《基于PLC三相步進電動機控制系統(tǒng)設(shè)計(三相步進電動機PLC控制系統(tǒng))》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于PLC三相步進電動機控制系統(tǒng)設(shè)計(三相步進電動機PLC控制系統(tǒng))（40頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

目 錄 1 概述 ................................................................ 1 ......................................... 1 2 基于 ...................................... 9 系統(tǒng)的組成及功能 .................................................. 9 進電機特性 ...................................................... 9 .......................................................... 12 步進電機控制系統(tǒng)程序設(shè)計 ......................................... 13 3 磁頭定位 ........................................................... 20 硬盤工作原理 ..................................................... 20 磁頭及定位系統(tǒng) ................................................... 23 4 難題及解決過程 ..................................................... 24 5 結(jié)論 ............................................................... 25 結(jié)束語 ................................................................ 28 致 謝 ................................................................ 29 參 考 文 獻 ........................................................... 30 附錄 A ................................................................. 31 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 1 頁 共 38 頁 1 概述 制步進電機研究的意義 基于步進電動機良好的控制和準確定位特性，被廣泛應(yīng)用在 精確定位方面 ，諸如數(shù)控機床、繪圖機、扎鋼機、自動控制計算裝置、自動記錄儀表等自動控制領(lǐng)域。 為簡單化了的計算機，功能完備、靈活、通用、控制系統(tǒng)簡單易懂，價格便宜，可現(xiàn)場修改程序，體積小、硬件維護方便，價格便宜等優(yōu)點，在全世界廣泛應(yīng)用，為生產(chǎn)生活帶來巨大效益方便。因此，通過研究用 可實現(xiàn)精確定位控制，又能降低控制成本，還有利于維護。以往的步進電動機需要靠驅(qū)動器來控制，隨著技術(shù) 的不斷發(fā)展完善， 有了通過自身輸出脈沖直接步進電動機的功能，這樣就有利于步進電動機的精確控制。本課題《基于 是利用 國內(nèi)外關(guān)于步進電機和 應(yīng)用狀況 步進電機方面 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。通過控制脈沖個數(shù)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沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。控制涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前，國內(nèi)生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只有一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，選 用步進電機時應(yīng)該十分注意以下一些指標(biāo)。 （ 1） 步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極 N、 用 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 2 頁 共 38 頁 或 相八拍運行方式即 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ =360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù) J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ =360度 /（ 50*4） =稱整步），八拍運行時步距角為θ =360 度 /（ 50*8） =稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標(biāo)準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成 電機的發(fā)熱及機械噪音。 （ 2） 步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示，即（誤差 /步距角） *100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在 5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在 15%以內(nèi)。 失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)，稱之為失步。 失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在 180間（步距角 ）或 在 400右（步距角為 ），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 3 頁 共 38 頁 然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（ 永磁式步進電機（ 混合式步進電機（ 單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為 5度。 