五相十拍23步进电机控制程序设计Word格式文档下载.docx
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3.6.1步进控制设计8
3.6.2梯形图设计10
3.7调试说明11
第4章设计总结12
致谢13
参考文献14
附录15
附录一程序梯形图15
附录二程序语句表20
第1章引言
步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。
步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。
目前，比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。
但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路，实现比较麻烦。
基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。
步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。
矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。
改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。
对五相十拍步进电机的控制，主要分为两个方面：
五相绕组的接通与断开顺序控制。
正转顺序：
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序：
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB以及每个步距角的行进速度。
围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：
1、可正转或反转；
2、运行过程中，步进三种速度可分为高速（0.05S），中速（0.3S）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速；
由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。
因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。
另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。
以移位寄存器指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。
下面介绍一种基于PLC的步进电机控制的方法。
第2章系统总体方案设计
2.1程序设计的基本思路
由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。
2.2五相步进电动机的控制要求
1．五相步进电动机有五个绕组:
A、B、C、D、E,
正转顺序:
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
反转顺序:
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB
2．用五个开关控制其工作：
1号开关控制其运行（启/停）。
2号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5秒）。
3号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1秒）。
4号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.03秒）。
5号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）。
2.3方案原理分析
在对五相十拍步进电机的控制中，主要分为两个方面：
五相绕组的接通与断开顺序控制以及正反向调节和调速功能。
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
反转顺序：
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB
五相步进电动机有五个绕组：
A、B、C、D、E，控制步进电动机五相十拍的时序图如图2-1所示。
（a）步进电动机五相十拍正转时序图（b）步进电动机五相十拍反转时序图
图2-1控制步进电动机五相十拍的时序图
2.4.1方案一：
每种速度调节均利用十个定时器实现其绕组延时通断，从而实现步进电动机的步进要求。
在换向时，同样计时器可以完成相应的计时工作，以满足设计要求。
2.4.2方案二：
利用移位寄存器进行脉冲输入控制，利用计数器和移位寄存器进行相应的计时，以满足不同的步进速度，从而实现速度可调的要求。
通过不同的通电顺序控制，实现电动机的正反转控制。
在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。
经分析和指导老师的建议最终决定选择方案二，计时更加方便，所用的原件数大大减少，使控制更加可靠安全。
第3章PLC控制系统设计
3.1设计流程分析
3.1.1控制流程图
图3-1控制流程图
由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图3—1所示。
以工作框图为基本依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分为4个模块进行编程，即模块1：
步进速度选择；
模块2：
起动、停止；
模块3：
正转、反转；
模块4：
移位控制功能模块；
模块:
5：
A、B、C、D、E五相绕组对象控制。
然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求.
3.1.2电机工作过程图
五台电动机采用五相十拍作顺序循环控制，电机的工作过程如下图所示。
图3-2电机工作过程图
3.2I/O地址分配表
表3-1I/O地址分配表
控制信号
信号名称
元件名称
元件符号
地址编码
输
入
信
号
启/停控制
常开按钮
SB1
I0.0
低速调速
