基于PLCS7300的步進電機開環(huán)設計

1、目錄目錄11.引言21.1 設計目的21.2 設計過程2 1.2.1 步進電機簡介2 1.2.2 步進電機的驅動電路2 1.2.3 兩相步進電機的通電方式41.3 設計內容52.電路設計63.plc硬件組態(tài)64.plc編程元件地址分配表64.1 線性化編程符號表64.2 結構化編程符號表74.3 結構化編程fc的變量聲明表75.控制程序85.1線性化編程85.2結構化編程215.2.1 ob1控制程序215.2.2 fc1控制程序255.2.3 fc2控制程序276.程序調試說明307.心得體會308.參考文獻311. 引言 可編程控制器是電氣控制技術中的關鍵技術。可編程控制器為“自動化和電氣

2、工程及其自動化”專業(yè)的一門重要專業(yè)課。通過本課程的學習，使學生掌握工廠電氣控制設備技術和可編程控制器的使用、分析和設計自動生產過程中的控制電路，掌握其使用方法。 plc課程設計的主要目的，是通過對某個簡單的自動化生產設備、某條簡單的自動化生產線、某些簡單的工藝過程的調查研究，使學生明確生產工藝對電氣控制提出的各項要求。根據這些要求，進行plc控制系統(tǒng)的原理設計、硬件配置及軟件編程設計。通過不斷地調試和完善程序來滿足生產工藝的要求。本課程設計提供了設計的備選課題。通過課程設計，使學生進一步熟悉plc控制系統(tǒng)的應用，并培養(yǎng)學生決實際問題的能力，掌握系統(tǒng)設計的思路及方法。1.1設計目的 了解步進電機

3、的工作原理及步進電機的開環(huán)控制原理。 綜合應用所學plc知識設計基于plc的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)； 通過自行編程調試掌握plc控制系統(tǒng)的設計方法。1.2設計過程1.2.1步進電機原理簡介 步進電動機是一種將數字式電脈沖信號轉換成機械角位移的機電元件，每一個脈沖信號可以使步進電機前進一步，轉過的角度與控制脈沖的個數呈嚴格的正比關系。其運行速度與控制脈沖頻率呈嚴格的正比關系，正是這個特點，使其可以和現代數字控制技術相結合，成為比較理想的執(zhí)行元件。步進電機主要應用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)中。目前步進電機在數控機床、計算機外圍設備、鐘表、包裝機械、食品機械中得到廣泛的應用。 步進電機由定子和轉子兩部分組成。

4、以二相步進電機為例，定子上有兩組相對的磁極，每對磁極纏有同一繞組，形成一相。定子和轉子上分布著大小、間距相同的多個小齒。當步進電機某一相通電形成磁場后，在電磁力的作用下，轉子被強行推動到最大磁導率（或最小磁阻）的位置。步進電機接收到一個脈沖信號，就驅動步進電機轉過一個步距角，對于一個m相n拍的步進電機來說，每走完n拍，轉子就轉過一個齒距角，所以齒距角與步距角的關系為： 從控制原理上，步進電機可以分為反應式、永磁式和混合式步進電機三大類；按照控制繞組的相數可以分為兩相、三相、四相。 本課程設計中用到的步進電機為兩相步進電機。該步進電機轉子共有50個齒，所以齒距角為7.2。電機每相電流為0.2a，

5、相電壓為5v。1.2.2步進電機的驅動電路本設計中用到的步進電機的驅動電路圖如圖1所示： 圖1 步進電動機驅動電路圖中tl1tl4對應的是面板上的插孔。圖中標注的a及，b及分別表示步進電機的定子的兩相繞組的四個端子。1.2.3兩相步進電機的通電方式單四拍通電方式：每次只有一相繞組通電，四拍構成一定循環(huán)。兩相繞組按照aba的次序輪流通電。每拍轉子轉動轉子齒距。雙四拍通電方式：每次有兩相繞組同時通電，兩相控制繞組按abbaab的次序輪流通電。每拍轉子轉動的角度與單四拍相等都是轉子齒距，但與單四拍的空間定位不重合。單、雙八拍的通電方式：上兩種通電方式的循環(huán)拍數等于4，稱為滿步通電方式。若通電方式等于

6、8，稱為半步通電方式，即按aabbbaa的次序通電。每拍轉子轉動轉子齒距。在上述通電方式中，改變通電的循環(huán)方向即可改變步進電機的轉動方向，改變通電的頻率，即可改變步進電機的轉速。本課程設計采用的是雙四拍的通電方式，實現對兩項步進電機的正反停控制的，以及可以實現對步進電機轉動角度的精確控制。1.2.4步進電機控制方式典型的步進電機控制系統(tǒng)如圖2所示： 圖2 典型的步進電機控制系統(tǒng)步進電動機是一種將數字脈沖信號轉換成機械角位移或者線位移的數模轉換元件。在經歷了一個大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當對其施加一個電

7、脈沖時，其輸出轉過一個固定的角度。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數成正比，其轉速與單位時間內輸入的脈沖數(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的脈沖順序有關。所以只要控制指令脈沖的數量、頻率及電機繞組通電的順序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉向。步進電機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據輸人的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度或長度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機:從廣義上講，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖頻率同步的同步電動機。步進電機的控制和驅動方法很多，按照使用

