基于PLC步进电机控制系统的设计

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拟普遍，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控制系统设计的原那么方法。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。其根本原理、硬件准备和软件的设计，在文中都有表达。采用的细分驱动方法，可以到达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DesignofSteppingMotorControlSystemBasedonPLC[Abstract]Themotorcontrolledinthispaperisafivephasesteppermotor.Itiscontrolledbyaprogrammablecontroller.Thedesignprincipleandmethodareanalyzedandsummarized.Steppingmotorhastheadvantagesoffaststartstop,positioningandaccuratestepping,etc.,andthedailyproductionandlifearemorecommon,andthecontrolaccuracyishigh.Itiswidelyusedinindustrialprocesscontrolandinstrumentcontrol.PLCcontrolsystemisintroduced,includinghardwarestructureandprinciple,andtheprincipleandmethodofPLCcontrolsystemdesign.Takingfivephasemotorcontrolasanexample,theapplicationofSIEMENSPLCinmotorcontrolisexpounded.Itsbasicprinciple,hardwarepreparationandsoftwaredesignareembodiedinthisarticle.Thesubdivisiondrivemethodcanachievehighaccuracyandstability,andisfavorableformotorqualityandtorquefluctuation.ThecontentsofthispaperincludePICexternalwiringdiagram,I/Oaddressallocation,controlflowchart,drivecircuitselection,subdivisiondriveanalysis,ladderdiagramandsoon,andtheuppercomputermonitoringinterfaceiswrittenbyKingviewsoftware.[Keywords]S7-200;Five-phasesteppingmotor;Ladderdiagram;Subdivisiondrive;Configurationking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拟2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3几种控制系统的性能比拟41.5PLC选型要求42电气控制系统方案的选择及硬件设计62.1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9单五拍运行方式9十拍运行方式10双五拍运行方式112.5控制分析11功能要求112.5.2I/O地址分配表122.6PLC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194.2PLC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245.1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：反响式、永磁式和混合式。反响式：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。所以反响式具有简单的结构、本钱比拟低、步距角小，最好时候可以到达；但是也存在着缺点，比方它的动态性能差、工作效率比拟低、容易发热且发热程度比拟大，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，输出力矩也比拟大。但是它也有其缺陷，即运行时的精度不太高。