五相单双十拍步进电动机控制程序设计方案与调试河南工业大学.docx

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五相单双十拍步进电动机控制程序设计方案与调试河南工业大学.docx

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五相单双十拍步进电动机控制程序设计方案与调试河南工业大学

机电工程学院

课程设计说明书

设计题目:

五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试

学生姓名：

学号：

20094805

专业班级：

机制F09

指导教师：

2012年12月13日

内容摘要

步进电机是一种控制精度极高的电机,在工业上有着广泛的应用。

步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。

基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。

矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。

改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。

本文主要是介绍采用可编程控制器（PLC）对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。

本文详细的介绍了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。

其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、梯形图以及语句表。

本文设计过程中使用了移位指令，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计。

在实际应用中表明此设计是合理有效的。

关键词:

PLC；梯形图；五相十拍步进电机

第1章引言

步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。

步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。

目前，比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。

但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路，实现比较麻烦。

基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。

步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。

矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。

改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。

1.1五相步进电动机的控制要求

1．五相步进电动机有五个绕组:

A、B、C、D、E。

正转顺序:

A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA；反转顺序:

EA←E←DE←D←DC←C←BC←B←BA←A

2．用五个开关控制其工作：

1号开关控制其运行（启/停）。

2号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5秒）。

3号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1秒）。

4号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.02秒）。

5号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）。

3.操作方面要求：

（1）可正转或反转；

（2）运行过程中，正反转可随时不停机切换；

（3）步进三种速度可分为高速（0.02S），中速（0.1S），低速（0.5S）三档，并可随时手控变速。

4.性能方面要求：

在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。

另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。

1.2程序设计的基本思路

在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。

由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。

因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。

另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。

以SIMATIC移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。

第2章PLC控制系统硬件设计

2.1PLC类型选择

PLC脉冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中，具有控制简单、稳定、成本低等特点。

如果在系统中加上保护电路及防干扰措施，还可提高系统的稳定性。

S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到了大中型PLC的水平，而价格却和小型PLC接近。

特别是S7-200CPU系列PLC，它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，便于系统的集成，并很容易地组成PLC网络；此外，它还具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得S7-200系列PLC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。

控制步进电机的共有5个输入开关，分别是启/停开关QS1，0.5s低速运行开关QS2，0.1s中速运行开关QS3，0.02s高速运行开关QS4，控制转向开关QS5。

控制A、B、C、D、E五相绕组的工作，需要五个直流输出量，分别是A相绕组B相绕组，C相绕组，D相绕组，E相绕组。

由于有5个直流输入，5个直流输出，无模拟量输入输出，因此只需5点输入，5点输出即可，加上10%的余量，通过查阅手册选定S7-200CPU222基本单元（8入/6出）1台，输出形式又有继电器输出，晶体管（只能直流）输出，晶闸管输出（只能输出交流）三种形式。

由于输出为之流脉冲信号，故采用可直流可交流的继电器输出形式。

图2-1是CPU222的图片及简要介绍。

图2-1CPU222的图片及简要介绍

2.2I/O点的分配与编号

控制步进电机的5个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在PLC中的I/O编址如表2-1所示。

表2-1I/O地址分配表

输入点

输出点

元件名称

符号

地址编码

元件名称

符号

地址编码

启/停开关

SB1

I0.0

A相绕组

Q0.0

0.5s低速运行开关

SB2

I0.1

B相绕组

Q0.1

0.1s中速运行开关

SB3

I0.2

C相绕组

Q0.2

0.02s高速运行开关

SB4

I0.3

D相绕组

Q0.3

控制转向开关

QS1

I0.4

E相绕组

Q0.4

2.3PLC外部接线图

PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。

步进电动机采用五相十拍控制I/O接线图如图2-2所示。

图2-2PLC控制I/O接线图

第3章PLC控制系统软件设计

3.1绘制控制流程图

由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图3-1所示。

以工作框图为基本依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分为4个模块进行编程，即模块1：

步进速度选择；模块2：

起动、停止；模块3：

正转、反转；模块4：

移位控制功能模块；模块:

