西门子PLC的步进电机直接控制系统设计.docx
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西门子PLC的步进电机直接控制系统设计
摘要
本文根据传统步进电机控制中的不足和缺点，将PLC直接控制技术运用于步进电机的控制。
该系统解决了传统控制技术中的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力和劳动，接口信号的匹配以及各器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大等缺点。
本文根据PLC控制步进电机的控制特点及其原理，把软件控制和硬件电路互相结合起来，形成整体的控制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。
本文详细阐述了该系统中PLC（西门子）直接控制步进电机的实现方法、系统的各部件的组成、各部件的连接情况。
关键字:
西门子PLC；步进电机调速；步进电机；
ABSTRACT
Thistexttreadstocontrolintotheelectricalengineeringaccordingtothetraditionmediumofshortageandweakness,controlPLCdirectlytechniqueusageintreadintothecontrolofelectricalengineering.
Thatsystemsolvedatraditionacontrolatechniqueinofthedesignofeachpartsofhardwares,chooseatypeandconnecttomatchtousuallyneedtocostadesignoneverybigenergyandlabor,connectmessagenumbertomatchandthequalityofeachsparepartwaittothewholesystemofthecredibilityinfluencetowaitweaknessverygreatly
ThistexttreadsintocontrolcharacteristicsanditsprincipleofelectricalengineeringaccordingtothePLCcontrol,combiningtogetherwitheachotherthesoftwarecontrolandthehardwareelectriccircuit,becomingawholecontrol,overcomingtheirweaknessbutdevelopingtheiradvantageseffectively.Thistextelaboratedthatsystemindetailtotreadandcarryouteachpartsofthemethod,systemandconstituteintotheelectricalengineeringinthePLC（Siemens）directcontrol,theconjunctioncircumstanceofeachparts.
KEYWORDS：
SiemensPLC;Treadintotheelectricalengineeringadjustsoon;Treadintotheelectricalengineering.
第一章绪论
1.1引言
近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。
这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。
机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。
同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。
正是针对上述种种要求而设计的PLC自然成为机电一体化控制器的较佳选择。
步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。
80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。
原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。
基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。
步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。
早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。
由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。
步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。
步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。
它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。
早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。
随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。
比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。
步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。
除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。
微电子技术的飞速发展，带动了机械加工技术的飞速发展。
而在其发展过程中，最显著的特点是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。
传统的步进电机控制方式由控制器产生控制指令，环形分配器根据指令将输入的单一脉冲串，按土作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。
这种方式的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力。
接口信号的匹配以及儿器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。
现代控制系统中，PLC作为一种广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。
为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制。
这种控制方式的优点是：
大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。
整个控制系统由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。
第二章方案论证比较设计
2.1PLC技术的发展概述
可编程控制器（简称PLC）是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。
2.2PLC技术在步进电机控制中的发展状况
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（即PLC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。
有以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：
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，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对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芝或更高。
其目的是使环形脉冲分配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。
如下图所示
图2-1步进电机的PLC直接控制
2.3步进电机的发展状况
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,由于步进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。
步进电动机由此而得名。
步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的,其转子走过的步数,或者说转子的角位移量,与输入脉冲数严格成正比。
另外,步进电动机动态响应快,控制性能好,只要改变输入脉冲的顺序,就能方便地改变其旋转方向。
这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。
因此,步进电动机的上述特点,使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统,既具有较高的控制精度,良好的控制性能,又能稳定可靠地工作。
因此,在数字控制系统出现之初,步进电动机经历过一个大的发展阶段。
电动机其角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。
工作方式最常见的有:
（1）、三相单三拍工作方式：
各相的通电顺序为A→B→C,各相通电的电压波形如下图所示：
图2-2三相单三拍工作方式时序图
（2）、三相双三拍工作方式：
双三拍工作方式各相的通电顺序为AB→BC→CA。
各相通电的电压波形如下图所示：
图2-3三相双三拍工作方式时序图
（3）、三相六拍工作方式：
在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA。
各相通电的电压波形如下图所示：
图2-4三相六拍工作方式时序图
（4）、其它工作方式（和步进电机本身结构相关）:
如二相四拍、二相八拍以及四相四拍和四相八拍等，其工作时电压波形图基本类似，不再赘述。
2.4步进电机的工作原理
步进电机是将电脉冲信号转成角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。
在数控机床、绘图机、打印机等方面应用广泛。