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，转子那么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响式和永磁式的特点结合起来，包括：输出力矩较大，动态性能比拟好，步距角小等。它的缺点是结构相比照拟复杂，相应的本钱也比拟高。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那么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开展，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1.4步进电机的各种控制及比拟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局部的脉冲串按照一定的规那么分配给步进电机驱动局部的各相输入端口。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〔ProgrammabieLogicController,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创造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。几种控制系统的性能比拟环形分配器步进电机控制系统比拟简单、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的根底结构是微处理器，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拟合理可靠的方案，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。1.5PLC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响等。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根本步骤，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局部的当前状态，并且根据标准进行比拟选择，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。比方，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。可编程控制器根本的设计原那么,任何种类的电气控制系统是为了到达工艺要求，提高设备的自动化程度，保证设备的质量。在PLC控制系统的设计中，应遵循的一般原那么是：〔1〕要选择的可编程控制器必须符合技术标准，而且有良好的技术支持。〔2〕满足要控制的控制对象的要求。设计之前，应深入研究进行调查，收集资料，并与设计师和机械操作者紧密合作，从而进行方案的设计，最大限度的处理系统中可能出现的问题。〔3〕在工业工程控制的条件下，必须满足工业生产的要求，使控制系统设计必须简单，方便，而且到达经济实用的要求和效果，便于维护。也要到达系统符合工业设计要求，降低研发本钱。〔4〕控制系统在程序设计的时候，必须确保平安，系统运行稳定，功能必须可靠。正确的程序调试，充分考虑到恶劣的环境条件，本文对这个方面进行充分分析后，最终使用了可靠性相对较高的PLC，以此不定时的对其进行保养以及检查。〔5〕考虑到生产和工艺改良及开发，在可编程控制器设计时，必须要对以后的研发和改良留够一定的空间，针对不同的设备，重点将不同的要求，设计原那么也应有所不同，如果为了提高对所控制产品的质量和平安性，应该集中在系统的可靠性设计，及时考虑冗余控制系统;如果需要的话，要提高信息管理系统。西门子S7-200系列可编程控制器产品性价比高，强大的功能使其无论在独立运行，还是一个完整的网络遇到的各种各样的控制任务都能很好的解决。此类型产品具有非常强大的功能，小到能够替代继电器，大到控制整个系统等，都能够很好的实现。在对多种控制器的根本性能进行比照分析后，发现S7-200类型的控制器具有体积小，功能强大等多种功能，下面对此类型产品的根本特点进行简要分析，其设计的结构相对紧凑，价格低廉，性价比拟高，很适合研发普通的小型控制系统设计。它使用超级电容器存储器的数据保护，消除了对锂电池的需求，该系统是小，但可以处理模拟〔12点模拟输入/4点模拟输出〕。西门子S7-200系列PLC多达四个中断控制输入，每个中断输入相应的时间都很小，只有0.2ms左右。可编程控制器还有日期和时间的中断控制功能。根据本系统控制要求和在对多种类型控制器进行性能等多方面的比照分析后，文中最终决定使用CPU222作为控制整个系统运行的可编程控制器。2电气控制系统方案的选择及硬件设计2.1可编程控制器的原理可编程控制器结合了计算机技术，自动控制理论，通信技术等，是一种基于微处理器的工业控制产品[4]。另外对于可编程控制器，其具有的结构相对而言较简单，并且对应具有的性能也非常的优越，可靠性能也比拟高并且维护比拟方便。