基于PLC的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

1、學(xué)號(hào)學(xué)校代碼密級(jí)分類號(hào)本科畢業(yè)論文基于plc的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)題 目(中、英文)control system for stepping motor based on plc摘 要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。它能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用plc控制?；趐lc控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，定位精度高，參數(shù)設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過程控制中使用，可靠性高，監(jiān)控方便。本論文詳細(xì)討論了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理以及控制方法，介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用plc控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種以plc為核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。應(yīng)用step7-

2、micro/win32軟件編程環(huán)境進(jìn)行plc軟件編程，給出了軟件程序流程圖和軟件仿真結(jié)果。此控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)三相單三拍、三相六拍運(yùn)行方式和正、反轉(zhuǎn)的控制。關(guān)鍵詞: 步進(jìn)電機(jī)；plc；控制系統(tǒng)abstractstepping motors is a signal into electrical impulses into linear displacement or angular displacement executive components. it can directly will digital pulse signals are converted to angular di

3、splacement, very suitable for adopting plc control. based on plc control of stepping motor is simple in design, realization convenient, higher precision, parameters settings, flexible, and other advantages in industrial process control is used, high reliability, monitoring is convenient. this thesis

4、 discussed in detail the stepping motor control method, working principle and control system is introduced and its software and hardware design scheme of the realization method. plc control technology, designed a plc as the core of the stepping motor control system. applied micro/step7 - win32 softw

5、are programming environment, and gives the plc software programming software program flowchart and software simulation results. the control system can realize step-motor three-phase single three clap, three-phase three-phase six-step double three clap, clap operation mode and positive, the reversal

6、of the control. key words: step motor; programmable logic controller; control system目 錄1 引言12 步進(jìn)電機(jī)工作原理及其控制方法12.1 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介12.2 步進(jìn)電機(jī)的分類12.3 步進(jìn)電機(jī)工作原理22.4步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式33 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理和組成43.1 步進(jìn)電機(jī)控制方法43.2 控制系統(tǒng)的組成53.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)53.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制方式實(shí)現(xiàn)64 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)64.1 cpu224的簡(jiǎn)介64.2 輸入/輸出端子地址分配75 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)95.1 西門子pl

7、c cpu224常用編程軟元件的功能及使用方法105.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的編程實(shí)現(xiàn)115.2.1 運(yùn)行控制方式選擇115.2.2 三相單三拍運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)125.2.3三相六拍運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)136 實(shí)驗(yàn)136.1 軟件調(diào)試步驟和方法136.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果147 結(jié)論14參考文獻(xiàn)16附 錄17謝 辭21iii咸陽(yáng)師范學(xué)院2011屆本科畢業(yè)論文1 引言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種由電脈沖控制的特殊同步電動(dòng)機(jī)，其作用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或線位移1。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，是自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件，如在數(shù)控機(jī)床、打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人控制等場(chǎng)合都有應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移或線

8、位移與脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速n或線速度v與脈沖頻率f成正比。在負(fù)載范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小以及環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。因而適用于在開環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，使控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速；能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。本文的較詳細(xì)地講述了三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理和多種工作方式,通過用plc編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng),為進(jìn)一步在實(shí)踐中應(yīng)用打下較好的基礎(chǔ).2 步進(jìn)電機(jī)工作原理及其控制方法2.1 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受脈沖負(fù)載變化

9、的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的2。在同一相脈沖持續(xù)輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于自鎖狀態(tài)。因此步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，實(shí)現(xiàn)循環(huán)性運(yùn)動(dòng),所以特別適合于plc控制。2.2 步進(jìn)電機(jī)的分類按其勵(lì)磁方式分反應(yīng)式、永磁式和永磁感應(yīng)式三種：(1) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：采用高導(dǎo)磁材

