1、 課程設計設計說明設計題目: 院系名稱： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 年 月 日內容摘要 步進電動機是一種控制精度極高的電動機, 在工業(yè)上有著廣泛的應用。步進電動機具有快速起停、精確步進和定位等特點，所以常用作工業(yè)過程控制及儀器儀表的控制元件?；赑LC控制的步進電動機具有設計簡單，實現(xiàn)方便，參數設計置靈活等優(yōu)點。矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數來實現(xiàn)。本文主要是介紹采用可編程控制器(PLC) 對五相十拍步進電機進行控制的設計原理及方法進行分析。本文詳細的介紹了用PLC控制步進

2、電機系統(tǒng)的原理，及硬件和軟件設計方法。其內容主要包括I/O地址分配、PIC外部接線圖、控制流程圖、梯形圖以及語句表。本文設計過程中使用了十六位移位寄存器，大大簡化了程序的設計，使程序更間湊，方便了設計。在實際應用中表明此設計是合理有效的。關鍵詞: PLC；梯形圖；I/O接線圖；五相十拍步進電機目 錄第一章 引言1第二章 系統(tǒng)總體方案設計22.1 程序設計的基本思路22.2 五相步進電動機的控制要求22.3 方案原理分析22.3.1 功能要求22.3.2 性能要求3第三章 PLC控制系統(tǒng)設計43.1 輸入輸出編址43.2 選擇PLC類型43.3 PLC外部接線圖43.4 控制流程圖53.5 梯形

3、圖程序設計73.5.1 步進控制設計73.5.2 梯形圖設計93.6 語句表143.7 程序的調試15結 論18設計總結19謝 辭20參考文獻212- -第一章 引言步進電動機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機作為執(zhí)行元件，是電氣自動化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領域。步進電動機具有快速起停、精確步進和定位等特

4、點，所以常用作工業(yè)過程控制及儀器儀表的控制元件。目前，比較典型的控制方法是用單片機產生脈沖序列來控制步進電機。但采用單片機控制，不僅要設計復雜的控制程序和I/O接口電路，實現(xiàn)比較麻煩。基于PLC控制的步進電動機具有設計簡單，實現(xiàn)方便，參數設計置靈活等優(yōu)點。步進電機廣泛應用于對精度要求比較高的運動控制系統(tǒng)中，如機器人、打印機、軟盤驅動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數來實現(xiàn)。第二章 系統(tǒng)總體方案設計2.1 程序設計的基本思路 在進行程序設計時，首先應明確對象的具體控制要

5、求。由于CPU對程序的串行掃描工作方式，會造成輸入輸出的滯后，而由掃描方式引起的滯后時間，最長可達兩個掃描周期，程序越長，這種滯后越明顯，則控制精度就越低。因此，在實現(xiàn)控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔緊湊。另一方面，同一控制對象，根據生產的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發(fā)生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。以SIMATIC移位指令為步進控制的主體進行程序設計，可較好的滿足上述設計要求。2.2 五相步進電動機的控制要求1五相步進電動機有五個繞組: A、B、C、D、E , 正轉順序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 反轉順序: ABCBCBCDC

6、DCDEDEDEAEAEABAB2用五個開關控制其工作： 1 號開關控制其運行 ( 啟 / 停 )。 2 號開關控制其低速運行 (轉過一個步距角需 0.5 秒)。 3 號開關控制其中速運行 (轉過一個步距角需 0.1 秒)。 4 號開關控制其高速運行 (轉過一個步距角需 0.03 秒)。 5 號開關控制其轉向 ( ON 為正轉，OFF 為反轉 )。2.3 方案原理分析2.3.1 功能要求 對五相六拍步進電機的控制，主要分為兩個方面：五相繞組的接通與斷開順序控制。正轉順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 反轉順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB以及每個步距

7、角的行進速度。圍繞這兩個主要方面，可提出具體的控制要求如下： （1）可正轉或反轉； （2）運行過程中，正反轉可隨時不停機切換； （3）步進三種速度可分為高速（0.03S），中速（0.1S）,低速（0.5S）三檔，并可隨時手控變速2.3.2 性能要求在實現(xiàn)控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔緊湊。另一方面，同一控制對象，根據生產的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發(fā)生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。第三章 PLC控制系統(tǒng)設計3.1 輸入輸出編址控制步進電機的個輸入開關及控制A、B、C、D、E五相繞組工作的輸出端在PLC中的I/O編址如表3-1所示。表3-1 I/O地址分