反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁 材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相，兩相步進角一般為 ，而五相步進角一般為 種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。 步進電動機最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公司、東方公司、 司等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的。現(xiàn)在日本步進電動機年產(chǎn)量（含國外獨資公司）近 2億臺。 當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進電動機，而混合式電動 機又向以下四個方向發(fā)展。 趨勢一，是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在 57、 42 機座號的電動機應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機座號向 39、 35、 30、 25 方向向下延伸。瑞士 0 趨勢二，是改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機座號的電動機，方形的力矩比圓形的將提高 30％～ 40％。 趨勢三，對電動機進行綜合設(shè)計。 即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設(shè)計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。 趨勢四，向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅(qū)動電路比三相電動機精密且復(fù)雜，因此三相電動機系統(tǒng)的價格比要比五相電動機更低一些。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 4 頁 共 38 頁 為了得到更高精度的控制， 出現(xiàn)了脈沖細分控制，這種控制方式可以消除電機失步和共振，滿足更高精度要求的控制。其實步進電機控制中已蘊含了細分的機理。如三相步進電機 按 A→ B→ C??的順序輪流通電，步進電機為整步工作。而按 A→ C→ B→ A??的順序通電，則為半步工作。以 A→ B 為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在 間插入過渡向量 為電流向量的合成方向決定了步進電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度本身就是步進電機的步進角度。顯然， 插入改變了合成磁勢的轉(zhuǎn)動大小，使得步進電機的步進角度由θ b，從而也就實現(xiàn)了 2步細分。由此可見，步進電機的細分原理就是通過等角度有規(guī)律的插入電流合成向量，從而減小合成磁 勢轉(zhuǎn)動角度，達到步進電機細分控制的目的。 面 （ 1） 世界上公認的第一臺 969年美國數(shù)字設(shè)備公司（ 制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的 以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。 20世紀 70年代初出現(xiàn)了微處理器 ,將其引入可編程控制器，使 據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器 電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的 20 世紀 70 年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、 能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20 世紀 80 年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段 的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 5 頁 共 38 頁 套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了 應(yīng)用。 采用可編程序的存儲器存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時計數(shù) 及算術(shù)運算等操作指令，通過數(shù)字量、模擬量輸入與輸出，控制機械運動和生產(chǎn)過程。 可編程控制器，簡稱 ,是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際 電工委員會頒布的 準草案中對了如下定義： “一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。 ” （ 2） （ a） 配套齊全，功能完善，適用性強 展到今天，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功 能以外，現(xiàn)代 用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 透到了位置控制、溫度控制， 各種工業(yè)控制中。加上信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用 成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 （ b） 可靠性高，抗干擾能力強 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用優(yōu)質(zhì)的電子元件與合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部電路采取光電隔離、數(shù)字濾波、故障診斷等硬件措施，具有很高的可靠性。一些使用冗余 平均無故障工 作時間很長。從 機外電路來說，使用 同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， 有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 6 頁 共 38 頁 設(shè)備也獲得故障自診斷保護，使得整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。 