所以可编程控制器应用非常广泛，几乎每个行业都有可编程控制器的身影。可编程控制器已经成为现代工业控制技术的主导者。并且有着非常广阔的前景和市场空间。本文设计的控制系统，将采取可编程控制器进行设计，可靠性高，维护方便。关于PLC选择问题，还要考虑PLC网络通信功能，价格因素。系统可靠性也是一个重要的考虑因素。在对实际工业生产中存在的问题进行充分分析后研究后发现，对应系统内部的顺序开关，它是由多种因素共同决定的，并且对应当今社会中控制器的主要功能均是由电气设备来实现的，进而造成设备种类繁多，体积较大，工作可靠性性对较低等多种缺点。为此为了最大限度的改变这种局面，美国的通用公司针对性的进行了大量的研究与开发，成功的研究出了第一代可编程控制器，其根本上可以满足整个系统的需求，并命名为可编程控制程序，在当时此款产品主要是应用在电脑的开发中，为了方便，还为了反映功能特性的可编程控制，PLC称为可编程序逻辑控制器。可编程控制器的根本原理如下：1现场信息输入；在可编程控制器循环扫描中，对现场的输入信息情况进行逐个扫描。2按照既定程序执行命令：可编程控制器对现场信息进行识别后，按照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[8]。3对程序处理后的结果进行逻辑或模拟量输出：PLC将通过内部的逻辑程序或者计算程序将对条件进行处理，并且将计算的结果输出值外部端子，进而可靠的控制所设计系统外部的电动机以及电磁阀和对应指示灯。在工程应用过程中，设备的工作工艺过程可以分为顺序控制的操作，也就是重复某种工艺的操作。可编程控制器的工作模式为循环扫描控制，和工程应用的过程根本一致，所以可编程控制器和设备的工艺流程动作互相对应，编程简单直观，不易出错，而且易于修改，这样就可以降低工程研发的周期和本钱[9]。2.2可编程控制器的选型根据可编程控制器选型的多种要求，要选择的可编程控制器必须符合技术标准，而且有良好的技术支持。满足要控制的控制对象的要求。设计之前，应深入研究进行调查，收集资料，并与设计师和机械操作者，电控紧密合作，从而进行方案的设计，进而最大限度的处理系统中可能出现的问题。在工业工程控制的条件下，必须满足工业生产的要求，使控制系统设计必须简单，方便，而且到达经济使用的要求和效果，便于维护。要到达系统符合工业设计要求，降低研发本钱。控制系统在程序设计的时候，必须确保平安，系统运行稳定，功能必须可靠。正确的程序调试，要充分考虑到恶劣的环境条件。考虑到生产和工艺改良及开发，在可编程控制器设计时，必须要对以后的研发和改良留够一定的空间，针对不同的设备，重点将不同的要求，设计原那么也应有所不同，如果为了提高对靶产品质量和平安性要求，应该集中在系统的可靠性的设计，及时考虑冗余控制系统，提高信息管理系统。由CPU模块、输入模块、输出模块还有编程器来构成PLC，根本原理如如图2-1所示。图2-1PLC控制系统CPU模块的构成主要是微处理器和存储器。存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种，其系统程序存储器为ROM。I/O模块由输入模块和输出模构成，其相对应的输入输出电路如图2-2、2-3所示。图2-2PLC的输入电路图2-3PLC的输出电路2.3控制方式的选择方案一在开环控制下，步进电机是由给定时间间隔的脉冲序列所控制，在控制系统中，并不需要反响传感器和相应的电子线路。开环控制电路的结构简单、还具有费用低等其他优点，所以步进电机的开环控制系统得到广泛的应用。图2-4步进电机开环控制框图方案二闭环控制是对转子的位置还有速度进行不断地检测，检测后再经过反响和相应处理，形成脉冲链，使得步进电机每一次都是在控制信号的指令下运行。在这样闭环控制作用下，在运作运作过程中不容易出现失步。图2-5步进电机闭环控制框图对于上面两种方案的比拟，很容易发现，步进电机的最明显的特点是在没有位置反响信号的作用下，依然可以做出精确的位置控制。通过开环控制的方式很好降低本钱，因为在开环控制中不需要价格贵重的位置传感器件，只要对传输来的脉冲信号进行计数，就可以确定步进电机的位置。在实际生活中，多用开环控制。因此，此次设计选择开环控制系统。2.4五相步进电机的几种运行方式单五拍运行方式1)正转首先A相先通电，此时B,C,D,E四相均不通电，产生A-A’方向上的磁场，此时A,A’就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，那么转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着B相通电，此时A,C,D,E均不通电，产生B-B’方向上的磁场，那么同理转子转至相应位置，接着就是C,D,E相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期简单来说通电顺序为：AA’→BB’→CC’→DD’→EE’→AA’2)反转首先A相先通电，此时B,C,D,