PLC控制步进电机专业课程设计.docx

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PLC控制步进电机专业课程设计

第1章控制工艺步骤分析

1.1步进电机控制过程描述

多年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、正确性、可靠性和宜人性等方面功效越来越完善，已成为现代优异制造业基础。

数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，含有效率高，精度高等关键特点。

数控技术是指用数字、文字和符号组成数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制技术。

它所控制通常是位置、角度、速度等机械量和和机械能量流向相关开关量。

数控产生依靠于数据载体和二进制形式数据运算出现。

19，穿孔金属薄片交换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并含有辅助功效控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包含计算机数字控制系统基础。

数控技术是和机床控制亲密结合发展起来。

1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代事件，推进了自动化发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术，现在它是采取计算机实现数字程序控制技术。

这种技术用计算机按事先存贮控制程序来实施对设备控制功效。

因为采取计算机替换原先用硬件逻辑电路组成数控装置，使输入数据存贮、处理、运算、逻辑判定等多种控制机能实现，均可经过计算机软件来完成。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移开环控制元步进电机件。

在非超载情况下，电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数，而不受负载改变影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度，称为“步距角”，它旋转是以固定角度一步一步运行。

能够经过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达成正确定位目标；同时能够经过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度，从而达成调速目标。

通常电机转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子一对磁场方向和定子磁场方向一致。

当定子矢量磁场旋转一个角度。

转子也伴随该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前深入。

它输出角位移和输入脉冲数成正比、转速和脉冲频率成正比。

改变绕组通电次序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组通电次序来控制步进电机转动。

步进电机驱动器，它是把控制系统发出脉冲信号转化为步进电机角位移，或说：

控制系统每发一个脉冲信号，经过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。

也就是说步进电机转速和脉冲信号频率成正比。

所以控制步进脉冲信号频率，就能够对电机正确调速；控制步进脉冲个数，就能够对电机正确定位。

步进电机驱动器有很多，应以实际功率要求合理选择驱动器。

步进电机需要提供含有一定驱动能力脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出激励信号经过脉冲分配产生。

脉冲分配能够经过硬件模拟分配电路实现，也能够利用软件方便地实现。

一个完整驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够功率。

在通常电路驱动中，需将由CPU产生脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。

伴随大规模集成电路技术发展，逐步出现了很多专门用于步进电机控制脉冲分配芯片，它们配合功率放大驱动电路能够实现步进电机驱动。

1.2PLC控制步进电机控制工艺分析

可编程序控制器简称PLC，是在继电器控制和计算机控制基础上开发出来，并逐步发展成以微处理器为关键，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体新型工业自动控制装置。

它含有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便和体积小、重量轻、功耗低等优点，所以快速普及并成为现代工业自动化支柱设备之一。

PLC全部I/O接口电路均采取光电隔离，使工业现场外电路和PLC内部电路之间电气上隔离；各输入端均采取RC滤波器，其滤波时间常数通常为10～20ms；各模块均采取屏蔽方法，以预防辐射干扰；采取性能优良开关电源：

含有良好自诊疗功效．一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效方法，以预防故障扩大；简化编程语言，对信息进行保护和恢复．设置警戒时钟WDT；对程序和动态数据进行电池后备。

上述方法使PLC有高可靠性。

而采取循环扫描工作方法也提升其抗干扰能力。

PLC在工业自动化领域起着举足轻重作用。

在中国外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。

实践证实80％以上工业控制能够使用PLC来完成。

PLC可用于逻辑次序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信联网等。

使用PLC可实现步进电机控制。

可使步进电机动作抗干扰能力强、可靠性高。

时至今日，软件和电子设备等相关技术全部有了长足发展。

即使软件发展速度比不上硬件发展速度那么快速，但已能满足现在工业需求。

对步进电机传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。

伴随PLC普及，现在已普遍采取硬件和软件相结合方法对其进行控制，这种控制方法有很多优点，比如：

能够实现高精度控制，降低成本，降低控制难度，简化控制电路等。

以后步进电机总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功效、高度自动化和智能化方向发展。

PLC作为简单化了计算机，功效完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格廉价，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格廉价等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。