還特別設(shè)立了警戒時鐘 旦出現(xiàn)死循環(huán)， 自動重新啟動，對軟件程序和硬件進行檢查，給出錯誤報警，避免了 個人電腦和單片機經(jīng)常出現(xiàn)的死機現(xiàn)象。 （ c） 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小 、 維護方便 、 容易改造 存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造周期大為縮短，同時維護變得容易起來。更重要的是可以使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程。 （ d） 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 面向工礦企業(yè)的工業(yè)控制設(shè)備。接口簡單容易，編程語言易于為工程技術(shù)開發(fā)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。 （ e） 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。 （ 3） 目前， 國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類 ： （ a） 開關(guān)量的邏輯控制 代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制， 也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、訂書機械、印刷機、磨床、組合機床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 （ b） 運動控制 以用于直線運動或者圓周運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量 I/在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或者伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 泛用于各種機械、機器人、機床、電梯等場合 的 模擬量控制 。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 7 頁 共 38 頁 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。 為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（ 數(shù)字量（ 間的 A/。 ，使可編程控制器用于模擬量控制 ,數(shù)據(jù)處理 。 現(xiàn)代 矩陣運算、邏輯運算、函數(shù)運算）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型工業(yè)控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造 系統(tǒng)；也可以用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 （ c） 過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 前許多小型 理一般是運行專用的 程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 （ d） 通信及聯(lián)網(wǎng) 信含 的通信及 其它 智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 商都十分重視 紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 信非常方便。如果需要遠程控制，可以利用終端服務(wù)器進行遠程控制。 可以預(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入， 我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。在我國，一般按 I/O 點數(shù)將 不絕對，國外分類有些區(qū)別）： 微型： 32I/O ； 小型 256I/O； 中型： 1024I/O； 大型： 4096I/O； 巨型： 8192I/O。 在我國 應(yīng)用的 統(tǒng)中， I/O 64 點以下 售額占整個 47%， 64 點 ~256點的占 31%，合計占整個 8%?？梢灶A(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入， 21世紀， 有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計算機技術(shù)的新成果會更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 8 頁 共 38 頁 看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應(yīng) 各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計算機組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制系統(tǒng) 中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 9 頁 共 38 頁 2 基于 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)的組成及功能 本設(shè)計中使用的 西門子 N 系列 C/助于實驗室 實驗 平 臺 ，選用 36 要實現(xiàn)功能：通過 續(xù)運行的情況下實現(xiàn)三拍、六拍的正、反轉(zhuǎn)運動及實現(xiàn)無級調(diào)速。 進電機特性 步進電機簡介 本課題采用的電機是 36 步距角 為 3°，額定 電壓為 27V， 電流 為 保持轉(zhuǎn)矩 為 空載啟動頻率 為 3100 轉(zhuǎn)矩頻率特性如圖 示。 圖 轉(zhuǎn)矩頻率特性圖 步進電機工作原理介紹 (1) 步進電機結(jié)構(gòu) 步進電機結(jié)構(gòu)剖面圖如圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 10 頁 共 38 頁 圖 步進電機結(jié)構(gòu)剖面圖 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著 40 個小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 0、 1/3て、 2/3て ,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即 相對齊， 向右錯開 1/3て， 向右錯開 2/3て，A'與齒 5相對齊，（ A'就是 A，齒 5就是齒 1），定轉(zhuǎn)子的展開圖如圖 圖 定轉(zhuǎn)子的展開圖 (2) 旋轉(zhuǎn)過程 如 A 相通電， B、 C 相不通電時，由于磁場作用，齒 1 與 A 對齊，轉(zhuǎn)子不受任何力（以下均同）。 