plc步进电机控制系统设计.doc

苏 州 市 职 业 大 学实习（实训）报告课程名称 PLC应用技术项目实训 项目名称 步进电机控制系统设计 2014年05月26日至2014年05月30日共 1 周学院(部) 电子信息工程 班 级 12电气（3） 姓 名 学 号 学院(部)负责人 系 主 任 指导教师 目录绪论3第一章 步进电机及PLC简介41.1 步进电机的简介41.1.1 步进电机的分类41.1.2 步进电机的基本参数51.1.3 步进电机主要特点51.2 PLC的发展概述61.2.1 PLC技术在步进电机控制中的应用7第二章 步进电机的控制方法82.1常见的步进电机的工作方式82.2步进电机的控制方法92.3西门子 PLC 应用中需要注意的问题9第三章 PLC对步进电机的控制原理及要求103.1步进电机的控制原理103.1.1控制步进电机换向顺序103.1.2控制步进电机的转向103.1.3控制步进电机的速度103.1.4步进电机的控制要求103.2步进电机的输入信号103.2.1 CP信号设定113.3PLC 对步进电机的速度控制及定位11第四章 S7-200PLC控制步进电机124.1 S7-200PLC介绍124.2 PLC驱动电路接口134.2.1 电气原理图134.3 运动控制向导实例134.4 PLC程序实现步进电机控制164.4.1 步进电机控制程序符号表164.4.2 PLC程序设计174.5 WinCC画面设计194.6 调试运行20第五章 结论21参考文献22绪论本次实训的实训任务是用PLC控制步进电机的正反转运行。自问世以来，步进电机很快确定了在开环高分辨率的定位系统中的主导地位。在工业技术高速发展的今天，还未有适合的取代产品出现。虽然步进电机已被广泛应用，但并不能像普通的直流电动机、交流电动机那样在常规电气控制中使用。它须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统，涉及很多机械与电气控制方面知识。我国生产步进电机的厂家不少，但能自行开发研究的厂家却较少，大部分厂家规模比较小。我国步进电机产品发展有自己的特点：20世纪80年代以前是以磁阻式步进电机为主，20世纪80年代后期开始发展混合式步进电机。产品从相数上分有二相、三相、四相、五相，从步距上分有0.9/1.8、0.36/0.72，从规格上分有42130，从静力矩上分有0.140N.m。从大功率驱动设备市场上，大扭矩步进电机没有市场，无论是在经济上、噪声、加速度、系统惯量、最大扭矩等方面，都不如采用伺服电动机或是直流电动机加编码器好。步进电机主要是应用在小功率场合。总的来说，步进电机是一种简单的开环控制，不适合在大功率场合使用。具体的应用场合如下：(1) 经济型数控机床，如数控雕刻机、数控磨床，数控铣镋床等。(2) 工业生产装备，如连续式、间歇式包装机，机械手等。(3) 工业器材方面，如拿放装置、性能测试装备等。(4) 小型自动化办公设备，如启动打标机、贴标机、割字机、激光打标记绘图仪等。步进电机发展趋势步进电机今后继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。除了传统的旋转步进电机，线性步进电机近些年来发展也很快，它减少了零部件，几乎没有磨损或维修，并且易于结合机器使用，非常适合在轻负载的情况下使用。第一章 步进电机及PLC简介1.1 步进电机的简介步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的，其转子走过的步数，或者说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比。另外，步进电动机动态响应快，控制性能好，只要改变输入脉冲的顺序，就能方便地改变其旋转方向。这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。因此， 步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。因此，在数字控制系统出现之初，步进电动机经历过一个大的发展阶段3。1.1.1 步进电机的分类1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。2）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。3）混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。三相反应式步进电机的结构如图所示。 定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。图1-1 三相反应式步进电机的结构图1.1.2 步进电机的基本参数1.电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2.步进电机的相数步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。3.保持转矩保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。 4.钳制转矩钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。 1.1.3 步进电机主要特点1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2）步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。1.2 PLC的发展概述PLC 是广泛应用于工业自动化领域的控制器, PLC 及其有关的设备,都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则而设计。现在,PLC 功能得到了很大的扩充和完善,比如为了配合步进电机的控制,许多PLC 都内置了脉冲输出功能,并设置了相应的控制指令,可以很好地对步进电机进行控制,实现和其它设备的通信等。