控制步进电机课程设计.docx

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控制步进电机课程设计

第1章控制工艺流程分析

1.1步进电机的控制过程描述

近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。

数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。

数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。

1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。

由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。

也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。

步进电机驱动器有很多，应以实际的功率要求合理的选择驱动器。

步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。

脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。

一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。

在一般的电路驱动中，需将由CPU产生的脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。

随着大规模集成电路技术的发展，逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片，它们配合功率放大的驱动电路可以实现步进电机的驱动。

1.2PLC控制步进电机的控制工艺分析

可编程序控制器简称PLC，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。

它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等优点，因此迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。

PLC所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源：

具有良好的自诊断功能．一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；简化编程语言，对信息进行保护和恢复．设置警戒时钟WDT；对程序和动态数据进行电池后备。

上述措施使PLC有高的可靠性。

而采用循环扫描工作方式也提高其抗干扰能力。

PLC在工业自动化领域起着举足轻重的作用。

在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。

实践证明80％以上的工业控制可以使用PLC来完成。

PLC可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信联网等。

使用PLC可实现步进电机的控制。

可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高。

时至今日，软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。

虽然软件的发展速度比不上硬件的发展速度那么迅速，但已能满足现在的工业需求。

对步进电机的传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。

随着PLC的普及，现在已普遍采用硬件与软件相结合的方式对其进行控制，这种控制方法有很多优点，比如：

可以实现高精度的控制，降低成本，降低控制难度，简化控制电路等。

今后步进电机的总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方向发展。

PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。

因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。

以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。

PLC对步进电机的控制主要包括三个方面，即步进电机的转速控制、方向控制、步数控制。

改变步进电机定子绕组的通电顺序，就改变步进电机的旋转方向，改变脉冲频率，就改变步进电机的转速，改变脉冲个数。

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。

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。

步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。

步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。

因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。

本系统PLC选用S7-200PLC。

其控制系统如图1-1

所示。

图1-1PLC控制步进电机系统框图

第2章控制系统总体方案设计

2.1系统硬件组成

可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。

在运行状态中，可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的控制要求。

为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不仅仅执行一次，而是反复不断地重复执行，直到可编程控制器停机或切换到STOP工作状态。

下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程。

图2-1所示的PLC的输入输出接线图，起动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分加别接在编号为X000和X001的可编程控制器的输入端，接触器KM的线圈接在编号为YO00的可编程控制器的输出端。

图（b）是这3个输入/输出变量对应的I/O映像寄存器。

图（c）是可编程控制器的梯形图，它与图2.1所示的继电器电路的功能相同。

但是应注意，梯形图是一种程序，是可编程控制图形化的程序。

图中的X000等是梯形图中的编程元件，XO00与X001是输入继电器，Y000是输出继电器。

编程元件X000与接在输入端子XO00的SB1的常开触点和输入映像寄存器XO00相对应，编程元件Y000与输出映像寄存器Y000和接在输出端子Y000的可编程控制器内部的输出电路相对应。

图2-1PLC的外部接线图与梯形图

PLC采用了典型计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电路等。

把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部各种开关信号、模拟信号、传感器检测信号均作为PLC输入变量，它们经PLC外部端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其它各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。

PLC的系统硬件结构如图2-2所示。

图2-2PLC系统硬件图

在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出映像寄存器Y000中存放的是二进制数“1”，外接的KM线圈将通电，反之将断电。

X000，X001和Y000的波形高电平表示按下按钮或KM线圈通电,当T

T=T1时按下起动按钮SB1，X0变为“1”状态，经逻辑运算后Y000变为“1”状态，在输出处理阶段，将Y000对应的输出映像寄存器中的“1”送到输出模块，将可编程控制器内Y000对应的物理继电器的常开触点接通，使接触器KM的线圈通电。

梯形图以指令的形成储存在可编程控制器的用户程序存储器中，梯形图与下面的4条指令对应“；”之后是该指令的注解。

LDX000；接在左侧母线上的X000的常开触点。

ORY000；与X00O的常开触点并联的Y000的常开触点。

ANIX001；与并联电路串联的X001的常闭触点。

OUTY000；Y000的线圈。

在输入处理阶段，CPU将SB1，SB2的常开触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。

执行第一条指令时，从输入映像寄存器X000中取出二进制数并存入运算结果寄存器。

执行第二条指令时，从输出映像寄存器Y000中取出二进制数，并与运算结果寄存器中的二进制数相“或”（触点的并联对应“或”结算），然后存入运算结果寄存器。

执行第三条指令时，取出输入映像寄存器X001中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”（电路的串联对应“与”运算），然后存入运算结果寄存器。