E四相均不通电，产生A-A’方向上的磁场，此时A,A’就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，那么转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着E相通电，此时A,B,C,D均不通电，产生E-E’方向上的磁场，那么同理转子转至相应位置，接着就是D,C,B,相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期简单来说通电顺序为：AA’→EE’→DD’→CC’→BB’→AA’十拍运行方式1)正转首先A,B,C相先通电，此时,D,E两相均不通电，产生B-B’方向上的磁场，此时B,B’就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，那么转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着B,C相通电，此时A,D,E均不通电，产生BC-B’C’方向上的磁场，那么同理转子转至相应位置，接着就是BCD,CD,CDE,DE,DEA,EA,EAB,AB相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期简单来说通电顺序为：ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB→ABC2)正转首先A,B,相先通电，此时,D,C,E两相均不通电，产生AB-A’B’方向上的磁场，此时AB,A’B’就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，那么转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着E,A,B相通电，此时C,D均不通电，产生A-A’方向上的磁场，那么同理转子转至相应位置，接着就是EA,DEA,DE,CDE,CD,BCD,BC,ABC相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期简单来说通电顺序为：AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC→AB双五拍运行方式1)正转首先A,B相先通电，此时C,D,E三相均不通电，产生AB-A’B’方向上的磁场，此时AB,A’B’就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，那么转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着B,C相通电，此时A,D,E均不通电，产生BC-B’C’方向上的磁场，那么同理转子转至相应位置，接着就是CD,DE,EA相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期简单来说通电顺序为：AB→BC→CD→DE→EA→AB2)反转首先A,B相先通电，此时C,D,E三相均不通电，产生AB-A’B’方向上的磁场，此时AB,A’B’就成为电磁铁的N,S极。由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，那么转子在磁场的作用下转到对应的位置，接着E,A相通电，此时B,C,D均不通电，产生EA-E’A’方向上的磁场，那么同理转子转至相应位置，接着就是DE,CD,BC,相轮流单独通电，此为一个完整的正转周期简单来说通电顺序为：AB→EA→DE→CD→BC→AB相比拟而言五相十拍运行在转子极数相同的情况下，步距角更小，控制精度更高，所以本次设计采用五相十拍的运行方式。2.5控制分析功能要求1)对于五相步进电机控制，主要是五相绕组的接通、断开的顺序和每个步距脚的行进速度这两个方面进行控制。下面将介绍十拍运行时五相十拍步进电机的正传顺序和反转顺序。正转顺序：ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序：AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC围绕这两个主要方面，对此我们做出以下的控制要求：在电机运行过程中可以正转和反转；2)用五个开关控制其工作：1号开关控制其运行(启/停)。2号开关控制其低速运行(转过一个步距角需0.5秒)。3号开关控制其中速运行(转过一个步距角需0.1秒)。4号开关控制其高速运行(转过一个步距角需0.03秒)。5号开关控制转向(ON为正转，OFF为反转)。2.5.2I/O地址分配表表2-7I/O地址分配表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SB1I0.0低速调速常开按钮SB2I0.1中速调速常开按钮SB3I0.2高速调速常开按钮SB4I0.3正/反转控制单刀双制开关QSI0.4输出信号输出端子A端子AQ0.0输出端子B端子BQ0.1输出端子C端子CQ0.2输出端子D端子DQ0.3输出端子E端子EQ0.42.6PLC外部接线图PLC外部接线图设备、负载电源种类等的设计就依据系统的要求。