PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法

1、. . . . 課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明設(shè)計(jì)題目:院系名稱：專業(yè)班級：學(xué)生：學(xué)號：指導(dǎo)教師：年 月 日容摘要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種控制精度極高的電動(dòng)機(jī), 在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速起停、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，所以常用作工業(yè)過程控制與儀器儀表的控制元件?；赑LC控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有設(shè)計(jì)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，參數(shù)設(shè)計(jì)置靈活等優(yōu)點(diǎn)。矩角特性是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)一個(gè)很重要的參數(shù)，矩角特性好，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩就大，運(yùn)行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。本文主要是介紹采用可編程控制器(PLC) 對五相十拍步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)原理與方法進(jìn)行分析。本文詳細(xì)的介紹了用PLC控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

2、的原理，與硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。其容主要包括I/O地址分配、PIC外部接線圖、控制流程圖、梯形圖以與語句表。本文設(shè)計(jì)過程中使用了十六位移位寄存器，大大簡化了程序的設(shè)計(jì)，使程序更間湊，方便了設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中表明此設(shè)計(jì)是合理有效的。關(guān)鍵詞: PLC；梯形圖；I/O接線圖；五相十拍步進(jìn)電機(jī)目 錄第一章 引言1第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)22.1 程序設(shè)計(jì)的基本思路22.2 五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制要求22.3 方案原理分析22.3.1 功能要求22.3.2 性能要求3第三章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.1 輸入輸出編址43.2 選擇PLC類型43.3 PLC外部接線圖43.4 控制流程圖53.5 梯形圖程序設(shè)計(jì)

3、73.5.1 步進(jìn)控制設(shè)計(jì)73.5.2 梯形圖設(shè)計(jì)93.6 語句表143.7 程序的調(diào)試15結(jié) 論18設(shè)計(jì)總結(jié)19 辭20參考文獻(xiàn)2121 / 24第一章 引言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號轉(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的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，可以通過控制脈沖個(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。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是電氣自動(dòng)化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和精密機(jī)械等領(lǐng)域。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速起停、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，所

4、以常用作工業(yè)過程控制與儀器儀表的控制元件。目前，比較典型的控制方法是用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列來控制步進(jìn)電機(jī)。但采用單片機(jī)控制，不僅要設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序和I/O接口電路，實(shí)現(xiàn)比較麻煩?；赑LC控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有設(shè)計(jì)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，參數(shù)設(shè)計(jì)置靈活等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于對精度要求比較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、機(jī)械閥門控制器等。矩角特性是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)一個(gè)很重要的參數(shù)，矩角特性好，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩就大，運(yùn)行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 程序設(shè)計(jì)的基本思路 在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)明確對象的具體控制要求。由

5、于CPU對程序的串行掃描工作方式，會(huì)造成輸入輸出的滯后，而由掃描方式引起的滯后時(shí)間，最長可達(dá)兩個(gè)掃描周期，程序越長，這種滯后越明顯，則控制精度就越低。因此，在實(shí)現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)使程序盡量簡潔緊湊。另一方面，同一控制對象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求或控制時(shí)序會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。以SIMATIC移位指令為步進(jìn)控制的主體進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可較好的滿足上述設(shè)計(jì)要求。2.2 五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制要求1五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有五個(gè)繞組: A、B、C、D、E ,正轉(zhuǎn)順序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB反轉(zhuǎn)順序: ABCBCBCDCDCDED

6、EDEAEAEABAB2用五個(gè)開關(guān)控制其工作：1 號開關(guān)控制其運(yùn)行 ( 啟 / 停 )。2 號開關(guān)控制其低速運(yùn)行 (轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角需 0.5 秒)。3 號開關(guān)控制其中速運(yùn)行 (轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角需 0.1 秒)。4 號開關(guān)控制其高速運(yùn)行 (轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角需 0.03 秒)。5 號開關(guān)控制其轉(zhuǎn)向 ( ON 為正轉(zhuǎn)，OFF 為反轉(zhuǎn) )。2.3 方案原理分析2.3.1 功能要求 對五相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制，主要分為兩個(gè)方面：五相繞組的接通與斷開順序控制。正轉(zhuǎn)順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 反轉(zhuǎn)順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB以與每個(gè)步距角的行進(jìn)速度。圍繞這

