基于PLC的步进电机控制.docx

1、基于PLC的步进电机控制课程设计报告课程名称:电气控制与PLC课程设计设计题目： 基于软PLC的步进电机控制 系 别： 专 业： 班 级： 20 学生姓名: 学 号: 起止日期: 20年12月29日 20年1月14日 指导教师: 教研室主任： 指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日成绩评定项 目权重成绩1、设计过程中出勤、学习态度等方面0.22、课程设计质量与答辩0.53、设计报告书写及图纸规范程度0.3总 成 绩 教研室审核意见：教研室主任签字： 年 月 日教学系审核意见： 主任签字： 年 月 日 摘 要步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为制执行元件，是电气自动化

2、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。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。软件PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统的及网络的开放式结构。用PLC控制步进电机的定位、转向、调速、细分有很大的优势与前景。此次设计是利用PLC 的控制方法，上位

3、机的监控功能，在试验室进行模拟实现的。试验结果达到了预期的功能。 关键词：软PLC；步进电机；上位机；定位；转向；调速；细分目 录设计要求 11引言 22、方案论证与对比 32.1 方案一 32.2 方案二 32.3 方案对比与选择 43、系统设计 53.1 PLC内部原理 53.2 二相混合式步进电机工作原理 63.3 驱动器原理 73.4硬件与软件设计 84、组态的设计 104.1 I/O 口的定义 104.2 构造数据库 104.3 建立动画连接 115、系统功能调试与性能分析 125.1系统调试中的问题及解决方案 125.1.1软件调试 125.1.2、正反转未响应 125.1.2、定

4、位的误差 125.1.3、组态设计中的问题 125.1.2、其它 126、详细仪器清单 137、总结与致谢 14参考文献 15附录一 梯形图 16附录二 源程序 18基于软PLC的步进电机控制设计要求本系统由软PLC控制器、步进电机对象、自动化控制软件平台等组成，设计出软PLC的控制程序，实现步进电机的速度、方向、定位、细分等控制功能。步进电机为二相混合式，供电电压24VDC，功率30 W，电流1.7A（或1.2A），转矩0.35NM,步矩角1.8/0.9，并配有细分驱动器，实现细分运行，减少振荡。主要内容包括：1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动、停止功能；3.

5、运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 用组态王监控组态软件，设计出上位监控系统；5. 程序结构与控制功能自行创新设计；6. 进行系统调试，实现步进电机的控制要求。1引言步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,通过控制脉冲数量来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;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;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的。步进电机是机电一体化的关键产品，广泛应用于各种自动化控制

6、系统和机电一体化设备中。随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各行各业都得到了广泛的应用。可编程逻辑控制器Programmable logic Controller（通常称为PLC）是一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置之一，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。利用PLC控制步进电机，其脉冲分配可以有软件实现，也可由硬件组成。软件PLC（Sof

7、tPLC，也称为软逻辑SoftLogic）是一种基于基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。软件PLC提供了与硬PLC同样的功能，同时又提供了PC环境的各种优点。本文中，我们将对软PLC进行综述，对采用PLC来进行步进电机的设计研究进行介绍。并以三菱的FN2系列的PLC为例，讨论步进电机的PLC控制系统的硬件和软件设计方法，以及利用组态设计，通过上位机进行监控与PLC进行通信，从而实现对系统的控制。2、方案论证与对比2.1 方案一步进电机的控制方式采用开环控制方式，即步进电机驱动系统

8、的输入脉冲不依赖与转子的位置,而是事先按一定规律给定的。负载位置对控制电路没有反馈,因此步进电机必须正确的响应每次励磁变化。图2.1 步进电机开环控制框图2.2 方案二闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度,然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步都响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。图2.2 步进电机闭环控制框图2.3 方案对比与选择通过对比，步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控制。这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，只需对输入指令脉冲信号计数，就能知道电机的位置。在开环控制系统中，电机响应走步指令后的实际运

9、行情况，控制系统是无法预测和监视的。在一些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电机容易失步，而使整个系统趋于失控。这时候，可以对步进电机进行位置闭环控制。控制系统对电动机转子位置进行检测，并将信号反馈至控制单元，使得系统对步进电机发出的走步命令，只有得到相应实际位置响应后，方告完成。因此，闭环控制的最基本任务是防止步进电机失步。闭环控制的励磁延时设置随负载而变化，它能产生接近最佳的速度曲线和快速的负载定位。并且一般采用直接监视负载位置的方法，因此发生失步的可能性大大减小。但在本实验中因为要求不是很高，所以只要采取最简单的开环控制系统，用来实现步进电动机的正转、反转、加速、减速、定位。3

