基于PLC三相步進電動機控制系統(tǒng)設計(三相步進電動機PLC控制系統(tǒng))

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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 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)外關于步進電機和 應用狀況 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?？刂粕婕暗綑C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 用步進電機時應該十分注意以下一些指標。 （ 1） 步進電機的靜態(tài)指標術語 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）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關。 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，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)指標及術語 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，四拍運行時應在 5%之內(nèi)，八拍運行時應在 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，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（ 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。 當前最有發(fā)展前景的當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。隨著電動機本身應用領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)字設備公司（ 制的。限于當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，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。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)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設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)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了 應用。 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 ,是指以計算機技術為基礎的新型工業(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)境下應用而設計的數(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。 其有關的外圍設備都應該按易于與工業(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備的關鍵性能。 于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用優(yōu)質(zhì)的電子元件與合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計，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。在應用軟件中，應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)設計說明書（論文） 第 6 頁 共 38 頁 設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，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設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備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程。 （ d） 易學易用，深受工程技術人員歡迎 面向工礦企業(yè)的工業(yè)控制設備。接口簡單容易，編程語言易于為工程技術開發(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備。 （ 3） 目前， 國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、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)設計說明書（論文） 第 7 頁 共 38 頁 在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，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≈票怼?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用。 （ d） 通信及聯(lián)網(wǎng) 信含 的通信及 其它 智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各 商都十分重視 紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 信非常方便。如果需要遠程控制，可以利用終端服務器進行遠程控制。 可以預期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入， 我國將有更廣闊的應用天地。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。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，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、完備的通信設備會更好地適應 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用。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 9 頁 共 38 頁 2 基于 步進電機控制系統(tǒng)設計 系統(tǒng)的組成及功能 本設計中使用的 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)）和頻率成一一對應關系。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? 。 脈沖和角度的關系 (1) 步距角：對應一個脈沖信號，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 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) 頻率關系和轉(zhuǎn)速的關系 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 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。 功能介紹 用范圍可覆蓋從替代 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 13 頁 共 38 頁 繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。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)程序設計 控制流程分析 此設計使用開環(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)設計說明書（論文） 第 15 頁 共 38 頁 復位頻率和運行頻率的關系 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)設計說明書（論文） 第 19 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設計說明書（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；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，不同的硬盤還設計了不同的磁頭鎖定機構(gòu)，當硬盤不工作或盤片沒有達到預定轉(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，還設計有磁頭限位裝置 ，如圖 本科畢業(yè)設計說明書（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，所以本課題的關鍵是通過 圖 磁頭讀寫動作示意圖 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 24 頁 共 38 頁 4 難題及解決過程 在設計過程中，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，在反復驗證和詢問老師后，才發(fā)現(xiàn)是操作錯誤，應該先給啟動頻率 ，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、細心幫忙和自己的努力，我終于順利完成畢業(yè)設計，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習 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)深入掌握所學的東西，甚至都可能用不到所學知識，所以在以后步入社會的具體工作中，要學會發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，甚至配合團隊解決攻關。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 29 頁 共 38 頁 致 謝 在整個畢業(yè)設計過程中，不僅有我個人的努力，而且有老師和同學的大力幫助和支持，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，在反復驗證和詢問老師后，才發(fā)現(xiàn)是操作錯誤，應該先給啟動頻率，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致以最衷心的感謝！ 感謝宿舍同學在學習生活中的熱心幫助，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業(yè)。 謹以此機會向所有給予我關心、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， 2002 [15] 吳中俊 M]械工業(yè)出版社， 2003 [16] 馬小軍 M]南大學出版社， 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 京航空航天大學出版社， 2008 [19] 袁任光 S]械工業(yè)出版社， 2002 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 31 頁 共 38 頁 附錄 A 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 32 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 33 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 34 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 35 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 36 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 37 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 38 頁 共 38 頁 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 39 頁 共 38 頁