1、目錄目錄 摘要摘要 .I I ABSTRACTABSTRACT .IIII 第一章第一章 緒論緒論 .1 1 1.1 概述 .1 1.2 國內、外 S7-200PLC 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.2 1.3 論文的主要研究工作 .3 第二章第二章 步進電機步進電機 .4 4 2.1 步進電機的特點 .4 2.2 步進電機的工作原理及分類 .4 2.2.1 步進電機的工作原理.5 2.2.2 步進電機的分類.5 2.3 步進電機在工業(yè)中的應用 .5 第三章第三章 西門子西門子 S7-200S7-200 PLCPLC.6 6 3.1 S7-200 PLC.6 3.2.1 硬件系統(tǒng).6 3.2.2 軟元件.7

2、3.2 PLC 技術在步進電機控制中的應用.8 第四章第四章 S7-200S7-200 PLCPLC 控制步進電機設計控制步進電機設計.9 9 4.1 步進電機的選擇 .9 4.2 步進電機驅動電路設計 .10 4.2.1 驅動器的選擇.10 4.2.2 步進電機驅動技術.10 4.2.3 驅動器參數(shù)設置.12 4.3 PLC 控制步進電機.12 4.3.1 電機起動.16 4.2.2 控制電機方向轉動.19 4.2.3 電機急?？刂?19 4.3.4 聯(lián)鎖.20 4.4 程序調試 .20 第五章第五章 全文總結全文總結 .2424 參考文獻參考文獻 .2525 致謝致謝 .2626 附錄附錄

3、 .2727 摘要摘要 小型PLC在編程，I/O擴展，通訊接口，開關量和模擬量的調節(jié)以及一些特殊功能 模塊如高速計數(shù)輸入和脈沖輸出的應用上已經(jīng)基本滿足用戶的需求了。但隨著應用需求 及關聯(lián)產(chǎn)品技術性能的提升，PLC將繼續(xù)得已完善和發(fā)展。 本文主要論述了步進電機的原理及驅動方法，并在S7-200 PLC的基礎上，對步進 電機進行控制。本設計選用PLC控制兩相混合式步進電機，在PLC編程的基礎上用按 鈕開關控制步進電機的啟動、加速、勻速、減速、反轉及急停等基本功能。 關鍵詞：S7-200 PLC、兩相混合式步進電機、PLC編程。 Abstract In the field of programmin

4、g, I/O expansion, Communication interface, adjustments of switches and simulation and some special function modules such as the application of high speed pulse input and output, the PLC has already met demands of users. But the PLC will continue to improve and develop, as the development of applicat

5、ion requirements and related technical performance. This article chiefly discusses the principle and driven approach of the stepping motor, and how to control it based on the S7-200 PLC. The article is about how the PLC controlling the two-phase hybrid stepping motor. With the switch button, it can

6、function as: start, accelerate, uniform, slowdown, reversal and stop based on the PLC programming. Key words: S7-200 PLC, two-phase hybrid stepping motor, PLC programming. 第一章第一章 緒論緒論 1.1 概述概述 可編程控制器(簡稱 PLC) 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是在20 世紀 60 年代 末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內部存貯 執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計數(shù)和算術運算等操作指令

7、，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和 輸出，控各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都是按易于與工 業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴充其功能的原則設計的。PLC 自產(chǎn)生至今只有30多年的 歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。產(chǎn)生和發(fā) 展過程現(xiàn)代社會要求生產(chǎn)廠家對市場的需求做出迅速的反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、 多規(guī)格、低成本和高質量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人 們去尋找一種新的控制裝置取而代之。 PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同: 1）中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程

8、序賦予的功能接 收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀 態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn) 場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀 取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入I/O映象區(qū) 或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或 輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統(tǒng)， 或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，

9、即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 2）存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為 用戶程序存儲器1。 步進電機是一種將脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的輸出 位移量與輸人脈沖個數(shù)成正比，其速度與單位時間內輸人的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比， 其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、 頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和方向。步進電機 具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉及其它任何運行方式的改變都可在少數(shù)脈沖 內完成，且可獲得較高的控制精度，因而廣泛應用在數(shù)控機床、鐘表、數(shù)字

10、系統(tǒng)、程序 控制系統(tǒng)及航天工業(yè)裝置中。 PLC 對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能， 即可實現(xiàn)對步進電機的控制。因此如何實現(xiàn)PLC控制步進電機的通用控制電路設計方法 有著實際生產(chǎn)意義。 1.2 國內、外國內、外 S7-200PLC 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模 集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了 微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功 能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸

