江西理工大学应用科学学院课程设计 目录 摘要??????????????????????????????????2 章 引言?????????????????????????????3 第二章 系统总体方案设计???????????????????????4 2.1 程序设计的基本思路????????????????? 4 2.2 五相步进电动机的控制要求???????????????4 2.3 方案原理分析?????????????????????4 2.3.1 2.3.2 功能要求??????????????????? 4 性能要求??????????????????? 5 第三章 PLC 控制系统设计??????????????????????? 6 3．1 输入输出编址?????????????????????6 3.2 选择 PLC 类型?????????????????????6 3.3 PLC 外部接线图????????????????????7 3.4 控制流程???????????????????????7 3.5 梯形图程序设计????????????????????8 3.5.1 步进控制设计??????????????????9 3.5.2 梯形图设计???????????????????11 3.6 语句表????????????????????????17 3.7 主电路图???????????????????????18 3.8 电机正反转控制图???????????????????18 3.9 元件清单???????????????????????19 3.10 元件布置图????????????????????? 19 总结?????????????????????????????????? 20 参考文献????????????????????????????????20 · 1 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 摘要 步进电机是一种控制精度极高的电机, 在工业上有着广泛的应用。步进电动机具有 快速起停、步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。 基于 PLC 控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。矩角 特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行 不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。本文主要是介绍采 用可编程控制器(PLC) 对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。本文 详细的介绍了用 PLC 控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。两相步进电机其内容主要包 括 I/O 地址分配、PIC 外部接线图、控制流程图、主电路图、梯形图、元件清单以及语 句表。本文设计过程中使用了十六位移位寄存器，大大简化了程序的设计，使程序更间 凑，方便了设计。在实际应用中表明此设计是合理有效的。 关键词: PLC；梯形图；元件清单；五相十拍步进电机 2 江西理工大学应用科学学院课程设计 章 引言 步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控 制系统和精密机械等领域。步进电动机具有快速起停、步进和定位等特点，所以常 用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。目前，比较典型的控制方法是用单片机产生 脉冲序列来控制步进电机。但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和 I/O 接口 电路，实现比较麻烦。基于 PLC 控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计 置灵活等优点。步进电机步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、 打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。矩角特性是步进电机运行时一个很 重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，两相步进电机运行不易失步。改善矩角特性一般 通过增加步进电机的运行拍数来实现。 · 3 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 第二章 系统总体方案设计 2.1 程序设计的基本思路 在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于 CPU 对程序的串行扫 描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，长可达两个扫 描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基 础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同， 控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好 的柔性。以 SIMATIC 移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设 计要求。 2.2 五相步进电动机的控制要求： 1．五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E , 正转顺序: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB 反转顺序: ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB 2．用五个开关控制其工作： 1 号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。 2 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 秒)。 3 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 秒)。 4 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.03 秒)。 5 号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。 2. 3 方案原理分析 2.3.1 功能要求 对五相六拍步进电机的控制，主要分为两个方面：五相绕组的接通与断开顺序控制。 正 转 顺 序 ： ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB 反 转 顺 序 ： ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB 以及每个步距角的行进速 度。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下： （1） 可正转或反转； （2） 运行过程中，正反转可随时不停机切换； （3） 步进三种速度可分为高速（0.05S） ，中速（0.3S）,低速（0.5S）三档，步进电机并可随时 手控变速； 4 江西理工大学应用科学学院课程设计 2.3.2 性能要求 在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。另一方面，同一控制对象， 根据生产的工艺流程不同， 控制要求或控制时序会发生变化， 此时， 要求程序修改方便、 简单，即要求程序有较好的柔性。 · 5 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 第三章 PLC 控制系统设计 3．1 输入输出编址 控制步进电机的个输入开关及控制 A、B、C、D、E 五相绕组工作的输出端在 PLC 中的 I/O 编址如表 1 所示。 表1 输入点 元件名称 启/停开关 0.5s 低速运行开关 0.1s 中速运行开关 0.03s 高速运行开关 控制转向开关 符号 SB1 SB2 SB3 SB4 QS 地址编码 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 元件名称 A 绕组 B 绕组 C 绕组 D 绕组 E 绕组 I/O 地址分配表 输出点 符号 A B C D E 地址编码 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 3.2 选择 PLC 类型 根据上图的 I/O 分配表通过查阅手册选择 S7-200 CPU222 基本单元（8 入/6 出）1 台 3.3 PLC 外部接线图 PLC 外部接线图的输入输出设、 负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求 来设定。