10、料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差，消耗功率較大，斷電后無定位力矩。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是在實(shí)際中應(yīng)用最多的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(2) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是7.50。它的出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角一般比較大。消耗功率小、斷電時(shí)有定位力矩，但步距角較大、啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)頻率較低并需要正負(fù)電源供電。(3) 永磁感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)：其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。兼有前兩種電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，

11、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要正負(fù)電源供電。在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)3。按其勵(lì)磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相等。2.3 步進(jìn)電機(jī)工作原理永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，現(xiàn)以最常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例來分析其工作原理與運(yùn)行方式。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊成。其定子相數(shù)m一般為2、3、4、5、6，定子磁極個(gè)數(shù)為2m，每個(gè)磁極上套著該相控制繞組。圖1是一臺(tái)三相六極反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其定子上有六個(gè)極，每極上都繞有線圈，并將相對(duì)的極上的繞組連在一起組成電機(jī)的一個(gè)相。轉(zhuǎn)子圓周上均勻的分布4個(gè)齒且齒上無繞組。當(dāng)a相繞組通電時(shí)，因磁通總是要沿著磁阻最小的路徑

12、閉合，故使轉(zhuǎn)子齒l、3和定子極a相對(duì)齊，如圖1（a）所示。a相斷電，b相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過角，30，使轉(zhuǎn)子齒2、4和定子極b相對(duì)齊，如圖1（b）所示。如果再使b斷電，c相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子又將在空間轉(zhuǎn)過30角，使轉(zhuǎn)子齒l、3和定子極c相對(duì)齊，圖1（c）所示。如此循環(huán)往復(fù)，并按abca的順序通電，電動(dòng)機(jī)便按一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由繞組與電源接通或斷開的變化頻率控制。若按acba的順序通電，則電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1 三相單三拍步進(jìn)運(yùn)行定義每個(gè)小齒所占有的角度為齒距角： （2-1）式中 轉(zhuǎn)子的齒數(shù)電動(dòng)機(jī)定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的空間角度稱為步距角。上述通電

13、方式稱為三相單三拍?！皢巍笔侵该看瓮姇r(shí)，只有一相繞組通電；“三拍”是指經(jīng)過三次切換繞組的通電狀態(tài)為一個(gè)循環(huán)，第四拍通電時(shí)就重復(fù)第一拍通電的情況。三拍為一個(gè)循環(huán)，一個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)一個(gè)齒距角，顯然，在這種通電方式時(shí)，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角應(yīng)為30。每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角 （2-2）式中：n步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中通電循環(huán)的拍數(shù)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)除了單三拍通電方式外，還經(jīng)常以三相雙三拍和三相六拍的方式運(yùn)行，“雙”是指每拍是兩相繞組通電。三相雙三拍運(yùn)行方式有：abbccaab（正轉(zhuǎn)）或accbbaac（反轉(zhuǎn)）；三拍為一個(gè)循環(huán)，一個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)一個(gè)齒距，其步距角和齒距

14、角與三相單三拍運(yùn)行方式相同。但是，雙三拍的每一步平衡點(diǎn)，轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)相反方向的轉(zhuǎn)矩而平衡，振蕩弱，穩(wěn)定性好。三相雙三拍方式運(yùn)行即每次通電有兩相繞組通電，其步距角為30。三相六拍的通電順序?yàn)椋篴abbbcccaa或?yàn)閍acccbbbaa。也就是說，先接通a相繞組，轉(zhuǎn)子齒l、3和定子極a相對(duì)齊，如圖1（a）所示；接著再同時(shí)接通a、b相繞組，轉(zhuǎn)子的位置應(yīng)使a，b兩對(duì)磁極所形成的兩路磁通，在氣隙中所遇到的磁阻達(dá)到同樣的最小，此時(shí)a，b兩極與轉(zhuǎn)子齒相互作用的磁拉力的大小相等且方向相反，轉(zhuǎn)子將在空間轉(zhuǎn)過/2角即15，如圖2（a）所示；然后斷開a相繞組，使b相繞組單獨(dú)接通，如圖1（b）所示；再同時(shí)接通b、c