在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出映像寄存器Y000中存放的是二进制数“1”，外接的KM线圈将通电，反之将断电。

X000，X001和Y000的波形高电平表示按下按钮或KM线圈通电,当T

T=T1时按下起动按钮SB1，X0变为

“1”状态，经逻辑运算后Y000变为“1”状态，在输出处理阶段，将Y000对应的输出映像寄存器中的“1”送到输出模块，将可编程控制器内Y000对应的物理继电器的常开触点接通，使接触器KM的线圈通电。

2．2控制方法分析

工作原理：

步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。

目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。

以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。

以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。

由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用.步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。

给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。

其工作原理如下：

设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐。

然后在A相继续通电的情况下接通B相。

这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止。

即转子顺时针转过了15°。

接着A相断电，B相继续通电。

这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐，转子从图（b）的位置又转过了15°。

这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。

电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。

如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。

图2-3步进电机通电方式原理图

控制方案：

（1）三相步进电动机有三个绕组:

A、B、C

正转通电顺序为：

A→AB→B→BC→C→CA

反转通电顺序为：

A→CA→C→BC→B→AB

（2）用7个开关控制其工作

#1开关控制其运行（启）。

#2开关控制其运行（停）。

#3号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5s）。

#4号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1s）。

#5号开关控制其高速运行（转过一个步距角需0.04s）。

#6号开关控制其转向（ON为正转）。

#7号开关控制其转向（OFF为反转）。

2．3I/O分配

步进电动机以最常用的三相六拍通电方式工作，并要求步进电动机设有快速、慢速控制、正反转及单步控制4种控制方式。

根据要求，可选用C28P—CDT—D的PLC进行控制并设计出步进电动机的PLC控制系统I/O接线图。

图2-4步进电动机的PLC控制系统I/O接线图

步进电动机PLC控制系统梯形图设计

图2-5步进电动机的PLC控制系统梯形图

2．4系统结线图设计

PLC机型选择的基本原则是：

在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性价比最优的机型。

通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。

本次设计选择的是三菱系列的FX1N系列。

图2-6控制系统原理图

  图2.6是控制系统的原理接线图，图2-6中Y7输出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。

同时Y7接至PLC的输入接点X0，并经X0送至PLC内部的HSC。

HSC计数Y7的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使Y7的脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。

控制系统的运行程序：

第一句是将DT9044和DT9045清零，即为HSC进行计数做准备;第二句～第五句是建立参数表，参数存放在以DT20为首地址的数据寄存器区;最后一句是启动SPD0指令，执行到这句则从DT20开始取出设定的参数并完成相应的控制要求。

由第一句可知第一个参数是K0，是PULSE方式的特征值，由此规定了输出方式。

第二个参数是K70，对应脉冲频率为500Hz，于是Y7发出频率为500Hz的脉冲。

第三个参数是K1000，即按此频率发1000个脉冲后则切换到下一个频率。

而下一个频率即最后一个参数是K0，所以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。

故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。

第3章控制系统梯形图程序设计

3.1步进电机控制流程图

由PLC控制步进电机的程序流程图如图3-1所示

图3-1步进电机控制流程图

3.2控制程序时序图设计

由PLC控制步进电机的程序时序图如图3-2所示

图3-2控制电机的时序图

3.3控制程序设计思路

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,最长可达两个多扫描周期,程序越长,这种滞后越明显,则制精度就越低。

因此,在实现控制要求的基础上,应使程序尽量简捷、紧凑。

另一方面,同一个控制对象,根生产的工艺流程的不同,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,可较好地满足上述设计要求。