如 B 相通電， A、 2應(yīng)與 時轉(zhuǎn)子向右移過 1/3 て，此時齒 3與 C 偏移為 1/3 て，齒 4 與 A 偏移（て て） =2/3 て。 如 A、 B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3 て，此時齒 4與 。如 B、 4與 子又向右移過 1/3 て ，這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前一齒）移到 A 相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按 A、 B、 C、 A??通電，電機就每步（每脈沖） 1/3て ,向右旋轉(zhuǎn)。如按 A、 C、 B、 A??通電，電機就反轉(zhuǎn)。其通電狀態(tài)如圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 11 頁 共 38 頁 圖 通電狀態(tài)圖 由此可見，電機的位置和速度由通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由通電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用 種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步 1/3 て改變?yōu)?1/6 て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て變?yōu)?1/12 て， 1/24 て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有 m 相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒 軸線偏移 1/m， 2/m?? (m， 1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制 — — 這是旋轉(zhuǎn)的物理條件。 (3) 力矩 電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力 F 與（ 成正比 ， 其磁通量Ф =， 磁密， S 為導(dǎo)磁面積， *D*， D 為轉(zhuǎn)子直徑， · I/R， N· 流乘匝數(shù)）， R 為磁阻。力矩 =力 *半徑 力矩與電機有效體積 *安匝數(shù) *磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）。因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。 步進電機運行方式 36 表 步進電動機的運行狀態(tài) 單步 三拍 六拍 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 啟動 停止 連續(xù) 三拍 六拍 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 啟動 停止 步進電機控制方式 36、 B、 三拍運行時，正轉(zhuǎn)通電順序為 A→ B→ C→ A? ，反轉(zhuǎn)通電順序為 C→ B→ A→ C? ； 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 12 頁 共 38 頁 或正轉(zhuǎn)通電順序為 ，反轉(zhuǎn)通電順序為 。 六拍運行時，正轉(zhuǎn)通電順序為 A→ B→ C→ A? ；反轉(zhuǎn)通電順序為 A→C→ B→ A? 。 脈沖和角度的關(guān)系 (1) 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ 表示 ， θ =3600/M*Z*K （ 式中， 拍通電時，K=1，當(dāng) K=2。 本課題所用為三相電機，由參數(shù)表可以推算出它的齒數(shù) 60度 /3*30 =40個 或 60度 /6*40個 (2) 頻率關(guān)系和轉(zhuǎn)速的關(guān)系 n=60f/M*Z*K （ 式中， M、 Z、 K 同上； n 為每分鐘轉(zhuǎn)速 r/ M 相 M 拍通電時， K=1，當(dāng) M 相2M 拍通電時， K=2。 紹 本情況簡介 本課題使用 門子 C/其基本情況為： 2424， 24614成 14輸入 /10輸出共 24個數(shù)字量 I/2輸入 /1輸出共 3個模擬量 I/連接 7個擴展模塊，最大擴展至 168路數(shù)字量 I/8路模擬量 I/ 22 6個獨立的高速計數(shù)器 （ 100， 2個 1004個上升沿和 4個下降沿 邊沿中斷， 2個 編程口，具有 機還新增多種功能，如內(nèi)置模擬量 I/O，位控特性，自整定 性斜坡脈沖 指令，診斷 據(jù)記錄及配方功能等 ， 是具有模擬量 I/于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務(wù)。 功能介紹 用范圍可覆蓋從替代 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 13 頁 共 38 頁 繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護設(shè)備等等。如：沖壓機床、磨床、印刷機械、橡膠化工機械、中央空調(diào)、電梯控制、運動系統(tǒng)。 N 系列表現(xiàn)出 有極高的可靠性，極豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的內(nèi)置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力，豐富的擴展模塊。 軟件簡介 編程控制器使用 程軟件進行編程。程軟件是基于 應(yīng)用軟件，功能強大，主要用于開發(fā)程序，也可用于適時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。加上漢化后的程序，可在全漢化的界面下進行操作。 操作系統(tǒng)為 上的操作系統(tǒng)。 計算機配置為 上兼容機，內(nèi)存 8上， 示器，至少 50上硬盤空間。 通信電纜用一條 程軟件包括 括 議指令：變頻通信用， 摸屏的組態(tài)軟件 計師）工具箱；以及 p 專用漢化工具）等編程軟件。 步進 電機控制系統(tǒng)程序設(shè)計 控制流程分析 此設(shè)計使用開環(huán)控制步進電機。