由上面的I/O分配表，查阅手册选择S7-200CPU222根本单元〔8入/6出〕1台步进电动机，其五相十拍外部接线图如下：图2-8外部接线图2.7步进电机时序图〔a〕步进电机正转时序图〔b〕步进电机反转时序图图2-9步进电机时序图3步进电机驱动电路的选择3.1步进电机驱动电源的分类步进电动机的驱动电源有很多种，它的分类方法也有很多。如果按照相应的步进电动机容量大小来区分，那么有功率步进电动机驱动电源还有伺服步进电动机驱动电源两种。假设按照输出的脉冲极性来区分的话，那就有单向脉冲电源还有正、负双极性脉冲电源两种，后面的是作为永磁步进电动机或感应式永磁步进电动机的驱动源。如果按电脉冲的功率元件分类，有晶体管驱动电源、高频晶闸管驱动电源还有可关断晶闸管驱动电源。如果按照脉冲的供电方式来区分，有单一电压型的电源还有高、低压切换型的电源；斩波恒流驱动电源和细分电路电源等。单一电压电源是最为简单电源，其原理图如3-1。信号脉冲输入，随后晶体管导通，电容在起始时等同于将电阻R短接，随后控制绕组的电流会上升的很迅速。当电流到达稳定状态时，串联的电阻R就会起到限流功能。在这个完整的工作过程中只有一种电源为其供电。这种线路的结构比拟简单，而且电阻还有控制绕组串联，这样能够减小回路时间的常数，但是由于电阻R上要消耗功率，会让电源的效率变得很低，所以当这种电源供电时它的起动和运行频率都很低。图3-1单一电压型驱动电源图3-2高、低压切换型驱动电源高、低压切换型电源原理如图3-2。步进电机的每相绕组是由两只功率元件串联形成的，它的供电方式有高压和低压两种。高压供电可以提高电流上升的速度，电流波形的前沿也会得到缓和，稳定那么用低压。低压电源之所以串联一个较小的电阻R，目的是为了控制绕组电流值，才能够使各相电流趋于稳定。这样电源效率变高，起始和运行时的频率比单一电压型电源更高，然而这种驱动电路在低频运行时通电的时间太长，低频时电机产生的噪声就会较大，而且会伴随共振现象的存在。斩波恒流驱动电源是目前使用比拟多的一种驱动方法。根本理论在于电机是否处于锁定状态，导通相绕组电流需要稳定在额定值。图3-3是斩波恒流驱动电路的原理图。开关管VT1和VT2控制绕组的关断与导通，VT2发射极连接一个小电阻R，绕组电流经过这个电阻接地，压降跟电机绕组的电流是正比例的关系，电阻就是电流采样电阻。当为高电平时，VT1和VT2导通，电源供电。由于电感作用，电阻上电压逐渐升高，一旦超过，比拟器就会输出低电平，然后与门也输出低电平，VT1关断，电源关断，绕组电流经过VT2、R、VD2继续续流，采样电阻R的端电压跟着下降。当采样电阻R上的电压低于给定电压之后，比拟器输出的就是高电平，而后与门输出的也是高电平，VT再一次导通，电源继续供电，如此反复。当变成低电平时，VT1和VT2两个开关管不导通，绕组的电流经过二极管VD1、电源，二极管VD2放电，迅速下降。、VT1的基极电位和绕组电流波形如图3-4。VT2导电期间，电源以脉冲的形式提供电源。在斩波的作用下，绕组的电流保持不变，具有相同的输出转矩。它另一个好处就是共振会减小，因为电机共振的内因是能量积累过多，斩波恒流驱动输入的能量随着绕组电流变化自动改变，可以不使能量产生堆积。可是，当电流的形状为锯齿形的时候，这种驱动就会产生比拟大的电磁噪声。图3-3斩波恒流驱动电路的原理图图3-4斩波恒流控制的电流波形图3-5阶梯波形电流图细分驱动又叫微步距控制，是步进电机开环控制的新技术之一，可以到达极高的精度并提高稳定性，来让运动近似的变为匀速转动的一种驱动。步进电机就像伺服电动机一样。要减小步距角，只是从电机本身来解决有一定局限性，所以要从电源方面解决。将以前供电的脉冲电流变成阶梯波形，如图3-5，输入电流的每一阶梯，偏转角减小，能够改善电机的运行品质，减少转矩波动、转动噪音等其它影响，能够提高运行的平滑性，所以细分电路驱动是较为理想的驱动方式。在图3-5中，给电机电流由零经过五个阶梯上升。下降时，经过同样过程到0。这样使电机成为一个连续磁场，使得电动机平滑运动。细分电路电源，就是用顺序脉冲形成器使各脉冲一个个放大，这些脉冲电流在绕组中叠加成为阶梯波形电流,顺序脉冲形成器一般可用移位形式的环形脉冲分配器做到。3.2.细分电路的分析和选择步进电机是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。原理就电磁铁吸引转子然后产生转距来作用，电机依据各相定子依次通电使它转动，然后电磁转化为角位移。定子绕组从一相导通转化为另一相导通，转子运动一角度，即步距角。细分就是在绕组换相时，不让它导通或者断开。我们以某种电机来说明步距角二细分,如图3-6。