11、器系統(tǒng)的 工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言， 并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電 器常規(guī)控制概念相結合的產(chǎn)物。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了 反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC） 。 20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引 入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工 業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地

12、位。 20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程 控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是 世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步 入成熟階段。 上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 3040。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能 力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域 處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模 上來說

13、，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特 殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力 來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配 套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金、汽車、輕工業(yè)等領域 的應用都得到了長足的發(fā)展。 小型PLC從產(chǎn)生到現(xiàn)在，實現(xiàn)了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實 現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步；如今的小型PLC在編程，I/O擴展，通訊接口，開關 量和模擬量的調節(jié)以及一些特殊功能模塊如高速計數(shù)輸入和脈沖輸出的應用上已經(jīng)基本 滿足用戶的需求了。但隨著應用需

14、求及關聯(lián)產(chǎn)品技術性能的提升（如步進驅動的脈沖響 應頻率及精度，HMI及關聯(lián)系統(tǒng)的通訊功能） ，PLC將繼續(xù)得已完善和發(fā)展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在 引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大 了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A期，隨著我國 現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。 1.3 論文的主要研究工作論文的主要研究工作 掌握步進電機的原理及其驅動方法，掌握西門子S7-200 PLC的原理與程序設計方 法。掌握步進電機的電氣控制試驗系統(tǒng)的工作原理，基于該系統(tǒng)設計S

15、7-200 PLC程序， 實現(xiàn)主站PLC對步進電機的控制。 第二章第二章 步進電機步進電機 步進電機是一種將脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的輸出 位移量與輸人脈沖個數(shù)成正比，其速度與單位時間內輸人的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比， 其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。 2.1 步進電機的特點步進電機的特點 步進電機的特點如下： 1）電動機輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比；轉速與脈沖頻率成正比；轉向與通 電相序有關。當它轉一周后，沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。 2）由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價又非?？煽俊?同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組

16、成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 3）步進電動機的動態(tài)響應快，易于起停、正反轉及變速。 4）步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。 5）步進電動機自身的噪聲和振動較大，帶慣性負載的能力較差。 6）速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉矩。 7）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源以及直流電 源2。 2.2 步進電機的工作原理及分類步進電機的工作原理及分類 步進電動機或稱脈沖電動機，是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移 的機電執(zhí)行元件。 步進電動機實際上是一個數(shù)字/角度轉換器，也是一個串行的數(shù)/模轉換器。輸入一個 電脈沖，

17、電動機就轉動一個固定的角度，稱為“一步”，這個固定的角度稱為步距角。步進 電動機的運動狀態(tài)是步進形式的，故稱為“步進電動機”。 從步進電動機定子繞組所加的電源形式來看，與一般交流和直流電動機不同，既不 是正弦波，也不是恒定直流，而是脈沖電壓、電流，所以有時也稱為脈沖電動機或電脈 沖馬達。 2.2.1 步進電機的工作原理 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖 信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋 轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)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

18、電機轉動的速度和加速度，從而達 到調速的目的。 步進電動機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。 2.2.2 步進電機的分類 按其工作方式分為功率式和伺服式：功率式輸出轉矩較大，能直接帶動較大的負載； 伺服式輸出轉矩較小，只能帶動較小的負載，對于大負載需通過液壓放大元件來傳動。 按結構分為單段式（徑向式） 、多段式（軸向式） 、印刷繞組式。 按使用頻率分為高頻步進電動機和低頻步進電動機。 按運動方式：旋轉運動、直線運動、平面運動和滾切運動 按工作原理：反應式（磁阻式） 、永磁式、永磁感應子式（混合式） 。 1）永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度。 2）反應式步

19、進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲 和振動都很大。 3）混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，它又分為兩相和五相。兩相 步進角一般分為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。 2.3 步進電機在工業(yè)中的應用步進電機在工業(yè)中的應用 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應用在各種家電產(chǎn)品 中，例如打印機、磁盤驅動器、玩具、雨刷、機械手臂和錄像機等。另外步進電機也廣 泛應用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中。由于通過控制脈沖個數(shù)可以很方便的控制步進電機轉 過的角位移，且步進電機的誤差不積累，可以達到準確定位的目的。還可以通過控制頻 率很方便的改變步進電機