所以，经过研究用PLC来控制步进电动机，既可实现正确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。

以往步进电动机需要靠驱动器来控制，伴随技术不停发展完善，PLC含有了经过本身输出脉冲直接步进电动机功效，这么就有利于步进电动机正确控制。

PLC对步进电机控制关键包含三个方面，即步进电机转速控制、方向控制、步数控制。

改变步进电机定子绕组通电次序，就改变步进电机旋转方向，改变脉冲频率，就改变步进电机转速，改变脉冲个数。

步进电机是一个将电脉冲信号转换成直线位移或角位移实施元件。

步进电机输出位移量和输入脉冲个数成正比，其转速和单位时间内输入脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向和脉冲分配到步进电机各相绕组相序相关。

所以只要控制指令脉冲数量、频率及电机绕组通电相序。

便可控制步进电机输出位移量、速度和转向。

步进电机含有很好控制性能，其开启、停车、反转及其它任何运行方法改变，全部在少数脉冲内完成，且可取得较高控制精度，所以得到了广泛应用。

步进电机控制最大特点是开环控制，不需要反馈信号。

因为步进电机运动不产生旋转量误差累积。

本系统PLC选择S7-200PLC。

其控制系统图1-1所表示。

图1-1PLC控制步进电机系统框图

第2章控制系统总体方案设计

2.1系统硬件组成

可编程控制器有两种基础工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。

在运行状态中，可编程控制器经过实施反应控制来实现用户控制要求。

为了使可编程控制器输出立即地响应随时可能改变输入信号，用户程序不仅仅实施一次，而是反复不停地反复实施，直到可编程控制器停机或切换到STOP工作状态。

下面用一个简单例子来深入说明可编程序控制器扫描工作过程。

图2-1所表示PLC输入输出接线图，起动按钮SB1和停止按钮SB2常开触点分加别接在编号为X000和X001可编程控制器输入端，接触器KM线圈接在编号为YO00可编程控制器输出端。

图（b）是这3个输入/输出变量对应I/O映像寄存器。

图（c）是可编程控制器梯形图，它和图2.1所表示继电器电路功效相同。

不过应注意，梯形图是一个程序，是可编程控制图形化程序。

图中X000等是梯形图中编程元件，XO00和X001是输入继电器，Y000是输出继电器。

编程元件X000和接在输入端子XO00SB1常开触点和输入映像寄存器XO00相对应，编程元件Y000和输出映像寄存器Y000和接在输出端子Y000可编程控制器内部输出电路相对应。

图2-1PLC外部接线图和梯形图

PLC采取了经典计算机结构，关键包含CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电路等。

把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部多种开关信号、模拟信号、传感器检测信号均作为PLC输入变量，它们经PLC外部端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其它多种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC输出变量，由这些输出变量对外围设备进行多种控制。

PLC系统硬件结构图2-2所表示。

图2-2PLC系统硬件图

在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中二进制数传送给输出模块并锁存起来，假如输出映像寄存器Y000中存放是二进制数“1”，外接KM线圈将通电，反之将断电。

X000，X001和Y000波形高电平表示按下按钮或KM线圈通电,当T

T=T1时按下起动按钮SB1，X0变为“1”状态，经逻辑运算后Y000变为“1”状态，在输出处理阶段，将Y000对应输出映像寄存器中“1”送到输出模块，将可编程控制器内Y000对应物理继电器常开触点接通，使接触器KM线圈通电。

梯形图以指令形成储存在可编程控制器用户程序存放器中，梯形图和下面4条指令对应“；”以后是该指令注解。

LDX000；接在左侧母线上X000常开触点。

ORY000；和X00O常开触点并联Y000常开触点。

ANIX001；和并联电路串联X001常闭触点。

OUTY000；Y000线圈。

在输入处理阶段，CPU将SB1，SB2常开触点状态读入对应输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器是二进制数“1”，反之存入“0”。

