五相单双十拍步进电动机设计说明书.docx
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五相单双十拍步进电动机设计说明书
机电工程学院
课程设计说明书
设计题目:
五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试
学生姓名：
学号：
专业班级：
指导教师：
王宗才
2012年12月10日
内容摘要
步进电机是一种控制精度极高的电机,在工业上有着广泛的应用。
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。
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。
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。
本文主要是介绍采用可编程控制器（PLC）对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。
本文详细的介绍了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。
其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、梯形图以及语句表。
本文设计过程中使用了移位指令，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计。
在实际应用中表明此设计是合理有效的。
关键词:
S7-200PLC；梯形图；五相十拍步进电动机
2.6.1主电路图………………………………………………………………………………….15
2.6.2控制电路图……………………………………………………………………………….16
2.6.3元件清单………………………………………………………………………………….16
2.6.4元件布置图……………………………………………………………………………….17
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。
1.1五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:
A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA；反转顺序:
EA←E←DE←D←DC←C←BC←B←BA←A
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0.02秒）。
5号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）。
3.操作方面要求：
（1）可正转或反转；
（2）运行过程中，正反转可随时不停机切换；
（3）步进三种速度可分为高速（0.02S），中速（0.1S），低速（0.5S）三档，并可随时手控变速;
4.性能方面要求：
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。
1.2程序设计的基本思路
在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。
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SIMATIC移位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。
第2章PLC控制系统设计
2.1PLC类型选择
PLC脉冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中，具有控制简单、稳定、成本低等特点。
如果在系统中加上保护电路及防干扰措施，还可提高系统的稳定性。
S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到了大中型PLC的水平，而价格却和小型PLC接近。
特别是S7-200CPU系列PLC，它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，便于系统的集成，并很容易地组成PLC网络；此外，它还具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得S7-200系列PLC在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。
控制步进电机的共有5个输入开关，分别是启/停开关QS1，0.5s低速运行开关QS2，0.1s中速运行开关QS3，0.02s高速运行开关QS4，控制转向开关QS5。
控制A、B、C、D、E五相绕组的工作，需要五个直流输出量，分别是A相绕组B相绕组，C相绕组，D相绕组，E相绕组。
由于有5个直流输入，5个直流输出，无模拟量输入输出，因此只需5点输入，5点输出即可，加上10%的余量，通过查阅手册选定S7-200CPU222基本单元（8入/6出）1台，输出形式又有继电器输出，晶体管（只能直流）输出，晶闸管输出（只能输出交流）三种形式。
由于输出为之流脉冲信号，故采用可直流可交流的继电器输出形式。
图2-1是CPU222的图片及简要介绍。
图2-1CPU222的图片及简要介绍
2.2I/O点的分配与编号
控制步进电机的5个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在PLC中的I/O编址如表2-1所示。
表2-1I/O地址分配表
输入点
输出点
元件名称
符号
地址编码
元件名称
符号
地址编码
启/停开关
SB1
I0.0
A相绕组
A
Q0.0
0.5s低速运行开关
SB2
I0.1
B相绕组
B
Q0.1
0.1s中速运行开关
SB3
I0.2
C相绕组
C
Q0.2
0.02s高速运行开关
SB4
I0.3
D相绕组
D
Q0.3
控制转向开关
QS
I0.4
E相绕组
E
Q0.4
2.3PLC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。
步进电动机采用五相十拍控制I/O接线图如图2-2所示。
图2-2PLC控制I/O接线图
2.4绘制控制流程图
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2-3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。
图2-3控制流程图
2.5梯形图程序设计
2.5.1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2-2。
表2-2移位寄存器初值
M1.1
M1.0
M0.7
M0.6
M0.5
M0.4
M0.3
M0.1
M0.0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
每右移1位，电机前进一个步距角（一拍），完成十拍后重新赋初值。
由于10位大于1字节而又小于2字节，故令未用上的M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7置“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2-3、2-4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+M1.0+M0.0
B相Q0.1=M1.0+M0.7+M0.6
C相Q0.2=M0.6+M0.5+M0.4
D相Q0.3=M0.4+M0.3+M0.2
E相Q0.4=M0.2+M0.1+M0.0
反转时
A相Q0.0=M1.1+M0.1+M0.0
B相Q0.1=M0.3+M0.2+M0.1
C相Q0.2=M0.5+M0.4+M0.3
D相Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5
E相Q0.4=M1.1+M1.0+M0.7
表2-3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
A
B
C
D
E
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
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1
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1
表2-4移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）
移位寄存器MW0
反转
M1.1
M1.0
M0.7
M0.6
M0.5
M0.4
M0.3
M0.2
M0.1
M0.0
A
B
C
D
E
1
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1
1
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0
0
0
2.5.2梯形图
梯形图设计如下：
首先，按SB2或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
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