基于PLC步进电机控制系统的设计

I基于 plc 步进电机控制系统的设计摘要本文所要控制的电机为五相步进电机，采用可编程控制器对其控制，对设计原理及方法分析总结。步进电动机优点有快速起停、定位和精确步进等，日常的生产和生活中比较普遍，控制精度高。在工业过程控制和仪器仪表控制方面，应用的很广泛。本文还介绍的 PLC 控制系统，其包括硬件结构还有原理以及 PLC 控制系统设计的原则方法。以五相电机控制为例，阐述了西门子 PLC 在电机控制中的运用。其基本原理、硬件准备和软件的设计，在文中都有体现。采用的细分驱动方法，可以达到极高的精度并提高稳定性，有利于电机运行品质、转矩波动的改善。本文内容包含 PIC 外部接线图、I/O 地址分配、控制流程图、驱动电路选择、细分驱动分析、梯形图等，并且上位机监控界面是运用组态王软件编写。关键词：S7-200； 五相步进电机； 梯形图； 细分驱动； 组态王IIDesign of Stepping Motor Control System Based on PLC Abstract The motor controlled in this paper is a five phase stepper motor. It is controlled by a programmable controller. The design principle and method are analyzed and summarized. Stepping motor has the advantages of fast start stop, positioning and accurate stepping, etc., and the daily production and life are more common, and the control accuracy is high. It is widely used in industrial process control and instrument control. PLC control system is introduced, including hardware structure and principle, and the principle and method of PLC control system design. Taking five phase motor control as an example, the application of SIEMENS PLC in motor control is expounded. Its basic principle, hardware preparation and software design are embodied in this article. The subdivision drive method can achieve high accuracy and stability, and is favorable for motor quality and torque fluctuation. The contents of this paper include PIC external wiring diagram, I/O address allocation, control flow chart, drive circuit selection, subdivision drive analysis, ladder diagram and so on, and the upper computer monitoring interface is written by Kingview software.Key words S7-200; Five-phase stepping motor; Ladder diagram; Subdivision drive ; Configuration kingIII目 录1 引言 .11.1 步进电机的介绍 .11.2 步进电机的分类 .11.3 步进电机的应用 .21.4 步进电机的各种控制及比较 .21.4.1 环形分配器步进电机控制系统 .21.4.2 单片机步进电机控制系统 .31.4.3 可编程序控制器步进电机控制系统 .31.4.4 几种控制系统的性能比较 .41.5 PLC 选型要求 .42 电气控制系统方案的选择及硬件设计 .6IV2.1 可编程控制器的原理 .62.2 可编程控制器的选型 .72.3 控制方式的选择 .82.4 五相步进电机的几种运行方式 .92.4.1 单五拍运行方式 .92.4.2 十拍运行方式 .102.4.3 双五拍运行方式 .112.5 控制分析 .112.5.1 功能要求 .112.5.2 I/O 地址分配表 .122.6 PLC 外部接线图 .132.7 步进电机时序图 .133 步进电机驱动电路的选择 .143.1 步进电机驱动电源的分类 .143.2.细分电路的分析和选择 .164 系统设计 .194.1 步进电机程序设计及分析 .194.2 PLC 程序设计 .204.2.1 步进控制设计 .204.2.2 梯形图设计 .225 组态软件监控设计及系统运行 .24V5.1 组态软件仿真实现的意义 .245.2 组态软件的设计步骤 .245.3 系统的仿真运行 .27总结 .28致 谢 .29参考文献 .30附 录 .31附录 A 程序梯形图 .31附录 B 程序语句表 .36附录 C 系统运行状态图 .40高健桀：基于 PLC 步进电机控制系统的设计11 引言1.1 步进电机的介绍步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，电机对传输来的电脉冲信号的分析和转换而进行相应的角位移和线位移。