实施第一条指令时，从输入映像寄存器X000中取出二进制数并存入运算结果寄存器。

实施第二条指令时，从输出映像寄存器Y000中取出二进制数，并和运算结果寄存器中二进制数相“或”（触点并联对应“或”结算），然后存入运算结果寄存器。

实施第三条指令时，取出输入映像寄存器X001中二进制数，因为是常闭触点，取反后和前面运算结果相“和”（电路串联对应“和”运算），然后存入运算结果寄存器。

在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中二进制数传送给输出模块并锁存起来，假如输出映像寄存器Y000中存放是二进制数“1”，外接KM线圈将通电，反之将断电。

X000，X001和Y000波形高电平表示按下按钮或KM线圈通电,当T

T=T1时按下起动按钮SB1，X0变为“1”状态，经逻辑运算后Y000变为“1”状态，在输出处理阶段，将Y000对应输出映像寄存器中“1”送到输出模块，将可编程控制器内Y000对应物理继电器常开触点接通，使接触器KM线圈通电。

2．2控制方法分析

工作原理：

步进电机是将给定电脉冲信号转变为角位移或线位移开环控制元件。

给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过对应角度，这个角度就称作该步进电机步距角。

现在常见步进电机步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。

以步距角为0.9度进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。

以这类推，连续给定脉冲信号，步进电机就能够连续运转。

因为电脉冲信号和步进电机转角存在这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛应用.步进电机位置控制是靠给定脉冲数量控制。

给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定脉冲数。

其工作原理以下：

设A相首先通电，转子齿和定子A、A′对齐。

然后在A相继续通电情况下接通B相。

这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，不过A、A′极继续拉住齿1、3，所以，转子将转到两个磁拉力平衡为止。

即转子顺时针转过了15°。

接着A相断电，B相继续通电。

这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐，转子从图（b）位置又转过了15°。

这么，假如按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…次序轮番通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。

电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。

假如按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…次序通电，则电机转子逆时针方向转动。

图2-3步进电机通电方法原理图

控制方案：

（1）三相步进电动机有三个绕组:

A、B、C

正转通电次序为：

A→AB→B→BC→C→CA

反转通电次序为：

A→CA→C→BC→B→AB

（2）用7个开关控制其工作

#1开关控制其运行（启）。

#2开关控制其运行（停）。

#3号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5s）。

#4号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1s）。

#5号开关控制其高速运行（转过一个步距角需0.04s）。

#6号开关控制其转向（ON为正转）。

#7号开关控制其转向（OFF为反转）。

2．3I/O分配

步进电动机以最常见三相六拍通电方法工作，并要求步进电动机设有快速、慢速控制、正反转及单步控制4种控制方法。

依据要求，可选择C28P—CDT—DPLC进行控制并设计出步进电动机PLC控制系统I/O接线图。

图2-4步进电动机PLC控制系统I/O接线图

步进电动机PLC控制系统梯形图设计

图2-5步进电动机PLC控制系统梯形图

2．4系统结线图设计

PLC机型选择基础标准是：

在功效满足要求前提下，选择最可靠、维护使用最方便和性价比最优机型。

通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件很好场所，提议选择整体式结构PLC；其它情况则最好选择模块式结构PLC；对于开关量控制和以开关量控制为主、带少许模拟量控制工程项目中，通常其控制速度无须考虑，所以，选择带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功效低级机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功效要求比较高工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选择中等或高级机（其中高级机关键用于大规模过程控制、全PLC分布式控制系统和整个工厂自动化等）。

此次设计选择是三菱系列FX1N系列。

图2-6控制系统原理图

  图2.6是控制系统原理接线图，图2-6中Y7输出脉冲作为步进电机时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。

同时Y7接至PLC输入接点X0，并经X0送至PLC内部HSC。

HSC计数Y7脉冲数，当达成预定值时发生中止，使Y7脉冲频率切换至下一参数，从而实现较正确位置控制。

控制系统运行程序：

第一句是将DT9044和DT9045清零，即为HSC进行计数做准备;第二句～第五句是建立参数表，参数存放在以DT20为首地址数据寄存器区;最终一句是开启SPD0指令，实施到这句则从DT20开始取出设定参数并完成对应控制要求。

