完整版基于PLC的步进电机的控制毕业设计Word文档格式.docx
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电源组件内还装有备用锂电池，以保证在断电时保存必要的信息。
PLC还有各种接口，PLC通过这些接口可与监视器、打印机、其它的PLC或计算机等相连。
2.3.2IO扩展机
每种PLC都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。
PLC扩展模块内不设CPU，仅对IO通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。
2.3.3外部设备
外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、图形监控系统等。
其中编程器是PLC必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视PLC的工作状态。
编程器有简易型和智能型两类。
简易型编程器只能联机编程，且需将梯形图转化为助记符后才能送入。
智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。
现在也可在个人计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上实现模拟调试。
PLC与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。
当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。
当PLC与PLC相连时，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。
当PLC与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。
2.4高速脉冲输出功能
脉冲输出（PLS）指令功能为：
使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。
指令格式如表2-1所示。
表2-1脉冲输出（PLS）指令格式
LAD
STL
操作数及数据类型
PLSQ
Q：
常量（0或1）
数据类型字
2.4.1用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器
（1）控制字节和参数的特殊存储器
每个PTOPWM发生器都有：
一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）和一个周期时间和脉宽值（无符号的16位数值）。
这些值都放在特定的特殊存储区（SM），如表4所示。
执行PLS指令时，S7-200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTOPWM发生器进行编程。
表2-2脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器
Q0.0和Q0.1对PTOPWM输出的控制字节
Q0.0
Q0.1
说明
SM67.0
SM77.0
PTOPWM刷新周期值0：
不刷新；
1：
刷新
SM67.1
SM77.1
PWM刷新脉冲宽度值0：
1：
SM67.2
SM77.2
PTO刷新脉冲计数值0：
SM67.3
SM77.3
PTOPWM时基选择0：
1µ
s；
1ms
SM67.4
SM77.4
PWM更新方法0：
异步更新；
1：
同步更新
SM67.5
SM77.5
PTO操作0：
单段操作；
多段操作
SM67.6
SM77.6
PTOPWM模式选择0：
选择PTO1：
选择PWM
SM67.7
SM77.7
PTOPWM允许0：
禁止；
允许
Q0.0和Q0.1对PTOPWM输出的周期值
SMW68
SMW78
PTOPWM周期时间值（范围：
2至65535）
Q0.0和Q0.1对PTOPWM输出的脉宽值
SMW70
SMW80
PWM脉冲宽度值（范围：
0至65535）
Q0.0和Q0.1对PTO脉冲输出的计数值
SMD72
SMD82
PTO脉冲计数值（范围：
1至4294967295）
Q0.0和Q0.1对PTO脉冲输出的多段操作
SMB166
SMB176
段号（仅用于多段PTO操作），多段流水线PTO运行中的段的编号
SMW168
SMW178
包络表起始位置，用距离V0的字节偏移量表示（仅用于多段PTO操作）
Q0.0和Q0.1的状态位
SM66.4
SM76.4
PTO包络由于增量计算错误异常终止0：
无错；
异常终止
SM66.5
SM76.5
PTO包络由于用户命令异常终止0：
无错；
异常终止
SM66.6
SM76.6
PTO流水线溢出0：
无溢出；
溢出
SM66.7
SM76.7
PTO空闲0：
运行中；
PTO空闲
通过修改脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器SM区（包括控制字节），既更改PTO或PWM的输出波形，然后再执行PLS指令。
注意：
所有控制位、周期、脉冲宽度和脉冲计数值的默认值均为零。
向控制字节（SM67.7或SM77.7）的PTOPWM允许位写入零，然后执行PLS指令，将禁止PTO或PWM波形的生成。
（2）状态字节的特殊存储器
除了控制信息外，还有用于PTO功能的状态位，如表2所示。
程序运行时，根据运行状态使某些位自动置位。
可以通过程序来读取相关位的状态，用此状态作为判断条件，实现相应的操作。
2.4.2PTO的使用
PTO是可以指定脉冲数和周期的占空比为50%的高速脉冲串的输出。
状态字节中的最高位（空闲位）用来指示脉冲串输出是否完成。
可在脉冲串完成时起动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时起动中断程序。
（1）周期和脉冲数
周期范围从50微秒至65,535微秒或从2毫秒至65,535毫秒，为16位无符号数，时基有μs和ms两种，通过控制字节的第三位选择。
如果周期<
2个时间单位，则周期的默认值为2个时间单位。
周期设定奇数微秒或毫秒（例如75毫秒），会引起波形失真。
脉冲计数范围从1至5，为32位无符号数，如设定脉冲计数为0，则系统默认脉冲计数值为1。
（2）PTO的种类及特点
PTO功能可输出多个脉冲串，现用脉冲串输出完成时，新的脉冲串输出立即开始。
这样就保证了输出脉冲串的连续性。
PTO功能允许多个脉冲串排队，从而形成流水线。
流水线分为两种：
单段流水线和多段流水线。
单段流水线是指：
流水线中每次只能存储一个脉冲串的控制参数，初始PTO段一旦起动，必须按照对第二个波形的要求立即刷新SM，并再次执行PLS指令，第一个脉冲串完成，第二个波形输出立即开始，重复此这一步骤可以实现多个脉冲串的输出。
单段流水线中的各段脉冲串可以采用不同的时间基准，但有可能造脉冲串之间的不平稳过渡。
输出多个高速脉冲时，编程复杂。
2.5PLC的选择
选择西门子S7-200CPU224的PLC。
2.5.1CPU224
本机集成了：
（1）14输入10输出，共24个数字量IO点；
（2）可连接7个扩展模块，最大可扩展至168路数字量IO点或35路模拟量IO点；