20、的轉速和加速度，達到任意調速的目的，因此步進電機可以廣 泛的應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中。 第三章第三章 西門子西門子 S7-200 PLC 3.1 S7-200 PLC S7-200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能可達到大、中型 PLC的水平，而價格卻與小型PLC的一樣，因此，它一經(jīng)推出，就受到了廣泛的關注。 在2000年以前，西門子在中國市場的PLC產(chǎn)品主要是大中型PLC，日本的小型PLC 占據(jù)了中國大部分的市場份額。在S7-200PLC推出后，這種情況得到了明顯的改善， 最近幾年來的小型PLC市場上S7-200PLC成為了主流產(chǎn)品。 西門子最早的小型PLC產(chǎn)品是在上世紀

21、末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但 很快就被CPY22*系列的產(chǎn)品所取代了。由于它具有多種功能模塊和人機界面（HMI） 可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡。同時它具有功 能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設計時更加簡單，幾乎可以 完成任何功能的控制任務?，F(xiàn)在最新版的S7-200PLC系列PLC是在2004年推出的， 它的主要特點是：較高的可靠性、豐富的指令集、豐富的內置集成功能、實時特性強和 強大的通信能力。 3.2.1 硬件系統(tǒng) S7-200PLC屬于小型PLC，其主機的基本結構是整體式，主機上有一頂數(shù)量的輸入 /輸出(I/O)點

22、，一個主機單元就是一個系統(tǒng)。它還可以進行靈活的擴展，如果(I/O)點不 夠，則可增加(I/O)擴展模塊；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，則可 以增加相應的功能模塊。 一個完整的系統(tǒng)組成如圖3.1所示： 編程工具 CPU 主機模塊 HMI 人機模塊 擴展 模塊 功能 模塊 通信 模塊 工業(yè)現(xiàn)場總線 圖 3.1 S7-200 PLC 系統(tǒng)組成 主機單元：主機單元，又稱基本單元或CPU模塊。它由CPU、存儲器、基本輸入/輸 出點和電源等組成，是PLC的主要部分。實際上它就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨 完成一定的控制任務。 擴展單元：擴展單元，又稱擴展模塊。當主機I/O點數(shù)量不能滿足控

23、制系統(tǒng)的要求時， 用戶可以根據(jù)需要擴展各種I/O模塊。根據(jù)I/O點數(shù)不同、性質不同、供電電壓不同，I/O 擴展模塊有多種類型。每個CPU所能連接的擴展單元的數(shù)量和實際所能使用的I/O點數(shù)是 由多種因素共同決定的。 特殊功能模塊：當需要完成某些特殊功能的控制任務時，需要擴展功能模塊。它們 是完成某種特殊控制任務的一些裝置，如運動控制模塊、特殊通信模塊等。 相關設備：相關設備是為充分和方便利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)、使用的一 些設備，主要有編程設備、人機操作界面和網(wǎng)絡設備等。 軟件：軟件是為管理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序，對S7-200PLC來 說，與之配套的軟件主要有STEP7-

24、Micro/WIN和HMI人機界面的組態(tài)編程軟件Pro Tool、Win CC flexible。 3.2.2 軟元件 用戶使用的PLC中的每一個輸入/輸出、內部存儲單元、定時器和計數(shù)器等都稱作軟 元件。軟元件是PLC內部的具有一定功能的器件，這些器件實際上是由電子電路和寄存 器及存儲器單元等組成。為了把這種元器件和傳統(tǒng)電氣控制電路中的繼電器區(qū)別開來， 把它們成為軟元件或者軟繼電器。它們最大的特點是： 1）軟元件是看不見、摸不著的，不存在物理性的觸點； 2）每個軟元件可提供無限個常開觸點和常閉觸點； 3）體積小、功耗低、壽命長。 常用軟元件有：輸入繼電器（I）、輸出繼電器(Q)、通用輔助繼電器

25、(M)、特殊繼 電器(SM)、變量存儲器(V)、局部變量存儲器(L)、順序控制繼電器(S)、定時器(T)、 計數(shù)器(C)、模擬量輸入映像寄存器(AI)、模擬量輸出映像寄存器(AQ)、高速計數(shù)器 (HC)、累加器(AC)等。3 3.2 PLC 技術在步進電機控制中的應用技術在步進電機控制中的應用 隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展，其功 能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機 本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越 小。對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設

