基于PLC的步进电机开环控制系统设计.docx
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基于PLC的步进电机开环控制系统设计
武汉理工大学华夏学院
课程设计报告书
题目：
基于PLC的步进电机的开环控制系统设计
系名：
信息工程系
专业班级：
自动化1093
姓名：
李圣军
学号：
指导教师：
乔志刚
2012年1月6日
前言……………………………………………………………………3
课程任务书……………………………………………………………4
1.设计目的…………………………………………………………7
2.设计要求…………………………………………………………7
3.控制要求………………………………………………………………9
输入输出接线图………………………………………………10
5.编程元件地址分配表…………………………………………………10
6.硬件组态…………………………………………………………………11
7.控制程序
线性化控制程序设计…………………………………………………12
结构化控制程序设计…………………………………………………17
8.项目设计结果分析……………………………………………………21
9.结束语………………………………………………………………22
10.参考文献…………………………………………………………24
课程设计评分表………………………………………………………25
前言
可编程控制器是电气控制技术中的关键技术。
《可编程控制器》为“自动化和电气工程及其自动化”专业的一门重要专业课。
通过本课程的学习，使学生掌握工厂电气控制设备技术和可编程控制器的使用、分析和设计自动生产过程中的控制电路，掌握其使用方法。
课程设计以培养工程应用能力为主，在独立完成设计任务的同时，还要进行诸方面能力的培养和提高，为毕业设计打下良好的基础。
这些能力包括：
⏹独立工作能力；
⏹综合运用所学过的基础知识和专业知识，提高解决工程应用问题的能力；
⏹运用各种现代化手段，获取相关资料的能力；
⏹调试程序的能力；
⏹工程绘图的能力；
⏹编写技术资料的能力；
⏹创新能力。
PLC课程设计的主要目的，是通过对某个简单的自动化生产设备、某条简单的自动化生产线、某些简单的工艺过程的调查研究，使学生明确生产工艺对电气控制提出的各项要求。
根据这些要求，进行PLC控制系统的原理设计、硬件配置及软件编程设计。
通过不断地调试和完善程序来满足生产工艺的要求。
本课程设计提供了设计的备选课题。
通过课程设计，使学生进一步熟悉PLC控制系统的应用，并培养学生解决实际问题的能力，掌握系统设计的思路及方法。
课程设计任务书
学生姓名：
李圣军专业班级：
自动化1093
指导教师：
乔志刚工作单位：
信息工程系自动控制教研室
题目：
基于PLC的步进电机的开环控制系统设计
一．初始条件
1.给出步进电机的基本工作原理、工作方式及其控制方法；
2.给出实际调试用步进电机的驱动放大电路原理图；
3.给出用于系统调试用的S7-300PLC、计算机、调试用步进电机及其驱动放大电路；
4.给出PLC的编程软件STEP7。
二．要求完成的主要任务
1.设计要求
⑴根据课程设计指导书给出的步进电机工作原理、工作方式及其控制方法，设计PLC控制系统，要求实现：
①在步进电机的单四拍、双四拍、单双八拍工作方式中至少选择一种工作方式进行控制。
②能够实现步进电机的起动和停止、正转和反转及改变转速。
（详细控制要求见课程设计指导书）
⑵要求用线性化编程和结构化编程两种编程方法来实现该控制逻辑。
在结构化编程中，同一种通电方式的正反转使用同一个FC，在OB1中调用同一个FC实现正反转控制。
2.说明书撰写要求
◆内容要求
一般要求包括如下内容：
⑴目录
编制课程设计的目录，目录的各级标题按照章节顺序排列，最多列到三级标题即可，如。
⑵引言
课程设计正文前的简短介绍。
包括本课题的设计目的、设计的主要过程及主要的设计内容。
⑶电路设计
要求画出PLC的输入/输出接线图。
⑷PLC硬件组态
要求列出硬件组态表。
⑸PLC编程元件的地址分配
首先对输入/输出点进行地址分配，然后对其他编程元件也进行地址分配，如位存储器M，
定时器T，计数器C等。
编程中要使用符号地址，所以在OB1中要编辑符号表（包括输入继电器、输出继电器、定时器及位存储器（或叫辅助继电器），在FC1中要编辑变量声明表。
⑹编写控制程序
要求：
①编写线性化程序；
②在结构化编程中分别编制OB1和FC1；
③在程序段中添加注释。
⑺程序调试说明
对设计中遇到的主要问题及解决方法、调试过程及方法、在调试过程中对对原设计程序做了哪些有意义的改进及调试的结果几方面进行阐述。
⑻结束语
对本课程设计进行总结，写出设计中的体会。
⑼主要参考文献
写出完成设计任务过程中参考的主要参考文献，注意参考文献的格式。
◆格式要求
1.纸张格式：
要求统一用A4纸打印，页面设置上空，下空，左空，右空）：
2.正文层次：
正文内容层次序号为：
1、、……，其中
⑴．正文标题；一级标题1.（黑体小2号加粗），二级标题（黑体小三号），三极标题（黑体小四号）。
⑵．正文内容格式：
宋体五号，倍行距。
3.参考文献格式：
参考文献不少于5个，并应按文献号、作者、文献题名、出版地：
出版社和出版年等顺序书写。
如：
[1]戴军，袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术，2002.