5：

A、B、C、D、E五相绕组对象控制。

然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。

图3-1控制流程图

3.2梯形图程序设计

3.2.1步进控制设计

采用移位指令进行步进控制。

首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表3-1。

表3-1移位寄存器初值

M1.1

M1.0

M0.7

M0.6

M0.5

M0.4

M0.3

M0.1

M0.0

每右移1位，电机前进一个步距角（一拍），完成十拍后重新赋初值。

由于10位大于1字节而又小于2字节，故令未用上的M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7置“0”。

据此，可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表3-2、3-3所示。

从而得出五相绕组的控制逻辑关系式：

正转时

A相Q0.0=M1.1+M1.0+M0.0

B相Q0.1=M1.0+M0.7+M0.6

C相Q0.2=M0.6+M0.5+M0.4

D相Q0.3=M0.4+M0.3+M0.2

E相Q0.4=M0.2+M0.1+M0.0

反转时

A相Q0.0=M1.1+M0.1+M0.0

B相Q0.1=M0.3+M0.2+M0.1

C相Q0.2=M0.5+M0.4+M0.3

D相Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5

E相Q0.4=M1.1+M1.0+M0.7

表3-2移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转）

移位寄存器MW0

正转

M1.1

M1.0

M0.7

M0.6

M0.5

M0.4

M0.3

M0.2

M0.1

M0.0

表3-3移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）

移位寄存器MW0

反转

M1.1

M1.0

M0.7

M0.6

M0.5

M0.4

M0.3

M0.2

M0.1

M0.0

3.2.2梯形图

梯形图设计如下：

首先，按SB2或SB3或SB4初次选择一种步进速度，五相步进电动机的速度由定时器T33控制，把三个值50、10、2分别送到VW100可得到低速、中速、高速三种速度。

再按SB1，M3.0得电，移位寄存器赋初值，电机开始转动，且定时器开始计时，到设定值时，T33得电动作，移位寄存器值右移一位，计数器C21计数一次，然后T33重新计时。

