PLC控制步进电动机的设计原理与实现方法.docx
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PLC控制步进电动机的设计原理与实现方法
课程设计
设计说明
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内容摘要
步进电动机是一种控制精度极高的电动机,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十六位移位寄存器，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:
PLC；梯形图；I/O接线图；五相十拍步进电机
第一章引言
步进电动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，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。
第二章系统总体方案设计
2.1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。
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号开关控制其高速运行（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
2.3.1功能要求
对五相六拍步进电机的控制，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，正反转可随时不停机切换；
（3）步进三种速度可分为高速（0.03S），中速（0.1S）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速
2.3.2性能要求
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。
第三章PLC控制系统设计
3.1输入输出编址
控制步进电机的个输入开关及控制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3-1所示。
表3-1I/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/停常开按钮
SB1
I0.0
A绕组
A
Q0.0
0.5s低速常开按钮
SB2
I0.1
B绕组
B
Q0.1
0.1s中速常开按钮
SB3
I0.2
C绕组
C
Q0.2
0.03s高速常开按钮
SB4
I0.3
D绕组
D
Q0.3
控制转向开关
QS
I0.4
E绕组
E
Q0.4
3.2选择PLC类型
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。
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。
步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如图3—1所示。
图3-1I/O接线图
3.4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—2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。
N
Y
图3-2控制流程图
3.5梯形图程序设计
3.5.1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3-2。
表3-2移位寄存器初值
M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0
1000000000
每右移1位，电机前进一个布矩角（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3-1、3-2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3-3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
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表3-4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
1
1
0
0
3.5.2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，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，C21计数一次，然后T33重新计时。
计数十次后动作C21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，C20动作，M20失电，C21复位电机停止转动。
图3-3启停程序的梯形图
当I0.0闭合时M2.0得电同时自锁电动机启动，且计数器C20计数1次；当I0.0再次闭合时计数器再次计数1次达到预置值，C20位ON，C20常闭断开，M2.0失电，电动机停止，同时C20常开闭合计数器复位。
图3-4步进速度开关程序梯形图
电动机步进速度的控制，当I0.1闭合时发送1个电脉冲，使数据传送指令将数据50传送到操作数VW100，从而控制步距角转速。
并且I0.1、I0.2和I0.3之间有互锁，从而使控制不会出错。
图3-5移位寄存器赋初值
电动机启动时将16进制数0200（也就是2进制1000000000）传送到移位寄存器MW0，从而保证电动机每10拍赋一次初值。
图3-6步距角频率控制
由前面传送到操作数VW100的数据为预置值，当计时器T33达到预置值时T33位为ON，常开T33闭合，线圈M3.0得电，从而常闭M3.0断开，使计时器停止计时。
计时器停止计时T33位OFF，继而M3.0继续闭合计时器从新计时。
实现了每多长时间发放一个电脉冲。
图3-7移位寄存器控制
每有一个电脉冲发放时，移位指令动作一次，使移位寄存器内数据右移一位，且保存到移位寄存器内。
同时计数器C21计数一次，到达预置值10时C21动作，使图3-5中传送指令动作，再次给移位寄存器赋初值。
这样保证移位寄存器每移位10次循环一次，从而保证了电动机有规律的运行。
图3-8A相绕组控制
图3-9B相绕组控制
图3-10C相绕组控制
图3-11D相绕组控制
图3-12E相绕组控制正转顺序
在上面5个图中分别控制A、B、C、D、E五个绕组，当I0.4闭合时为正转顺序：
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB。
当I0.4断开时为反转顺序：
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB。
3.6语句表
由梯形图可得出语句表如下图
图3-13语句表
3.7程序的调试
程序编写输入完成之后就要进行调试，调试的目的是检验程序是否满足要求，不满足的话就要从新编写程序直到调试符合要求。
在这我们用SF200仿真模拟器进行程序调试。
调试结果如图所示。
图3-14低速正转运行状态
图3-15中速正转运行状态
图3-16高速反转状态
经调试可知，程序满足要求。
结论
本次设计研究了PLC控制步进电动机的设计原理与实现方法，主要是程序的设计，将PLC应用到步进电动机控制系统中，充分发挥PLC高可靠性和实用性，外部接线简单、灵活，维修方便。
实际应用中还应结合实际情况，考虑各部分的容量及其实际的技术参数，供电电源的设计、系统接地问题、电缆设计与铺设、PLC输出端保护等问题，以使系统达到安全可靠的工作，所以要想用于实际中，必须得通过现场调试。
这就又给我们提出了更高层次的问题，毕竟一个较好的和较完善的应用软件不是在短时间内就可以完成它的需要，要不断的完善和发展，需要我们做大量的工作和时间的检验。
现在的系统虽然满足了基本的要求，还需要增加很多新的功能和先进的科学技术，才能实现更安全、可靠、节约地控制。
虽然现在用PLC控制步进电动机简单方便，但单片机等更为便宜，所以，应该在现有的基础上开发利用单片机等控制系统。
而且现有的故障诊断很不全面，应该增加主动性预防诊断，可使系统在发生故障之前，我们就可以预见故障、排除故障，使运行中的故障率降低到最低水平，保障电动机正常运行。
最终，就是以信息技术为主，通过先进使用技术，提升步进电动机的控制，强化产、学、研的有效结合，尽快实现技术引进和自主创新相结合的模式，建立和完善技术开发体系，全力提升步进电动机控制的水平。
设计总结
通过本次试验我学到很多东西，遇到很多需要查资料的问题。
在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。
我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我受益非浅。
通过学习PLC理论课程后，在做课程设计能检测我的学习成果和知道自己的不足，此次设计每个人一个题目。
由于平时大家都是学理论，没有过实际设计和调试的经验，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。
我基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。
也锻炼了自己独立做事的能力，怎么去查找资料，怎么去利用手中的资料，怎么样很好的写一篇PLC论文。
在这次设计实践之中，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。
然后根据程序在实验室进行调试，使其达到预期的程度。
最后，依照调试结果写论文。
不断的锻炼自己的动手和思维能力。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。
有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。
自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。
为以后的工作积累了经验，增强了信心。
谢辞
设计过程中我的指导老师王宗才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。
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