五相十拍步进电动机控制程序设计与调试_电子/电路_工程科技_专业资料。两相步进电机内容摘要 步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。步进 电动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

　　内容摘要 步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。步进 电动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 2/3 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。其内容主要包括 I/O 地址分配、PIC 外部接线图、控制流程图、梯形图以及语句表。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，使程序更紧凑，方便了设计。 关键词: 步进电动机；总体方案；梯形图；调试过程 目 录 内容摘要 ................................................................................................................................. 0 第 1 章 引言 .......................................................................................................................... 1 1．1 步进电动机简介 ...................................................................................................... 1 1．2 设计任务及要求 ...................................................................................................... 1 1.2.1 控制要求 ......................................................................................................... 1 1.2.2 功能要求 ......................................................................................................... 2 1.2.3 性能要求 ......................................................................................................... 2 第 2 章 系统总体方案设计 .............................................................................................. 3 2．1 设计的基本思路 ....................................................................................................... 3 2．2 方案原理分析 ........................................................................................................... 3 2.2.1 步进电动机的驱动控制 ................................................................................ 3 2.2.2 步进电动机的调速控制 ................................................................................ 4 2.2.3 步进电动机的转向控制 ................................................................................ 4 第 3 章 PLC 控制系统设计 ............................................................................................... 5 3.1 步进控制设计 ............................................................................................................. 5 3.2 控制流程图 ................................................................................................................. 7 3.3 输入输出编址 ............................................................................................................. 8 3.4 选择 PLC 类型 ............................................................................................................ 8 3.5 PLC 外部接线图 .......................................................................................................... 8 3.6 梯形图程序设计 ......................................................................................................... 9 3.7 控制语句表 ............................................................................................................... 14 3.8 程序的调试 ............................................................................................................... 17 结 论 ...................................................................................................................................... 20 设计总结 ............................................................................................................................... 21 致 谢 ...................................................................................................................................... 22 参考文献 ............................................................................................................................... 