26、計 在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和 三相電動機方向發(fā)展，目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相 和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅動電路比三相電動 機復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機更好一些。 目前利用可編程序控制器（PLC）可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便 地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化革命， 加速了機電一體化的實現(xiàn)。 用PLC對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功 能，現(xiàn)對步進電機的控制。 步進電機是一種將

27、電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當對其施加 一個電脈沖時，其輸出軸便轉過一個固定的角度。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個 數(shù)成正比，其轉速與單位時間內輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到 步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電 的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉向。PLC直接控制步進電機系統(tǒng)由 PLC和步進電機組成，PLC具有實時刷新技術，輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫茲或更 高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個 系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足

28、步進電機各相繞 組數(shù)10V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅動要求。 第四章第四章 S7-200 PLC控制步進電機設計控制步進電機設計 步進電機的控制和驅動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通集成電路 控制、單片機控制、工業(yè)控制機控制、可編程控制器控制等幾種。 本設計選用西門子 S7-200 PLC 通過控制驅動器來控制步進電機。 4.1 步進電機的選擇步進電機的選擇 本設計使用的步進電機選用的是型號為42H2P3412A4的兩相混合式步進電機，該 型號的步進電機步矩角為1.8，相電流1.2A，相電阻3.2，相電感4.4mH，靜轉矩 1.9kgcm，轉動慣量41gcm2，軸徑5mm，引

29、線4條，機身長34mm 4。兩相混合式 步進電機內部結構如圖4.1所示： 圖 4.1 兩相混合式步進電機內部結構 兩相混合式步進電動機的繞組接線如圖4.2所示，A、B兩相繞組沿徑向分相，沿著 定子圓周有8個凸出的磁極，1、3、5、7磁極屬于A相繞組，2、4、6、8磁極屬于B相繞 組，定子每個極面上有5個齒，極身上有控制繞組。轉子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成，環(huán) 形磁鋼在轉子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉子軸向分為兩個 磁極。轉子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定轉子的齒 距和齒寬相同。 線圈1、5、3、7串聯(lián)組成A相繞組；線圈2、6、4、8串聯(lián)組成B相

30、繞組。繞組接線 如圖2.2所示： 1 537 AA 2 648 B B 圖 4.2 兩相混合式步進電動機的繞組接線 4.2 步進電機驅動電路設計步進電機驅動電路設計 步進電機必須有驅動器和控制器才能正常工作。驅動器的作用是對控制脈沖進行環(huán) 形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉動。 4.2.1 驅動器的選擇 本設計選用型號為2MA320的驅動器。 該型號驅動器的特點： 1） 供電電壓DC12-36V或AC12-24V 2） 驅動電流0.3-2.0A 3） 細分精度1-128細分可選 4） 光隔離信號輸入 5） 電機噪聲優(yōu)化功能 6） 可驅動任何2.0A相電流以下兩相、四相混

31、合式步進電機 7）20KHz斬波頻率 4.2.2 步進電機驅動技術 驅動器內部結構如圖4.3所示： 接 口 電 路 環(huán) 形 分 配 器 功 率 放 大 器 脈沖 方向 Ua脈沖 方向 Ua Ub Ub 圖4.3 驅動器內部結構 接口電路用光電隔離方式將運動控制器和驅動器連接起來，避免驅動器中的大電流 干擾信號經(jīng)地線竄入運動控制器電路。環(huán)形分配器將脈沖及方向信號按設定的節(jié)拍方式， 轉換為功放管的導通和截止信號，從而控制各相繞組的通電和斷電。功率放大器將電源 功率轉換為電機輸出功率驅動負載運動。 驅動接口電路如圖4.4所示： 步進 電機 驅動器 A+ A- B+ B- AC1 AC2 驅動 電源

32、圖 4.4 本設計驅動電路接線圖 當兩相控制繞組按次序輪流通電，每拍只有一相繞組通電，四拍構成一個循環(huán)。當 控制繞組有電流通過時，便產(chǎn)生磁動勢，它與永久磁鋼產(chǎn)生的磁動勢相互作用，產(chǎn)生電 磁轉矩，使轉子產(chǎn)生步進運動。 當A相繞組通電時，在轉子N極端磁極1上的繞組產(chǎn)生的S磁極吸引轉子N極，使得磁 極1下是齒對齒，磁力線由轉子N極指向磁極1齒面，磁極5下也是齒對齒，磁極3和7是齒 對槽，所示A相通電轉子N極端定轉子平衡。由于兩段轉子鐵芯上的小齒相互錯開半個齒 距，在轉子S極端， 磁極1和5產(chǎn)生的S極磁場，排斥轉子S極，與轉子正好是齒對槽，磁 極3和7齒面產(chǎn)生N極磁場，吸引轉子S極，使得齒對齒。A相繞

