毕业论文基于PLC三相六拍步进电机的控制系统设计.docx
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毕业论文基于PLC三相六拍步进电机的控制系统设计
毕业设计（论文）
SNL/QR7.5.4-3
基于PLC三相六拍步进电机的控制系统设计
学号 姓名
题目基于PLC三相六拍步进电机的控制系统设计
指导教师建议成绩：
评阅教师建议成绩：
答辩小组建议成绩：
院答辩委员会评阅意见及评定成绩：
答辩委员会主任签字（盖章）：
年月日
毕业设计（论文）任务书
姓名
学号
班级
机电一体化技术
（1）班
题目
基于PLC三相六拍步进电机的控制系统设计
设计（论文）主要内容
1、三相六拍步进电动机的控制要求分析；
2、控制方案选择与控制程序的设计；
3、系统运行调试。
重点研究问题
本设计的主要研究内容是以西门子S7-200系列PLC（可编程逻辑控制器）为核心控制步进电机，及其相关外围电路组成的控制电路设计。
可以通过对几个开关按钮的控制来实现对步进电机的方向，以及对高、中、低速的控制。
主要技术指标
1、能够完成预期动作；
2、布局合理，结构简单，易于安装与维护；
3、调试运行时故障率低。
其它要说明的问题
系统必须有必要的安全保护措置，如短路保护，过载保护等。
指导老师意见
指导教师签字：
年月日
指导教师意见
对论文的简短评价：
1.指出论文存在的问题及错误
该生较好地完成了毕业设计工作，全文的撰写条理清楚、格式规范，论文表明其具有了良好的分析问题、解决问题的能力。
2.对创造性工作评价
本论文程序流程编制具有独特性、并符合实际控制要求。
3.建议成绩
优良中及格不及格
指导教师签字
年月日
评阅教师意见
对论文的简短评价：
1.指出论文存在的问题及错误
本论文完整地论述了该生的毕业设计工作，论文格式符合规范要求，论文反映出该生对相关的专业知识掌握较好。
2.对创造性工作评价
该生查阅了相关资料，设计方法具有创新之处。
3.建议成绩
优良中及格不及格
评阅教师签字
年月日
摘要：
可编程序控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。
随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能，所以又简称PC（PROGRAMMABLECONTROLLER），但是为了不和PERSONALCOMPUTER混淆，仍习惯称为PLC。
目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展，并且现今已出现SOFTPLC，更是PLC领域无限的发展前景。
PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
本设计是用PLC做三相六拍步进电机的控制核心，用按钮开关的通断来实现对步进电机正、反转控制，而且正、反转切换无须经过停车步骤。
其次可以通过对按钮的控制来实现对高、中、低速度的控制。
关键词：
PLC控制；可编程序控制器；三相六拍；步进电机；电机正反转
Abstract：
Programmablelogiccontrollers（ProgrammableLogicController）,referredtoasPLC,relaysequencecontrolisdevelopedonthebasisofthemicroprocessorasthecoreofGeneralIndustrialAutomationcontrolofappliance.Withtherapiddevelopmentofelectronictechnologyandcomputertechnology,PLCofmoreandmorepowerfulandmorewithcomputercapabilities,alsoreferredtoasPC（PROGRAMMABLECONTROLLER）,butinordernottoconfuseandPERSONALCOMPUTER,isstillusedtoreferredtoasPLC.CurrentPLChasbeeninintelligence,networkinghasmadeaverygooddevelopment,andtodayisalreadyaSOFTPLC,butalsounlimitedprospectsfordevelopmentofthefieldofPLC.
PLCcontrollerisbasedonmodernmicroprocessortechnologyasthecore,asageneralpurposeindustrialcontroller,itshighreliability,stronganti-jammingability;PLCbecauseofitsmodernVLSItechnology,manufacturedwithstrictproductionprocess,tookadvancedanti-interferencecircuittechnology,withhighreliabilityand,inaddition,PLCwithahardwarefaultselftestingfeatures,failstotimelyalertinformation;PLCadoptsphotoelectricisolationandfilteringtechniqueseffectiveinhibitoryeffectsofexternalinterferenceonPLCtechnology,andPLCcanalsobeinastrong,commongood;shortdevelopmentcycle,andsmallpowerconsumption.