10、、系统设计3.1 PLC内部原理可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一至。如图3.1a PLC硬件的基本结构图所示：图3.1 PLC硬件的基本结构图

11、根据设计要求系统的I/O分配表如下：表 1 I/O分配表输入端输出端输入设备输入端子输出设备输出端子启动停止按钮SB1X000电机A相线圈Y0正反选择按钮SB2X001电机B相线圈Y1慢速选择开关SA1X002方向选择Y2慢速选择开关SA2X003按钮K1驱动线圈Y3定位按钮SB3X004按钮K2驱动线圈Y4运行按钮SB4X005按钮K3驱动线圈Y5细分按钮K1X006细分按钮K2X007细分按钮K2 X0103.2 二相混合式步进电机工作原理 二相步进电机有2个绕组，当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向按照AAB四个状态周而复始进行变

12、化，电机科顺时针转动；通电顺序为ABA时，电机就逆时针转动。步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。典型的电机绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。当控制系统将一个电脉冲信号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。脉冲的频率决定电机的转速。电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；因此，只要简单地改变输入脉冲的数目，就能控制步进电机的转子运行角度，从而达到位置控制的目的。步进电机有以下特点：（1）运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；（2）具有锁定转矩；（3）定位精度高，并且没有累积误差；（4）具有优良的起动、停止、反转响应；（5）无

13、电刷和可靠性高；（6）可低速运行，直接驱动负载；（7）不适宜的控制会引起振动；（8）不宜运行于高速状态。图3.2二相图3.2 步进电机内部原理图3.3 驱动器原理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。图3.3a 开环步进电动机控制系统框图 驱动电路由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流；同时提供各种保护措施，如过流、过热等保护。功率驱动器将控制脉冲按照设定的模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得

14、转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应同频率的步序列。图3.3b 步进电机驱动控制电路硬件连接框图图中I1.0、I1.1和I1.5为输入控制信号端;Q0.0和Q0.1为两路高速脉冲，分别负责驱动电机开启定位和停止控制。3.4硬件与软件设计步进电机电机的PLC控制系统是要求用由PLC控制器、二相混合式步进电机、细分驱动器等器件组成，此外应设计要求要利用上位机进行监控，所以要用到上位机。根据设计要求该系统要实现对步进电机的速度、方向、定位、细分等控制功能，要设计相应的程序才能使之实现，而快速与慢速、以及定位功能的实现都是靠PLC发出的高速脉冲来控制的，改变脉冲的宽度即频率来

15、实现快慢，产生脉冲个数的多少来实现准确的定位，所以控制的关键是控制产生的脉冲。硬件连接与程序流程图分别如下图3.4a，图3.4b所示：图3.4a PLC硬件连接图图3.4b 系统流程图4、组态的设计在本系统设计中采用灯的点亮来模拟电机的运行状态，监控软件采用了北京亚控公司的Kingv iew6.5组态王软件。4.1 I/O 口的定义首先双击工程浏览器左侧大纲项“设备COM1”，弹出串口设置对话框，如图6所示。图 4.1a 串口设置对话框要用组态软件进行实时监控首先要完成通讯连接，组态王通讯参数应与PLC 的通讯参数设置保持一致。由于本系统是PLC 与组态王间进行通讯，因此将PLC的生产厂家、设

16、备名称、通讯方式等填入相应的对话框即可。然后选择工程浏览器左侧大纲项“设备COM1”在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择PLC三菱FX2系列产品中“编程口”4.2 构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。根据梯行图程序中的I/O 配置列表，定义各变量如下表2所示。表2 I/O 配置列表变量名描述变量类型连接设备寄存器数据类型读写属性初始值X0控制起/停I/O离散FX 1NX0bit读写关

17、X1正反转I/O离散FX 1NX1bit读写关X2慢速按钮I/O离散FX 1NX2bit读写关X3快速按钮I/O离散FX 1NX3bit读写关X4定位I/O离散FX 1NX4bit读写关X5运行I/O离散FX 1NX5bit读写关Y0A相I/O离散FX 1NY0bit只读关Y1B相I/O离散FX 1NY1bit只读关4.3 建立动画连接图4.3动画连接图根据以上画面中的开关可以来控制PLC设备上的开关按钮，可以监视控制PLC上设备的运行，根据不同情况来调节系统的启停，快速慢速等功能。5、系统功能调试与性能分析5.1系统调试中的问题及解决方案5.1.1软件调试系统开始运行但没有响应，经试验分析是