傳統(tǒng)的控制 系統(tǒng)框圖 如圖 指令 圖 統(tǒng)的控制 系統(tǒng)框圖 步進電機 脈沖放大器 脈沖分配 器 變頻信號源 工作機構(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 14 頁 共 38 頁 而本課題使用 門子 C/以直 接輸出脈沖驅(qū)動 36令可通過程序代替，而“變頻信號源”、“脈沖分配器”、“脈沖放大器”則全部由 而取代了具有以上四項功能的驅(qū)動器，使得控制十分簡單，所以本課題的控制框圖可簡單用圖 圖 基于 程序設(shè)計 (1) I/I/如表 表 I/輸入 啟動 停止 單步 連續(xù) 三拍 六拍 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 脈沖 加速 減速 出 1 2 2 +24V(主機 ) (2) 主要程序解釋 給定啟動頻率 f=1/200過加時間來減小頻率，達到減速目的 通過減時間來增大頻率，達到加速目的 24V 直流電源 步進電機 C/頭定位 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 15 頁 共 38 頁 復(fù)位頻率和運行頻率的關(guān)系 決定連續(xù)和單步運行的脈沖觸發(fā)（ 三拍、六拍正反轉(zhuǎn)連續(xù)運行時，寄存器指令所用到的最高位 三拍、六拍單步正、反轉(zhuǎn)運行時，寄存器指令所用到的最高位 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 16 頁 共 38 頁 正轉(zhuǎn)三拍運行 反轉(zhuǎn)三拍運行 正轉(zhuǎn)六拍運行 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 17 頁 共 38 頁 反轉(zhuǎn)六拍運行 正轉(zhuǎn)三拍連續(xù)運行時寄存器指令運行狀況 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 18 頁 共 38 頁 反轉(zhuǎn)六拍運行時寄存器指令運行狀況 正轉(zhuǎn)三拍單步運行時寄存器指令運行狀況 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 19 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 20 頁 共 38 頁 3 磁頭定位 硬盤工作原理 硬盤的基本組成 一般說來，無論哪種硬盤，都是由盤片、磁頭、盤片主軸、控制電機、磁頭控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口、緩存等幾個部份組成，其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖 圖 硬盤結(jié)構(gòu)組成示意圖 硬盤在邏輯上被劃分為磁道、柱面（中間圓心部分）以及扇區(qū)見圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 21 頁 共 38 頁 圖 硬盤邏輯分區(qū)示意圖 所有的盤片都固定在一個旋轉(zhuǎn)軸上，這個軸即盤片主軸。而所有盤片之間是絕對平行的，片與片之間的安裝示意圖如圖 示。 圖 片與片之間的安裝示意圖 在每個盤片的存儲面上都有一個磁頭，磁頭與盤片 之間的距離比頭發(fā) 絲的直徑還小。所有的磁頭連在一個磁頭控制器上，由磁頭控制器負責(zé)各個磁頭的運動。磁頭可沿盤片的半徑方向動作，而盤片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到上萬轉(zhuǎn)的速度在高 速旋轉(zhuǎn)，這樣磁頭就能對盤片上的指定位置進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。 工作原理 磁頭在工作的過程中并不與盤片接觸，而是在盤片高速旋轉(zhuǎn)帶動的空氣動力的作用下以很低的高度在盤片上面飛行，為了提高磁頭的靈敏度，磁頭的飛行高度在不斷降低；磁頭一般跟金屬磁頭臂、音圈電機線圈和預(yù)放電路等組成一個組件，磁頭在音圈電機的帶動下根據(jù)讀寫數(shù)據(jù)的需要做往 復(fù)運動來定位數(shù)據(jù)所在的磁道 ，磁頭固定裝 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 22 頁 共 38 頁 置如圖 圖 磁頭固定裝置示意圖 由于磁頭需要靠盤片旋轉(zhuǎn)帶動的空氣動力來飛行，那么在硬盤不工作或盤片電機的轉(zhuǎn)速還沒有達到預(yù)定值時，磁頭無法飛行，而磁頭的讀寫面和盤片都很光滑，如果他們直接接觸必然導(dǎo)致粘連而妨礙盤片起轉(zhuǎn)或?qū)е麓蓬^和盤片損傷，為此磁頭在不工作時需要停泊在數(shù)據(jù)區(qū)以外的區(qū)域；硬盤有兩種方式來滿足這個要求：第一種方式是在盤片內(nèi)側(cè)開辟一個環(huán)形的磁頭停泊區(qū) ，其示意圖如圖 磁頭不工作時停泊在這個地方，為 了防止粘連，停泊區(qū)被有意加工成帶有一定粗糙度的區(qū)域，以便磁頭停泊在這里時磁頭和盤片之間有一定的空氣，但這樣必然導(dǎo)致硬盤啟停時磁頭和盤片要發(fā)生較嚴重的摩擦而損傷磁頭，所以硬盤還有一個啟停次數(shù)的指標(biāo)；第二種方式是在盤片的外面安裝一個磁頭停泊架 ，其示意圖如圖 當(dāng)磁頭不工作時停泊在停泊架上，這樣正常情況下磁頭永遠也不會和盤片表面接觸，也就不存在啟停次數(shù)的問題 。 圖 磁頭停泊區(qū) 圖 磁頭停泊架 為了防止硬盤不工作時發(fā)生意外，不同的硬盤還設(shè)計了不同的磁頭鎖定機構(gòu)，當(dāng)硬盤不工作或盤片沒有達到預(yù)定轉(zhuǎn)速時，磁頭鎖定機構(gòu)將磁頭鎖定在停泊位置，有些網(wǎng)友反映晃動硬盤時硬盤里有響聲，就是由磁頭鎖定機構(gòu)發(fā)出的；為了防止磁頭工作時出現(xiàn)意外而導(dǎo)致磁頭撞擊盤片電機的主軸或移動到盤片或停泊架以外，還設(shè)計有磁頭限位裝置 ，如圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 23 頁 共 38 頁 圖 磁頭限位裝置 磁頭及定位系統(tǒng) 磁頭讀寫動作示意圖如圖 頭讀寫時，從主軸到磁盤盤片邊緣做徑向運動，而這一動作就是靠步進電機驅(qū)動傳動軸和傳動手臂完成的，磁頭徑向運動的快慢、幅度和定位都由對步進電機的控制決定，所以本課題的關(guān)鍵是通過 圖 磁頭讀寫動作示意圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 24 頁 共 38 頁 4 難題及解決過程 在設(shè)計過程中，確實遇到很多難題，諸如程序的編 寫，包括循環(huán)移位指令的使用、調(diào)速指令的采用等等，不僅自己查閱書籍資料，同時還向老師同學(xué)請教。