33、組通電時轉子N極端、S 極端轉子平衡。如圖4.5所示。 因轉子上共有50個齒，其齒距角為360/50=7.2，定子每個極距所占的齒數(shù)為不 是整數(shù)，因此當定子的A相通電，在轉子N極，磁極1的5個齒與轉子齒對齒，旁邊的B相 繞組的磁極2的5個齒和轉子齒有1/4齒距的錯位，即1.8， A相通電時定轉子齒展開圖 畫圓圈的地方，A相磁極3的齒和轉子就會錯位3.6，實現(xiàn)齒對槽了。磁力線是沿轉子N 端A(1)S磁極導磁環(huán)A(3)N磁極 轉子S端轉子N端，成一閉合曲線。當A相斷 電B相通電時，磁極2產(chǎn)生N極性，吸合離它最近的S極轉子7齒，使得轉子沿順時針方向 轉過1.8，實現(xiàn)磁極2和轉子齒對齒，B相繞組通電定

34、轉子齒展開圖如圖5所示，此時磁 極3和轉子齒有1/4齒距的錯位。依次類推若繼續(xù)按四拍的順序通電，轉子就按順時針方 向一步一步地轉動，每通電一次即每來一個脈沖轉子轉過1.8，即稱步距角為1.8，轉 子轉過一圈需要360/1.8=200個脈沖。如圖4.6所示。 在轉子S極端也是同樣道理,當繞組齒對齒時,其旁邊一相磁極錯位1.85。 A(1)B(2) 123456 A(3)B(4) A(5)B(6)A(7)B(8) 圖4.5 A相通電時定轉子齒展開圖 A(1)B(2) 123456 A(3) 圖4.6 B相繞組通電定轉子齒展開圖 4.2.3 驅動器參數(shù)設置 由于上述步進電機的相電流為 1.2A，驅動

35、器的 SW1-SW3 分別設置為： ON、ON、OFF，即輸出峰值電流為 1.5A，SW5-SW7 分別設置為 ON、ON、ON，即細 分設定為 200 步/圈。具體參數(shù)參照附錄。 4.3 PLC 控制步進電機控制步進電機 控制步進電機最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高 速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進電動機的 要求。對PLC提出兩個特性要求：一是在此應用的PLC最好是具有實時刷新技術的 PLC，使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度， 充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。二是

36、PLC本身的輸出端口 應該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的 驅動要求。利用PLC輸出脈沖信號，通過驅動器驅動步進電機。原理框圖如圖4.7所示： PLC驅動器步進電機 負載 圖4.7 控制框圖 環(huán)形分配程序對步進電機各相繞組的通電順序進行環(huán)形脈沖分配，從而控制接到步 進電機兩相繞組的直流電源的依次通、斷，形成旋轉磁場，使步進電機轉動。當步進電 機各相繞組的通電順序按 ：ABAB-導通斷開時，步進電機正轉。當按A- BAB- 依次導通、斷開時，步進電機反轉，即步進電機可以按兩相四拍工作。每當 步進電機走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，當步數(shù)減為零時，停止環(huán)

37、形脈沖分配， 等待下一次的脈沖輸入。 控制部分的由外部開關決定，分別接PLC的I0.0-I0.2口，接線圖如圖4.8所示： S7-200 PLC 驅動器 步進電機 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 I0.0 I0.1 I0.2 PUL DIR VCC EN A+ A- B+ B- AC1 AC2 +24V COM 圖 4.8 PLC 控制接線圖 接線實物圖如圖4.9所示： 圖 4.9 實物圖 本設計希望通過控制PLC的3個開關實現(xiàn)以下功能： 1）起動電機，使其實現(xiàn)加速、恒速、減速等功能； 2）控制電機轉動方向； 3）控制電機急停。 程序流程圖如圖4.10所示： 啟動主程序 電機停止 是

