五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序

1、摘摘 要要 本論文主要闡述了五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，其中可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有控制功能強(qiáng)，可靠性高，適用于不同控制要求的各種控制對(duì)象等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理，設(shè)計(jì)和使用方法為電氣和機(jī)電類專業(yè)必修課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。 本設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容有：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的硬件驅(qū)動(dòng)過(guò)程、五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 PLC 軟件實(shí)現(xiàn)等。通過(guò)對(duì)硬件軟件的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。PLC 是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制的一種通用計(jì)算機(jī),但其工作方式與微機(jī)控制系統(tǒng)不同，與繼電接觸器控制系統(tǒng)也有本質(zhì)的不同。PLC 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī);PLC 軟件設(shè)計(jì);PLC 硬

2、件設(shè)計(jì) 目 錄1 緒論 .51.1 可編程控制器 .51.1.1 PLC 的工作原理.51.1.2 可編程序控制器的組成.61.1.3 可編程序控制器的特點(diǎn).71.1.4 可編程控制器的應(yīng)用.81.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī).91.2.1 步進(jìn)電機(jī)概述 .91.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn).91.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理及步距角的計(jì)算 .91.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ) .102 軟件設(shè)計(jì) .112.1 西門(mén)子 S7-200 介紹 .112.1.1 CPU22X 型的選擇.112.1.2 S7-200 元件的介紹.122.2 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 PLC 設(shè)計(jì)過(guò)程 .132.2.1 五相十拍步進(jìn)電

3、動(dòng)機(jī)的控制要求 .132.2.2 PLC 外部接線圖.142.2.3 I/O 地址分配表.152.2.4 程序設(shè)計(jì) .163 硬件設(shè)計(jì) .203.1 環(huán)形分配器.213.2 功率放大器.22結(jié) 束 語(yǔ) .23參考文獻(xiàn) .24 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 1 1 緒論緒論1.11.1 可編程控制器可編程控制器1.1.11.1.1 PLCPLC 的工作原理的工作原理PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏

4、輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖 1-1 所示，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時(shí)間的總和。 圖 1-1 可編程控制器的掃描周期1.1.21.1.2 可編程序控制器的組成可編程序控制器的組成 可編程序控制器硬件由中央處理器、電源、輸出組件、輸入組件、輸入輸出、編程器六部分構(gòu)成: 中央處理器（ Central Processor Unit 簡(jiǎn)稱 CPU）：它是可編程序控制器的 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 2心臟部分。C

5、PU 由微處理器（Microproce-ssor）存儲(chǔ)實(shí)際控制邏輯的程序存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、變量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)器構(gòu)成。 電源 （Power Supply）：給中央處理器提供必需的工作電源。 輸入組件（Inputs）：輸入組件的功能是將操作開(kāi)關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)送給中央處理器?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)可能是開(kāi)關(guān)量、模擬量或針對(duì)某一特定目的使用的特殊變量。 輸出組件（Outputs）：輸出組件接收 CPU 的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成電壓或電流等現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接收的信號(hào)后，傳送控制命令給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的執(zhí)行器。 輸入輸出（簡(jiǎn)稱 I/O）是可編程序控制器的“手”和“腳”或者叫作系統(tǒng)的“眼睛”和“視覺(jué)” 。輸入信號(hào)包括按扭開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接

6、近開(kāi)關(guān)、光電傳感器、熱電偶、熱電阻、位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)和編碼器等。輸出信號(hào)包括繼電器、指示燈、顯示器、電機(jī)啟動(dòng)等直流和交流設(shè)備。 編程器（Programmer）：在正常情況下，編程器用于系統(tǒng)初始狀態(tài)的配置，控制邏輯程序編制和加載，不能對(duì)系統(tǒng)操作。編程器也可用于控制程序的調(diào)試和控制系統(tǒng)故障時(shí)作為檢查故障的有效工具。1.1.31.1.3 可編程序控制器的特點(diǎn)可編程序控制器的特點(diǎn)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)是復(fù)雜多樣的，它們對(duì)控制的要求也各不相同?？删幊绦蚩刂破饕唤?jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。它的主要特點(diǎn)如下： （1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高 微機(jī)雖然具有很強(qiáng)的功能，但抗干擾能力差，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾，電源波動(dòng)，機(jī)