由第一句可知第一个参数是K0，是PULSE方法特征值，由此要求了输出方法。

第二个参数是K70，对应脉冲频率为500Hz，于是Y7发出频率为500Hz脉冲。

第三个参数是K1000，即按此频率发1000个脉冲后则切换到下一个频率。

而下一个频率即最终一个参数是K0，所以当实施到这一步时脉冲停止，于是电机停转。

故当运行此程序时即可使步进电机根据要求速度、预定转数驱动控制对象，使之达成预定位置后自动停止。

第3章控制系统梯形图程序设计

3.1步进电机控制步骤图

由PLC控制步进电机程序步骤图图3-1所表示

图3-1步进电机控制步骤图

3.2控制程序时序图设计

由PLC控制步进电机程序时序图图3-2所表示

图3-2控制电机时序图

3.3控制程序设计思绪

在进行程序设计时,首先应明确对象具体控制要求。

因为CPU对程序串行扫描工作方法,会造成输入/输出滞后,而由扫描方法引发滞后时间,最长可达两个多扫描周期,程序越长,这种滞后越显著,则制精度就越低。

所以,在实现控制要求基础上,应使程序尽可能简捷、紧凑。

其次,同一个控制对象,根生产工艺步骤不一样,控制要求或控制时序会发生改变,此时,要求程序修改方便、简单,即要求程序有很好柔性。

以SIMATIC移位指令为步进控制主体进行程序设计,可很好地满足上述设计要求。

图3-3步进电机梯形图控制程序

第4章监控系统设计

4.1PLC和上位监控软件通讯

对于上位机接口软件编制，选择查询方法来进行接收，完成一次传输步骤是：

实施一条输入指令，读取FIFO目前状态，判定外设是否处于“准备就绪”或“未准备就绪”状态进行进行对应步骤程序实施。

上位机向微处理器发出中止请求。

PLC微处理器响应中止请求后，接收数据。

经过使用接收中止，发送中止，发送指令（XMT）和接收指令（RCV），用户程序能够实现在自由口模式下对通信端口控制，在自由口模式下，通信协议完全由用户程序控制。

使用通信端口0和计算机通信时，经过SMB30许可自由口模式，而且只有在PLC处于RUN模式时才能许可，当PLC处于STOP模式时，自由口通信停止，通信口转换成正常PPI协议操作。

因为通信只使用A、B两线制进行数据传送，不能利用硬件信号作为检测手段，故在上位机和PLC通信发生误码时，将不能经过硬件判定是否发生误码，或当上位机和PLC工作速率不一样时就会发生冲突。

这些通信错误将造成PLC控制程序不能正常工作，所以必需使用软件，以确保通信可靠性。

4.2上位监控系统组态设计

伴随工业自动化水平快速提升，计算机在工业领域广泛应用，大家对工业自动化要求越来越高，种类繁多控制设备和过程监控装置在工业领域应用，使得传统工业控制软件已无法满足用户多种需求。

已开发成功工控软件又因为每个控制项目标不一样而使其反复使用率低，造成它价格很昂贵；在修改工控软件源程序时，倘若动而离去时，则必需同其它人员或新手进行源程序修改，所以更是相当困难。

因为它能够很好地处理传统工业控制软件存在种种问题，使用户能依据自己控制对象和控制目标任意组态，完成最终自动化控制工程。

图4-1上位监控系统组态和上位机接线图

组态（Configuration）为模块化任意组合。

通用组态软件关键特点:

（1）延续性和可扩充性。

用通用组态软件开发应用程序，当现场（包含硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件更新和升级;

（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成功效全部用一个方便用户使用方法包装起来，对于用户，不需掌握太多编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求全部功效;（3）通用性，每个用户依据工程实际情况，利用通用组态软件提供底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）I/ODriver、开放式数据库和画面制作工具，就能完成一个含有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、含有多媒体功效和网络功效工程，不受行业限制。