15、相繞組，如圖2（b）所示，依此進(jìn)行。在這種通電方式時(shí)，定子三相繞組需經(jīng)過六次切換才能完成一個(gè)循環(huán)，故稱為“六拍”，而且在通電時(shí)，有時(shí)是單個(gè)繞組接通，有時(shí)又為兩個(gè)繞組同時(shí)接通，因此亦稱為“三相單、雙六拍”。在這種通電方式時(shí)，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角應(yīng)為15，其具有帶負(fù)載能力增加的優(yōu)點(diǎn)9。圖2 三相雙三拍步進(jìn)運(yùn)行3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理和組成3.1 步進(jìn)電機(jī)控制方法根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，可知步進(jìn)電機(jī)的角位移量與控制脈沖的個(gè)數(shù)成正比，角速度與控制脈沖的頻率成正比，旋轉(zhuǎn)方向與各相繞組通電順序有關(guān)。因此步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，必須能控制步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組電信號(hào)的通電斷電變化頻率、脈沖數(shù)和通電順序。步進(jìn)電

16、機(jī)的控制方式 如果通過按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖角度的轉(zhuǎn)換10。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方向與脈沖順序有關(guān)。以轉(zhuǎn)子帶有四個(gè)齒的三相步進(jìn)電機(jī)為例，列表說明步進(jìn)電機(jī)的控制原理。表3-1 三相單三拍方式三相繞組正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)abcabct1100001t2010010t3001100表3-2 三相雙三拍方式三相繞組正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)abcabct1110101t2011011t3101110表3-3 三相六拍三相繞組正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)abcabct1100100t2110101t3010001t4011011t5001010t61011

17、10注意：t1-t6表示脈沖周期；a、b、c表示電機(jī)各相；1表示此時(shí)有一個(gè)脈沖（對(duì)應(yīng)電機(jī)繞組接通），0表示沒有脈沖（對(duì)應(yīng)電機(jī)繞組斷開）。3.2 控制系統(tǒng)的組成3.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)plc控制器脈沖控制輸出驅(qū)動(dòng)電路指 令電 源步進(jìn)電機(jī)負(fù) 載圖3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，各個(gè)部分的功能如下：(1) plc控制器：將plc與外接開關(guān)連接。它根據(jù)指令將脈沖按一定的順序加在功率放大電路的控制極上來控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通斷，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制，這是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。(2) 驅(qū)動(dòng)電路：由于plc輸出的電流只有幾毫安，而一般的步進(jìn)電機(jī)需要幾安到幾

18、十安的電流。因此只有plc的輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟛拍苋ヲ?qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)功率開關(guān)電路，可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，提供的足夠功率的控制信號(hào)。3.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制方式實(shí)現(xiàn)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的plc控制中， 控制信號(hào)由plc產(chǎn)生。其基本控制作用如下12。(1) 步距角度的控制三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同的工作方式下，其步距角也是不同的。當(dāng)為三相單三拍的工作方式時(shí)，其各相通電的順序?yàn)閍 -b -c -a，當(dāng)為三相六拍工作方式時(shí)，其各相通電的順序?yàn)閍-ab-b-bc-c-ca-a。根據(jù)本文中公式2-2可知，單三拍工作方式下，步距角大，而六拍工作方式下，步距角小。

19、 (2) 控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向通過前面介紹的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理我們己經(jīng)知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就正轉(zhuǎn);如果按反序通電換相，則電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。 例如，三相步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)在單三拍方式， 通電換相正序是a -bc-a ，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn); 如果按反序a-c-b-a ，電動(dòng)機(jī)就反轉(zhuǎn)。 (3) 控制電動(dòng)機(jī)的速度如果給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一個(gè)角度。兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間越短， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。 因此， 輸出脈沖的頻率決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整plc發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。4 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件的核心是可編程控制器（plc），p