（3）13KB程序和数据存储空间；
（4）6个独立的30kHZ高速计数器，2路独立的20kHZ高速脉冲输出；
（5）具有PID控制器；
（6）1个RS485通信编程口；
（7）具有PPI通信协议；
（8）具有MPI通信协议；
（9）具有自由方式通信能力；
（10）IO端子排可很容易地整体拆卸。
2.5.2工作方式
S7-200有3种工作方式：
RUN（运行）、STOP（停止）、TERM（terminal,终端）工作方式，可通过安装在PLC上的方式选择开关进行切换。
（1）RUN方式：
在RUN方式下，CPU执行用户程序。
（2）STOP方式：
在STOP方式下，不能运行用户程序，可以向CPU装载用户程序或进行CPU设置。
（3）TERM方式：
在TERM方式下，允许使用工业编程软件STEP7-MicroWIN32来控制CPU的工作方式。
（4）当电源断电又恢复后，如果方式选择开关在TERM或STOP状态下，CPU自动进入STOP方式；
如果方式选择开关在RUN状态下，则CPU自动进入RUN方式。
2.5.3扫描周期
在RUN方式下，系统周期性地循环执行用户程序。
PLC在每次扫描工作过程中除了执行用户程序外，还要完成内部处理、通信服务等工作。
整个扫描过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新5个阶段。
整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。
即全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。
2.5.4性能简介及特点
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器用于简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。
S7-200系列主要有以下几个方面的特点：
（1）极高的可靠性；
（2）易于掌握；
（3）极其丰富的指令集；
（4）便捷的操作特性；
（5）实时特性；
（6）丰富的内置集成功能；
（7）强大的通信能力；
（8）丰富的扩展模块。
附：
见图2.1
图2-1S7-200CPU224PLC的结构图
2.6PLC技术在步进电机控制中的应用
随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。
继续沿着小型化的方向发展。
随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。
对电动机进行综合设计。
即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性。
向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。
而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。
目前利用可编程序控制器（PLC）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。
用PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机的控制。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。
步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。
所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。
PLC直接控制步进电机系统由PLC和步进电机组成，PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。
并且，PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。
第三章步进电机
步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。
步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输人的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。
3.1步进电机的特点
步进电机的特点如下：
1）电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；
转速与脉冲频率成正比；
转向与通电相序有关。
当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。
2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价又非常可靠。
同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
3）步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。
4）步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。
5）步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。
6）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。
7）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源以及直流电源[2]。
8）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
9）步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；
一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
10）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机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。
11）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。
步进电机有一个技术参数：
空载启动频率，即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，脉冲频率应有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频[4]
3.2步进电机的基本参数
1.电机固有步距角
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
2.步进电机的相数
步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、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0.9°