4.图表要求：
所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须采用计算机辅助绘图。
图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；图表一律采用采用阿拉伯数字连续编号。
◆装订顺序
设计报告按照如下顺序装订：
封面—任务书—目录—正文—参考文献—评分表。
三．时间安排
序号
阶段内容
时间安排
地点
1
课前辅导
12月31日1-2节
1-207
2
组合设计小组，查阅资料，拟定设计方案
12月31日
自定
3
硬件设计、地址分配、控制程序设计
1月1日—1月3日
自定
4
系统调试（注：
设计及调试过程中请同学们将自己设计的项目资料保存在U盘中，以便完成设计报告及答辩查验）
1月4日—1月5日
4-414
5
答辩
1月6日
4-414
指导老师签字：
2011年12月27日
系主任签字：
1、设计目的
⑴了解步进电机的工作原理及步进电机的开环控制原理。
⑵综合应用所学PLC知识设计基于PLC的步进电机开环控制系统；
⑶通过自行编程调试掌握PLC控制系统的设计方法。
2、步进电机原理简述
步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件，每一个脉冲信号可以使步进电机前进一步，转过的角度与控制脉冲的个数呈严格的正比关系。
其运行速度与控制脉冲频率呈严格的正比关系，正是这个特点，使其可以和现代数字控制技术相结合，成为比较理想的执行元件。
步进电机主要应用于开环位置控制系统中。
目前步进电机在数控机床、计算机外围设备、钟表、包装机械、食品机械中得到广泛的应用。
步进电机由定子和转子两部分组成。
以二相步进电机为例，定子上有两组相对的磁极，每对磁极缠有同一绕组，形成一相。
定子和转子上分布着大小、间距相同的多个小齿。
当步进电机某一相通电形成磁场后，在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或最小磁阻）的位置。
步进电机接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机转过一个步距角θ，对于一个m相n拍的步进电机来说，每走完n拍，转子就转过一个齿距角φ，所以齿距角φ与步距角θ的关系为：
从控制原理上，步进电机可以分为反应式、永磁式和混合式步进电机三大类；按照控制绕组的相数可以分为两相、三相、四相……。
⑵本设计中涉及到的步进电机主要参数
①相数：
产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，用ｍ表示。
②拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指步进电机走过一个齿距角所需脉冲数，用ｎ表示。
③齿距角：
步进电动机的转子上均匀地分布着许多小齿，相邻两个小齿的中心线间的角度称为齿距角，用φ表示。
④步距角：
对应一个脉冲信号，步进电机转过的角位移，用θ表示。
⑶本设计中用到的步进电机
本设计中用到的步进电机为两相步进电机。
该步进电机转子共有50个齿，所以齿距角为°。
电机每相电流为，相电压为5V。
⑷步进电机驱动电路
本设计中用到的步进电机的驱动电路图如图1所示
图1两相步进电机驱动电路图
图中TL1～TL6对应的是面板上的插孔。
图中标注的A及
，B及
分别表示步进电机的定子的两相绕组的四个端子。
⑸两相步进电机的通电方式：
①单四拍通电方式：
每次只有一相绕组通电，四拍构成一定循环。
两相绕组按照A—B—
—
—A的次序轮流通电。
每拍转子转动
转子齿距。
②双四拍通电方式：
每次有两相绕组同时通电，两相控制绕组按AB—B
—
—
A—AB的次序轮流通电。
每拍转子转动的角度与单四拍相等都是
转子齿距，但与单四拍的空间定位不重合。
③单、双八拍的通电方式：
上两种通电方式的循环拍数等于4，称为满步通电方式。
若通电方式等于8，称为半步通电方式，即按A—AB—B—B
—
—
—
—
A—A的次序通电。
每拍转子转动
转子齿距。
⑹在上述通电方式中，改变通电的循环方向即可改变步进电机的转动方向，改变通电的频率，即可改变步进电机的转速。
3、控制要求：
⑴能够实现步进电机的起动和停止、正转和反转及改变转速。
⑵能够实现步进电机的单四拍、双四拍、单双八拍运行。
⑶当按下按钮SB1时，步进电机以单四拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；
当按下按钮SB2时，步进电机以单四拍方式和500MS/步的频率逆时针方向运行30步后停止；
当按下按钮SB3时，步进电机以双四拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；
当按下按钮SB4时，步进电机以双四拍方式和500MS/步的频率和逆时针方向运行30步后停止；