7、械振動(dòng)，溫度和濕度的變化，都可以使一般通用微機(jī)不能正常工作。而 PLC 在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取生產(chǎn)廠家長(zhǎng)期積累的工業(yè)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，I0 系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震等都有精確考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施；在軟件上采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施；所有這些使 PLC 具有較高的抗干擾能力。PLC 的平均無(wú)故障時(shí)間通常在幾萬(wàn)小時(shí)以上，這是一般微機(jī)不能比擬的。 繼電器接觸器控制系統(tǒng)雖有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，使設(shè)備連線復(fù)雜，且觸點(diǎn)在開(kāi)閉時(shí)易受電弧的損害，壽命短

8、，系統(tǒng)可靠性差。而PLC 采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器件來(lái)完成，大部分繼電器和繁雜連線被軟件程序所取代，故壽命長(zhǎng)，可靠性大大提高。 （2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng) PLC 及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。在 PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，只需在 PLC 的端子上接入相應(yīng)的輸入輸出信號(hào)線 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 3即可，不需要諸如繼電器之類的物理器件和大量而又繁雜的硬接線線路。當(dāng)需要變更控制系統(tǒng)的功能時(shí)，可以用編程器在線或離線修改程序，同一個(gè) PLC 裝置用于不同的控制對(duì)象，只是輸入輸出組件和應(yīng)用軟件的不同。PLC 的輸入

9、輸出可直接與交流 220 V，直流 24V 等強(qiáng)電相連，并有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。 （3）編程方便，易于使用 PLC 是面向用戶的設(shè)備，PLC 的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣。PLC 程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語(yǔ)言形象直觀，容易掌握，不需要專門(mén)的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝知識(shí)的人員都可在短時(shí)間學(xué)會(huì)。（4）功能完警 PLC 的輸入輸出系統(tǒng)功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)于各種形式和性質(zhì)的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入輸出。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)和強(qiáng)制 I/O 等諸多功能，不僅具

10、有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印及報(bào)表生成功能。此外，它還可以和其他微機(jī)系統(tǒng)、控制設(shè)備共同組成分布式或分散式控制系統(tǒng)，還能實(shí)現(xiàn)成組數(shù)據(jù)傳送、矩陣運(yùn)算、閉環(huán)控制、排序與查表、函數(shù)運(yùn)算及快速中斷等功能。因此 PLC 具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠很好地滿足各種類型控制的需要。1.1.41.1.4 可編程控制器的應(yīng)用可編程控制器的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展及元器件成本大幅度下降，PLC 的性能價(jià)格比以前大大提高，其應(yīng)用范圍也日益廣泛。如今，PLC 已經(jīng)在電力、紡織、機(jī)械、汽車(chē)制造、造紙、鋼鐵、食品、輕工、化工、公用事業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛使用。PLC 的應(yīng)用可

11、以劃分如下類型。（1） 順序控制及時(shí)序控制從 PLC 誕生之日起，順序控制和時(shí)序控制就是 PLC 最基本的功能，并取代了傳統(tǒng)的繼電器控制回路。如今，PLC 仍在這一領(lǐng)域發(fā)揮著氣無(wú)可比擬的優(yōu)越性。（2）過(guò)程控制現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)在軟件硬件上提供了一系列措施，使用戶可以方便地實(shí)現(xiàn)回路控制，如現(xiàn)在廣泛使用的 PID 控制功能。許多 PLC 在硬件上提供了 PID 調(diào)節(jié)智能模塊，這種模塊可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能；在軟件上，許多 PLC 提供了 PID 算法功能塊，通過(guò)軟件功能塊及模擬量輸入/輸出模塊，也可實(shí)現(xiàn) PID 控制功能。（3） 運(yùn)動(dòng)控制 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 4隨著工

