磁极,其夹角是 60°。各磁极上套有线圈,如图连成 A、B、C 三相绕组。转子上均布 40 个小齿。所以每个齿的齿距为 θE= 360° /40 = 9°,而定子每个磁极的极弧上也有 5 个小齿,且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是 30 和 40,其比值为一分数,从而产生了所谓的齿错位的情况。如图所示,若以 A 相磁极小齿和转子的小齿对齐,那么 B 相和 C 相磁极的齿就会分别和转子齿相错 1/3的齿距,即 3°。B、C 极下的磁阻会比 A 磁极下的磁阻大。假如给 B 相通电,B 相绕组会产生定子磁场,其磁力线穿越该相磁极,并会按磁阻最小的路径闭合,这就使转子受到磁阻转矩( 反应转矩) 的作用而转动,直到 B 磁极上的齿与转子齿对齐,恰好转子转过 3°; 此时 A、C 磁极下的齿又分别与转子齿错开1 /3 齿距。此时停止对 B 相绕组通电,而改为 C 相绕组通电,同理受磁阻转矩的作用,转子按顺时针方向再转过 3°。依次类推,当三相绕组按 A→B→C→A 顺序循环通电时,转子会按顺时针方向,每个通电脉冲转动 3°的规律步进式转动起来。若改变通电顺序,按 A→C→B→A 顺序循环通电,则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动 3°的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电,并且按 3 种通电状态循环通电,称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角 θb为 30°。除此以外三相步进电动机还有两种通电方式,分别是双三拍运行,即按 AB→BC→CA→AB 顺序循环通电的方式和单、双六拍运行,即按 A→AB→B→BC→C→CA→ A 顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。

相反应式步进电机结构示意图

图 1 三相反应式步进电机结构示意图

    反应式步进电动机的步距角可按下式计算:θb= 360° / NEr( 1)式中: Er为转子齿数; N 为运行拍数,N = km,m 为步进电动机的绕组相数,k =1 或 2。

责任编辑:陈浩
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