在此值得一提的是解決調(diào)速指令，如圖 及循環(huán)移位指令，如圖 示。 圖 調(diào)速指令 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 25 頁 共 38 頁 圖 循環(huán)移位指令 在之前的不可調(diào)速程序中，直接啟動運行程序，后面的可調(diào)速程序，只有在不可調(diào)速程序運行時下載進去可調(diào)速程序，才可以運行可調(diào)速程序。如果直接停止，再按啟動，后按調(diào)速就不可以運行，在反復(fù)驗證和詢問老師后，才發(fā)現(xiàn)是操作錯誤，應(yīng)該先給啟動頻率 ，接著再按啟動，然后才調(diào)速。歸根結(jié)底還是對步進電機工作原理沒有完全了解，其它問題基本可以通過查閱咨詢自行解決。 5 結(jié)論 通過老師的耐心指導(dǎo)、細心幫忙和自己的努力，我終于順利完成畢業(yè)設(shè)計，可以實現(xiàn)步進電機的近乎無級調(diào)速，分別在連續(xù) 、 單步情況下完成三拍 、 六拍正反轉(zhuǎn)運行，及通過手動按鈕，實現(xiàn)無級調(diào)速。此程序可以根據(jù)實際需要，諸如磁頭定位系統(tǒng)，數(shù)控機床等領(lǐng)域，參照步進電機的實際情況，要對程序中啟動頻率和中間繼電器指令做響應(yīng)的修改。如果電機所需驅(qū)動電流比較大，還需要驅(qū)動器來驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。而驅(qū)動器的選擇必須依據(jù) 終調(diào)試結(jié)果步進進電機實時運行圖如圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 26 頁 共 38 頁 圖 步進電機實時運行圖 。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 27 頁 共 38 頁 圖 （論文） 第 28 頁 共 38 頁 結(jié)束語 通過這個課題設(shè)計，我對 解了硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，更重要的是知道遇到問題如何分析，如何解決的辦法，這種方法即使在以后的工作和學(xué)習(xí) 中也是很有益的。本科教育只是通識教育，涉及面廣但不深，以后的工作中，會需要更加專業(yè)深入掌握所學(xué)的東西，甚至都可能用不到所學(xué)知識，所以在以后步入社會的具體工作中，要學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，甚至配合團隊解決攻關(guān)。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 29 頁 共 38 頁 致 謝 在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，不僅有我個人的努力，而且有老師和同學(xué)的大力幫助和支持，其中 老師所提供講解和參考資料，為我解決了程序編寫中的特大難題。在之前的不可調(diào)速程序中，直接啟動運行程序。后面的可調(diào)速程序，只有在不可調(diào)速程序運行時下載進去可調(diào)速程序，才可以運行可調(diào) 速程序。如果直接停止，再按啟動，后按調(diào)速就不可以運行，在反復(fù)驗證和詢問老師后，才發(fā)現(xiàn)是操作錯誤，應(yīng)該先給啟動頻率，接著再按啟動，然后才調(diào)速。這個問題也是在賀老師的引導(dǎo)下才發(fā)現(xiàn)解決的。在此對所以幫助和支持我的老師和同學(xué)致以最衷心的感謝！ 感謝宿舍同學(xué)在學(xué)習(xí)生活中的熱心幫助，以及其他所有兄弟姐妹，是他們令我置身于一個互相友愛、互相幫助的集體中。 感謝我的父母對我的養(yǎng)育之恩及所有家人無私的支持與鼓勵，是他們給了我強大的精神動力與物質(zhì)后盾，使我能夠全力以赴地完成學(xué)業(yè)。 謹以此機會向所有給予我關(guān)心、支持和幫助的人們表 示衷心的感謝，并向?qū)忛啽疚牡睦蠋煴硎菊\摯的謝意 ! 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 30 頁 共 38 頁 參 考 文 獻 [1] 陳建明 M]子工業(yè)出版社， 2006 [2] 廖常初 M]械工業(yè)出版社， 2004 [3] 劉保錄 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2006 [4] 西門子公司 7S]5] ] 2000 [6] 張海 根 北京：高等教育出版社， 2001 [7] 鄧星鐘 三版） 中科技大學(xué)出版社 2001 [8] 袁順平 孫志承 路明 北京：機械工業(yè)出版社， 2005 [9] 廖常初 M]械工業(yè)出版社， 2007 [10] 周萬珍，高鴻斌 M]子工業(yè)出版社， 2004 [11] 張萬忠，劉明芹 M]學(xué)工業(yè)出版社， 2003 [12] 殷洪義 計與維護 [M]械工業(yè)出版社， 2003 [13] 楊青杰 北京：機械工業(yè)出版社， 2008 [14] 王永華 M]北京航空航天大學(xué)， 2002 [15] 吳中俊 M]械工業(yè)出版社， 2003 [16] 馬小軍 M]南大學(xué)出版社， 2007 [17] 謝克明，夏路易 M]子工業(yè)出版社， 2002 [18] 李輝 程原理與工程實訓(xùn) 京航空航天大學(xué)出版社， 2008 [19] 袁任光 S]械工業(yè)出版社， 2002 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 31 頁 共 38 頁 附錄 A 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 32 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 33 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 34 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 35 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 36 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 37 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 38 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 39 頁 共 38 頁