基于PLC的步进电机驱动控制设计Word文档下载推荐.docx
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指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.90/1.80、三相的为0.750/1.50、五相的为0.360/0.720。
在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
保持转矩：
指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。
比如：
当人们说2N·
m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·
m的步进电机。
步进电机的一些特点：
①一般步进电机的精度为步进角的3%~5%，且不会将一步的误差累积到下一步，因而有较好的位置精度和运动的重复性；
②电机旋转的角度正比于脉冲数；
③电机停转时具有最大的转矩；
④优秀的起停和反转响应；
⑤由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承寿命；
⑥当步进电机转动时，低级各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降；
⑦步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。
空载启动频率：
步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下，启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，再按一定加速度升到预期的高频（电机转速从低速升到高速）。
PLC全称为可编程控制器，是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微机处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。
目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置。
被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销售、用量高居工业控制装置榜首。
而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。
我国的PLC研制、生产和应用也发展得很快，尤其在应用方面更为突出。
PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，主要是因为它具有很多独特的有点，较好的解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、经济问题。
PLC可靠性高，抗干扰能力强，其平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。
其次PLC编程简单、使用方便，目前大多数PLC采用的编程语言都是梯形图语言，梯形图与电气控制线路相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易被广大工程技术人员掌握。
PLC功能完善、通用性强、设计安装简单、维护方便。
采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备。
目前PLC已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各个行业。
随着PLC的性价比不断提高，其应用领域还将不断扩大。
为此，本文主要研究基于PLC的步进电机控制系统，实现PLC与步进电机的一体化问题。
1.2设计目的及系统功能
二十一世纪的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。
步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。
尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响，误差不会长期积累的特点，给实际应用带来了很大的方便。
它广泛应用于消费类产品（打印机、照相机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。
研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
本设计的目的是以单片机为核心设计出一个步进电机控制系统。
本系统采用三菱FX2N系列PLC作为控制单元，
第二章PLC及步进电机简介
2.1PLC控制系统
2.1.1PLC概述
2.1.1.1PLC的基本概念
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）,简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。
因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
PLC是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
1985年，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）对PLC做出了定义：
“可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
”
2.1.1.2PLC的组成
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块及一些特殊模块组成。
①CPU模块
CPU模块主要由微处理器和存储器组成。
在可编程控制器中，CPU模块处于核心地位，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新输出信号。
它控制所有其他部件的操作，一般由控制电路、运算器、寄存器等组成，通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口电路连接。
CPU是PLC的“大脑”。
其中存储器又分为：
只读存储器（存放PLC制造厂家编写的系统程序）和读写存储器（存放用户程序，为了防止失电后程序丢失，一般采用电池或电容保持电路）。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成的冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能继续正常运行。
②I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块统称为I/O模块，它们是连接外部环境和CPU模块的纽带。
输入模块是用来采集输入信号的。
一般来说，输入信号有两种：
一种是从按钮、开关、各种接近开关而来的开关量输入信号；
另外一种是由电位器、热电阻、热电偶及各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。
PLC是通过输出模块来控制外部设备的，这些设备包括电磁阀、调节阀等设备；
另外，还可以控制灯、继电器、接触器等设备。
③电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也是十分重视的。
PLC使用交流220V电源或者直流24V电源供电，其内部的稳压电源可以为各个模块的内部电路供电。
一般驱动现场执行机构的电源都要由用户提供。
2.1.1.3PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段：
输入采样、用户程序执行和输出刷新。
完成上述三个阶段称为一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
①输入采样阶段：
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
②用户程序执行阶段：
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次的扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右，先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；
或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
③输出刷新阶段：
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
2.1.1.4PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
①CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接受并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。
同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按照指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者来看，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应该有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在指挥器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们觉得着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
PLC与电气回路的接口，是通过输入/输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，起输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
开关量：
电气控制装置的输入信号有按钮、开关、时间继电器、压力继电器、温度继电器、过电流继电器；
电气控制装置的输出信号有接触器、继电器、电磁阀等。
这些物理信号只有闭合与断开两种工作状态，也可以用数字量0或者1来表示某个元件的工作状态。
开关量按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
模拟量分输入模块和输出模块，模拟量输入模块（A/D模块）是把模拟信号（Analog）转换成PLC的CPU可以接受的数字量信号（Digital）；
模拟量输出模块（D/A模块）的功能与模拟量输入模块正好相反，它的作用是将PLC处理后的数字量转换为可用于模拟量控制的模拟量输出信号，然后通过工业现场的有关执行部件进行调节控制。
按信号类型分，有电流型（4~20mA、0~20mA、-20~20mA）、电压型（1~5V、0~5V、-10~10V）。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热点偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU的基本配置管理能力（最大的底板或机架槽数）所限制。
③电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
④底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；
机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
2.1.2PLC系统的其他设备
①编程设备：
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作情况。
但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器，也就是系统的上位机。
②人机界面：
最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。
2.1.3PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地搜集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出“网络就是控制器”的观点和说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。
2.1.4PLC控制系统的设计基本原则
①最大限度的满足被控对象的控制要求。
②在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。
③保证控制系统安全可靠。
④考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时应适当留有余量。
2.1.5PLC软件系统及常用编程语言
PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。
系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。
系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。
用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）来实现各种控制。
STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序。
我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。
①PLC提高的编程语言——标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它具有以下特点：
a.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。
b.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关，也可以是PLC内部继电器的接点或内部存储器、计算器等的状态。
c.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
d.内部继电器、计算器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。
e.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中，所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。
②语句表语言，类似于汇编语言。
③逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能，左边画输入、右边画输出。
2.1.6PLC的特点
①可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障工作时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自我诊断保护。
这样，整个系统具有较高的可靠性也就不奇怪了。
②配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
③易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
④系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
⑤体积小、重量轻、能耗低
以超小型PLC为例，新近出现的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小，很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.1.7PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：
①开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，即可用于单台设备的控制，也可用于多机群控制及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
②模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
③运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
④过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
⑤数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的只能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用具大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统：
也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
⑥通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.1.8PLC未来展望
21世纪，PLC会有更大的发展。
从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、只能更强的品种出现；
从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；
从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；
从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，从而出现少数几个品牌垄断国际市场的局面以及国际通用的编程语言；
从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
目前的计算机集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）中已有大量的可编程控制器应用。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的纵多领域发挥越来越大的作用。
2.2步进电机
2.2.1步进电机概述
步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。
单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。
多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。
使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先
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