1.8°
、三相的为0.75°
1.5°
、五相的为0.36°
0.72°
。
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。
3.保持转矩
保持转矩是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了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如，当人们说2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。
4.钳制转矩
钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。
由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。
3.3步进电机的工作原理及分类
步进电动机或称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。
步进电动机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行的数模转换器。
输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。
步进电动机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。
从步进电动机定子绕组所加的电源形式来看，与一般交流和直流电动机不同，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。
3.3.1步进电机的工作原理
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。
步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。
3.3.2步进电机的分类
按其工作方式分为功率式和伺服式：
功率式输出转矩较大，能直接带动较大的负载；
伺服式输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。
按结构分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。
按使用频率分为高频步进电动机和低频步进电动机。
按运动方式：
旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动
按工作原理：
反应式（磁阻式）、永磁式、永磁感应子式（混合式）。
1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
2）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
3）混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。
两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
3.3.3步进电机在工业中的应用
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。
另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。
由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。
还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。
第四章S7-200PLC控制步进电机设计
步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:
普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种。
本设计选用西门子S7-200PLC通过控制驱动器来控制步进电机。
4.1步进电机的选择
本设计使用的步进电机选用的是型号为DM4250E的两相混合式步进电机，该型号的步进电机步矩角为1.8°
，相电流1.2A，相电阻30Ω，相电感37mH，静转矩2.8kg·
cm，转动惯量36g·
cm2，轴径5mm，引线4条，机身长56mm[4]。
两相混合式步进电机内部结构如图4-1所示：
图4-1两相混合式步进电机内部结构
两相混合式步进电动机的绕组接线如图4.2所示，A、B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极，1、3、5、7磁极属于A相绕组，2、4、6、8磁极属于B相绕组，定子每个极面上有5个齿，极身上有控制绕组。
转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端，使得转子轴向分为两个磁极。
转子铁芯上均匀分布50个齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定转子的齿距和齿宽相同。
线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；
线圈2、6、4、8串联组成B相绕组。
绕组接线如图4-2所示：
图4-2两相混合式步进电动机的绕组接线
4.2步进电机驱动电路设计
步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。
驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。
4.2.1驱动器的选择
本设计选用型号为DMD402A的驱动器。
该型号驱动器的特点：
1）平均电流控制，两相正弦电流驱动输出
2）直流14～40VDC供电
3）光电隔离信号输入输出
4）有过压、欠压、过流、相间短路保护功能
5）8档细分和自动半流功能
6）8档输出相电流设置
7）具备脱机功能
8）启动转速高
9）高速力矩大
4.2.2步进电机驱动技术
驱动器内部结构如图4-3所示：
图4-3驱动器内部结构
接口电路用光电隔离方式将运动控制器和驱动器连接起来，避免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器电路。
环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功放管的导通和截止信号，从而控制各相绕组的通电和断电。
功率放大器将电源功率转换为电机输出功率驱动负载运动。
驱动接口电路如图4-4所示：
图4-4本设计驱动电路接线图
当两相控制绕组按次序轮流通电，每拍只有一相绕组通电，四拍构成一个循环。
当控制绕组有电流通过时，便产生磁动势，它与永久磁钢产生的磁动势相互作用，产生电磁转矩，使转子产生步进运动。
当A相绕组通电时，在转子N极端磁极1上的绕组产生的S磁极吸引转子N极，使得磁极1下是齿对齿，磁力线由转子N极指
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