12、廠自動(dòng)化的日趨發(fā)展，PLC 的運(yùn)動(dòng)控制功能也日益完善。借助其運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)等，PLC 可以方便地實(shí)現(xiàn)裝配、輸送、存放及取回、材料移動(dòng)、成型等自動(dòng)控制功能，甚至可以完成一些復(fù)雜的仿行功能。（4） 數(shù)據(jù)處理現(xiàn)在的 PLC 指令系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的邏輯運(yùn)算及整數(shù)四則運(yùn)算，還可以實(shí)現(xiàn) 32 位浮點(diǎn)復(fù)雜運(yùn)算、ASCII 碼讀寫(xiě)、矩陣處理、數(shù)據(jù)傳送、移位、數(shù)據(jù)檢索、BCD 及二進(jìn)制碼的相互轉(zhuǎn)換，工程量轉(zhuǎn)換等各項(xiàng)功能。（5） 網(wǎng)絡(luò)通信為了實(shí)現(xiàn) PLC 與遠(yuǎn)程之間、PLC 之間、PLC 與上位機(jī)之間及 PLC 與第三方產(chǎn)品之間的聯(lián)系，PLC 的網(wǎng)絡(luò)通信功能已得到飛速發(fā)展，各 PLC 廠家都

13、開(kāi)發(fā)了自己的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，如美國(guó) A-B 公司 PLC 使用的 DH+網(wǎng)、美國(guó) MODICON PLC 使用的 MB+網(wǎng)、德國(guó)SIEMENS PLC 使用的 SINEC1.21.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1.2.11.2.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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)可以作為一種控制用的特

14、種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差（精度為 100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。1.2.21.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)便、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在許多領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。鑒于傳統(tǒng)的脈沖系統(tǒng)移植性不好,本文提出微機(jī)控制系統(tǒng)代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器,用軟件的方法產(chǎn)生控制脈沖,通過(guò)軟件編程可以任意設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。以簡(jiǎn)化控制電路,降低生產(chǎn)成本,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和靈活性。在此基礎(chǔ)上提出了雙三拍步進(jìn)電機(jī)程序控制的硬件接口電路、程序流程圖和匯編程序。1.2.31.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理及步距角的計(jì)算步

15、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理及步距角的計(jì)算(1).步進(jìn)電機(jī)的基本原理:步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 5機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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)可以

16、作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR） 、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM） 、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度 或 15 度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度

17、。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。(2）步距角的計(jì)算步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速） 。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電機(jī)） 、0.9 度/1.8 度（二、四相電機(jī)） 、1.5 度/3 度 （三相電機(jī)）等。 步距角的大小和通電方式、轉(zhuǎn)子齒數(shù)、定子勵(lì)磁繞組的相數(shù)的關(guān)系：=360/mZK=0.3621005360m步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)；Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；取 Z=100K通電方式系數(shù)；K=拍數(shù)/相數(shù)=10/5=2所以五

18、相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的步距角為 0.36/0.72。1.2.41.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)(1) 步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。 (2) 失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 (3) 失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。 (4) 最大空載起動(dòng)頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 6(5) 最大空載的運(yùn)行

19、頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 (6) 運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。 電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 如下圖 1-2-1 所示： 其中，曲線 3 電流最大、或電壓最高;曲線 1 電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 要使平均電流大，盡

20、可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 圖 1-2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性(7) 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控電動(dòng)機(jī)的矩頻特性制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)?ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)?ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 時(shí)為反轉(zhuǎn)。2 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)2.12.1 西門(mén)子西門(mén)子 S7-200S7-200 介紹介紹本設(shè)計(jì)以西門(mén)子公司的 S7-200 系統(tǒng)小型 PLC 為主要講述的。S7-200 以其極高的性能價(jià)格比，在國(guó)內(nèi)占有很大的市場(chǎng)份額。S7-200 適用于各種各業(yè)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化，無(wú)論獨(dú)立運(yùn)行或連成網(wǎng)絡(luò)，都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 五相十拍步