步进电动机采用五相十拍控制外部接线 江西理工大学应用科学学院课程设计 CPU222 1M SB1 SB2 SB3 SB4 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 2M QS I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 M L+ DC24V N L1 FU 220V AC 2L Q0.3 Q0.4 Q0.5 D E 1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 A B C 图 3—1 步进电动机采用五相十拍控制外部接线 控制流程图 由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图 3—2 所示。以 工作框图为基本依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分为 4 个模块进 行编程，即模块 1：步进速度选择；模块 2：起动、停止；模块 3：正转、反转；模块 4： 移位控制功能模块；模块:5：A、B、C、D、E 五相绕组对象控制。然后，将各模块进 行连接，后经过调试、完善、实现控制要求。 · 7 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 开始 首次选择步进速度 启/停 正转或反转 位移寄存器赋初值 低 速 中 速 高 速 发出位移脉冲 执行位移 位移输出控制电机步进 N 十拍计数 Y 图 3—2 控制流程图 8 江西理工大学应用科学学院课程设计 3.5 梯形图程序设计 3.5.1 步进控制设计 采用移位指令进行步进控制。首先指定移位寄存器 MW0，按照五相十拍的步进顺 序，移位寄存器的初值见表 2。 表 2 移位寄存器初值 M1.1 M1.0 M0.7 1 0 0 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.1 M0.0 0 0 0 0 0 0 每右移 1 位，电机前进一个布局角（一拍） ，完成十拍后重新赋初值 其中 M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6 和 M1.7 始终为“0” 。据此，可作出移位寄存器 输出状态及步进电机正反转绕组的状态线 所示。从而得出五相绕组 的控制逻辑关系式： 正转时 A 相 Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0 B 相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0 C 相 Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5 D 相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3 E 相 Q0.4= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1 反转时 A 相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0 B 相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0 C 相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0 D 相 Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2 E 相 Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.5+M0.4 · 9 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 表 3.1 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转） 移位寄存器 MW0 M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 A B 正转 C D E 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 表 3.2 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转） 移位寄存器 MW0 M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 A B 反转 C D E 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 10 江西理工大学应用科学学院课程设计 3.5.2 梯形图设计 启停使用单按钮控制。梯形图设计如下，首先，按 SB2(SB3 或 SB4)初次选择一种 步进速度， 五相步进电动机的速度由定时器 T33 控制，把三个值 50、10、3 分别送到 VW100 可得到低速、中速、步进电机高速三种速度。再按 SB1，M2.0 得电，移位寄存器赋初值， 电机开始转动，且定时器开始计时，到设定值时，T33 得电动作，移位寄存器值右移一 位，C21 计数一次，然后 T33 重新计时。计数十次后动作 C21 使移位寄存器重新赋值， 依次循环。QS 控制正反转，ON 时 I0.4 得五相步进电动机正转，OFF 时 I0.4 失电五相 步进电动机为反转。再按一下 SB1 ，C20 动作，M20 失电，C21 复位电机停止转动。 · 11 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 12 江西理工大学应用科学学院课程设计 · 13 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 14 江西理工大学应用科学学院课程设计 · 15 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 16 江西理工大学应用科学学院课程设计 3.6 语句表 · 17 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 3.7 主电路图 3.8 电机正反转控制图 18 江西理工大学应用科学学院课程设计 3.9 元件清单 控制主电路器件清单 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 CPU222XP M FU SB QS KM KT FR 名称 PLC 步进电机 熔断器 按钮开关 刀开关 交流接触器 时间继电器 断路器 型号 6ES7214-2BD23-0XB8 86BYGH5430 rm10 la19-11d HD11F-100A/38 CJX2-0901 H3Y-2 5SJ6320-7CC20 单位 台 台 个 个 个 个 个 个 数量 1 1 2 5 1 2 4 1 单价 1900 360 3.9 2.6 50 20.5 12.5 105.3 总价（元） 1900 360 7.8 13 50 41 50 105.3 3.10 元件布置图 · 19 五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试 总结 通过学习 PLC 理论课程后， 在做课程设计能检测我的学习成果和知道自己的不足， 此次设计每个人一个题目。由于平时大家都是学理论，没有过实际设计和调试的经验， 拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我基本学会了 PLC 设计的 步聚和基本方法。也锻炼了自己独立做事的能力，怎么去查找资料，怎么去利用手中的 资料，怎么样很好的写一篇 PLC 论文。 在这次设计实践之中，我学会了 PLC 的基本编程方法，对 PLC 的工作原理和使用方 法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设 计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视。在课程设计过程中我 了解到，PLC 并不是一门单一的编程技术，它是一门系统专业课程。两相步进电机PLC 可以广义的认 为是一台背嵌入操作系统的高可靠性 PC 机。首先需要精深 PLC 本身的编程语言梯形图、 语句表语言。然后根据程序在实验室进行调试，使其达到预期的程度。后，依照调试 结果写论文。不断的锻炼自己的动手和思维能力。 在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做 大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以 后的工作积累了经验，增强了信心。 参考文献 [1]张万忠 刘明芹 电器与 PLC 控制技术 [2]程子华，PLC 原理与实例分析. [3]廖常初，PLC 编程及应用. [4]高钦和，可编程控制器应用技术及其设计实例. 20 江西理工大学应用科学学院课程设计 · 21
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