8、配表輸入點輸出點元件名稱符號地址編碼元件名稱符號地址編碼啟/停常開按鈕SB1I0.0A繞組AQ0.00.5s低速常開按鈕SB2I0.1B繞組BQ0.10.1s中速常開按鈕SB3I0.2C繞組CQ0.20.03s高速常開按鈕SB4I0.3D繞組DQ0.3控制轉向開關QSI0.4E繞組EQ0.43.2 選擇PLC類型根據上圖的I/O分配表通過查閱手冊選擇S7-200 CPU222基本單元（8入/6出）1臺。3.3 PLC外部接線圖 PLC外部接線圖的輸入輸出設備、負載電源的類型等的設計就結合系統(tǒng)的控制要求來設定。步進電動機采用五相十拍控制外部接線圖如圖31所示。圖3-1 I/O接線圖3.4 控制流

9、程圖由于上述具體控制要求，可作出步進電機在運行時的程序框圖，如圖32所示。以工作框圖為基本依據，結合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分為4個模塊進行編程，即模塊1：步進速度選擇；模塊2：起動、停止；模塊3：正轉、反轉；模塊4：移位控制功能模塊；模塊:5：A、B、C、D、E五相繞組對象控制。然后，將各模塊進行連接，最后經過調試、完善、實現(xiàn)控制要求。首次選擇步進速度正轉或反轉移位寄存器賦初值開始啟動或停止發(fā)出移位脈沖執(zhí)行移位移位輸出控制電機步進十拍計數 N Y 圖3-2 控制流程圖3.5 梯形圖程序設計3.5.1 步進控制設計采用移位指令進行步進控制。首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的

10、步進順序，移位寄存器的初值見表3-2。表3-2 移位寄存器初值 M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 每右移1位，電機前進一個布矩角（一拍），完成十拍后重新賦初值。其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始終為“0”。據此，可作出移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機正反轉繞組的狀態(tài)真值表，如表3-1、3-2所示。從而得出五相繞組的控制邏輯關系式：正轉時A相 Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0C

11、相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3E相 Q0.4= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1反轉時A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0D相 Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2E相 Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.5+M0.4表3-3 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表（正轉）移位寄存器MW0正轉M

12、1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE100000000011100010000000001100001000000001110000100000000110000010000000111000001000000011000000100010011000000010010001000000001011001000000000111000表3-4 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表（反轉）移位寄存器MW0反轉M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE100000000011000010000

13、0000110010010000000100010001000000100110000100000000110000010000001110000001000001100000000100011100000000010011000000000001111003.5.2 梯形圖設計啟停使用單按鈕控制。梯形圖設計如下，首先，按SB2(SB3或SB4)初次選擇一種步進速度， 五相步進電動機的速度由定時器T33控制，把三個值50、10、3分別送到VW100可得到低速、中速、高速三種速度。再按SB1，M2.0得電，移位寄存器賦初值，電機開始轉動，且定時器開始計時，到設定值時，T33得電動作，移位寄存器值

14、右移一位，C21計數一次，然后T33重新計時。計數十次后動作C21使移位寄存器重新賦值，依次循環(huán)。QS控制正反轉，ON時I0.4得五相步進電動機正轉，OFF時 I0.4失電五相步進電動機為反轉。再按一下SB1，C20動作，M20失電，C21復位電機停止轉動。圖3-3啟停程序的梯形圖 當I0.0閉合時M2.0得電同時自鎖電動機啟動，且計數器C20計數1次；當I0.0再次閉合時計數器再次計數1次達到預置值，C20位ON，C20常閉斷開，M2.0失電，電動機停止，同時C20常開閉合計數器復位。圖3-4步進速度開關程序梯形圖電動機步進速度的控制，當I0.1閉合時發(fā)送1個電脈沖，使數據傳送指令將數據50

15、傳送到操作數VW100，從而控制步距角轉速。并且I0.1、I0.2和I0.3之間有互鎖，從而使控制不會出錯。圖3-5移位寄存器賦初值 電動機啟動時將16進制數0200（也就是2進制1000000000）傳送到移位寄存器MW0，從而保證電動機每10拍賦一次初值。圖3-6步距角頻率控制由前面?zhèn)魉偷讲僮鲾礦W100的數據為預置值，當計時器T33達到預置值時T33位為ON，常開T33閉合，線圈M3.0得電，從而常閉M3.0斷開，使計時器停止計時。計時器停止計時T33位OFF，繼而M3.0繼續(xù)閉合計時器從新計時。實現(xiàn)了每多長時間發(fā)放一個電脈沖。圖3-7移位寄存器控制 每有一個電脈沖發(fā)放時，移位指令動作一