8、的控制裝置來分可以分為:普通集成電路控制、單片機控制、工業(yè)控制機控制、可編程控制器控制等幾種；按照控制結構可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結構(硬-硬結構)、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結構(軟-軟結構)、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結構(軟-硬結構)。1硬硬結構 如圖3所示，這種步進電機的控制驅動系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅動器組成。這種控制驅動方式運行速度比較快，但是電路復雜，功能單一。 圖3 硬硬結構控制2軟軟結構軟脈沖生成器軟脈沖生成器如圖4所示，這種步進電機的控制驅動系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅動器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器

9、通過編程實現。用單片機、工業(yè)控制機、普通個人計算機、可編程序控制器控制步進電機一般均可采用這種結構。這種控制驅動方法電路結構簡單、可以實現復雜的功能，但是占用cpu時間多，給微處理器運行其他工作造成困難。步進電機 驅動器 圖4 軟軟結構控制 3軟硬結構如圖5所示，這種步進電機的控制驅動系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅動器組成。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片(如8713芯片)來實現通電換相控制的。這種控制驅動方法電路結構簡單、可以實現復雜的功能，同時占用cpu時間較少，用可編程控制器全部實現了控制器和驅動器的功能。在plc中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對步進電機進行

10、并行控制，并且由plc輸出端口直接驅動步進電機。如圖3.7所示，這是一種軟-軟結構，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序實現。步進電機 驅動器硬脈沖分配器軟脈沖生成器 圖5 軟硬結構控制1.3設計內容（1）能夠實現兩相步進電機以雙四拍的起動和停止、正轉和反轉相互切換及改變轉速。（2）當按下按鈕sb1時，步進電機以雙四拍方式和500ms/步的頻率順時針方向運行30步后停止； 當按下按鈕sb2時，步進電機以雙四拍方式和500ms/步的頻率逆時針方向運行30步后停止； 當按下按鈕sb4時，步進電機以雙四拍方式和2s/步的頻率順時針方向運行； 任何時刻按下按鈕sb3，步進電機停止。2.電路設計

11、 plc控制步進電動機硬件圖設計正sb4i0.3 圖6 控制兩相步進電動機正反轉及改變轉速控制線路接線圖3. plc硬件組態(tài)plc的硬件組態(tài)如表1所示： 表1 plc硬件組態(tài)表4.plc編程元件地址分配表 4.1 線性化編程符號表plc線性化編程符號表如表2所示： 表2 plc線性化編程符號表 4.2 結構化編程符號表plc結構化編程符號表如表3所示： 表3 plc結構化編程符號表 4.3 結構化編程fc的變量聲明表plc結構化編程fc1的變量聲明表如表4所示： 表4 plc結構化編程fc1的變量聲明表 plc結構化編程fc2的變量聲明表如表5所示： 表5 plc結構化編程fc2的變量聲明表

12、5.控制程序5.1線性化編程5.2結構化編程5.2.1 ob1控制程序5.2.2 fc1控制程序5.2.3 fc2控制程序6.程序調試說明在plc程序設計及調試過程中存在以下要說明的：在進行plc線性化程序設計時，出現兩個相同地址的輸出時，程序只執(zhí)行后一個地址的輸出。解決方法：通過查找資料發(fā)現西門子plc程序中，不容許同時存在兩個相同地址的輸出，于是在兩個相同的輸出地址刪去了一個，別找辦法使其實現原來的功能。在進行plc結構化程序設計時，用模塊化的思想來實現在主程序中調用同一fc快來實現步進電機的正反轉，這樣設計更加簡單，通俗易懂。并且在fc中使用了全局變量，導致plc的輸出口本身的通電狀態(tài)去

13、控制plc的循環(huán)通電狀態(tài)。在進行plc的結構化程序調試時，一按下啟動按鈕，西門子plc立刻出現死機狀態(tài)。解決方法：通過網上查找資料發(fā)現，沒有將fc功能塊下載到plc中，導致在主程序中一調用fc功能塊就出現死機狀態(tài)，故將fc功能塊下載到plc后，死機狀態(tài)立刻解決。在控制步進電動機的正反轉的控制程序中可以加入開關互鎖來使電機的正反轉控制可以直接切換。在步進電機正反轉控制中加入比較器、整數函數、計數器可以實現對步進電機轉動步數的精確控制。7. 心得體會 在為期三周的可編程邏輯控制器課程設計中，利用軟硬件結合，實現對步進電機工作狀態(tài)正反停的自動控制和精確控制。通過設定不同延時計時器的數值，來改變步進電

14、機的工作頻率。對plc的編程工作是對人的毅力和耐心的挑戰(zhàn)，這就促使我們必須是出于興趣使然，興趣使我具備了足夠的毅力和耐心。經過無數次失敗后，當看到一個個符號按我的思路整齊的排列，plc按我的要求有條不紊的運行時，興趣得到了極大的滿足。 通過這次設計實踐，我學會了plc的基本編程方法，對plc的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當我們把自己想出來的程序與到plc中的時候，問題出現了，不是不能運行，就是運行的結果和要求的結果不相符合。能過解決一個個在調試中出現的問題，我們對plc 的理解得到加強，看到了實踐與理論的差距。 通過合作，我們的合作意識得到加強，合作能力得到提高。上大學后，很多同學都沒有過深入的交流，在設計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人互責一定的部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時我們還向別的同學請教。在此過程中，每個人都想自己的方案得到實現，積極向同學說明自己的想法，在這過程也提高了我們的表過能力。