23 1 第 1 章 引言 1．1 步进电动机简介 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，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。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况 下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影 响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步 进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电 机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在 常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此 用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 1．2 设计任务及要求 1.2.1 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)。 1 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 )。 1.2.2 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 两个主要方面，可提出具体的控制要求如下： （1） 可 转 反 ； 正 或 转 （2） 运 过 中 正 转 随 不 机 换 行 程 ， 反 可 时 停 切 ； （3） 步 三 速 可 为 速 0.03S） 中 （ 进 种 度 分 高 （ ， 速 0.1S） 速 0.5S） 档 并 随 手 变 ； ,低 （ 三 ， 可 时 控 速 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 1.2.3 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。 2 第 2 章 系统总体方案设计 2．1 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 方案原理分析 2.2.1 步进电动机的驱动控制 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，它实际上是一种 多相或单相同步电动机。使用步进电动机时，只需要将单路单脉冲信号先通过脉冲分配 器转变为电动机所需的多路（单路）单脉冲信号，再经功率放大后分别送入电动机各相 绕组，即可使步进电动机准确运行。如图 2-1 所示，由于微机控制系统的输出脉冲电流 往往是毫安级的，而步进电动机的电子绕组需要很大的电流才可以驱动其旋转，所以要 使用功率放大器来驱动。 指令 PLC 功率放大器 驱动步进电动机 图 步 电 机 驱 控 2-1 进 动 的 动 制 每当一个脉冲信号施于步进电动机的控制绕组时，其转轴就会转过一个步距角，从 而可以转换为角位移或线位移来带动负载。 本课程设计采用移位寄存器 MW0 的 M0.0 到 M1.1 的状态来触发后续的线， 再通过移位指令和循环指令使 M1.1 到 M0.0 依次置位， 再根 3 据真值表的状态来驱动各相绕组的通断电，从而来控制 CP 脉冲的频率，能够准确地控 制电动机步进。 2.2.2 步进电动机的调速控制 在步进电动机的转速控制中，采用软件延时法，在每次换相后，调用一个延时子程 序，待延时结束后再次换相。这样周而复始，即可发出一定频率的 CP 脉冲，从而控制 步进电动机按照某一确定的转速运转。可以计算得出，延时子程序的延时时间与换相子 程序所用时间的和即是 CP 脉冲的周期，也是步进电动机的步进频率的倒数。 2.2.3 步进电动机的转向控制 根据寄存器 MW0 的后十位的状态能制定正反转的电机绕组状态的真值表，从而通过 控制各相电枢绕组的通电顺序来控制电动机的转向。 4 第 3 章 PLC 控制系统设计 3.1 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 3-1。 表 移 寄 器 值 3-1 位 存 初 M1.1 1 M1.0 0 M0.7 0 M0.6 0 M0.5 0 M0.4 0 M0.3 0 M0.2 0 M0.1 0 M0.0 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 5 表 3-2 移 寄 器 出 态 步 电 绕 状 真 表 正 ） 位 存 输 状 及 进 机 组 态 值 （ 转 移 寄 器 位 存 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 3-3 移 寄 器 出 态 步 电 绕 状 真 表 反 ） 位 存 输 状 及 进 机 组 态 值 （ 转 移 寄 器 位 存 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 6 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 3.2 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 3-1 所示。 开 始 选择步进速度 选择正转或反转 启动 移位寄存器赋初值 移位寄存器循环移位 发出移位脉冲 驱动电动机步进 Y 十拍计数 N 停止 图 3-1 五相 2/3 十拍步进电动机控制流程图 7 由上图 3-1 可知，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：正转、反转；模 块 3：起动、停止；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，两相步进电机后经过调试、完善、实现控制要求。 3.3 输入输出编址 控制步进电机的 5 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 3-4 所示。 表 3-4 I/O 地址分配表 输 点 入 元 名 件 称 低速运行常开按钮 中速运行常开按钮 高速运行常开按钮 启 转 开 /停 换 关 正反转转换开 关 符 号 SB1 SB2 SB3 QS1 QS2 地 编 址 码 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 元 名 件 称 A绕 组 B绕 组 C绕 组 D绕 组 E绕 组 输 点 出 符 号 A B C D E 地 编 址 码 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 3.4 选择 PLC 类型 根据上图的 I/O 分配表，有 5 个输入 5 个输出，通过查阅手册可知，S7-200 CPU222 有 8 个输入 6 个输出，故选择 S7-200 CPU222 基本单元 1 台 3.5 PLC 外部接线图 PLC 外部接线图的输入输出设备、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 图 步 电 机 用 相 拍 制 部 线 进 动 采 五 十 控 外 接 图 3.6 梯形图程序设计 梯形图设计如下，首先，按 SB1、SB2 或 SB3 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、高速三种速度。再打开转换开关 QS1，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，C20 计 数一次，然后 T33 重新计时。计数十次后动作 C20 使移位寄存器重新赋值，依次循环。 转换开关 QS2 控制正反转， 时 I0.4 得五相步进电动机正转， ON OFF 时 I0.4 失电五相步 进电动机为反转。关掉转换开关 QS1 时，M20 失电，C20 复位，电机停止转动。 9 10 11 ① ② 12 ①
