基于S7200PLC步进电机控制系统本科生毕业设计.docx
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基于S7200PLC步进电机控制系统本科生毕业设计
摘要
小型PLC在编程，I/O扩展，通讯接口，开关量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。
但随着应用需求及关联产品技术性能的提升，PLC将继续得已完善和发展。
本文主要论述了步进电机的原理及驱动方法，并在S7-200PLC的基础上，对步进电机进行控制。
本设计选用PLC控制两相混合式步进电机，在PLC编程的基础上用按钮开关控制步进电机的启动、加速、匀速、减速、反转及急停等基本功能。
关键词：
S7-200PLC、两相混合式步进电机、PLC编程。
Abstract
Inthefieldofprogramming,I/Oexpansion,Communicationinterface,adjustmentsofswitchesandsimulationandsomespecialfunctionmodulessuchastheapplicationofhighspeedpulseinputandoutput,thePLChasalreadymetdemandsofusers.ButthePLCwillcontinuetoimproveanddevelop,asthedevelopmentofapplicationrequirementsandrelatedtechnicalperformance.
Thisarticlechieflydiscussestheprincipleanddrivenapproachofthesteppingmotor,andhowtocontrolitbasedontheS7-200PLC.ThearticleisabouthowthePLCcontrollingthetwo-phasehybridsteppingmotor.Withtheswitchbutton,itcanfunctionas:
start,accelerate,uniform,slowdown,reversalandstopbasedonthePLCprogramming.
Keywords:
S7-200PLC,two-phasehybridsteppingmotor,PLCprogramming.
第一章绪论
1.1概述
可编程控制器（简称PLC）是一种数字运算操作的电子系统，是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。
它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。
PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。
产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同:
1）中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器[1]。
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。
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、速度和方向。
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可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而广泛应用在数控机床、钟表、数字系统、程序控制系统及航天工业装置中。
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，即可实现对步进电机的控制。
因此如何实现PLC控制步进电机的通用控制电路设计方法有着实际生产意义。
1.2国内、外S7-200PLC现状和发展趋势
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40％。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
小型PLC从产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；如今的小型PLC在编程，I/O扩展，通讯接口，开关量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。
但随着应用需求及关联产品技术性能的提升（如步进驱动的脉冲响应频率及精度，HMI及关联系统的通讯功能），PLC将继续得已完善和发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.3论文的主要研究工作
掌握步进电机的原理及其驱动方法，掌握西门子S7-200PLC的原理与程序设计方法。
掌握步进电机的电气控制试验系统的工作原理，基于该系统设计S7-200PLC程序，实现主站PLC对步进电机的控制。
第二章步进电机
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。
2.1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]。
2.2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。
2.2.1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。
2.2.2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。
2.3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。
第三章西门子S7-200PLC
3.1S7-200PLC
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能可达到大、中型PLC的水平，而价格却与小型PLC的一样，因此，它一经推出，就受到了广泛的关注。
在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国大部分的市场份额。
在S7-200PLC推出后，这种情况得到了明显的改善，最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成为了主流产品。
西门子最早的小型PLC产品是在上世纪末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPY22*系列的产品所取代了。
由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。
同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得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。
现在最新版的S7-200PLC系列PLC是在2004年推出的，它的主要特点是：
较高的可靠性、丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实时特性强和强大的通信能力。
3.2.1硬件系统
