五相十拍步进电机控制设计.docx
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五相十拍步进电机控制设计
第1章引言2
第2章系统总体方案设计3
2.1五相十拍步进电动机的控制要求3
2.2方案原理分析3
2.3方案设计思路4
第3章PLC控制系统设计5
3.1I/O地址分配5
3.2PLC外部接线图5
3.3步进控制设计6
3.4梯形图设计8
3.5调试说明19
结束语20
参考文献21
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。
对五相十拍步进电机的控制，主要分为两个方面：
五相绕组的接通与断开顺序控制。
正转顺序：
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序：
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB以及每个步距角的行进速度。
围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：
1、可正转或反转；
2、运行过程中，步进三种速度可分为高速（0.05S），中速（0.3S）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速；
下面介绍一种基于PLC的步进电机控制的方法。
第2章系统总体方案设计
2.1五相十拍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:
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
反转顺序:
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB
2．用五个开关控制其工作：
1号开关控制其运行（启/停）。
2号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）。
3号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5秒）。
4号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1秒）。
5号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.03秒）。
6号开关控制其紧急停止（ON为急停，OFF为运行）。
2.2方案原理分析
在对五相十拍步进电机的控制中，主要分为两个方面：
五相绕组的接通与断开顺序控制以及正反向调节和调速功能。
正转顺序：
ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB
反转顺序：
ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB
五相步进电动机有五个绕组：
A、B、C、D、E，控制步进电动机五相十拍的时序图图2.1所示。
（1）正转时序图
（2）反转时序图
图2.1五相十拍步进电机时序图
2.3方案设计思路
利用三个位移寄存器并向其分别赋值50、10、3，来控制不同转速时的延时时间，在针对正反转的选择时可以采用调用子程序的方法分别编辑，每种速度调节均利用十个定时器实现其绕组延时通断，从而实现步进电动机的步进要求。
在换向时，同样计时器可以完成相应的计时工作，两个子程序的工作互不干扰，且两者无法同时运行，因此在主程序中调用子程序时只能选择其中之一进行调用，有效的避免了程序混乱。
为保证运行安全，避免误触误启动事件的产生启动开关速度选择，转向选择三者均已完成时程序放可启动，若有任意一项的操作未完成，则程序无法运行。
为避免安全事故和应对紧急情况同时应在主程序和两个子程序中设置紧急停止，当紧急停止按钮按下时程序立刻停止运行。
第3章PLC控制系统设计
3.1I/O地址分配
3.1.1各输入量作用：
SB1打开时程序可以启动，在此过程中支持切换转速及方向。
SB2默认（I0.1=0）反转，当SB2打开（I0.1=1）是正转。
急停SB6默认状态（I0.5=0），当打开SB6（I0.5=1）时程序立刻停止，重新恢复默认状态时，程序再次从头开始运行。
速度选择开关SB3，SB4，SB5分别对应低速，中速，快速，当SB3打开（I0.2=1，I0.3=0，I0.4=0）选择低速并向位移寄存器赋初值50即计时器计时0.5秒；当SB4开（I0.2=0，0.3=1，0.4=0）选择中速位移寄存器赋初值10时器计时0.1秒；当SB5开（I0.2=0，0.3=0，I0.4=1）高速位移寄存器赋初值3计时器计时0.03秒。
3.1.2I/O口分配
控制信号
信号名称
元件名称
元件符号
地址编码
输
入
信
号
启/停控制
常开按钮
SB1
I0.0
正/反控制
常开按钮
SB2
I0.1
低速
常开按钮
SB3
I0.2
中速
常开按钮
SB4
I0.3
快速
常开按钮
SB5
I0.4
急停
常开按钮
SB6
I0.5
输
出
信
号
输出端子
A端子
A
Q0.0
输出端子
B端子
B
Q0.1
输出端子
C端子
C
Q0.2
输出端子
D端子
D
Q0.3
输出端子
E端子
E
Q0.4
表3.1I/O口分配表
3.2PLC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。
根据上图的I/O分配表通过查阅手册选择S7-200CPU222基本单元（8入/6出）1台步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如图3.2所示：
图3.2PLC外部接线图
3.3步进控制设计
将五相十拍步进电机的十拍分别定义为M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5、M0.6、M0.7、M1.0、M1.1,。
绕组A、B、C、D、E分别定义为输出量Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4。
步进电机的每拍对应不同的输出量M与Q的输出关系如表3.3表3.4所示。
M0.0-M1.1
反转
M0.0
M0.1
M0.2
M0.3
M0.4
M0.5
M0.6
M0.7
M1.0
M1.1
A
B
C
D
E