20、lc選用西門子公式的整體式cpu224，其具有可靠性高、功能強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。4.1 cpu224的簡(jiǎn)介 電源中央處理器（cpu）用戶程序存儲(chǔ)器系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器特殊擴(kuò)展單元i/o擴(kuò)展單元輸入單元用戶輸入設(shè)備外設(shè)接口輸出單元用戶輸出設(shè)備i/o擴(kuò)展接口編程器上位計(jì)算機(jī)eprom寫入器可編程終端ptplc圖4 整體式plc的組成示意圖西門子cpu224是一種整體式的plc，其組成示意圖如圖4所示。整體式機(jī)構(gòu)的plc是將中央處理單元（cpu）、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信端口、i/o端口等組裝在一個(gè)箱體內(nèi)構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的i/o擴(kuò)展單元等與主機(jī)配合使用。整體機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，小型機(jī)和微

21、型機(jī)常采用這種結(jié)構(gòu)。西門子cpu224是s7200系列plc中的典型產(chǎn)品，它的基本單元有14個(gè)開關(guān)量輸入口和10個(gè)輸出口，最大可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，能夠方便地處理開關(guān)量、模擬量，并具有7個(gè)pid回路控制功能。cpu224具有很強(qiáng)的功能，如自帶高速計(jì)數(shù)器、自帶通信接口、具有脈沖輸出功能、具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、能進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算等。此外，cpu224允許在程序中立即讀寫輸入、輸出口，允許在程序中在使用中斷、設(shè)置停止模擬數(shù)字量輸出狀態(tài)，可以允許為數(shù)字量及模擬量輸入加濾波器，還具有窄脈沖捕捉功能，為復(fù)雜的工業(yè)控制提供了方便。4.2 輸入/輸出端子地址分配 為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、三相單三拍和三相六拍等多種

22、運(yùn)行方式的控制，需要7個(gè)輸出控制信號(hào)，因此輸入端子的選用為i0.0、i0.1、i0.2、i0.3、i0.4、i0.5、i0.6。其中i0.0為啟動(dòng)按鈕，i0.1為停止按鈕，i0.2至i0.6是控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式的選擇，其中i0.2與i0.3是控制正、反轉(zhuǎn)的選擇；i0.4是控制單三拍運(yùn)行方式，i0.5是控制六拍運(yùn)行方式；i0.6是對(duì)速度的選擇。輸出端子地址為q0.0、q0.1、q0.2，控制三相步進(jìn)電機(jī)繞組的接通和斷開，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)它們?yōu)?時(shí)與其對(duì)應(yīng)的相就為通電狀態(tài)。具體地址分配如表4-1所示，相應(yīng)的硬件電路如圖5所示。表4-1 cpu224輸入/輸出端子地址的分配輸入信號(hào)輸出信號(hào)名稱

23、輸入端子名稱輸出端子啟動(dòng)i0.0步進(jìn)電機(jī)a相繞組q0.0停止i0.1步進(jìn)電機(jī)b相繞組q0.1正轉(zhuǎn)i0.2步進(jìn)電機(jī)c相繞組q0.2反轉(zhuǎn)i0.3單三拍運(yùn)行方式i0.4六拍運(yùn)行方式i0.5速度選擇i0.6圖5 步進(jìn)電機(jī)的plc控制系統(tǒng)io接線圖 驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示：圖6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路原理如下：當(dāng)給plc輸出端給r3電阻輸入一個(gè)高電平時(shí)，t1的發(fā)射結(jié)由于爭(zhēng)相偏置導(dǎo)通，t1的集電結(jié)也導(dǎo)通，光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光電三極管將光能再轉(zhuǎn)換為電能，連接24v的r4、r5回路導(dǎo)通，r4和r5別分壓使t2基極電壓降低，t2發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，同時(shí)t2的集電結(jié)也導(dǎo)通，三相步進(jìn)電機(jī)繞組l1通電。如果plc