SB2
I0.1
中速调速
SB3
I0.2
高速调速
SB4
I0.3
正/反转控制
单刀双制开关
QS
I0.4
出
输出端子
A端子
A
Q0.0
B端子
B
Q0.1
C端子
C
Q0.2
D端子
D
Q0.3
E端子
E
Q0.4
3.3PLC外部接线图
PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。
根据上图的I/O分配表通过查阅手册选择S7-200CPU222基本单元（8入/6出）1台步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如下图所示：
图3-3外部接线图
3.4主电路
主电路中通过交流接触器实现换向功能，分别闭合主触电KM1、KM2实现正反转换向。
当然，对于步进电动机通过通电顺序的不同可以实现其正反转控制。
图3-4步进电机正反转控制主电路
3.5元件清单
表3-2元件清单
序号
符号
名称
型号
单位
数量
1
CPU222XP
PLC
6ES7214-2BD23-0XB8
台
2
M
步进电机
86BYGH5430
3
FU
熔断器
rm10
个
4
SB
按钮开关
la19-11d
5
刀开关
HD11F-100A/38
6
KM
交流接触器
CJX2-0901
7
KT
时间继电器
H3Y-2
8
FR
断路器
5SJ6320-7CC20
3.6程序设计
3.6.1步进控制设计
采用移位指令进行步进控制。
首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表3-3。
表3-3移位寄存器初值
M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4
M0.3M0.2M0.1M0.0
10000
0
0000
每右移1位，电机前进一个布局角（一拍），完成十拍后重新赋初值。
其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始终为“0”。
据此，可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表3-4、3-5所示。
从而得出五相绕组的控制逻辑关系式：
正转时:
A相Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0
B相Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0
C相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5
D相Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3
E相Q0.4=M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1
反转时:
A相Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0
B相Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0
C相Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0
D相Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2
E相Q0.4=M1.0+M0.7+M0.6+M0.5+M0.4
表3-4移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转）
移位寄存器MW0
正转
M1.1
M1.0
M0.7
M0.6
M0.5
M0.4
M0.3
M0.2
M0.1
M0.0
表3-5移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）
反转
3.6.2梯形图设计
启停使用单按钮控制。
梯形图设计如下，首先，按SB2（SB3或SB4）初次选择一种步进速度，五相步进电动机的速度由定时器T33控制，把三个值50、10、3分别送到VW100可得到低速、中速、高速三种速度。
再按SB1（I0.0），M2.0得电，移位寄存器赋初值，电机开始转动，且定时器开始计时，到设定值时，T33得电动作，移位寄存器值右移一位，C1计数一次，然后T33重新计时。
计数十次后动作C1使移位寄存器重新赋值，依次循环。
QS控制正反转，ON时I0.4得电，五相步进电动机正转，OFF时I0.4失电五相步进电动机为反转。
再按一下SB1，C0动作，M2.0失电，C1复位电机停止转动。
梯形图是PLC编程的高级语言,所有PLC厂家的PLC产品均支持梯形图语言编程。
利用梯形图编程器可以建立与电气原理图相类似的程序,具有梯级或网络段结构,有利于程序的阅读理解、运行调试和修正很容易被PLC编程人员和维护人员接受和掌握。
鉴于这个原因，在此次课程设计中选择用PLC梯形图语言进行程序编写，使可视化程度更好。
（具体程序梯形图见附录一）
虽然梯形图易于掌握、结构简便，但梯形图不能被PLC识别，无法在PLC中直接运行，把梯形图通过人工编译的方式转换为语句表又较为复杂。
而在STEP7-MICRO/WINSP4系统中可以直接将梯形图识别、编译成PLC直接识别的指令序列。
具体生成的程序语句表见附录二。
3.7调试说明
在电脑上安装STEP7-Micro/WIN32软件，将程序输入STEP7-Micro/WIN32软件中，在电脑上进行语法检查，初步仿真调试。
在检查无误后，导出程序，打开老师给的离线模拟软件，选择合适的CPU并载入已经到处的程序段进行仿真模拟运行，仿真界面如下图3-5所示。
图3-5模拟程序运行图
然后老师组织大家去实验室，将PLC程序传入程序控制器中，对各个输入I/O口给信号处理，看各个输出口是否有相应的输出，如果没有按照设计要求输出，对程序进行更改，直到各输出口有相应的输出。
最终使整个系统能准确、可靠的工作。
第4章设计总结
机电控制技术是一门侧重应用方向的学科。
所以要多一点实践。
不要看不起小的项目，在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。
在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。