当电机在A相通电的时候，转子在A-A’之间，当A相通电变为A、B两相通电后，转子转过角,停A、B两相中间①处，转距与绕组电流成正比，B相绕组电流不是由0直接上升至额定电流，先到中间位置，转子不是转到位置①，而停在②处；同样，当A、B两相通电变为B相通电，如果A相电流并不是由额定电流降到0，那么转子将不会转到位置B－B’，而是转到位置③，精度从而提高，这就是步进电机二细分理论。综上所述，定子绕组电流并不是由0变到额定值，或由额定值变为0，而分十级一步一步完成，即B相绕组用一样的间隔通电0－0.1Ie－0.2Ie……0.9Ie－Ie，A相以同样的时间按下过程减小电流Ie－0.9Ie……0.2Ie－0.1Ie－0，如此，步进电机就完成了十细分。我们可以看到，细分就是使电机各相电流有序升级，降级，来提高精度。图3-6步进电机步矩角细分示意图我们选择恒频斩波细分控制，它就是斩波恒流驱动电路的进一步改良。在驱动电路里，绕组电流的大小是由比拟器给定的电压值决定的，实际上这个给定的电压是一个固定值。现在给定的电压值用阶梯电压来替换，我们就会得到阶梯电流波。该电路驱动如下3-7，单片机为主体，经过T0输出20kHz方波，送给D触发器，当作信号。单片机将数字信号送到到D/A转换器，当作控制信号。阶梯电压每一次变化都会使转子走步。恒频斩波细分原理就在于D/A转换器输出的电压不确定时，恒频信号上升沿会使D触发器动作，使其输出的电平为高电平，开关管VT1、VT2开始动作，绕组电流自然上升，取样电阻R2的压降提高，压降大于，比拟器就会输出低的电平，然后D触发器输出低电平，VT1、VT2断开，绕组电流降低。当R2压降小于，比拟器输出的就是高电平，然后D触发器输出的电平也为高电平，VT1、VT2通电，绕组的电流就会上升。然后反复操作，使电流波形为锯齿波。CLK脉冲频率比拟高，锯齿形波纹较小。CLK、阶梯波确定电压，VT1控制电压还有绕组电流波形如下3-8所示。图3-7恒频斩波细分驱动电路图3-8恒频斩波细分驱动的电流波形]4系统设计该控制系统通过西门子的编程软件STEP7-Micro/WIN32来实现。前面我们已经详细讲解和介绍步进电机的控制方案设计，本章我们开始对控制系统的软件进行详细的讲解。对于系统软件的介绍有利于我们更好的理解程序的编写和程序的进程。这一章节主要讲解该系统操作步骤的相关程序，同时对这些程序进行了具体的注解，以便于理解。详细的PLC程序查阅论文末尾附录。4.1步进电机程序设计及分析程序控制图如下图4-1控制流程图因为上面的要求，我们能够给出电机在运行的过程图，如图4-1。我们以框图作为依据，思考控制更多的要求，我们先将程序分为4块进行编程，即模块1：步进速度选择；模块2：起动、停止；模块3：正转、反转；模块4：移位控制功能模块；模块:5：A、B、C、D、E五相绕组对象控制。第二步，连接模块，然后进行调试、处理、满足要求。4.2PLC程序设计4.2.1步进控制设计对采用移位指令进行步进控制。第一是确定移位存放器MW0，依据五相十拍的规律，移位存放器初值如下。表4-3移位存放器初值M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4

M0.3M0.2M0.1M0.010000

00000每次右移，电机就前进一拍，十拍以后再从新开始。其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始终为“0〞。所以，我们能给出移位存放器输出状态还有电机绕组状态的真值表，下列图所示。这样我们能得出绕组的关系式：正转时: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反转时: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4-4移位存放器输出状态及步进电机绕组状态真值表〔正转〕移位存放器MW0正转M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE100000000011100010000000001100001000000001110000100000000110000010000000111000001000000011000000100010011000000010010001000000001011001000000000111000表4-5移位存放器输出状态及步进电机绕组状态真值表〔反转〕移位存放器MW0反转M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE1000000000110000100000000110010010000000100010001000000100110000100000000110000010000001110000001000001100000000100011100000000010011000000000001111004.2.2梯形图设计启停用单按钮来控制。