图3-3步进电机梯形图控制程序

第4章监控系统设计

4.1PLC与上位监控软件通讯

对于上位机接口软件的编制，选择查询方式来进行接收，完成一次传输的步骤是：

执行一条输入指令，读取FIFO当前状态，判断外设是否处于“准备就绪”或者“未准备就绪”状态进行进行相应步骤程序执行。

上位机向微处理器发出中断请求。

PLC微处理器响应中断请求后，接收数据。

通过使用接收中断，发送中断，发送指令（XMT）和接收指令（RCV），用户程序可以实现在自由口模式下对通信端口的控制，在自由口模式下，通信协议完全由用户程序控制。

使用通信端口0与计算机通信时，通过SMB30允许自由口模式，而且只有在PLC处于RUN模式时才能允许，当PLC处于STOP模式时，自由口通信停止，通信口转换成正常的PPI协议操作。

由于通信只使用A、B两线制进行数据传送，不能利用硬件信号作为检测手段，故在上位机与PLC通信发生误码时，将不能通过硬件判断是否发生误码，或者当上位机与PLC工作速率不一样时就会发生冲突。

这些通信错误将导致PLC控制程序不能正常工作，因此必须使用软件，以保证通信的可靠性。

4.2上位监控系统组态设计

随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。

已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。

因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根

据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

图4-1上位监控系统组态与上位机接线图

组态（Configuration）为模块化任意组合。

通用组态软件主要特点:

（1）延续性和可扩充性。

用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级;

（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能;（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。

4.3实现的效果

组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。

在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。

组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。

随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容监控组态软件将会不断被赋予新的内容。

第5章系统调试及结果分析

5.1系统调试及解决的问题

实验中可能会有许多原因会引起调试的不成功，其中包括硬件方面的，和软件方面的。

硬件方面的主要是连线的错误，或者其他硬件方面的问题。

比如硬件线路的接法不同也可能导致实验的不成功。

还有软件方面的问题，比如因为软件版本存在差异，使得一些语句不能实现，或者达不到预期的效果。

这就要求我们在做实验时要仔细的分析实验中遇到的问题。

5.2结果分析

分析实验过程中获得的数据，波形，现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确不正确的原因和处理方法。

现象：

启动步进电机，按下模块上的正转按钮，步进电机正转180度，当步进电机转到180度后，停止。

此外，当步进电机正转90度以后按下S2，步进电机会立刻反转90度。

也可工作到PLC设计的步数后停止。

课程设计心得

通过实验，我们感性地认识到理论与实际的差别，加深了我们对本课程设计的理解和认识。

通过实验来验证设计并改善设计中的不足之处，实验中我们会遇到很多问题和故障，在锻炼了我们的动手能力的同时也提高了我们的思考、解决问题的能力。

调试的过程就是观察、分析、排错的过程。

在进行实验时，应该按照设计的实验步骤进行观察、记录，然后与原设计进行比较、分析，以判断每一步是否正确，从而推动整个实验的进程。

实验的调试过程，实质上是一个不断发现问题，不断找出原因，不断解决问题的过程。

要解决问题关键是要发现问题的所在，而要能找到出错的原因，只有通过反复的对实验运行过程中记录的参数进行分析、比较，才能发现问题。

由此可见，在实验室做好现场参数的记录和分析是相当重要的。

这不仅是培养我们养成良好实验习惯的机会，也是让我们学会将理论知识综合运用、掌握实验技巧、提高动手能力。

因此必须要经过实验测试和调整，以便发现和纠正设计和安装中的不足，最后才能达到预定的设计要求。

参考文献

[1]邓星钟.机电传动与控制[M].华中科技大学出版社,2007.

[2]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].机械工业出版社,2009.

[3]李朝青.单片机接口技术[M].北京航空航天大学出版社,2005.

[4]宋伯生.PLC编程理论、算法及技巧[M].机械工业出版社,2005.

[5]吴作明.PLC开发与应用实例详解[M].机械工业出版社,2007.

[6]钱平.交直调速系统[M].机械工业出版社,2002.

附录

STARTbit01H

MinSpdEQU9

MaxSpdEQU75

SpeedDATA23H

ORG0000H

LJMPDJSD

ORG0010H

LJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:

MOVSPEED,#MinSpd

m_NEXT1:

MOVA,Speed

MOVB,#10

DIVAB

CMPA,#0

JEDISPS0

CMPA,#1

JEDISPS1

CMPA,#2

JEDISPS2

CMPA,#3

JEDISPS3

CMPA,