它也可以看作是一种特殊的同步电机;它具有快速起停、精确步进及直接接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。
本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。
如图1-1所示，电机的定子上有6个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为60度。
磁极上装有控制绕组并联成A,B,C三相。
转子上均匀分布40个齿，每个齿的齿距为9度。
定子每段极弧上也有5个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。
每个定子磁极的极距为60度，所以每个极距所占的齿距数不是整数。
当A极下的定、转子齿对齐，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即为3度。
这时若给B相通电，电机中产生沿B极轴线方向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转距（磁阻转距）的作用而转动，直到转子齿和B极上的齿对齐为止。
此时，A极和C极下的齿又分别与转子齿相错三分之一的转子齿距。
由此可见:
错齿是促使步进电机旋转的根本原因。
若断开B相控制绕组，而接通C相控制绕组，这时电机中产生沿C极轴线方向的磁场。
同理，在反应转距（磁阻转距）的作用下，转子按顺时针方向转过3度，使定子C极下的齿与转子齿对齐。
以此类推，当控制绕组按A->B->C->A顺序循环通电时转子就沿着顺时针方向以每个脉冲转动3度的规律转动起来。
若改变通电顺序，即按A->C->B->A顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动3度。
这就是单三拍通电方式。
若采用三相单、双六拍通电方式运行，即A->AB->B->BC->C->CA->A顺序循环通电，步距角将减小一半，即每个脉冲转过1.5度。
图2-5反应式步进电机
2.5步进电机的控制和驱动方法简介
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;按照控制结构可分为:
硬脉冲生成器硬脉冲分配结构（硬-硬结构）、软脉冲生成器软脉冲分配器结构（软-软结构）、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构（软-硬结构）即：
1硬——硬结;2软——软结构;3软——硬结构。
具体的驱动控制情况在下面章节还将提到。
第三章步进电机工作方式的选择
3.1常见的步进电机的工作方式
常见的步进电机的工作方式有以下三种：
（1）、三相单三拍：
A->B->C->A：
图3-1三相单三拍工作方式时序图
（2）、三相双三拍：
AB->BC->CA->AB：
图3-2三相双三拍工作方式时序图
（3）、三相六拍：
A->AB->B->BC->C->CA->A：
图3-3三相六拍工作方式时序图
按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。
这三种方式的主要区别是:
电机绕组的通电、放电时间不同。
工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。
因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。
而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度，六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。
所以，在本课题中，我们采用三相六拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辨率最高。
3.2控制步进电机换向顺序
通电换向这一过程称为脉冲分配。
例如：
三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。
3.3控制步进电机的转向
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。
3.4控制步进电机的速度
如果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。
调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
3.5西门子PLC控制步进电机的设计思路
3.5.1步进电机控制方式
典型的步进电机控制系统如图所示：
图3-4典型的步进电机控制系统
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，日前其发展趋向平缓。
然而，其基本原理是不变的，即：
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脉冲顺序有关。
所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序,便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。
步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输人的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机:
从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。
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;按照控制结构可分为:
硬脉冲生成器硬脉冲分配结构（硬-硬结构）、软脉冲生成器软脉冲分配器结构（软-软结构）、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构（软-硬结构）。
1、硬——硬结构：
如图3-5所示，这种步进电机的控制驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分配器、驱动器组成。
这种控制驱动方式运行速度比较快，但是电路复杂，功能单一。
2、软——软结构：
如图3-6所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分配器、驱动器组成，而软件脉冲生成器和脉冲分配器都有微处理器或微控制器通过编程实现。
用单片机、工业控制机、普通个人计算机、可编程序控制器控制步进电机一般均可采用这种结构。
这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，但是占用CPU时间多，给微处理器运行其他工作造成困难。
3、软——硬结构：
如图3-7所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分配器和硬件驱动器组成。
硬件脉冲分配器是通过脉冲分配器芯片（如8713芯片）来实现通电换相控制的。
这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，同时占用CPU时间较少，用可编程控制器全部实现了控制器和驱动器的功能。
在PLC中，由软件代替了脉冲生成器和脉冲分配器，直接对步进电机进行并行控制，并且由PLC输出端口直接驱动步进电机。
如图3-6所示，这是一种软-软结构，脉冲生成器和脉冲分配器均有可编程序控制器程序实现。
图3-5硬硬结构控制
图3-6软软结构控制
图3-7软硬结构控制
3.5.2西门子PLC控制步进电机
由以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：
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，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对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芝或更高。
其目的是使环形脉冲分配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。
如下图所示：
图3-8PLC直接控制步进电机图
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48V直流电源的依次通、断,形成旋转磁场,使步进电机转动。
步进电机的转动，由于步进电机是电感性负载,直流电阻很小,故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏，当步进电机的通电相序为：
A—AB—B—BC—C—CA—A……次导通、断开时,步进电机正转。
按:
A—AC—C—CB—B—BA—A……电机反转，按三相六拍工作。
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。
如下图所示：
图3-9基本控制图
3.6毕业设计任务
本次毕业设计课题是西门子PLC直接控制步进电机，我的主要任务是应用软件设计及控制方案的设计，大体为以下五项内容：
PLC控制步进电机系统现状和发展主要介绍其系统的目的和意义，PLC的发展史一直到广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是通过数字的、模拟的输入和输出,控各种类型的机械或生产过程。
以后将朝生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
PLC直接控制步进电机系统的理论原理以及总体方按的设计主要是PLC与步进电机的构成、控制方式和形式，控制方式有两种形式:
PLC直接与步进电机的相关相相连;PLC通过功率放大电路与步进电机相连.PLC的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统控制范围的确定。
系统的工作过程分为以下三个工作状态：
电机启动运行；电机运行；电机不运行；电机转向切换技术的解决方案。
1、PLC（西门子）控制软件的设计及仿真研究主要介绍PLC控制的概念和特点以及控制程序的设计，并且运用软件进行仿真研究。
2、系统硬件设计主要介绍了控制主电路的设计，步进电机电气连接的设计，人机界面设计，前向输入通道设计和后向输出通道设计，及一些系统的可靠性设计。
3、应用软件设计主要介绍了
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