机电控制系统设计与制作.docx
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机电控制系统设计与制作
基于西门子plc的步进电机速度控制系统设计
学院：
工程机械学院
课程名称：
机电控制系统设计与制作
专业：
机械工程
姓名：
学号：
2014225074
任课教师：
完成时间：
2015.7.6
基于西门子plc的步进电机速度控制系统设计
实验功能
本实验是利用天煌型试验台上基于西门子型（脉冲、模拟量）控制步进电机，实现带有丝杠滑块的步进电机的启停及速度控制。
控制原理和方法
为了达到实验功能，我们采用西门子进行编程产生方波脉冲，使步进电机有一定转速。
并由开关量控制方波的产生停止，进而控制电机的启停。
分别设定丝杠滑块过程中的行程开关为停止和变速功能。
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，能够满足步进电动机的要求。
对提出两个特性要求。
在此应用的最好是具有实时刷新技术的，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。
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，由可以输出连续的、占空比可调的脉冲串，用户可以控制脉冲的周期和脉宽。
有两个发生器，它们可以产生一个高速脉冲串或者一个脉宽调制信号波形。
一个生成器分配给数字输出点，另一个生成器分配给数字输出点。
一个指定的特殊存储位置存储每个发生器的下列数据：
一个控制字节位数值、一个脉冲计数值无符号位数值、一个周期和脉冲宽度值无符号位数值。
生成器和进程图像寄存器共享使用和。
当功能在或激活，生成器控制输出，正常使用输出点禁止。
输出信号波形不受过程映像区状态、输出点强制值或者立即输出指令执行的影响。
当不使用发生器功能时，对输出点的控制权交回到过程映像寄存器。
过程映像寄存器决定输出信号波形的起始和结束状态，以高低电平产生信号波形的启动和结束。
指令会从特殊存储器中读取数据，使程序按照其存储值控制发生器。
控制，控制。
表对用于控制操作的存储器给出了描述。
可以使用表中作为脉冲时基，时基为μs，经查型驱动器、、、分别为、、、，故每转需要步。
我们设定慢速周期μs，频宽μs，每秒转；快速周期μs，频宽μs，每秒转。
并以中端行程开关控制速度变化。
通过修改存储区包括控制字节，然后执行指令来改变或信号波形的特性。
对输入电机的相关脉冲控制，从而达到对步进电机三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。
控制寄存器（进制）
执行指令的结果
允许
模式选择
段操作
更新方法
时基周期
脉冲数
脉冲宽度
周期
单段
μs
装入
单段
μs
装入
单段
μs
装入
装入
单段
装入
单段
装入
单段
装入
装入
多段
μs
多段
同步
μs
装入
同步
μs
装入
同步
μs
装入
装入
同步
装入
同步
装入
同步
装入
装入
表
控制系统电器原理的设计
系统的硬件组成
本实验用天煌型试验台（图）：
图
图
主要涉及的各个硬件为如下（表）：
序号
名称
规格
数量
单位
备注
1
工作台
张
2
模块
西门子主机
台
标准配置
3
电源模块
三相电源总开关（带漏电和短路保护）个、熔断器只、单相三极电源插座个、安全插座个
块
4
步进电机驱动模块
相数：
，步距角：
，静态电流：
，相电阻：
，相电感：
，保持转矩：
套
5
滚珠丝杆单元
由滚珠丝杆、刻度装置、限位传感器、移动导块等组成。
位置控制水平位移：
，重复精度：
套
6
接线端子排
本系统的执行器、控制器接口全部引到操作面板及接口单元，并配备配套实训导线
套
7
工件
含金属、塑料工件
套
8
电源线
单相三芯电源线
根
9
实训导线
强电、弱电连接导线
套
10
编程电缆
配套通信编程电缆
根
11
配套工具
工具箱：
十字长柄螺丝刀、大、中、小号一字螺丝刀，中、小号十字螺丝刀，钟表螺丝刀，剥线钳，尖嘴钳，剪刀，电烙铁，验电笔，镊子，活动扳手，内六角扳手（把）
套
12
挂线架
个
13
型材电脑桌
张
表
硬件的电器介绍
主要用到硬件如下（表）：
名称
型号
电压
功能
西门子
产生方波控制电机行进启停，连接触摸屏
步进电机
带动丝杠，由丝杠上滑块实现预计功能
步进电机驱动模块
相数：
，步距角：
，静态电流：
，相电阻：
，相电感：
，保持转矩：
表
步进电机发展概述
步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。
在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。
然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。
因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。
给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
调整发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
发展概述
可编程控制器简称是种数字运算操作的电子系统，是在世纪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。
自产生至今只有多年的历史，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。
步进电机驱动器介绍
型驱动器，具有电机发热、运行噪声低和运行平稳等优点，主要驱动、型两相混合式步进电机。