21、進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 72.1.12.1.1 CPU22XCPU22X 型的選擇型的選擇 CPU22X 型 PLC，具有兩種不同的電源供電電壓，輸出電路分為繼電器輸出和晶體管直流輸出兩大類。CPU22X 系列 PLC 可提供 4 個(gè)不同型號(hào)的 I/O 種基本單元 CPU供用戶選用，型及參數(shù)如表 2-1 所示。表 2-1 CPU22X 系列 PLC 的類型及參數(shù)CPU22X 型類型電源電壓輸入電壓輸出電壓輸出電流直流輸入直流輸出24V 直流24V 直流24V 直流0.75A,晶體管CPU221直流輸入繼電器輸出85264V 交流24V 直流24V 直流24230V 交流2A，繼電器直流輸

22、入直流輸出24V 直流24V 直流24V 直流0.75A,晶體管CPU222CPU224CPU226CPU226XM直流輸入繼電器輸出85264V 交流24V 直流24V 直流24230V 交直流2A，繼電器CPU221 集成 6 輸入/4 輸出共 10 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，無(wú) I/O 擴(kuò)展能力，6KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。CPU222 集成 8 輸入/6 輸出共 14 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可連接 2 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 78 路數(shù)字量 I/O 或 10 路模擬量 I/O 點(diǎn)，6KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。CPU224 集成 14 輸入/10 輸出共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可連接

23、 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)，13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。CPU226 集成 24 輸入/16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)，13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。根據(jù)以上本設(shè)計(jì)應(yīng)采用 CPU224 系列。2.1.22.1.2 S7-200S7-200 元件的介紹元件的介紹 1、基本位操作指令 PUC 運(yùn)行掃描到觸點(diǎn)符號(hào)時(shí)，到觸點(diǎn)位地址指定的存儲(chǔ)器位訪問(wèn)，該位數(shù)據(jù)狀態(tài)為 1 時(shí)，觸點(diǎn)為動(dòng)態(tài)，即“合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)合觸點(diǎn)斷開(kāi)” ；數(shù)據(jù)狀態(tài)為 0 時(shí)，

24、觸點(diǎn)為常態(tài)，即“動(dòng)合觸斷開(kāi)，動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合” 。當(dāng)邏輯運(yùn)算結(jié)果為 1 時(shí)，能量流可以到達(dá)線圈，使線圈通電，CPU 將線圈位地址指定的存儲(chǔ)器位置 1；當(dāng)邏輯運(yùn)算結(jié)果為 0 時(shí)，線圈不通電，存儲(chǔ)器位置置 0。基本位操作指令格式及功能如表 2-2 所示。 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 8表 2-2 基本位操作指敘的格式及功能LADSTL功能LD BIT LDN BITA BIT AN BITO BIT ON BIT=BIT 用于網(wǎng)絡(luò)段起始的動(dòng)合/動(dòng)斷觸點(diǎn)動(dòng)合/動(dòng)斷觸點(diǎn)串聯(lián)，邏輯與/與非指令動(dòng)合/動(dòng)斷觸點(diǎn)并聯(lián)，邏輯或/或非指令線圈輸出，邏輯置位指令 2、邊沿觸發(fā)指令邊沿觸發(fā)是指用邊沿觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)

25、生一個(gè)機(jī)器周期的掃描脈沖，通常用作脈沖整形。邊沿觸令分為正跳變觸發(fā)（上升沿）和負(fù)跳變觸發(fā)（下降沿）兩大類。正跳變觸發(fā)指輸入脈沖的上升沿使觸點(diǎn)閉合（ON）一個(gè)掃描周期。負(fù)跳變觸發(fā)指輸入脈沖的下降沿使觸點(diǎn)閉合（ON）一個(gè)掃描周期。邊沿觸發(fā)指令格式及功能如表 2-3 所示。表 2-3 邊沿觸發(fā)指令格式及功能LADSTL功能、注釋EU(Edge Up)正跳變，無(wú)操作元件ED(Edge Down)負(fù)跳變，無(wú)操作元件 3、通電延時(shí)定時(shí)器指令 使能端（IN）輸入有效時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)前值從 0 開(kāi)始遞增，大于或等于預(yù)置值（PT）時(shí)，定時(shí)器輸出狀態(tài)位置 1（輸出觸點(diǎn)有效） ，當(dāng)前值的最大值為32767。使