24、輸出端為低電平則l1繞組不能通電或者通電變?yōu)閿嚯姟? 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件部分是控制系統(tǒng)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。軟件包括兩個(gè)部分,一部分是系統(tǒng)軟件,另一部分是應(yīng)用軟件。前者是可編程控制器本身所具有的，由plc生產(chǎn)廠家所編寫并固化在plc設(shè)備中。后者是針對(duì)具體控制過程而編制的，它決定控制系統(tǒng)是否能滿足技術(shù)要求以及系統(tǒng)使用的難易程度。本控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件部分的核心內(nèi)容是定時(shí)器應(yīng)用控制。本控制系統(tǒng)的應(yīng)用編程軟件使用的是step7-micro/win32（德國(guó)西門子公司為其產(chǎn)品專門設(shè)計(jì)的一種編程語(yǔ)言），其可在個(gè)人計(jì)算機(jī)上提供西門子s7200系列plc的編程環(huán)境。有梯形圖（lad）、語(yǔ)句表（stl）

25、和功能塊圖（fbd）三種程序編輯器供用戶選擇。計(jì)算機(jī)與plc通過pc/ppi編程電纜相連，通過計(jì)算機(jī)上的step7-micro/win32軟件控制可以實(shí)現(xiàn)程序的輸入、編輯、檢索功能，也可以在線作系統(tǒng)監(jiān)控及故障檢測(cè)。同時(shí)也可以方便地實(shí)現(xiàn)程序的上載及下載。除了應(yīng)用程序的編輯外，還可用于系統(tǒng)配置，如設(shè)定通訊有關(guān)的參數(shù)等5。應(yīng)用軟件的編程是通過對(duì)plc中的軟元件（軟繼電器）操作來實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用程序在編程中采用模塊化結(jié)構(gòu)，使各動(dòng)作互不干擾。本部分的動(dòng)作正確與否關(guān)系到控制過程能否準(zhǔn)確完成?？刂浦兴械牟僮靼粹o的信號(hào)均要通過plc輸入接口電路轉(zhuǎn)換成plc可接收的信號(hào)。而cpu處理后的信號(hào)需通過輸出接口電路轉(zhuǎn)換

26、成控制現(xiàn)場(chǎng)需要的信號(hào)以驅(qū)動(dòng)繼電器等執(zhí)行元件來控制設(shè)備的運(yùn)行。5.1 西門子plc cpu224常用編程軟元件的功能及使用方法用戶使用的plc中的每一個(gè)輸入/輸出、內(nèi)部存儲(chǔ)單元、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等都稱為軟元件，也稱為軟繼電器。plc的編程軟元件實(shí)質(zhì)上為儲(chǔ)存單元，每個(gè)單元都有唯一的地址。為了方便不同的編程功能需要，儲(chǔ)存器單元作了分區(qū)，因此，也就有了不同類型的編程軟元件。編程時(shí)，用戶只需要記住軟元件的地址即可。每一軟元件都有一個(gè)地址與之相對(duì)應(yīng)，軟元件的地址編排采用區(qū)域號(hào)加區(qū)域內(nèi)編號(hào)的方式。即plc內(nèi)部根據(jù)軟元件的功能不同，分成了許多區(qū)域，包括輸入/輸出繼電器區(qū)、定時(shí)器區(qū)、計(jì)數(shù)器區(qū)、特殊繼電器區(qū)等，分別