由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。
但通过各方面的查资料并学习。
我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。
分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。
通过这次设计实践。
我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视。
在课程设计过程中我了解到，PLC并不是一门单一的编程技术，它是一门系统专业课程。
PLC可以广义的认为是一台背嵌入操作系统的高可靠性PC机。
首先需要精深PLC本身的编程语言梯形图、语句表语言。
达到这个水平你只能读懂编好的程序，并可以设计一些工程需要程序。
在一些大型程序中还需要用到数据库的知识，LC入门很快但要不断进取努力。
通过合作，我们的合作意识得到加强。
合作能力得到提高。
上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。
在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。
能过比较选出最好的方案。
在这过程也提高了我们的表过能力。
在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。
在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。
做事要学思结合。
致谢
设计过程中我的指导老师给予了我很大的指导和帮助，在此我首先表示感谢。
本课题在选题及研究过程中王宗才老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。
老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。
他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。
在他的引导下，我认识了有了设计的思路，极大的开拓了我的学术视野，也为本篇设计打下了理论基础。
在这次设计中王老师又给我提出了许多宝贵的意见。
虽然我遇到了许多困难，但是我及时的和老师讨论这些问题，最终问题都迎刃而解了。
减少了我在这次设计中的困惑和完成时间。
在论文撰写方面更是给予了方向性的指导和建设性的意见和建议。
最后感谢在大学三年半期间，传授我知识的老师们，感谢在学习和生活上给予我帮助的同学们，没有他们的帮助就没有我今天的成绩。
经过两周的学习，本次课程设计已经接近尾声，作为一个在校学生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，毕竟这次设计是我第一次进行电气全面和系统的设计，疏漏和不足之处在所难免，可能存在许多细节未做到及时处理，请老师指正，以帮助我不断提高，不断进步。
我相信通过这次全面系统的设计以及在这个过程中各位老师的不断点拨，在今后的工作中我一定会做到更好。
参考文献
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化学工业出版社，2003
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国防工业出版社，2006
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机械工业出版社，2005
[4]高钦和.可编程控制器应用技术及其设计实例.北京:
高等教育出版社，2004
[5]李缓.PLC原理与应用.北京：
北京邮电大学出版社，2005
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机械工业出版社，2004
[7]周淑珍、高鸿斌.PLC分析与设计应用.北京：
电子工业出版社，2004
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化学工业出版社，2007
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[10]肖清,王忠峰.电器与PLC控制技术实验指导书.江西理工大学应用科学学院
[11]易泓可主编.电气控制系统实际基础与范例.北京：
机械工业出版社，2005.
[12]李道霖.电气控制与PLC原理及应用[M]．北京:
电子工业出版社，2004．
附录
附录一程序梯形图
附录二程序语句表
TITLE=PROGRAMCOMMENTS
Network1//NetworkTitle
//定义开关按钮
LDI0.0
OM2.0
AC0
=M2.0
Network2
LDC0
CTUC0,2
Network3
//选择低速
LDI0.1
EU
ANI0.2
ANI0.3
MOVW50,VW100
Network4
//选择中速
LDI0.2
ANI0.1
MOVW10,VW100
Network5
//选择高速
LDI0.3
MOVW3,VW100
Network6
//移位寄存器赋初值
LDM2.0
MOVW2#1000000000,MW0
Network7
//计时控制步进电机速度的调节
ANT33
TONT33,VW100
Network8
//定时控制移位
LDT33
SRWMW0,1
Network9
//计数十拍后重新给移位寄存器赋初值
LDC1
OC0
CTUC1,10
Network10
//输出端口A的控制
LDM1.1
OM0.0
LDM0.1
OM0.2
OM0.3
ANI0.4
OLD
LDM1.0
OM0.7
OM0.6
AI0.4
AM2.0
=Q0.0
Network11
//输出端口B的控制
OM1.0
OM0.1
LDM0.7
LDM0.2
=Q0.1
Network12
//输出端口C的控制
OM0.5
LDM0.4
=Q0.2
Network13
//输出端口D的控制
LDM0.3
OM0.4
=Q0.3
Network14
//输出端口E的控制
LDM0.6
=Q0.4
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