梯形图如下，第一步，按SB2(SB3或SB4)首次选择一种速度，电机速度由定时器T33把握，把50、10、3分别输入VW100可得到低速、中速、高速三种不一样的速度。然后按下SB1(I0.0)，M2.0导通，移位存放器赋初值，然后电机开始转动，并且定时器计时，当到达设定值的时候，T33得电，移位存放器的值右移，而后C1计数一次，再然后T33重新计时。当计数到达十次后C1让让移位存放器重新开始，再次作用。QS用来管正转反转，ON时I0.4导通，电机正转，OFF时I0.4断开电机反转。按下SB1，C0作用，M2.0断开，C1复位。梯形图是PLC编程语言,PLC生产厂产品均可以用梯形图语言写。用梯形图编程器建立程序,拥有梯级或者网络段的结构,利于程序观察、运行和改正。所以，在论文中用PLC梯形图语言进行程序编写。〔具体程序梯形图见附录A〕梯形图易于理解，观察，可是并不能被PLC识别，无法直接的使用，所以要人工编译来转化为语句表。在STEP7-MICRO/WINSP4系统里可将图识别、编译成指令的序列。具体生成的程序语句表见附录B。5组态软件监控设计及系统运行5.1组态软件仿真实现的意义工控组态软件在工业的各个领域中较为常见的软件，它的主要是作为工业生产中的数据采集、整理和过程控制系统的上位机软件，它的优点很多，其中它具有良好的组态方式，这样可以很好的对自控系统进行有效的监察和控制。这种组态软件使用的通信协议能够支持很多种类的外部设备，同时该协议还能将联网控制、分布式信息传送给我们。在这种组态控制软件使用前，在工业生产中，对于工业自动化控制方便，一般由专门的程序编程人员进行编程控制或者将这局部作为一个工程外包出去，编程出人机界面上位机程序，以这样的方式开发出人机自动化界面；另一种方式是通过对工控厂家出售机械时相应的工控系统的购置，但是这种系统通常是工控厂家编写的控制系统，该系统是批量产生的，该系统没有针对性。这也很好的解释了该系统不能和工业生产的现场很好的匹配的原因，同时对于该系统进行二次开发来时，是非常艰难的，对该系统不适应生产现场的局部进行修改也是很困难。在组态控制软件出现之后，我们可以通过使用组态软件和它的功能，很轻易编写出我们所需要的人机界面。组态王开发系统通过中文界面显示，相应的操作可以通过汉语提示和讲解，从而使得该系统的操作方式容易上手，同时命令指令和语言都很容易学会。参数输入和输出，修改方式很灵活，控制能力比拟靠前，能进行屡次仿真运行，这些交互设计能力很强，这样可以让它在自控系统的检测和检验的工作中能够发挥出很好的效果。5.2组态软件的设计步骤对于组态软件设计来说，在它设计之前，我们需要建立一个工程，在这个工程里进行设计具体的内容。对于组态工程的创立，通常步骤为：定义装置，对图形进行绘制，建立变量，变量和图形相关联，调试再运行。通常包括下面三个局部：图形画面：我们通过工艺流程图来呈现出在工业生产中的工业控制的现场和相应的工业控制所需要的设备，对工控现场每个大大小小环节的参数进行有效的显示，对现场的监控显示的画面进行很好的设计，对监控设备的进行时刻观察，时刻观察它的运行状态。数据库：通过对工作状况的变量表的创立，它是根据生产现场的设备的运行状态进行创立的，它的目的是为了反映工控设备运行状态，同时有效的显示出相应的参数，比方：液位、温度、压力等。动画连接：通过监控画面对运行的图素进行监控，而这些图素对生产设备的运行状态进行模拟。这样能很好的检测到工作人员操作时候对系统运行状态，同时能够对系统的各个参数进行有效的调节。以下将讲解设计的具体步骤：1)新建一个工程：首先开启工程管理器，在开启的界面中单击“新建〞按键，此时就会出现“新建工程向导〞的页面，这个窗口详细的对工程建立进行详细的描述〔比方：详细讲解如何对五相步进电机控制系统进行设计〕，我们再将新建工程保存在电脑本地硬盘里。图5-1新建工程向导12)定义设备由PLC、仪表、模块、板卡和变频器等做成外部设备，在使用组态王前，必须对它进行定义。本篇论文是采用西门子S7-200PLC和组态王通信完成设计。如下图，我们在西门子下面的系列中选择PLCS7-200，在通讯方式的选择时，我们选择的是PCPPI通信，最后所有选项都设定完时，再点击“确定〞按钮。图5-2设备配置向导3)构造数据库通过这个页面，我们可以对所需要的每个变量进行定义，而且可以对每个变量进行修改，同时可以对数据变量的管理灯进行操作。如下列图所示。图5-3步进电机控制变量定义4)建立步进电机控制画面及动画连接我们新建的画面对话框，并将它命名为“步进电机控制〞。同时我们将在这个画面上放置一个矩形方框，放入一个文本框，将文本框命名为“启动〞，此时我们对“启动〞按钮进行双击，完成相应的动作。如下列图所示。图5-4新建画面5.3系统的仿真运行我们通过组态王使用，在该开发系统中，通过点击“文件〞选项按钮，在菜单中选中“\切换到View〞按键，我们再从“选择画面〞选择“五相步进电机监控〞，其系统运行状态图见附录C。总结本篇论文是通过PLC对五相步进电机进行控制。通过PLC设计出步进电机的控制装置，该装置是通过可编程控制器与传感器二者综合在一起来实现的。