计数器C21计数十次后动作，使移位寄存器重新赋值，依次循环。

QS1控制正反转，ON时I0.4得电，五相步进电动机正转；OFF时，I0.4失电，五相步进电动机反转。

按下启/停按钮SB1，M3.0失电，C21复位电机停止转动。

I0.1为低速选择开，按下后，每隔0.5秒移位一次，I0.2为中速选择开关，按下后，每隔0.1秒移位一次I0.3为高速选择开关，按下后，每隔0.02秒移位一次。

每次运行，只能选择一种速度，故在每个回路中串入另外两个开关的常闭触点，实现互锁。

然后移位寄存器赋初值，十拍后，重新赋初值。

T33是一个分辨率为10ms的计时器，设定值由存储单元VW100设定，设定值由选挡开关SB2，SB3，SB4决定。

即使时间到，则执行右移指令。

C21为十拍计数装置，计数十次，即十拍，C21得电动作，使自身复位重新计数，同时移位寄存器重新赋初值。

最后连接五相绕组一次连接。

所以得出图3-2程序梯形图。

图3-2五相十拍步进电动机PLC控制梯形图

3.3程序指令表

控制系统的梯形图和指令表之间是相互对照，互为补充的。

因此五相单双十拍步进电动机控制系统的指令表可以由梯形图得出。

TITLE=PROGRAMCOMMENTS

Network1//五相单双十拍步进电动机

//单按钮停止

LDI0.0

AM3.0

=M2.0

Network2

//单按钮启动

LDI0.0

OM3.0

ANM2.0

=M3.0

Network3

//低速

LDI0.1

ANI0.2

ANI0.3

MOVW50,VW100

Network4

//中速

LDI0.2

ANI0.1

ANI0.3

MOVW10,VW100

Network5

//高速

LDI0.3

ANI0.1

ANI0.2

MOVW2,VW100

Network6

//移位寄存器赋初值

LDM3.0

OC21

MOVW2#1000000000,MW0

Network7

//单拍计时

LDM3.0

ANM4.0

ANC21

TONT33,VW100

Network8

//计时时间到，重新计时

LDT33

=M4.0

Network9

//计时时间到，移位一次

LDT33

SRWMW0,1

Network10

//十拍计数

LDM4.0

LDC21

ONM3.0

CTUC21,10

Network11

//A相

LDM1.1

OM0.0

LDM1.0

AI0.4

OLD

LDM0.1

ANI0.4

OLD

AM3.0

=Q0.0

Network12

//B相

LDM1.0

OM0.7

OM0.6

AI0.4

LDM0.3

OM0.2

OM0.1

ANI0.4

OLD

AM3.0

=Q0.1

Network13

//C相

LDM0.5

OM0.4

LDM0.6

AI0.4

OLD

LDM0.3

ANI0.4

OLD

AM3.0

=Q0.2

Network14

//D相

LDM0.4

OM0.3

OM0.2

AI0.4

LDM0.7

OM0.6

OM0.5

ANI0.4

OLD

AM3.0

=Q0.3

Network15

//E相

LDM0.2

OM0.1

OM0.0

AI0.4

LDM1.1

OM1.0

OM0.7

ANI0.4

OLD

AM3.0

=Q0.4

3.4程序调试

程序调试有模拟器调试和现场调试等方法，根据课程设计要求并结合实际情况使用了STEP7-Micro/WIN模拟器进行了本程序的调试。

西门子S7－200的仿真软件Simulation1.2版是从西班牙原版1.2直接汉化过来的，支持TD200仿真界面和增减计数器等多种指令。

调试方法如下：

1.将在Step7MicroWin中编译正确的程序在文件菜单中导出为AWL文件；

2.打开仿真软件，点“配置”-“CPU型号”，然后选择CPU222；

3.点“程序”-“载入程序”；

4.选择Step7MicroWin的版本；

5.将先前导出的AWL文件打开；

6.点“PLC”-“运行”，开始调试程序；

程序具体运行情况如下：

1．选择速度，首先选择低速步进，按下SB2，I0.1通电，把50赋值给VW100。

2．选择正转，转动控制转向开关QS1，I0.4此时为ON.

3．按下启动按钮SB1,I0.0得电，则M3.0线圈得电，所以步进电动机以低速正转开始运行。

如图2-5程序调试图a所示。

4．改变速度，选择中速步进，按下SB3，I0.2通电，把10赋值给VW100，然后步进电动机以中速正转开始运行。

如图2-6程序调试图b所示。

5．改变速度，选择高速速步进，按下SB4，I0.3通电，把2赋值给VW100，然后步进电动机以高速正转开始运行。

如图2-7程序调试图c所示。

6．改变转向为反转，旋转转向开关QS1，I0.4此时为off。

选择低速步进，按下SB2，I0.1通电，把50赋值给VW100，然后步进电动机以低速反转开始运行。

如图2-8程序调试图d所示。

7．改变速度，选择中速步进，按下SB3，I0.2通电，把10赋值给VW100，然后步进电动机以中速反转开始运行。

如图2-9程序调试图e所示。

8.改变速度，选择高速速步进，按下SB4，I0.3通电，把2赋值给VW100，然后步进电动机以高速反转开始运行。

如图2-10程序调试图f所示。

9.按下启停按钮SB1，M2.0得电，所以M3.0失电，程序运行终止。

图3-3程序调试图a

图3-4程序调试图b

图3-5程序调试图c

图3-6程序调试图d

图3-7程序调试图e

图3-8程序调试图f

结论

在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。

由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输人偷出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个多扫描周期_1J，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。

因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简捷、紧凑。

另一方面，同一个控制对象，根据生产的工艺流程的不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。

以移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好地满足上述设计要求。

步进电机的控制程序设计，可有多种方法，比如，用顺控指令（SCRSCRT、SCRE）编程，程序没有复杂的逻辑关系，设计比较方便，但由于每一次步进切换都须经过对状态的开始、转换和结束处理，会令程序的网络数大大增加；或可用许多的定时器实现各步距角的时间控制，以及变速时间间隔的设置等，则程序冗长、松散；也可以用定时器结合比较指令控制各步进时段，但会使各网络变得复杂，彼此之间的逻辑关系不甚清晰，程序也会比较长而以移位指令作为步进控制的主体编程，获得的程序简捷、清晰，且程序模块间的逻辑关系十分明确。