26、能端無(wú)效（斷開(kāi)）時(shí)，定時(shí)器復(fù)位（當(dāng)前值清零，輸出狀態(tài)位置 0） 。通電延時(shí)定時(shí)器指令格式及功能如表 2-4 所示。表 2-4 通電延時(shí)定時(shí)器指令格式及功能LADSTL功能、注釋 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 9TON通電延時(shí)型 5、增計(jì)數(shù)器指令 增計(jì)數(shù)器指令在 CU 端輸入脈沖上升沿，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值增 1 計(jì)數(shù)。當(dāng)前值大于或等于預(yù)置值（PV）時(shí)，計(jì)數(shù)器狀態(tài)位置 1。當(dāng)前值累加的最大值為 32767。復(fù)位輸入（R）有效時(shí)，計(jì)數(shù)器狀態(tài)復(fù)位（置 0） ，當(dāng)前計(jì)數(shù)值清零。增計(jì)數(shù)器指令格式及功能如表 2-5 所示。表 2-5 增計(jì)數(shù)器指令格式及功能LADSTL功能CTU（Counter Up）

27、增計(jì)數(shù)器2.22.2 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 PLCPLC 設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是編寫(xiě) PLC 用戶程序。設(shè)計(jì)步驟包括分析控制要求，確定控制方案、I/O 地址分配表、PLC 外部接線圖、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等。2.2.12.2.1 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制要求五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制要求(2) 用五個(gè)開(kāi)關(guān)控制其工作：1 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其運(yùn)行（啟/停）2 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其低速運(yùn)行（轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需 0.5s）3 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其中速運(yùn)行（轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需 0.1s）4 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其低速運(yùn)行（轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需 0.03s）5 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其轉(zhuǎn)向（ON 為正轉(zhuǎn)，O

28、FF 為反轉(zhuǎn)）(3) 設(shè)有五臺(tái)電動(dòng)機(jī)作順序循環(huán)控制，控制時(shí)序圖如圖 2-7 所示。(4) 設(shè)有四臺(tái)電動(dòng)機(jī)作順序循環(huán)控制，控制時(shí)序圖如圖 2-8 所示。 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 10圖 2-7 五臺(tái)電動(dòng)機(jī)順序循環(huán)控制 圖 2-8 四臺(tái)電動(dòng)機(jī)順序循環(huán)控制2.2.22.2.2 PLCPLC 外部接線圖外部接線圖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(lái)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 2-9 所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用單相控制外部接線圖如圖 2-10 所示。 圖 2-9 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用五相十拍控制 圖 2-10 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用單相控制外部接

29、線圖 外部接線圖 2.2.32.2.3 I/OI/O 地址分配表地址分配表根據(jù) PLC 外部接線圖可以列寫(xiě)出電器元件符號(hào)及功能說(shuō)明表和 I/O 地址分配表，見(jiàn)表 2-11。這直觀地描述了外部信號(hào)與 PLC 接線端子的關(guān)系。I/O 地址分配表如表 2-12。表 2-11 電器元件符號(hào)及功能說(shuō)明表序號(hào)符號(hào)功能描述序號(hào)符號(hào)功能描述1K1啟/停開(kāi)關(guān)7AA 繞組2K20.5s 低速運(yùn)行開(kāi)關(guān)8BB 繞組 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 113K30.1s 中速運(yùn)行開(kāi)關(guān)9CC 繞組4K40.03s 低速成運(yùn)行開(kāi)關(guān)10DD 繞組5K5控制轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)11EE 繞組6K6運(yùn)行控制開(kāi)關(guān)12KM1一號(hào)電機(jī)13K

30、M2二號(hào)電機(jī)14KM3三號(hào)電機(jī)15KM4四號(hào)電機(jī)16KM5五號(hào)電機(jī)序號(hào)符號(hào)功能描述序號(hào)符號(hào)功能描述1I0001啟動(dòng)按鈕3KM1一號(hào)電機(jī)2I0002停止按鈕4KM2二號(hào)電機(jī)5KM3三號(hào)電機(jī)6KM4四號(hào)電機(jī)表 2-12 I/O 地址分配表輸入輸出K1I0.0AQ0.0K2I0.1BQ0.1K3I0.2CQ0.2K4I0.3DQ0.3K5I0.4EQ0.4K6I0.5KM1Q0.5KM2Q0.6KM3Q0.7KM4Q1.0KM5Q1.1輸入輸出SB1I0.0KM1Q0.0SB2I0.1KM2Q0.12.2.42.2.4 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)(1) 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的拍數(shù)實(shí)現(xiàn)梯形圖如圖 2-13 所示。