38、選擇旋轉方向 按START且無 聯(lián)鎖 是 啟動脈沖輸出 按STOP按鈕 結束脈沖輸出 結束主程序 是 否 否 否 起動脈沖輸出 加速起動 勻速運行 減速運行 結束脈沖輸出 圖 4.10程序控制框圖 圖 4.11 運動速度控制 啟動主程序，如果電機停止，則可在此時選擇電機轉動方向，若電機轉動，則無法 改變；電機停止時選擇電機轉動方向，此后若按下START且無聯(lián)鎖，可啟動脈沖輸出， 若不滿足，則無法啟動脈沖輸出。之后按下STOP則程序退出，若不按，需等程序運行完 成后自動退出。 本設計中的輸入/輸出點地址分配地址如表4-1所示： 輸入點符號輸出點符號 啟動信號STARTI0.0脈沖輸出信號Q0.0

39、 方向選擇信號I0.1方向控制信號Q0.1 電機急停信號STOPI0.2輸出信號光電隔離Q0.2 電機釋放信號Q0.3 表4-1 I/O端口分配點 在開始設計程序之前，要測試驅動器的功能，以保證設計可以正常運行。 測試程序如下： /驅動器功能測試 LD SM0.1 /僅首次掃描周期SM0.1置位 MOVW 500，SMW68 /輸出脈沖周期為500s MOVW 0，SMW70 /脈寬為0 MOVD 4600，SMD72 /輸出4600個脈沖 ATCH 0, 19 /把中斷程序0分配給中斷事件19 ENI /允許中斷 控制的標志位如表4-2所示： 標志位M0.1M0.2 功能電機運行狀態(tài)標志聯(lián)鎖

40、標志 表4-2 標志位 4.3.1 電機起動 該部分的程序框圖如圖4.11所示。 1)參數(shù)設定 本部分控制要求：從A點加速到B點后恒速運行，又從C點開始減速到D點，B點到C 點間恒速運行，A、D點的脈沖頻率為2kHz，B、C點的脈沖頻率為10kHz。工作過程 如圖4.12所示： f/kHz t/s 10 2 A BC D 圖 4.12 頻率控制過程 此過程需要PLC輸出一定數(shù)量的多串脈沖，因此選用PTO輸出的多段管線模式。 參數(shù)設置如下：最大頻率脈沖為10kHz，對應的周期為100s，因此時基選擇微秒 級。該段功能為允許脈沖輸出，多段PTO脈沖串輸出，時基為微秒級，不允許更新周期 值和脈沖數(shù)。

41、因此，根據(jù)控制位功能表，將2#，即16#A0寫入控制字SMB67。 本設計加速控制階段為400個脈沖，恒速階段為4000個脈沖，減速階段為200個 脈沖。由于是3段脈沖，需要3段脈沖的包絡表。周期增量由公式（4-1）： 周期增量=（TEC-TIC）/Q (4-1) 加速階段初始周期為500s，周期增量為-1s，脈沖數(shù)400；恒速階段初始周期為 100s，周期增量為0s，脈沖數(shù)為4000；減速階段初始周期為100s，周期增量為 2s，脈沖數(shù)為200。 2)程序編寫 程序如下： /主程序 LD I0.0 R Q0.0， 1 /復位高速輸出 CALL PTOSBR0 /調用初始化子程序 /初始化子程

42、序SBR_0 LD SM0.0 MOVB 16#A0，SMB67 /置脈沖輸出功能的控制位 MOVW 400，SMW168 /裝入包絡表的首地址 CALL PTOSBR /調用建立包絡表的子程序 ATCH 1, 19 /中斷事件連接 ENI /開中斷 PLS 0 /啟動PTO脈沖，由Q0.0輸出 /包絡表子程序PTOSBR_1 LD I0.0 MOVB 3, VB400 /包絡表分為3段 MOVW 500， VW401 /第一段周期初值為500s MOVW -1， VW403 /周期增量為-1 MOVD 400， VD405 /脈沖數(shù)為400 MOVW 100，VW409 /第二段周期初值為1

43、00s MOVW 0，VW411 /周期增量為0 MOVD 4000， VD413 /脈沖數(shù)為4000 MOVW 100，VW417 /第三段周期初值為100s MOVW 2，VW419 /周期增量為2 MOVD 200， VD421 /脈沖數(shù)為200 /中斷程序 LD SM0.0 = Q0.0 /脈沖輸出 程序說明： 本段程序中涉及：傳送指令MOVE，中斷指令ATCH，脈沖輸出指令PLC以及子 程序調用指令。它們的梯形圖符號如圖4.12所示： MOVE ENENO INOUT ATCH ENENO INT EVNT PLS ENENO Q0.X 子程序名 EN 圖 4.12 各指令符號 MO