S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一顶数量的输入/输出（I/O）点，一个主机单元就是一个系统。
它还可以进行灵活的扩展，如果（I/O）点不够，则可增加（I/O）扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。
一个完整的系统组成如图3.1所示：
图3.1S7-200PLC系统组成
主机单元：
主机单元，又称基本单元或CPU模块。
它由CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等组成，是PLC的主要部分。
实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。
扩展单元：
扩展单元，又称扩展模块。
当主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。
根据I/O点数不同、性质不同、供电电压不同，I/O扩展模块有多种类型。
每个CPU所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因素共同决定的。
特殊功能模块：
当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。
它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块、特殊通信模块等。
相关设备：
相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。
软件：
软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对S7-200PLC来说，与之配套的软件主要有STEP7-Micro/WIN和HMI人机界面的组态编程软件ProTool、WinCCflexible。
3.2.2软元件
用户使用的PLC中的每一个输入/输出、内部存储单元、定时器和计数器等都称作软元件。
软元件是PLC内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。
为了把这种元器件和传统电气控制电路中的继电器区别开来，把它们成为软元件或者软继电器。
它们最大的特点是：
1）软元件是看不见、摸不着的，不存在物理性的触点；
2）每个软元件可提供无限个常开触点和常闭触点；
3）体积小、功耗低、寿命长。
常用软元件有：
输入继电器（I）、输出继电器（Q）、通用辅助继电器（M）、特殊继电器（SM）、变量存储器（V）、局部变量存储器（L）、顺序控制继电器（S）、定时器（T）、计数器（C）、模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ）、高速计数器（HC）、累加器（AC）等。
[3]
3.2PLC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42H2P3412A4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3.2Ω，相电感4.4mH，静转矩1.9kg·cm，转动惯量41g·cm2，轴径5mm，引线4条，机身长34mm[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2.2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2MA320的驱动器。
该型号驱动器的特点：
1）供电电压DC12-36V或AC12-24V
2）驱动电流0.3-2.0A
3）细分精度1-128细分可选
4）光隔离信号输入
5）电机噪声优化功能
6）可驱动任何2.0A相电流以下两相、四相混合式步进电机
7）20KHz斩波频率
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极指向磁极1齿面，磁极5下也是齿对齿，磁极3和7是齿对槽，所示A相通电转子N极端定转子平衡。
由于两段转子铁芯上的小齿相互错开半个齿距，在转子S极端，磁极1和5产生的S极磁场，排斥转子S极，与转子正好是齿对槽，磁极3和7齿面产生N极磁场，吸引转子S极，使得齿对齿。
A相绕组通电时转子N极端、S极端转子平衡。
如图4.5所示。
因转子上共有50个齿，其齿距角为360°/50=7.2°，定子每个极距所占的齿数为不是整数，因此当定子的A相通电，在转子N极，磁极1的5个齿与转子齿对齿，旁边的B相绕组的磁极2的5个齿和转子齿有1/4齿距的错位，即1.8°，A相通电时定转子齿展开图画圆圈的地方，A相磁极3的齿和转子就会错位3.6°，实现齿对槽了。
磁力线是沿转子N端→A
（1）S磁极→导磁环→A（3）N磁极→转子S端→转子N端，成一闭合曲线。
当A相断电B相通电时，磁极2产生N极性，吸合离它最近的S极转子7齿，使得转子沿顺时针方向转过1.8°，实现磁极2和转子齿对齿，B相绕组通电定转子齿展开图如图5所示，此时磁极3和转子齿有1/4齿距的错位。
依次类推若继续按四拍的顺序通电，转子就按顺时针方向一步一步地转动，每通电一次即每来一个脉冲转子转过1.8°，即称步距角为1.8°，转子转过一圈需要360°/1.8°=200个脉冲。
如图4.6所示。
在转子S极端也是同样道理,当绕组齿对齿时,其旁边一相磁极错位1.8°[5]。
图4.5A相通电时定转子齿展开图
图4.6B相绕组通电定转子齿展开图
4.2.3驱动器参数设置
由于上述步进电机的相电流为1.2A，驱动器的SW1-SW3分别设置为：
ON、ON、OFF，即输出峰值电流为1.5A，SW5-SW7分别设置为ON、ON、ON，即细分设定为200步/圈。
具体参数参照附录。
4.3PLC控制步进电机
控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。
西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。
对PLC提出两个特性要求：
一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫或更高。
其目的是使脉冲能有较高的分配速度，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。
二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。
利用PLC输出脉冲信号，通过驱动器驱动步进电机。
原理框图如图4.7所示：
图4.7控制框图
环形分配程序对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机两相绕组的直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。
当步进电机各相绕组的通电顺序按：
A—B—A—B-导通断开时，步进电机正转。
当按A-—B—A—B-依次导通、断开时，步进电机反转，即步进电机可以按两相四拍工作。
每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次的脉冲输入。
控制部分的由外部开关决定，分别接PLC的I0.0-I0.2口，接线图如图4.8所示：
图4.8PLC控制接线图
接线实物图如图4.9所示：
图4.9实物图
本设计希望通过控制PLC的
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