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
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0
1
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0
表3.3电机正转时移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表
表3.4电机反转时移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表
M0.0-M1.1
反转
M1.1
M1.0
M0.7
M0.6
M0.5
M0.4
M0.3
M0.2
M0.1
M0.0
A
B
C
D
E
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
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1
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1
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1
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0
0
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0
0
1
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0
1
1
0
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0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
根据表3.3和表3.34可以得出无相绕组的逻辑控制关系式
电机正转时
Q0.0=M0.6+M0.7+M1.0+M1.1+M0.0
Q0.1=M1.0+M1.1+M0.0+M0.1+M0.2
Q0.2=M0.0+M0.1+M0.2+M0.3+M0.4
Q0.3=M0.2+M0.3+M0.4+M0.5+M0.6
Q0.4=M0.4+M0.5+M0.6+M0.7+M1.0
电机反转时
Q0.0=M1.0+M0.0+M0.1+M0.2+M0.3
Q0.1=M0.7+M01.0+M1.0+M0.0+M0.1
Q0.2=M0.5+M0.6+M0.7+M1.0+M1.1
Q0.3=M0.3+M0.4+M0.5+M0.6+M0.7
Q0.4=M0.1+M0.2+M0.3+M0.4+M0.5
3.4梯形图设计
3.4.1梯形图设计原理
启停使用单按钮控制。
梯形图设计如下，首先选择SB3（SB4或SB5）选择一种步进速度，把三个值50、10、3分别送到VW100可得到低速、中速、高速三种速度。
再按SB1（I0.0）使M2.0得电，若按下SB2（I0.1）则选着正转同时选择了子程序一，不按SB2（I0.1）则选择反转同时选择了子程序二。
此时M0.0接通，T37同时开始计时，并输出对应的输出量，T37计时结束则M0.0停止运行并停止输出，M0.1开始运行T38同时开始计时并将对应量输出。
同理依次运行至M1.1，T46同步计时，并做相应输出。
计时结束后重新回到M0.0再次进行循环。
3.4.2顺序功能图
根据设计原理绘制正反转子程序的顺序功能图分别如图3.5图3.6所示
子程序顺序功能图
子程序一，正转
图3.5电机正转顺序功能图
子程序二，反转
图3.6电机反转顺序功能图
3.4.3绘制梯形图
按照梯形图设计原理及顺序功能图将将梯形图输入V4.0STEP7MicroWINSP9软件中程序如下。
主程序
子程序1
子程序2
图3.7
3.5调试说明
将梯形图保存后导出为awl格式的文件，然后将此文件当如仿真软件中，选择相同的CPU型号，此处选择CPU型号为CPU222REL02.01。
点击绿色三角箭头开始运行，并点击StateProgram开始监视运行状态，主程序仿真界面如下，程序可顺利运行并满足所有设计要求。
结束语
机电控制技术是一门侧重应用方向的学科。
所以要多一点实践。
不要看不起小的项目，在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。
在学完PLC理论课程后我们做了课程设计。
由于平时都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。
但通过各方面的查资料并学习。
基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。
通过这次设计实践。
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，提高了工程素质，在没有做实践设计以前，对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视。
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，它是一门系统专业课程。
PLC可以广义的认为是一台背嵌入操作系统的高可靠性PC机。
首先需要精深PLC本身的编程语言梯形图、语句表语言。
达到这个水平你只能读懂编好的程序，并可以设计一些工程需要程序。
在一些大型程序中还需要用到数据库的知识，LC入门很快但要不断进取努力。
在设计的过程中还得到了老师和同学的帮助与意见。
在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。
做事要学思结合。
虽然现在课程设计的任务差不多已经结束，但是学习生活还将继续，在未来的日子里要将课程设计期间养成的吃苦耐劳，虚心请教的习惯坚持下去，并勇于面对困难克服困难，
参考文献
【1】陈白宁，段智敏.机电传动控制.东北大学出版社，2015.
【2】廖常初.PLC编程及应用.机械工业出版社，2002.
【3】SIEMENS公司.SIMATICS7-200可编程序控制器系统手册.2002
【4】程子华.PLC原理与实例分析.国防工业出版社，2006
【5】周淑珍、高鸿斌.PLC分析与设计应用.电子工业出版社，2004
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