44、VE（賦值指令）可以由使能（EN）輸入端的信號激活。將在輸入端IN的特 定值復制到輸出端OUT上的特定地址中。ENO和EN具有相同的邏輯狀態(tài)。MOVE 只能復制 BYTE（字節(jié)） 、WORD（字）或DWORD（雙字）數(shù)據(jù)對象。 ATCH（中斷指令）可以由使能（EN）輸入端的信號激活。將一個中斷事件和一 個中斷程序建立聯(lián)系，并允許這一中斷事件。INT為中斷程序號，EVNT為中斷事件號。 PLS檢測用程序設置的特殊存儲器位，激活由控制位定義的脈沖操作，從Q0.0或 Q0.1輸出高速脈沖。高速脈沖串輸出PTO和寬度可調脈沖輸出PWM都由PLS指令 激活。 子程序調用指令在使能輸入有效時，主程序把程序

45、控制權交給子程序。6 4.2.2 控制電機方向轉動 用接在I0.1的開關來選擇方向。如果I0.1=1，將輸出Q0.1置高位，則電機逆時針 轉動。如果I0.1=0，將輸出Q0.1置低位，電機順時針轉動。為保護電機，避免漏電， 電機轉動方向的改變只能在電機處于停止狀態(tài)（M0.1=0）時進行。 程序如下： /設置轉動方向 LDN M0.1 /若電機處于停止狀態(tài) A I0.1 /且轉向開關置于1 S Q0.1, 1 /逆時針轉動 LDN M0.1 /若電機處于停止狀態(tài) AN I0.1 /且轉向開關置于0 R Q0.1, 0 /順時針轉動 4.2.3 電機急?？刂?停止電機有2個條件：按STOP按鈕，在

46、I0.2產(chǎn)生脈沖上升沿；電機處于轉動狀態(tài)， 即M0.1=1。 如果同時具備上述2個條件，則將標志M0.1復位（M0.1=0） ，并中斷輸出端Q0.0的 脈沖輸出。這與PLS指令有關，它將脈寬調制（PWM）輸出的脈沖寬度減為0，因此輸 出信號被抑制。 1）參數(shù)設定 在程序中，只要按下STOP按鈕，無論電機處于運行中的何種狀態(tài)，都必須馬上停止， 此過程需要將脈寬調制為0，因此選用PWM輸出。在該段程序中，功能允許脈沖輸出， 異步更新，時基為s，允許更新周期值和脈沖數(shù)。因此，根據(jù)控制位功能表，將2#即 16#C3寫入控制字SWM67。 程序如下： /停止電機 LD I0.2 /若按STOP按鈕 EU

47、 /上升沿有效 A M0.1 /且電機正在轉動 R M0.1， 1 /電機運行標志復位 MOVB 16#C3, SMB67 /置脈沖輸出功能的控制位PWM為0 PLS 0 /輸出端無脈沖 MEND /主程序結束 4.3.4 聯(lián)鎖 為了保證安全，在按STOP之后，驅動器必須聯(lián)鎖，將聯(lián)鎖標志M0.2置位 （M0.2=1），立即關斷驅動器。只有在M0.2復位（M0.2=0）后，才能重新起動電機。 當STOP松開后，為防止電機意外起動，只有在START和STOP同時松開，才能將 M0.2復位。 程序如下： /聯(lián)鎖和聯(lián)鎖解除 LD I0.2 /若按STOP按鈕 S M0.2, 1 /聯(lián)鎖有效 LDN I0.0 /若START松開 AN I0.2 /且STOP松開 R M0.2, 1 /解除聯(lián)鎖 4.4 程序調試程序調試 按照上述所編寫的程序繪制梯形圖，而后編譯程序，如圖4.13： 圖 4.13 編譯程序 左下角顯示 0 錯誤后下載程序，如圖 4.14、圖 4.15 所示： 圖 4.14 下載程序（1） 圖 4.15 下載程序（2） 左下角顯示下載成功后運行程序，如圖 4.16 所示： 圖 4.16 運行程序 程序運行完成后停止運行，如圖 4.17 所示： 圖 4.17 程序停止 至此程序調