7、兩個(gè)主要方面，可提出具體的控制要求如下： （1）可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)； （2）運(yùn)行過程中，正反轉(zhuǎn)可隨時(shí)不停機(jī)切換； （3）步進(jìn)三種速度可分為高速（0.03S），中速（0.1S）,低速（0.5S）三檔，并可隨時(shí)手控變速2.3.2 性能要求在實(shí)現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)使程序盡量簡潔緊湊。另一方面，同一控制對象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求或控制時(shí)序會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。第三章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 輸入輸出編址控制步進(jìn)電機(jī)的個(gè)輸入開關(guān)與控制A、B、C、D、E五相繞組工作的輸出端在PLC中的I/O編址如表3-1所示。表3-1 I/O地址分配表輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)元件

8、名稱符號地址編碼元件名稱符號地址編碼啟/停常開按鈕SB1I0.0A繞組AQ0.00.5s低速常開按鈕SB2I0.1B繞組BQ0.10.1s中速常開按鈕SB3I0.2C繞組CQ0.20.03s高速常開按鈕SB4I0.3D繞組DQ0.3控制轉(zhuǎn)向開關(guān)QSI0.4E繞組EQ0.43.2 選擇PLC類型根據(jù)上圖的I/O分配表通過查閱手冊選擇S7-200 CPU222基本單元（8入/6出）1臺(tái)。3.3 PLC外部接線圖 PLC外部接線圖的輸入輸出設(shè)備、負(fù)載電源的類型等的設(shè)計(jì)就結(jié)合系統(tǒng)的控制要求來設(shè)定。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用五相十拍控制外部接線圖如圖31所示。圖3-1 I/O接線圖3.4 控制流程圖由于上述具體控制

9、要求，可作出步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的程序框圖，如圖32所示。以工作框圖為基本依據(jù)，結(jié)合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分為4個(gè)模塊進(jìn)行編程，即模塊1：步進(jìn)速度選擇；模塊2：起動(dòng)、停止；模塊3：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；模塊4：移位控制功能模塊；模塊:5：A、B、C、D、E五相繞組對象控制。然后，將各模塊進(jìn)行連接，最后經(jīng)過調(diào)試、完善、實(shí)現(xiàn)控制要求。首次選擇步進(jìn)速度正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)移位寄存器賦初值開始啟動(dòng)或停止發(fā)出移位脈沖執(zhí)行移位移位輸出控制電機(jī)步進(jìn)十拍計(jì)數(shù) N Y圖3-2 控制流程圖3.5 梯形圖程序設(shè)計(jì)3.5.1 步進(jìn)控制設(shè)計(jì)采用移位指令進(jìn)行步進(jìn)控制。首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步進(jìn)順序，移位寄存器的

10、初值見表3-2。表3-2 移位寄存器初值 M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 每右移1位，電機(jī)前進(jìn)一個(gè)布矩角（一拍），完成十拍后重新賦初值。其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始終為“0”。據(jù)此，可作出移位寄存器輸出狀態(tài)與步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)繞組的狀態(tài)真值表，如表3-1、3-2所示。從而得出五相繞組的控制邏輯關(guān)系式：正轉(zhuǎn)時(shí)A相 Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0C 相Q0.2=M1.1+

11、M1.0+M0.7+M0.6+M0.5D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3E相 Q0.4= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1反轉(zhuǎn)時(shí)A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0D相 Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2E相 Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.5+M0.4表3-3 移位寄存器輸出狀態(tài)與步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表（正轉(zhuǎn)）移位寄存器MW0正轉(zhuǎn)M1.1M1.0M0.7

12、M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE100000000011100010000000001100001000000001110000100000000110000010000000111000001000000011000000100010011000000010010001000000001011001000000000111000表3-4 移位寄存器輸出狀態(tài)與步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表（反轉(zhuǎn)）移位寄存器MW0反轉(zhuǎn)M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE10000000001100001000000001100100