18、输入频率过高，所以应输入适当的脉冲频率，脉冲低电平的持续时间不应少于300ns。过高的输入频率将可能得不到正确响应。5.1.2、正反转未响应有时在电机运行时按正反转方向键不能正确的响应，理论上信号的改变将使电机运行的方向发生变化，这可能是方向信号未领先脉冲信号输入至少10s，造成驱动器对脉冲的错误响应，从而不能改变方向。5.1.2、定位的误差本系统的定位功能只能在一定范围内实现，不能实现精确的定位，在定位的过程中可以停止但不能回到初始位置，功能有待完善。5.1.3、组态设计中的问题在设计实现上位机控制设计组态时注意I/O 配置必需设置好，要与PLC上的设备配套起来，另外就是设置串口实现上位机与

19、PLC的通信，只有设置好了才能进行正常的通信，实现监控。5.1.2、其它系统启动时初始设定是正转，必需选择一个慢速或高速才能运行，由于试验器材不够，没有细分驱动器，不能实现细分功能。6、详细仪器清单表 3 仪器清单仪器名称数量三菱FX-2N PLC1台PLC模拟测试台1台模拟面板1块各类导线若干上位机1台7、总结与致谢这次课程设计我们做的是软PLC控制步进电机控制系统的设计，要做好该设计，必须对整个系统有一个全面的了解，因此我最开始是在实验室里对该系统的各个模块进行实验，弄清楚各部分的工作原理和特性。在实验中，并不是十分顺利，经常会出现各种问题，例如线路，或者其他电路的分析，在实验中经常会出现

20、各种问题，例如电机不转或方向出现问题，有时是没有按预先启动，就要检查线路，通常我们都会用到万用表，示波器等工具检查电压，极性等来查找问题的所在，随着问题的出现，我们就在老师的帮助下解决并弄懂很多原理，很多都是实践中的经验，十分宝贵，让我们平时学的一些书面的理论有了很好的实践和融会贯通，很多都通过实验后都变的很直观，觉得每天都有新的收获，同时也锻炼了我们的动手能力。这次毕业设计不仅增强了我的专业方面的能力，在与小组成员的合作中，我们也学会了沟通和合作，学会共同解决问题，互帮互助。对于各自的个题也有更深的理解。也锻炼了我们在问题和困难面前的耐心与毅力，不轻易放弃，一遍不行就试第二遍，相信自己最终都

21、能解决。当然要感谢刘老师在整个设计中对我们耐心详细的讲解和辅导，及理论和技术等各方面的支持。使我们能更好的完成课程设计。实践是检验真理的唯一标准。通过本次毕业设计，使我们对平时所学的各科理论知识有了更深更全面的理解，同时也提高了动手能力。因此要感谢学校提供的良好的实验设备和学习环境。特别要感谢导师刘老师在整个的毕业设计过程中对我们的耐心尽责的辅导，以及各方面的鼓励支持。最后要感谢本组的所有成员的共同努力和愉快合作！参考文献1孙平,邢军. PLC控制步进电机驱动系统. 河南师范大学学报(自然科学版), 2001,(04) .2陶涛,赵国豪, 乔渠. 步进电机精确控制问题探讨. 科技信息, 201

22、0, (01) :16-173范永胜,王岷编. 电气控制与PLC运用（第二版）.北京：中国电力出版社,2007年2月4高邓波. 电路分析的程序设计. 中国科技信息, 2010, (03) :119-1205王功利, 蒋建华, 田玉莲, 韩勇. 具有步进电机控制和定标器功能的PC机接口板. 第8届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集（二）, 19966王雯. 利用PLC提升平网印花控制单元可靠性. 中国纺织报, 2010, (2010-02-03)7范贵慈. 利用PLC实现步进电机驱动的闭环控制. 包装与食品机械, 2002,(05) 8张晓东. PLC对步进电机的控制. 山西机械, 2003, (03)9宣财鑫. PLC脉冲控制步进电机技术J机车车辆工艺, 2002,(01) 10孙建仁. 步进电机的PLC控制系统设计. 机械研究与应用, 2001,(04) 11孙平,邢军. PLC控制步进电机驱动系统. 河南师范大学学报(自然科学版), 2001, (04) 12骆彬,刘震霆. 利用PLC实现对步进电机的控制. 军民两用技术与产品, 2007, (06)附录一 梯形图附录二 源程序