4.3实现效果

组态软件大全部支持多种主流工控设备和标准通信协议，而且通常应提供分布式数据管理和网络功效。

对应于原有HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己HMI软件工具或开发环境。

在组态软件出现之前，工控领域用户经过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或购置专用工控系统，通常是封闭系统，选择余地小，往往不能满足需求，极难和外界进行数据交互，升级和增加功效全部受到严重限制。

组态软件出现使用户能够利用组态软件功效，构建一套最适合自己应用系统。

伴随它快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备广泛支持已经成为它关键内容监控组态软件将会不停被给予新内容。

第5章系统调试及结果分析

5.1系统调试及处理问题

试验中可能会有很多原因会引发调试不成功，其中包含硬件方面，和软件方面。

硬件方面关键是连线错误，或其它硬件方面问题。

比如硬件线路接法不一样也可能造成试验不成功。

还有软件方面问题，比如因为软件版本存在差异，使得部分语句不能实现，或达不到预期效果。

这就要求我们在做试验时要仔细分析试验中碰到问题。

5.2结果分析

分析试验过程中取得数据，波形，现象或问题正确性和肯定性，分析产生不正确不正确原因和处理方法。

现象：

开启步进电机，按下模块上正转按钮，步进电机正转180度，当步进电机转到180度后，停止。

另外，当步进电机正转90度以后按下S2，步进电机会立即反转90度。

也可工作到PLC设计步数后停止。

课程设计心得

经过试验，我们感性地认识到理论和实际差异，加深了我们对本课程设计了解和认识。

经过试验来验证设计并改善设计中不足之处，试验中我们会碰到很多问题和故障，在锻炼了我们动手能力同时也提升了我们思索、处理问题能力。

调试过程就是观察、分析、排错过程。

在进行试验时，应该根据设计试验步骤进行观察、统计，然后和原设计进行比较、分析，以判定每一步是否正确，从而推进整个试验进程。

试验调试过程，实质上是一个不停发觉问题，不停找出原因，不停处理问题过程。

要处理问题关键是要发觉问题所在，而要能找到犯错原因，只有经过反复对试验运行过程中统计参数进行分析、比较，才能发觉问题。

由此可见，在试验室做好现场参数统计和分析是相当关键。

这不仅是培养我们养成良好试验习惯机会，也是让我们学会将理论知识综合利用、掌握试验技巧、提升动手能力。

所以必需要经过试验测试和调整，方便发觉和纠正设计和安装中不足，最终才能达成预定设计要求。

参考文件

[1]邓星钟.机电传动和控制[M].华中科技大学出版社,.

[2]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].机械工业出版社,.

[3]李朝青.单片机接口技术[M].北京航空航天大学出版社,.

[4]宋伯生.PLC编程理论、算法及技巧[M].机械工业出版社,.

[5]吴作明.PLC开发和应用实例详解[M].机械工业出版社,.

[6]钱平.交直调速系统[M].机械工业出版社,.

附录

STARTbit01H

MinSpdEQU9

MaxSpdEQU75

SpeedDATA23H

ORG0000H

LJMPDJSD

ORG0010H

LJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:

MOVSPEED,#MinSpd

m_NEXT1:

MOVA,Speed

MOVB,#10

DIVAB

CMPA,#0

JEDISPS0

CMPA,#1

JEDISPS1

CMPA,#2

JEDISPS2

CMPA,#3

JEDISPS3

CMPA,#4

JEDISPS4

CMPA,#5

JEDISPS5

CMPA,#6

JEDISPS6

CMPA,#7

JEDISPS7

CMPA,#8

JEDISPS8

CMPA,#9

JEDISPS9

DISPS0:

MOVP0,#0FCH

JMPNext

DISPS1:

MOVP0,#060H

JMPNext

DISPS2:

MOVP0,#0DAH

JMPNext

DISPS3:

MOVP0,#0F2H

JMPNext

DISPS4:

MOVP0,#066H

JMPNext

DISPS5:

MOVP0,#0B6H

JMPNext

DISPS6:

MOVP0,#0BEH

JMP