16、次，使移位寄存器內數據右移一位，且保存到移位寄存器內。同時計數器C21計數一次，到達預置值10時C21動作，使圖3-5中傳送指令動作，再次給移位寄存器賦初值。這樣保證移位寄存器每移位10次循環(huán)一次，從而保證了電動機有規(guī)律的運行。圖3-8 A相繞組控制圖3-9 B相繞組控制圖3-10 C相繞組控制圖3-11 D相繞組控制圖3-12 E相繞組控制正轉順序在上面5個圖中分別控制A、B、C、D、E五個繞組，當I0.4閉合時為正轉順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB。當I0.4斷開時為反轉順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB。3.6 語句表 由梯形圖可得出語句表如

17、下圖圖3-13 語句表3.7 程序的調試程序編寫輸入完成之后就要進行調試，調試的目的是檢驗程序是否滿足要求，不滿足的話就要從新編寫程序直到調試符合要求。在這我們用SF200仿真模擬器進行程序調試。調試結果如圖所示。圖3-14 低速正轉運行狀態(tài)圖3-15 中速正轉運行狀態(tài)圖3-16 高速反轉狀態(tài)經調試可知，程序滿足要求。結 論本次設計研究了PLC控制步進電動機的設計原理與實現(xiàn)方法，主要是程序的設計，將PLC應用到步進電動機控制系統(tǒng)中，充分發(fā)揮PLC高可靠性和實用性，外部接線簡單、靈活，維修方便。實際應用中還應結合實際情況，考慮各部分的容量及其實際的技術參數，供電電源的設計、系統(tǒng)接地問題、電纜設計

18、與鋪設、PLC輸出端保護等問題，以使系統(tǒng)達到安全可靠的工作，所以要想用于實際中，必須得通過現(xiàn)場調試。這就又給我們提出了更高層次的問題，畢竟一個較好的和較完善的應用軟件不是在短時間內就可以完成它的需要，要不斷的完善和發(fā)展，需要我們做大量的工作和時間的檢驗?，F(xiàn)在的系統(tǒng)雖然滿足了基本的要求，還需要增加很多新的功能和先進的科學技術，才能實現(xiàn)更安全、可靠、節(jié)約地控制。雖然現(xiàn)在用PLC控制步進電動機簡單方便，但單片機等更為便宜，所以，應該在現(xiàn)有的基礎上開發(fā)利用單片機等控制系統(tǒng)。而且現(xiàn)有的故障診斷很不全面，應該增加主動性預防診斷，可使系統(tǒng)在發(fā)生故障之前，我們就可以預見故障、排除故障，使運行中的故障率降低到最

19、低水平，保障電動機正常運行。最終，就是以信息技術為主，通過先進使用技術，提升步進電動機的控制，強化產、學、研的有效結合，盡快實現(xiàn)技術引進和自主創(chuàng)新相結合的模式，建立和完善技術開發(fā)體系，全力提升步進電動機控制的水平。設計總結通過本次試驗我學到很多東西，遇到很多需要查資料的問題。在查閱資料的過程中，我們要判斷優(yōu)劣、取舍相關知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。我們學習的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領域，這方面的能力便會使我受益非淺。通過學習PLC理論課程后，在做課程設計能檢測我的學習成果和知道自己的不足，此次設計每個人一個題目。由于平時大家都是學理論，沒有過

20、實際設計和調試的經驗，拿到的時候都不知道怎么做。但通過各方面的查資料并學習。我基本學會了PLC設計的步聚和基本方法。也鍛煉了自己獨立做事的能力，怎么去查找資料，怎么去利用手中的資料，怎么樣很好的寫一篇PLC論文。在這次設計實踐之中，我學會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視。在課程設計過程中我了解到，PLC并不是一門單一的編程技術，它是一門系統(tǒng)專業(yè)課程。PLC可以廣義的認為是一臺背嵌入操作系統(tǒng)的高可靠性PC機。首先需要精深PLC本身的編程語言梯形圖、語句表語言。然后根據程序在實驗室進行調試，使其達到預期的程度。最后，依照調試結果寫論文。不斷的鍛煉自己的動手和思維能力。 在設計過程中，總是遇到這樣或那樣的問題。有時發(fā)現(xiàn)一個問題的時候，需要做大量的工作，花大量的時間才能解決。自然而然，我的耐心便在其中建立起來了。為以后的工作積累了經驗，增強了信心。謝 辭 設計過程中我的指導老師王宗才給予了我很大的指導和幫助，在此我首先表示感謝。本課題在選題及研究過程中老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風