其微步细分数有种，最大步数为；其工作峰值电流范围为－，输出电流共有档，电流的分辨率约为；具有自动半流、过压和过流保护等功能。
本驱动器为直流供电，建议工作电压范围为（－），电压不超过，不低于。
功能如下表：
驱动器功能
操作说明
微步细分数设定
由－四个拨码开关来设定驱动器微步细分数，其共有档微步细分。
用户设定微步细分时，应先停止驱动器运行。
具体微步细分数的设定，详见驱动器面板图说明。
输出电流设定
由－三个拨码开关来设定驱动器输出电流，其输出电流共有档。
具体输出电流的设定，详见驱动器面板图说明。
自动半流功能
用户可通过来设定驱动器的自动半流功能。
表示静态电流设为动态电流的一半，表示静态电流与动态电流相同。
一般用途中应将设成，使得电机和驱动器的发热减少，可靠性提高。
脉冲串停止后约秒左右电流自动减至一半左右。
信号接口
＋和－为控制脉冲信号正端和负端；＋和－为方向信号正端和负端；＋和－为使能信号的正端和负端。
电机接口
＋和－接步进电机相绕组的正负端；＋和－接步进电机相绕组的正负端。
当、两相绕组调换时，可使电机方向反向。
电源接口
采用直流电源供电，工作电压范围建议为－，电源功率大于，电压不超过和不低于。
指示灯
驱动器有红绿两个指示灯。
其中绿灯为电源指示灯，当驱动器上电后绿灯常亮；红灯为故障指示灯，当出现过压、过流故障时，故障灯常亮。
故障清除后，红灯灭。
当驱动器出现故障时，只有重新上电和重新使能才能清除故障。
安装说明
驱动器的外形尺寸为：
，安装空距为。
既可以卧式和立式安装，建议采用立式安装。
安装时，应使其紧贴在金属机柜上以利于散热。
表
系统的分析
西门子型，口如下（图）：
图
本机集成输入输出共个数字量点，输入输出共个模拟量点，可连接个扩展模块，最大扩展值至路数字量点或路模拟量点。
电器原理图
以下为步进电机与接线（图）：
图
步进电机驱动电压由输入端提供，分别接和地端。
控制系统程序的编写
梯形图程序设计
控制步进电机的各输入开关及控制、、三相绕组工作的输出端在中的编址如下表：
端口
功能
端口
功能
丝杠原点
启动
丝杠左极限
停止
丝杠右极限
转向控制
表
程序设计的说明
1）概述
编程软件是一个用于可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。
标准软件包中提供一系列的应用工具，如：
管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。
编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。
该软件提供了在线和离线编程的功能，可以对在线上载或下载。
利用可以方便地创建一个自动化解决方案。
2）的编程功能
的标准版只配置了种基本的编程语言，梯形图（）、功能块图（）和语句表（）、复制和粘贴功能。
语句表是一种文本编程语言，使用户能节省输入时间和存储区域，并且更接近硬件。
专业版的编程语言包括（结构化控制语言）、（顺序功能图语言）、和，这四种语言对于标准版是可选的。
用符号表编辑器工具管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。
使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。
测试功能和服务功能包括设置断点、强制输入和输出、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态等。
程序中的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找。
3）的具体编程
具体编程表如下：
图主程序
图慢速子程序
图停止子程序
图快速子程序
控制系统流程图的设计
控制系统的功能
打开启动开关，电机启动以低速运转，丝杠带动滑块运动。
当滑块触碰原点行程开关启动，电机速度提升，当滑块触碰左、右极限行程开关接通、，脉冲归零电机停止转动。
打开电机反向转动，重复上述动作。
打开电机停止动作。
各功能的流程图
开始→首次选择步进速度→正转或反转起动→移位寄存器赋初值→低速→发生移位脉冲→执行移位→移位输出控制步进电机→行程开关到→移位寄存器赋初值→行程开关没到→继续执行
Y
N
N
Y
实验结果
试验基本达到预期目的，开始打开启动开关，电机以低速运转。
当触碰原点行程开关电机转速增加并以高速触碰左右极限开关，电机停止。
打开正反转开关，电机反转，同样达到目的。
总结
本实践基于的步进电机控制系统的设计方法和调试过程，包括硬件设计、软件设计以及系统组态等方面。
硬件电路用西门子、放大电路和相关集成电路设计而成。
软件程序用梯形图语言编写。
实践中，利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态的自动控制和精确控制。
利用输出的时序脉冲和方向信号，改变对步进电机绕组的通电方式和通电顺序，来准确控制步进电机的正转、反转等工作状态。
通过设定行程开关量，来改变步进电机的工作频率。
目前利用可编程序控制器（即技术）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，完成各种工作。
在实践过程中同样出现各种不同的问题，比如对开关量的认识、编程的思路、以及接线。
特别是在编程和接线的过程中出现问题较多，达到预期的目的不只是一种编程步骤，凸显了对编程的不熟练，认识不够。
经过数次的接线错误中出现了正负极、地端的错误判断，这都说明我们还有很多地方需要改进。
感谢高老师对实践中的问题给予的批评指正，让我们对错误有了正确认识，此方面的知识有长足的进步。
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