27、用i、q、t、c、sm等來表示15。(1) 輸入繼電器（i0.0i15.7）輸入繼電器和plc的輸入端子相連，是專設(shè)的輸入過程映像寄存器，用來接受外部傳感或開關(guān)元件發(fā)來的信號(hào)，但機(jī)器讀取這些信號(hào)時(shí)并不影響這些信號(hào)的狀態(tài)。當(dāng)外部的開關(guān)信號(hào)閉合，則輸入繼電器的線圈得電，在程序中其常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。這些觸點(diǎn)可以在編程時(shí)任意使用，使用次數(shù)不受限制。 輸入繼電器一般采取八進(jìn)制編號(hào)，一個(gè)端子占有一個(gè)點(diǎn)。編程時(shí)注意輸入繼電器不能由程序驅(qū)動(dòng)，其觸點(diǎn)也不能直接輸出帶動(dòng)負(fù)載。(2) 輸出繼電器（q0.0q15.7）輸出繼電器是plc向外部負(fù)載發(fā)出控制命令的窗口，是專設(shè)的輸出過程映像寄存器。輸出繼電器的外

28、部輸出觸點(diǎn)接到輸出端子上，以控制外部負(fù)載。輸出繼電器的外部輸出執(zhí)行器件有三種：繼電器、晶體管和晶閘管。當(dāng)通過程序使得輸出繼電器線圈得電時(shí)，plc上的輸出端開關(guān)閉合，它可以作為控制外部負(fù)載的開關(guān)信號(hào)。同時(shí)在程序中其常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。(3) 內(nèi)部標(biāo)志位（m0.0m31.7）內(nèi)部標(biāo)志位也稱位存儲(chǔ)區(qū)。在邏輯運(yùn)算中經(jīng)常需要一些存儲(chǔ)中間操作信息的元件，它們并不直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，只起中間狀態(tài)的暫存作用，類似繼電器接觸器系統(tǒng)中的中間寄存器，多以位為單位使用。(4) 特殊標(biāo)志位（sm0.0m549.7）有些輔助繼電器具有特殊功能或用來存儲(chǔ)系統(tǒng)的狀態(tài)變量、有關(guān)的控制參數(shù)和信息，稱其為特殊繼電器。用戶可以

29、通過特殊標(biāo)志來溝通plc與被控對(duì)象之間的信息，如可以讀取程序運(yùn)行過程中的設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)算結(jié)果信息，并利用這些信息實(shí)現(xiàn)一定的控制動(dòng)作。用戶也可以通過直接設(shè)置某些特殊繼電器位來使設(shè)備實(shí)現(xiàn)某些功能。(5) 定時(shí)器（t0t255）plc中的定時(shí)器的作用相當(dāng)于時(shí)間繼電器。每個(gè)定時(shí)器有一個(gè)16bit的當(dāng)前值寄存器及一個(gè)狀態(tài)bit，稱為t-bit。定時(shí)器的計(jì)時(shí)過程采用時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)的方式，其時(shí)基增量（分辨率）分為1ms、10ms、100ms。使用時(shí)要提前輸入時(shí)間預(yù)設(shè)值，當(dāng)定時(shí)器的輸入條件滿足時(shí)開始計(jì)時(shí)，其值從0開始按一定的時(shí)間單位增加；當(dāng)定時(shí)器的當(dāng)前值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，定時(shí)器觸點(diǎn)動(dòng)作，利用定時(shí)器的觸點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)

30、控制。(6) 計(jì)數(shù)器（c0c255）計(jì)數(shù)器用來累計(jì)輸入脈沖的個(gè)數(shù)，經(jīng)常用來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)或進(jìn)行特定功能的編程。定時(shí)器的設(shè)定值由程序賦予，具有加計(jì)數(shù)器、減計(jì)數(shù)器和加減計(jì)數(shù)器三種類型。當(dāng)定時(shí)器輸入觸發(fā)條件滿足時(shí)，計(jì)數(shù)器開始累計(jì)它的輸入端脈沖電位上升沿（正跳變）的次數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)定的設(shè)定值時(shí)，其常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。(7) 變量寄存器（vb0vb5119）變量存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)是具有較大容量的變量寄存器。用于存儲(chǔ)程序執(zhí)行過程中控制邏輯的中間結(jié)果，也可用來保存與工序或任務(wù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，變量存儲(chǔ)器會(huì)被經(jīng)常使用。(8) 順序控制繼電器（s0.0s31.7）順序控制控制繼電器也稱為