当按下按钮SB5时，步进电机以单双八拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；
当按下按钮SB6时，步进电机以单双八拍方式和500MS/步的频率逆时针方向运行30步后停止；
任何时刻按下按钮SB7，步进电机停止。
4、PLC的输入输出接线图：
图2控制两相步进电动机正反转控制线路接线图
5、编程元件地址分配表：
表1PlC编程元件的地址分配及相应符号表
6、硬件组态：
表2PLC硬件组态表：
7、控制程序
线性化控制程序线性化控制程序
程序段1正向启动使A线圈导通开启计时器T1关闭反向的相关继电器
程序段2T1定时结束时使B线圈导通A线圈关闭同时开启定时器T2
程序段3T2定时结束时使-A线圈导通B线圈关闭同时开启定时器T3
程序段4T3定时结束时使-B线圈导通–A线圈关闭同时开启定时器T3
程序段5T4定时结束时使A线圈导通–B线圈关闭同时开启定时器T1达到循环的目的
程序段6反向启动使-B线圈导通开启定时器T5同时关闭正向相关继电器
程序段7T5定时结束时使-A线圈导通–B线圈关闭同时开启定时器T6
程序段8T6定时结束时使-A线圈导通B线圈关闭同时开启定时器T7
程序段9T7定时结束时使A线圈导通B线圈关闭同时开启定时器T8
程序段10：
T8定时结束时使-B线圈导通A线圈关闭同时开启定时器T5实现循环
程序段11总的停止功能
结构化化控制程序
主程序OB1
程序段1：
开启正转相关功能，关闭反向相关功能
程序段2：
给FC的输入输出赋值
程序段3：
开启反转相关功能，关闭正向相关功能
程序段4：
给FC的输入输出赋值
程序段5：
停止功能
功能FC1
输入输出符号表
程序段1：
给0输出置高电平
程序段2：
与程序段2345形成循环输出
程序段3：
程序段4：
程序段5：
8、项目设计结果分析（分析调试过程中遇到的主要问题、产生不正确的原因和解决方法及对程序做了哪些方面有意义的改进）
步进电机一开始不能正常转动，检查后程序正确。
后来仔细看了步进电机的工作原理，原来步进电机要实现正反转，四个相序必须弄清楚。
把电机接上电源，用高电平分别接触电机的引线，每接触一下电机就会向前或向后转动一下，经过试验，弄清楚电机的四个相序后，重新下载电机就可以正常转动了。
9、结束语（对课程设计进行总结，并写出设计中的体会）
此次课程设计，大大深了我PLC的理解。
在这次设计中，我学到了很多课本上没有的，以及平时被我们所忽视的东西。
平时在上完课后认为对老师所讲的东西都很理解，但是在真正自己设计程序时却无从下手。
不能清晰的理解理论知识，就不能在实际实践中熟练的应用。
不仅是理论知识的理解，在此次课程设计后，我对很多电子器件有了更深入的理解，比如功能块的相关应用。
在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个电路的设计。
在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了PLC的工作原理以及程序的设计。
当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。
回顾起此次计算机控制课程设计，至今我仍感慨颇多。
的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。
万事开头难，在这次课程设计后我对自己的动手能力更加有信心。
由于时间有限和个人能力的不足，对电路的设计不够完善，但是在以后的时间里我继续学习以来提高自己对知识的理解和应用。
10、参考文摘（相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市：
文献出版社，出版年；）
【1】李夙.异步电动机直接转矩控制【M】.北京：
机械工业出版社，1998.
【2】王鸿钰.步进电机控制入门【M】.上海：
同济大学出版社，1990.
【3】刘宝延，程树康.步进电机及其驱动控制系统.哈尔滨工业大学出版社，
【4】何希才，姜余祥.电动机控制电路应用实例.中国电力出版社，
【5】高钦和.可编程序控制器应用技术与设计实例.人民邮电出版社，
【6】常晓玲.电气控制系统与可编程序控制器.机械工业出版社，
课程设计评分表
评分项目
评分成绩
1．选题合理、目的明确（10分）
2．设计方案正确，具有可行性、创新性（30分）
3．项目工艺水平及测试性能达到技术要求（25分）
4．参考文摘不少于5篇（10分）
5．答辩（25分）
总分（100分）
答辩记录：
为什么TL4为高电平时线圈A导通？
答：
因为TL4为高电平时，根据电路图1可知，发光二级管不导通，从而使驱动电路不导通，即线圈A导通。
指导教师综合评语：
指导教师（签名）
日期：
年月日
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