GivefullplaytothefunctionofPLC,tomaximallysatisfythecontrolrequirementsofthecontrolledobject,istheprimaryprerequisitefordesignofPLCcontrolsystem,whichisoneofthemostimportantprinciplesinthedesign.ThisdesignismadewithPLCcontrolofthree-phasesix-beatsteppingmotorcore,usethebuttontoswitchon/offtoachievethestepmotorcontrol,reverse,andpositiveandreverseparkingswitchwithouthavingtogothroughthesesteps.Secondcanbeachievedthroughcontrolofthebuttoncontroltohigh,mediumandlowspeed.
Keywords:
PLCcontrol；Programmablecontroller；Three-phasesix-shot；SteppingMotor；Bothpositiveandnegativetransfermotor
目 录
第一章绪论
1.1设计背景
目前对于对步进电机的控制存在精度和价格方面的矛盾。
因为高精度的实时演算需要较高性能的DSP芯片，成本较高。
因此现在的控制方法是采用大量的硬件电路。
这种控制方法的精度不但较低，且成本较高。
国内为了省钱就大多数使用相对省资源的查表法，但是对于速度变化范围很大的控制来说，在低速时会由于表本身的精度原因造成稳定性变差，噪声变大的问题。
这仅仅是低速时的细分问题。
转速越低，对它控制时的细分就越严格。
此外还有扭矩的问题，当转动过慢时，即使细分也无法达到应有的扭矩，这都是控制时遇到的问题。
简单的说，目前普遍存在于步进电机控制中的问题就是低速运转和低速启动的问题。
当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给现代工业带来了质的提升。
现代电子领域中，PLC的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制的日益革新。
PLC的控制具有高可靠性、高性价比。
比如在机械手、液体混合罐、液压、气压等方面都得到了广泛的应用。
PLC在工业方面的应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。
利用PLC采用程序设计方法来对步进电机进行控制，具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，而且可以通过控制按钮实现对步进电机的正反转和步进电机转速的控制，用途广泛等优点。
1.2PLC控制步进电机发展的趋势
时至今日，软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。
虽然软件的发展速度比不上硬件的发展速度那么迅速，但已能满足现在的工业需求。
对步进电机的传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。
随着PLC的普及，现在已普遍采用硬件与软件相结合的方式对其进行控制，这种控制方法有很多优点，比如：
可以实现高精度的控制，降低成本，降低控制难度，简化控制电路等。
今后步进电机的总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方向发展。
1.3本设计的目的及控制要求
本设计的主要研究内容是以西门子S7-200系列PLC（可编程逻辑控制器）为核心控制步进电机，及其相关外围电路组成的控制电路设计。
可以通过对几个开关按钮的控制来实现对步进电机的方向，以及对高、中、低速的控制。
比如用两个开关分别控制电机正反转，两个开关分别控制电机启动和停止，三个开关分别控制电机的高中低转速，使得步进电机的控制更加简便。
甚至还可以利用更少的开关来控制，但为了使得本设计更加直观和易读，故采用七个控制开关。
此外，本设计更加便于实现对步进电机的自动化控制如图1-1所示：
（1）三相步进电动机有三个绕组:
A、B、C
正转通电顺序为：
A→AB→B→BC→C→CA
反转通电顺序为：
A→CA→C→BC→B→AB
（2）用5个开关控制其工作
I0.2开关控制其运行（启/停）。
I1.0号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5s）。
I1.1号开关控制其高速运行（转过一个步距角需0.1s）。
I0.0号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）。
Q0.1为A相输出
Q0.2为B相输出
Q0.3为C相输出
图1-1步进电机的自动化控制
第二章PLC控制系统
2.1PLC的定义
可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践[1]。
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
2.2PLC的组成
PLC的构成：
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如图2-1所示：
图2-1PLC的硬件系统结构
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块[12]。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体[2]。
2.3PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（二）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（三）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
2.3PLC的特点
可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.4PLC的运用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类[3]。
开关量的逻辑控制
模拟量控制
运动控制
过程控制
数据处理
通信及联网
第三章步进电机工作方式的选择
3.1步进电机的工作原理
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。
步进电机的种类很多，按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机三类，按相数分则可以分为单相、两相和多相三种[7]。
3.2步进电机的分类
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，这种步进电机的应用最为广泛。
三相反应式步进电机的结构如图3-1所示。
定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。
定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。
图3-1三相反应式步进电机的结构图
电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由绕组通电的顺序决定。
3.3步进电机的基本结构
三相步进电机的结构如图3-2所示。
定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。
定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。
图3-2三相步进电机的结构
在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距[8]。
如图3-3所示：
图3-3定子磁极和转子齿分度
电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由绕组通电的顺序决定。
3.4步进电机的特点
（1）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。
（2）由步进电机与驱动器
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