31、狀態(tài)元件。順序控制繼電器用在順序控制或步進(jìn)控制中。其通常與順序控制指令lscr、scrt、scre結(jié)合使用來實(shí)現(xiàn)順控流程的方法即sfc(sequential function chart)。5.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的編程實(shí)現(xiàn)控制軟件主要包括：運(yùn)行控制方式選擇、三相單三拍運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)、三相六拍運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)等三部分程序。5.2.1 運(yùn)行控制方式選擇步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式的主要流程如圖7 所示 。首先進(jìn)行速度的選擇，對(duì)照表1，判定i0.6是否為1，若為1則為轉(zhuǎn)速快的運(yùn)行方式，若不是，則為轉(zhuǎn)速慢的運(yùn)行方式。如果為轉(zhuǎn)速慢的運(yùn)行方式，判定i0.0是否為1，為1則啟動(dòng)。啟動(dòng)后判定運(yùn)行工作方式，在i0.2=1的情

32、況下，為正向運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)i0.4=1時(shí)為正向單三拍運(yùn)行方式；當(dāng)i0.5=1時(shí)，為正向六拍運(yùn)行方式。在i0.3=1的情況下。為反向運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)i0.4=1時(shí)為反向單三拍運(yùn)行方式；當(dāng)i0.5=1時(shí)，為反向六拍運(yùn)行方式。若為轉(zhuǎn)速快的運(yùn)行方式，判定原理同上。 圖7 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行仿真控制流程圖5.2.2 三相單三拍運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn) 圖8 三相單三拍運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn) 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單三拍運(yùn)行方式又分為正轉(zhuǎn)單三拍工作方式和反轉(zhuǎn)單三拍工作方式。當(dāng)開關(guān)處于開啟狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)單三拍工作方式其各相通電的順序?yàn)閍bca;反轉(zhuǎn)單三拍工作方式其各相通電順序?yàn)閍cba。通電順序必須嚴(yán)格按照其順序分別控制各相的通電與斷電，具體流程圖如圖

33、8所示。5.2.3三相六拍運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn) 圖9 三相六拍運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)三相六拍運(yùn)行方式又分為正轉(zhuǎn)六拍工作方式和反轉(zhuǎn)六拍工作方式。當(dāng)開關(guān)處于開啟狀態(tài)時(shí)，正轉(zhuǎn)六拍工作方式其通電順序?yàn)閍abbbcccaa;反轉(zhuǎn)六拍工作方式其通電順序?yàn)閍acccbbbaa。通電順序必須嚴(yán)格按照其順序分別控制各相的通電與斷電，具體流程如圖9所示。6 實(shí)驗(yàn)6.1 軟件調(diào)試步驟和方法打開step-7 micro/win32，建立新的文件，進(jìn)入程序編輯窗口。根據(jù)控制要求編寫出程序。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行連線，具體按照3.1硬件連接說明連線。對(duì)程序進(jìn)行編譯及改錯(cuò)后，將程序下載至plc中。把plc運(yùn)行模式選擇開關(guān)置于“term”模式上。 利用程序控制plc程序運(yùn)行，并將“調(diào)試”菜單下的“程序狀態(tài)”打開，進(jìn)行程序的調(diào)試和監(jiān)控。圖8中藍(lán)色的方塊表示的是能流為“on”，即定時(shí)器t38為“on”，輸出繼電器q0.2被置位，狀態(tài)為“on”，內(nèi)部標(biāo)志位m3.0為“on”，驅(qū)動(dòng)定時(shí)器t39工作，邊框變綠。t39左邊的數(shù)字表示定時(shí)器的當(dāng)前值，pt前面的值表示定時(shí)器的設(shè)定值，當(dāng)當(dāng)前值大于等于設(shè)定值時(shí)，定