以移位指令作为步进控制主体编程的另一长处，就是程序的柔性好，非常容易修改。

如果要求电机在运行过程中步进速度可任意加、减，而不是仅有三档速度，此时任何变速实际上只是改变移位指令的执行速度，即改变移位脉冲的发生周期（VWl00），其他所有网络均可不变。

设计总结

这次课程设计对我们而言是对所学课程内容掌握情况的一次自我验证，对所学内容的综合应用能力的检验，它培养和训练了我们的编程以及调试能力，进而提高了我们对学习和应用相关专业知识的兴趣。

通过本次设计我们的能力得到了锻炼，因而有着极其重要的意义。

本次课程设计的内容是五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试，针对现在的PLC技术，实现一些设计。

我们还应该加强PLC语句的练习，要能够运用自如。

此外还应掌握PLC的外部接线方法。

通过这次设计，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的掌握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序用到PLC中的时候，问题就出现了，不是不能运行，就是和运行的结果和要求的结果不相符合。

在课程设计过程中我了解到，PLC并不是一门单一的编程技术，它是一门系列专业课程。

首先先要明白PLC本身的编程语言梯形图，语句表语言。

达到这个水平你才能读懂程序，并可以设计一些工程学需要的程序。

在这次课程设计过程中也遇到了不少的问题和困难。

我们大家在一起讨论时，常会发生一件分歧，还有重要的一点就是我的基础知识不够扎实，设计进度缓慢，必须不断的在书本上学习新的知识来弥补不足等。

但幸运的是，随着课程设计的逐步进行，我们对种种问题进行了研究解决，最终才获得了预期的成果。

谢辞

在人生的路途上终究会有风风雨雨，常会遇到这样那样的问题。

然而让我感觉幸福的是这次是王宗才老师做我的课程设计老师。

在这次课程设计中，我最大的收获就是明白了一件事：

无论做什么，我都应该认认真真的去做。

首先，我要感谢我的课程设计指导老师王宗才老师。

为了能够顺利的完成这次课程设计，王宗才老师是很注重学生基础和课堂容量的人，在平时的课堂上总是给我们讲解课程设计的要求，在开始课程设计时让我有了一个方向。

在设计过程中，老师每天都会亲临设计教室督促大家、鞭策大家努力认真的按照进度完成课程设计所规定的内容。

本课题在设计过程中王老师多次询问设计进程，并对我进行技术指导，引导我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。

王老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，必将对我以后工作态度的培养产生深远的影响。

在课程设计过程中王老师指出了我的不足之处，同时又给我提出了许多宝贵的意见。

正是由于老师的精心指导，我才能顺利完成这次课程设计，所以，要再次说一声：

王老师，您辛苦了！

我感觉很感激王宗才老师，通过这段时间的课程设计，我的知识又得到了一次锤炼。

此外，还要感谢自己的同组同学，在课程设计中遇到困难时大家互相讨论、相互帮助的场景依旧浮现在我的脑海里，你们让我明白了团队合作的重要性，在解决难题的同时更增进了同学们间的友谊。

参考文献

[1]王宗才.机电传动与控制.北京:

电子工业出版社.2011.

[2]于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京:

清华大学出版社.2004.

[3]胡学林.电气控制及PLC.北京：

冶金工业出版社,1997.

[4]廖常初.PLC编程及应用.北京：

机械出版社，2002.

[5]罗伟.邓木生.PLC与电气控制.北京：

中国电力出版社，2005.

[6]马光.全自动洗衣机中的传感器[J].北京:

家用电器,1999.

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清华大学出版社.2003.

[8]刘子林.电机与电气控制[M].北京:

电子工业出版社,2003.

[9]程周.电气控制与PLC原理及应用[M].北京:

电子工业出版社,2003.

[10]蒋金周.全自动洗衣机的PC智能控制[J].机电一体化,2004.

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