1. 研究目的与意义
PLC作为一种工业控制计算机,对步进电机具有良好的控制能力.传统的工业控制系统一般使用各种按钮、指示灯来控制、监视操作系统,但单纯的PLC控制系统不宜实现现场监控以及工艺参数的
现场设置和修改.若采用上位监控计算机与PLC通信的方式进行监控,则成本较高,人机界面由于具有操作简便、界面美观、节省控制面板空间、性价比高和人机交互性好等优点,得到了广泛的应用.
2. 国内外研究现状分析
步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，其特点是没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步距角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以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。因此在需要准确定位或调速控制时均可考虑使用步进电机。步进电机的种类步进电机按电磁设计一般分为：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），同时,按线圈激励设计的不同，步进电机可分为二相，三相和五相；按其传动设计方式，步进电机又有旋转型步进，直线型步进，以及带减速齿轮与不带减速齿轮之分。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5度或15度。反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰。混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相、四相和五相：两相步距角一般为1.8度而五相步距角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为1.8度、三相为1.5度、五相的为0.72度。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。步进电机的运行要有一个电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。
中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。当时应用最多的是线切割机，都是快走丝的。线切割机的X-Y平台丝杆就用步进电动机驱动。当时的图纸是全国公开，给个晒蓝图的费用就行了。原始的电路设计，机械设计，电动机设计的元老，应该有网友将他们的名字和个人简历，工作经历发上来。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。中国不是有不少电机专业、工业控制专业、数学系统先进控制专业的强人？这些问题应该他们来回答为准确，我是下岗无业者。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。
3. 研究的基本内容与计划
本设计的目的是利用plc和触摸屏实现步进电机的转速控制及脉冲输出，在触摸屏上设计监控界面，实现启停，转速调节，转速显示。该系统硬件由4个部分构成：控制器plc，人机界面触摸屏，步进电机驱动器和被控对象步进电机组成。系统软件设计：plc软件设计和触摸屏软件设计
完成该控制系统设计的具体骤。：
1.学习fp0-c32t控制器编程方法，了解硬件原理。
2.掌握松下gt10三色显示触摸式控制面板的使用。
3.步进电机选择及驱动电路设计。
4.进行plc程序设计，实现步进电机的驱动控制。
5.进行触摸屏的设计，实现与plc通信连接。
6.以触摸屏做为系统的操作画面，利用plc控制实现步进电机的启停、转速调节以及转速显示。
2016年
4. 研究创新点
步进电机的细分控制本质上是对步进电机励磁绕组中的电流进行控制，在普通驱动方式下，驱动电路只是通过对电动机绕组激磁电流的开和关，使步进电动机转子以其本身的步距角分步旋转。步进电动机靠定子、转子磁极间的电磁力来进行工作，当它处于双拍状态工作时，其定位位置是正好位于两通电磁极的中间，即依靠两通电磁极电磁吸引力的平衡而获得的。由此可以推论:如果能够进一步仔细地控制两磁极电磁吸引力的大小，使转子磁极获得更多种由于两相定子磁极的电磁吸引力差异而形成的平衡定位位置。步进电机细分驱动方式就是应用了这一原理，在细分驱动时，细分控制器通过控制各相激磁绕组电流的逐步增大及逐步减小，让转子处于多个磁力平衡状态使电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，实现步距角变小、电动机的旋转得到细化的目的。细分驱动方式下，由于步距角小，步进电机的控制精度明显提高，同时这种驱动方式又有效抑制低速运行中产生的噪声和振荡现象。
采用fpga控制步进电机，利用其中的eab可以构成存放电机各相电流所需的控制波形数据表和利用fpga设计的数字比较器可以同步产生多路pwm电流波形，对多相步进电机进行灵活的控制。当改变控制波形表的数据、增加计数器的位数，提高技术精度，从而可以对步进电机的步进转角进行任意细分，实现步进转角的精确控制。用fpga实现多路pwm控制，无须外接d/a转换器，使外围控制电路大大简化，控制方式简洁，控制精度高、控制效果好。用单片机和dsp的控制都难以达到同样的控制效果。
脉宽调制式(pwm)细分驱动电路是把d/a输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端，脉宽调制电路将输入的控制电压转换成相应脉冲宽度的矩形波，通过对功放管通断时间的控制，改变输出到电机绕组上的平均电流。由于电机绕组是一个感性负载，对电流有一定的滤波作用，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大于20khz，因此，虽然是断续通电，但电机绕组中的电流还是较平稳的。和斩波式细分驱动电路相比，脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高，工作频率稳定，它的作用是将给定的电压信号调值制成接近连续的信号，角速度的波动也随着细分数的增大而减小，一般角速度波动与步距角成正比，与细分数成反比。因此，在此研究中，我们选用脉宽调制式细分驱动电路。