因为PLC很容易对被控对象进行控制，因此PLC在对五相步进电机的控制方面展现出很好效果，展现出PLC对步进电机的自控能力和调节能力。该控制系统不仅利用了PLC对步进电机控制，而且采用上位机组态王相应的组态监察和控制，具有良好的操作性。当我一开始看到论文课题是关于五相步进电机控制设计的时候，当时一片茫然。因为对于五相步进电机控制设计的操作、仿真和实现的过程还不清楚，不知道从何下手。因此到图书馆和电子阅览室等地方开始查找相关资料，其中包含有关于五相步进电机控制相关的概述，在国内外有关于五相步进电机控制的开展情况，同时也开始关注五相步进电机控制设计的工作流程等。通过一段时间的努力，对五相步进电机控制相关的知识有了些认知。因为题目中讲到通过PLC进行控制的，所以在图书馆也对关于西门子PLC相关的知识进行查找和研究。在这期间，详细的研究了西门子PLC控制系统中关于系统设计的步骤和过程，这些知识为我们很好的理解和研究西门子PLC控制设计和编程，同时也为可编程控制器对步进电机控制打下基石。在这一次西门子PLC控制设计中，我们要先开始对西门子PLC各个系统和控制设计进行比照，从中选出可靠性好，控制系统相比其他的控制系统简单和方便，并完成PLC对步进电机控制设计，同时我们还需要通过组态王完成上位机监控界面设计，该监控设计能够很好的对PLC五相步进电机进行检查和控制。毕业设计是将自己这些年学到知识点综合起来，然后灵活运用。在完成毕业设计过程中，让我们能够有效的、真实的和全面的理解学习过的专业知识，并且从新复习和研究这些知识点，再讲它们有效结合起来，在控制系统的设计和分析过程中，对于曾经学习过的专业进行总结，在总结的过程中，对知识点进行归纳和整理，同时也对这些知识进行详细的查阅和查研究。在西门子PLC学习中，对于它的工作原理，操作步骤和不断的模拟实验，渐渐的掌握PLC知识和操作。在毕业设计过程中，我们通过理论知识也实际情况结合起来完成了控制系统的设计，同时在学习和实践的过程中，懂得了怎么发现问题，如何解决问题，不把问题拖到最后解决，这个我第一次进行设计，在这个产品中有些缺乏之处，望老师指点和批评。致谢在本论文写作和完成的过程中获得指导老师的热心的帮助和关心，从一开始什么都不懂，不知道从何做起，在老师的指导和帮助下，慢慢了解了研究的方向和论文写作的大纲。指导老师是一位热心、工作态度认真、性格开朗的老师。在论文写作过程中，离不开老师的细心教导和耐心的批评，想让我对这个课题研究的更加全面，在一开始研究的时候，就主动和指导老师交流，将一些不懂或者不理解的知识点整理出来，再向指导老师和专业老师请教，在老师们的帮助下，渐渐完成了论文。感谢各位老师、同学和朋友的的热心的帮助。在这个几年的大学生活中，感谢这些教我课程的各位老师，在你们的教导和保护下，我得到了良好的成长，各位老师通过各种手段和方式将本专业的知识由浅到深的教授给我们，在你们的教导下，我们的本领不断变强，我们的思维模式在不断的变化着，最重要的是我们专业知识在不断增加。同时我还要感谢学校这么多年来给我们提高良好的学习环境和根底设施，包括实验室、图书馆等。实验室为我们提供良好探索真理的环境，通过不断的动手做实验来稳固从课本学来的知识，同时也能更好的和灵活的应用这些知识；图书馆是为我们提供良好的学习和查阅资料的环境。在这样安安静静且充满学习气氛的环境中，我们都被这样的气氛渲染了，都能够瞬间静下心学习和研究。我还想感谢这篇论文中引用到知识和相关文献的编写者，在这个知识和文献的帮助下，我慢慢对论文的主心骨知识点从了解到明白再到熟知。在现实生活中，你们没有直接教导我，但是通过书本和其他途径间接的接收到你们传授。如果没有这些资料和文献，我很难按时完成论文，谢谢你们的成果，感谢你们。这几年的大学生活，有在欢笑中度过，有在风雨中度过，感谢这几年和我做伴的同学和朋友。感谢室友这么多年的日夜相守，在你们的帮助下，我走过一个个困难。在这还要谢谢父母，同时他们给了我学习的条件和时机。不管我是否在你们的身边，总会在我的耳边响起你们关系和鼓励的话，你们总是默默地在我背后支持我。本论文和产品设计能及时完成，这要感谢在论文编写期间指导和帮助过我的老师和同学，在你们的帮助下，我从不了解慢慢到熟知。在这个过程中，我在老师耐心的教导下，不仅学会了这个设计相关的知识，而且明白了怎么发现问题和如何解决问题思路。再次感谢指导老师的关心和帮助。参考文献[1]凌云.PS7219显示驱动器及其在PLC中的应用.湖南冶金职业技术学院报，2007[2]张桂苓.浅谈现代PLC的优势特点.电子技术，2007[3]刘晓燕.自动控制原理课程教改探索[J]．重庆职业技术学院学报，2006[4]张桂苓.浅谈现代PLC的优势特点.电子技术，2023[5]张凤珊.电器控制及可编程控制器.北京：中国轻工业出版社.2023[6]王兆义.可编程控制器使用技术.北京：机械工业出版社，2007[7]陈在平.可编程序控制器技术与应用系统设计.北京：机械工业出版社，2006[8]王红.可编程控制器使用教程．北京：电子工业出版社，2023[9]宋德玉主编.可编程序控制器原理及应用系统设计技术.