② 13 3.7 控制语句表 指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器基础的编 程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种 操作功能，语句表通常和梯形图配合使用，互为补充。将该控制系统的梯形图转化为语 句表如下所示： 14 15 16 3.8 程序的调试 1．利用 S7 200 仿真软件来对本程序进行调试，调试步骤如下： 步．硬件的选择：在菜单中点击“配置” ，选择 CPU 型号为 222 类型，运行结 果如图。 第二步．生成 ASCII 文本文件：在 STEP7-MicroWin 中打开编译成功的 OB1 文件， 点击菜单命令 “文件” ，选择“导出” 。 第三步．下载程序：执行菜单命令“文件” ，选择“下载程序” ，再选中生成的 ASCII 文件，确定即可。 第四步．模拟调试程序：点击“运行”按钮，再按“监控”按钮进行状态监控，再 进行各种控制要求的调试运行。 2．运行结果 （1）选择 CPU 型号，运行结果如图 3-3 所示 图 选 CPU型 3-3 择 号 17 （2）下载编好的程序，点击运行、监控，运行结果如图 3-4 所示 图 运 监 3-4 行 控 （3） 电机正转，中速运行，再启动开关后的运行结果如图 3-5 所示 图 中 正 3-5 速 转 18 （4）电机正转，低速运行结果如图 3-6 所示 图 3-6 低速正转 （5）电机反转，中速运行结果如图 3-7 所示 图 3-7 中速反转 19 结 论 这次课程设计对我们而言是对所学课程内容掌握情况的一次自我验证，对所学内容 的综合应用能力的检验，它培养和训练了我们的编程以及调试能力，进而提高了我们对 学习和应用相关专业知识的兴趣。通过本次设计我们的能力得到了锻炼，因而有着极其 重要的意义。 本次课程设计的内容是五相 2/3 十拍步进电动机控制程序的设计与调试，针对现在 的 PLC 技术，实现一些设计。我们还应该加强 PLC 语句的练习，要能够运用自如。此外 还应掌握 PLC 的外部接线方法。 通过这次设计，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， 我们对知道的掌握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序用 到 PLC 中的时候，问题就出现了，不是不能运行，就是和运行的结果和要求的结果不相 符合。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，它是一门系列专 业课程。首先要学好 PLC 本身的编程语言梯形图，语句表语言，达到这个水平你才能读 懂程序，进而可以设计一些工程学要求的程序。 在这次课程设计过程中也遇到了不少的问题和困难。我们大家在一起讨论时，常会 发生一件分歧，还有重要的一点就是大家的基础知识不够扎实，使得设计进度缓慢，必 须不断的在书本上学习新的知识来弥补不足等。 但幸运的是， 随着课程设计的逐步进行， 我们对种种问题进行了研究解决，终才获得了预期的成果。 20 设计总结 机电控制技术是一门侧重应用方向的学科。所以要多一点实践。不要看不起小的项 目，在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。 在学完 PLC 理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一 个题目。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，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。我们基本学会了 PLC 设计的步聚和基本方法。 分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。 通过这次设计实践。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，我们知道的都是思想上的，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。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。达到这个水平你只能读懂编好的程序，并可以设计一些工程需要程序。在一些大 型程序中还需要用到数据库的知识，LC 入门很快但要不断进取努力。 通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很多同学都 没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的 部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家 积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的 方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出的方案。在这过程也提 高了我们的表过能力。 在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问 题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，因而做事要学思结合。 21 致 谢 本次课程设计在研究过程中，王宗才老师多次询问研究进程，设计过程中给予了我 很大的指导和帮助，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师以其严谨求实的 治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、两相步进电机孜孜以求的工作作风和创新的进取精神对我产 生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。在他的引导 下，我认识了有了设计的思路，极大的开拓了我的学术视野，也为本篇设计打下了理论 基础。 在这次设计中老师又给我提出了许多宝贵的意见。虽然我遇到了许多困难，但是我 及时地和老师讨论这些问题，终问题都迎刃而解了。减少了我在这次设计中的困惑和 完成时间。在论文撰写方面更是给予了方向性的指导和建设性的意见和建议。 后感谢在大学三年半期间，传授我知识的老师们，感谢在学习和生活上给予我帮 助的同学们，没有他们的帮助就没有我今天的成绩。经过两周的学习，本次课程设计已 经接近尾声，作为一个在校学生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，毕 竟这次设计是我次进行电气全面和系统的设计，疏漏和不足之处在所难免，可能存 在许多细节未做到及时处理，请老师指正，以帮助我不断提高，不断进步。我相信通过 这次全面系统的设计以及在这个过程中各位老师的不断点拨，在今后的工作中我一定会 做到更好。 22 参考文献 [1] 王宗才.机电传动与控制.北京：电子工业出版社， 2011：247-260 [2] 程宪平.机电传动与控制.华中科技大学出版社，2003：102-110 [3] 吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用.机械工业出版社，2003：57-66 [4] 陈立定，苏开才.电气控制与可编程控制器.华南理工大学出版社.2001：42-45 [5] 陈立定.电器控制与可编程控制器.广东：华南理工大学出版社，2001：35-37 [6] 吴中俊，黄永红.可编程程序控制器原理及应用.北京：机械工业出版社，2003:7-9 [7] 于庆广.可编程控制原理与系统设计.北京：清华大学出版社.2004:210-214 [8] 史国生.电器控制与可编程控制器技术.北京：化学工业出版社，2003：235-239 [9] 李媛.PLC原理与应用.北京：北京邮电大学出版社，2009：7-15 [10] 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2008：9-12 23
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