13、10000000100010001000000100110000100000000110000010000001110000001000001100000000100011100000000010011000000000001111003.5.2 梯形圖設(shè)計(jì)啟停使用單按鈕控制。梯形圖設(shè)計(jì)如下，首先，按SB2(SB3或SB4)初次選擇一種步進(jìn)速度， 五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度由定時(shí)器T33控制，把三個(gè)值50、10、3分別送到VW100可得到低速、中速、高速三種速度。再按SB1，M2.0得電，移位寄存器賦初值，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，且定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，到設(shè)定值時(shí)，T33得電動(dòng)作，移位寄存器值右移一位，C21計(jì)數(shù)一

14、次，然后T33重新計(jì)時(shí)。計(jì)數(shù)十次后動(dòng)作C21使移位寄存器重新賦值，依次循環(huán)。QS控制正反轉(zhuǎn)，ON時(shí)I0.4得五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，OFF時(shí) I0.4失電五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為反轉(zhuǎn)。再按一下SB1，C20動(dòng)作，M20失電，C21復(fù)位電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3-3啟停程序的梯形圖 當(dāng)I0.0閉合時(shí)M2.0得電同時(shí)自鎖電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，且計(jì)數(shù)器C20計(jì)數(shù)1次；當(dāng)I0.0再次閉合時(shí)計(jì)數(shù)器再次計(jì)數(shù)1次達(dá)到預(yù)置值，C20位ON，C20常閉斷開，M2.0失電，電動(dòng)機(jī)停止，同時(shí)C20常開閉合計(jì)數(shù)器復(fù)位。圖3-4步進(jìn)速度開關(guān)程序梯形圖電動(dòng)機(jī)步進(jìn)速度的控制，當(dāng)I0.1閉合時(shí)發(fā)送1個(gè)電脈沖，使數(shù)據(jù)傳送指令將數(shù)據(jù)50傳送到操作數(shù)VW100

15、，從而控制步距角轉(zhuǎn)速。并且I0.1、I0.2和I0.3之間有互鎖，從而使控制不會(huì)出錯(cuò)。圖3-5移位寄存器賦初值 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)將16進(jìn)制數(shù)0200（也就是2進(jìn)制1000000000）傳送到移位寄存器MW0，從而保證電動(dòng)機(jī)每10拍賦一次初值。圖3-6步距角頻率控制由前面?zhèn)魉偷讲僮鲾?shù)VW100的數(shù)據(jù)為預(yù)置值，當(dāng)計(jì)時(shí)器T33達(dá)到預(yù)置值時(shí)T33位為ON，常開T33閉合，線圈M3.0得電，從而常閉M3.0斷開，使計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)T33位OFF，繼而M3.0繼續(xù)閉合計(jì)時(shí)器從新計(jì)時(shí)。實(shí)現(xiàn)了每多長時(shí)間發(fā)放一個(gè)電脈沖。圖3-7移位寄存器控制 每有一個(gè)電脈沖發(fā)放時(shí)，移位指令動(dòng)作一次，使移位寄存器數(shù)據(jù)右

16、移一位，且保存到移位寄存器。同時(shí)計(jì)數(shù)器C21計(jì)數(shù)一次，到達(dá)預(yù)置值10時(shí)C21動(dòng)作，使圖3-5中傳送指令動(dòng)作，再次給移位寄存器賦初值。這樣保證移位寄存器每移位10次循環(huán)一次，從而保證了電動(dòng)機(jī)有規(guī)律的運(yùn)行。圖3-8 A相繞組控制圖3-9 B相繞組控制圖3-10 C相繞組控制圖3-11 D相繞組控制圖3-12 E相繞組控制正轉(zhuǎn)順序在上面5個(gè)圖中分別控制A、B、C、D、E五個(gè)繞組，當(dāng)I0.4閉合時(shí)為正轉(zhuǎn)順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB。當(dāng)I0.4斷開時(shí)為反轉(zhuǎn)順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB。3.6 語句表 由梯形圖可得出語句表如下圖圖3-13 語句表3.