31、低速 0.5s 時(shí)所采用的定時(shí)器從 T37T46。 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 12中速 0.1s 時(shí)所采用的定時(shí)器從 T47T56。低速 0.03s 時(shí)所采用的定時(shí)器從 T57T63、T101T103。 圖 2-13 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的拍數(shù)實(shí)現(xiàn)梯形圖 (2) 五臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用五相十拍作順序循環(huán)控制如圖 2-15 所示。電機(jī)的工作過(guò)程如圖 2-14 所示。定時(shí)器從 T104T107。圖 2-14 電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 13圖 2-15 五臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用五相十拍作順序循環(huán)控制(3) 四臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用單相作順序循環(huán)控制如圖 2-16 所示。 五相十拍步進(jìn)

32、電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 14 圖 2-16 四臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用單相作順序循環(huán)控制3 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1 所示。主要由 PLC 控制器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的五相十拍控制由軟件實(shí)現(xiàn)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由硬件設(shè)計(jì)。 圖 3-1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 15步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器包括環(huán)形分配器和功率放大器組成?？刂葡到y(tǒng)中 PLC 用來(lái)產(chǎn)生控制脈沖;通過(guò) PLC 編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制進(jìn)給量;同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖頻率既控制進(jìn)給速度;環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出

33、的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用 PLC 的 I/O 口點(diǎn)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)功率放大器將 PLC 輸出的控制脈沖放大到幾十上百伏特、幾安十幾安的驅(qū)動(dòng)能力。一般 PLC 的輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負(fù)載能力僅為十幾幾十伏特、幾十幾百毫安。但對(duì)于功率步進(jìn)電機(jī)則要求幾十上百伏特、幾安十幾安的驅(qū)動(dòng)能力，因此應(yīng)該采用放大器對(duì)輸出脈沖進(jìn)行放大。進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來(lái)改變其轉(zhuǎn)向;如五相步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)锳BCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB

34、AB 時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)繞組按ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 順序通電時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此可以通過(guò) PLC 輸出的方向控制信號(hào)改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)圖如圖 3-2 所示。五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖 3-3 所示。通過(guò)環(huán)形分配器和功率放大器共同完成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 圖 3-2 開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)圖 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 16圖 3-3 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路3.13.1 環(huán)形分配器環(huán)形分配器 環(huán)形分配器又稱脈沖分配器，它接收控制脈沖和方向信號(hào)，并按

35、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分配方式要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相控制繞組導(dǎo)通或截止的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖按分配方式進(jìn)行分配送到功率放大器。五相十拍環(huán)形分配器電路圖如圖 3-4 所示。圖 3-4 五相十拍環(huán)形分配器電路圖CP 是進(jìn)給脈沖， 和 分別代表了進(jìn)給脈沖是正方向還是負(fù)方向。 為高電平時(shí)，代表 CP 進(jìn)給脈沖為正方向； 為高電平時(shí)，代表 CP 是反方向進(jìn)給脈沖，兩者不會(huì)同時(shí)到來(lái)。 對(duì)于五相步進(jìn)電機(jī)，五相十拍的通電順序?yàn)? ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABABABC按照五相十拍步進(jìn)電機(jī)的通電方式和通電順序，列出控制定子繞組通、斷電的真值表，如表 3-5 所示。根據(jù)真值表，如果采用上一拍的通電狀態(tài)作為下一拍通電狀態(tài)的控制條件，可寫(xiě)出邏輯式為： 五相十拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試 17正轉(zhuǎn)時(shí) 反轉(zhuǎn)時(shí) 表 3-5 五相十拍環(huán)形分配器真值表按上述邏輯式再分別考慮到進(jìn)給方向，可設(shè)計(jì)出該五相十拍