在电机的负载没有超出它理论值情况下，传输来的电脉冲信号直接决定电机运行的速度和位移，此时电机速度是不受其他因素影响。在这种情况下，我们可以很轻易对电机进行控制，通过对电脉冲信号的大小、强度和脉冲数的改变，从而实现对电机的速度和线位移进行控制。当传输来的电脉冲信号被步进电机接收到后，它会按照预先设定进行一个角度旋转，这个动作我们将其称为“步距脚”。它旋转的角度是固定的。以传输来的电脉冲的个数对电动机角位移进行有效的控制，以传输来的电脉冲的频率来控制电机的加速度和速度。 1.2 步进电机的分类步进电机从构造角度来分有以下几种：反应式、永磁式和混合式。反应式：它是由定子和转子组成，其中定子上有绕组，转子是通过软磁材料构成。所以反应式具有简单的结构、成本比较低、步距角小，最好时候可以达到 ；但是o2.1也存在着缺点，比如它的动态性能差、工作效率比较低、容易发热且发热程度比较大，不容易确保它的可靠性。永磁式：永磁式步进电机构成的材料是永磁材料，它的电机转子和定子的极数相同。它的动态性能很好，输出力矩也比较大。但是它也有其缺陷，即运行时的精度不太高。高健桀：基于 PLC 步进电机控制系统的设计2混合式：顾名思义可知，混合式步进电机包含上面两种电机其优点，多相绕组组成其定子，转子则是由永磁材料制作的，其中为了提升步进精度通过对定子和转子添加小齿轮方式来实现。混合式的特点是把反应式和永磁式的特点结合起来，包括：输出力矩较大，动态性能比较好，步距角小等。它的缺点是结构相对比较复杂，相应的成本也比较高。1.3 步进电机的应用在现实生活中步进电机的使用非常普遍，但在生产过程中能够很好的使用这个电机是有一定难度，如果想要它能够顺利工作则要采用一些控制软件进行辅助，如：双环形脉冲信号、功率驱动电流的等特殊装置，它正常工作也涉及到机械、电机、电子以及计算机等相关知识。在工业生产和自动化控制行业已经广泛使用步进电机。伴随着科学技术的迅速发展，计算机和电机行业也相应快速起步，对步进电机需求量也不断增加，很多行业和领域是利用步进电机优点：通过控制电脉冲的个数对电机的角速度进行控制，采用控制电脉冲的频率方式来实现对电机的速度和加速度进行控制。步进电机如图 1-1 所示。图 1-1 五相步进电机高健桀：基于 PLC 步进电机控制系统的设计31.4 步进电机的各种控制及比较1.4.1 环形分配器步进电机控制系统图 1-2 环形分配器步进电机控制系统环形分配器是把源自控制部分的脉冲串按照一定的规则分配给步进电机驱动部分的各相输入端口。控制器的时钟脉冲让环形分配器的输出不但是周期性的还是可逆的。驱动电路把环形分配器的有序时钟脉冲放大来驱动步进电机，使步进电机的旋转方向及速度连续可调。1.4.2 单片机步进电机控制系统图 1-3 单片机步进电机控制系统单片机控制步进电机可做到系统小巧、易于改变流程等特点。单片机控制步进电高健桀：基于 PLC 步进电机控制系统的设计4机控制系统如图 1-3，我们把写好的程序下载到单片机，单片机就会按照一定的过程把时钟脉冲串按一定的规律分配给驱动电路，使驱动电路的输出既是周期性的，又是可逆的。控制单片机的程序使步进电机的旋转方向及速度连续可调。1.4.3 可编程序控制器步进电机控制系统图 1-4 可编程序控制器步进电机控制系统可编程序控制器（Programmabie Logic Controller,缩写 PLC）是由微处理器结合计算机、通信、联网和自动控制技术发明的一代工业控制装置。PLC 步进电机控制系统和单片机步进电机控制系统相似，可编程控制器按用户程序把有序的时钟脉冲分配给驱动电路,驱动电路让其有序脉冲进行放大以此来驱动步进电机。PLC 的程序使步进电机的旋转方向及速度连续可调。1.4.4 几种控制系统的性能比较环形分配器步进电机控制系统比较简单、价格低廉但控制灵活性不高，适合于固定模式的控制系统。单片机步进电机控制系统在现代化、高精度、网络化管理的控制系统中工艺流程不断变化以致于单片机的程序需要随时更改，为此修改程序需要有专业人员进行操作，并且单片机联网需要专用网络管理设备，输入输出需要设计专门的隔离电路，这些都给单片机的使用带来很大的局限性。PLC 的基础结构是微处理器，结合计算机、通信以及自动控制技术等而开发的新一代工业控制装置。PLC 的使用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，编程简洁方便。各个厂家的生产的可编程控高健桀：基于 PLC 步进电机控制系统的设计5制器都已成系列化，各种功能的模块一应俱全。可编程控制器有专用的通讯模块特别适合组成网络化控制。由以上分析我们可以得出，使用可编程控制器控制步进电机是一种比较合理可靠的方案，编程方便、抗干扰能力强、其性能也很稳定。在当今控制系统中要求较高精度、较高可靠性的控制性能，所以可编程控制器无疑是首选。1.5 PLC 选型要求在实际应用中，必须考虑可编程控制器的可靠性，必须及时接受来自外部的命令和状态反馈等。可编程控制器进行循环扫描，在每个扫描的周期，除过要完成以上的三个基本步骤，还要对来自内部的故障进行系统检测和诊断。并且完成可编程控制器的故障输出和报警。在每次扫描开始，可编程控制器就要诊断每个输入点和输出点。存储器和 CPU 具有内部自诊断的程序。通常通过检测自身每个部分的当前状态，并且根据标准进行比较选择，如果错误的话，此时 PLC 立即开始关机过程，保持当前工作状态，关闭所有输出点，然后关机。如果诊断后，设备或者可编程控制器自身没有故障报警，就可以继续进行扫描循环运行程序，在扫描循环程序的过程中，继续检查外部的通信请求，进行程序处理。比如，外部的编程单元，外部的逻辑状态，以及显示错误消息的编程软件等。通过设定好的逻辑控制条件和运算条件进行计算，将计算结果进行输出。可编程控制器在扫描周期内，对设备进行连续不间断的控制，一直到外部发布停止或者急停指令，或者外部发生故障等情况下，停止执行工作。可编程控制器基本的设计原则,任何种类的