17、7 程序的調(diào)試程序編寫輸入完成之后就要進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試的目的是檢驗(yàn)程序是否滿足要求，不滿足的話就要從新編寫程序直到調(diào)試符合要求。在這我們用SF200仿真模擬器進(jìn)行程序調(diào)試。調(diào)試結(jié)果如圖所示。圖3-14 低速正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)圖3-15 中速正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)圖3-16 高速反轉(zhuǎn)狀態(tài)經(jīng)調(diào)試可知，程序滿足要求。結(jié) 論本次設(shè)計(jì)研究了PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法，主要是程序的設(shè)計(jì)，將PLC應(yīng)用到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，充分發(fā)揮PLC高可靠性和實(shí)用性，外部接線簡單、靈活，維修方便。實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，考慮各部分的容量與其實(shí)際的技術(shù)參數(shù)，供電電源的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)接地問題、電纜設(shè)計(jì)與鋪設(shè)、PLC輸出端保護(hù)等

18、問題，以使系統(tǒng)達(dá)到安全可靠的工作，所以要想用于實(shí)際中，必須得通過現(xiàn)場調(diào)試。這就又給我們提出了更高層次的問題，畢竟一個(gè)較好的和較完善的應(yīng)用軟件不是在短時(shí)間就可以完成它的需要，要不斷的完善和發(fā)展，需要我們做大量的工作和時(shí)間的檢驗(yàn)。現(xiàn)在的系統(tǒng)雖然滿足了基本的要求，還需要增加很多新的功能和先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)更安全、可靠、節(jié)約地控制。雖然現(xiàn)在用PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡單方便，但單片機(jī)等更為便宜，所以，應(yīng)該在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上開發(fā)利用單片機(jī)等控制系統(tǒng)。而且現(xiàn)有的故障診斷很不全面，應(yīng)該增加主動(dòng)性預(yù)防診斷，可使系統(tǒng)在發(fā)生故障之前，我們就可以預(yù)見故障、排除故障，使運(yùn)行中的故障率降低到最低水平，保障電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

19、最終，就是以信息技術(shù)為主，通過先進(jìn)使用技術(shù)，提升步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，強(qiáng)化產(chǎn)、學(xué)、研的有效結(jié)合，盡快實(shí)現(xiàn)技術(shù)引進(jìn)和自主創(chuàng)新相結(jié)合的模式，建立和完善技術(shù)開發(fā)體系，全力提升步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的水平。設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次試驗(yàn)我學(xué)到很多東西，遇到很多需要查資料的問題。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關(guān)知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學(xué)習(xí)的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會(huì)遇到許多未知的領(lǐng)域，這方面的能力便會(huì)使我受益非淺。 通過學(xué)習(xí)PLC理論課程后，在做課程設(shè)計(jì)能檢測我的學(xué)習(xí)成果和知道自己的不足，此次設(shè)計(jì)每個(gè)人一個(gè)題目。由于平時(shí)大家都是學(xué)理論，沒有過實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試的

20、經(jīng)驗(yàn)，拿到的時(shí)候都不知道怎么做。但通過各方面的查資料并學(xué)習(xí)。我基本學(xué)會(huì)了PLC設(shè)計(jì)的步聚和基本方法。也鍛煉了自己獨(dú)立做事的能力，怎么去查找資料，怎么去利用手中的資料，怎么樣很好的寫一篇PLC論文。在這次設(shè)計(jì)實(shí)踐之中，我學(xué)會(huì)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(yùn)用中，提高了我們的工程素質(zhì)，在沒有做實(shí)踐設(shè)計(jì)以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細(xì)節(jié)不加重視。在課程設(shè)計(jì)過程中我了解到，PLC并不是一門單一的編程技術(shù)，它是一門系統(tǒng)專業(yè)課程。PLC可以廣義的認(rèn)為是一臺(tái)背嵌入操作系統(tǒng)的高可靠性PC機(jī)。首先需要精深PLC本身的編程語言梯形圖、語句表語言。然后根據(jù)程序在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試，使其達(dá)到預(yù)期的程度。最后，依照調(diào)試結(jié)果寫論文。不斷的鍛煉自己的動(dòng)手和思維能力。在設(shè)計(jì)過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題的時(shí)候，需要做大量的工作，花大量的時(shí)間才能解決。自然而然，我的耐心便在其中建立起來了。為以后的工作積累了經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)了信心。 辭 設(shè)計(jì)過程中我的指導(dǎo)老師王宗才給予了我很大的指導(dǎo)和幫助，在此我首先表示感。本課題在選題與研究過程中老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。老師以其嚴(yán)謹(jǐn)