可编程控制器(简称 PLC) 是种数字运算操作的电子系统，是在20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同:1）中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器7。1.2.1 PLC技术在步进电机控制中的应用目前利用可编程序控制器（即PLC技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。用PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机的控制9。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向10。PLC直接控制步进电机系统由PLC和步进电机组成，PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且，PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求11。PLC步进电机输入信号图1-2 步进电机的PLC直接控制第二章 步进电机的控制方法2.1常见的步进电机的工作方式1.三相单三拍：A- B- C- A图2-1 三相单三拍工作方式时序图2.三相双三拍：AB - BC - CA - AB图2-2 三相双三拍工作方式时序图3.三相六拍：A - AB - B - BC - C - CA - A图2-3 三相六拍工作方式时序图2.2步进电机的控制方法步进电机控制方法框图如图2-4 所示。控制方案是通过上位机设定参数,利用S7 - 200PLC 的高速脉冲输出功能输出脉冲信号,送给大功率管组成的驱动电路,经过驱动器去控制步进电机实现位置控制。图2-4 步进电机控制框图2.3西门子 PLC 应用中需要注意的问题1）温度：PLC 要求环境温度在 0 55 ，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。2）湿度：为了保证 PLC 的绝缘性能，空气的相对湿度应小于 85%( 无露珠) 。3）震动：应使 PLC 远离强烈的震动源，防止振动频率为 10 Hz55Hz 的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。4）空气：避免有腐蚀和易燃的气体，如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。5）电源：PLC 对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般 PLC 都有直流 24 V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使 PLC 接收到错误信息。第三章 PLC对步进电机的控制原理及要求3.1步进电机的控制原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。3.1.1控制步进电机换向顺序通电换向这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。3.1.2控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 3.1.3控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。3.1.4步进电机的控制要求实现步进电机的点动控制、长动控制及正反转控制等。3.2步进电机的输入信号（1）步进脉冲信号CP这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：驱动器每接收一个脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一步距角，CP的脉冲和步进电机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电机的旋转角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电机调速和定位的目的。（2）方向电平信号DIR此信号决定电机的旋转方向，比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机为反方向逆时针旋转。（3）脱机信号FREE此信号为选用信号，并不是必须使用，只在一些特殊情况下使用，此端为低电平有效，这时电机处于无力距状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行。3.2.1 CP信号设定 CP脉冲的宽度一般要求不小于。脉冲信号的电平方式是一个很重要的概念，也是设计控制系统时必须考虑的，具体要求是：对于共阳极接法的驱动器要求为负脉冲方式：脉冲方式为低电平、无脉冲时为高电平；对于共阴极接法的驱动器要求为正脉冲方式：脉冲方式为高电平、无脉冲时为低电平。3.3PLC 对步进电机的速度控制及定位步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程,且加速度越小则冲击越小,动作越平稳。所以,步进电机工作时一般要经历这样个变化过程:加速恒速(高速) 减速恒速(低速) 停止。步进电机转速与脉冲频率成正比,所以输入步进电机的脉冲频率也要经过一个类似变化过程。如果步进电机启动加速时速度太慢,由于驱动力不够导致小车运动不起来;相反,若启动速度过大,又会造成机器的磨损程度增加同时噪音也很大,因此恰倒好处的设置启动曲线段的初始周期及脉冲数尤为重要,才能使整个小车的稳定性得到提高。PLC 对步进电机的速度控制有3 个方面:一是对步进电机运行脉冲频率的控制;二是对步进电机启动、停止时加减速的控制;三是对运转脉冲数目的控制。第四章 S7-200PLC控制步进电机4.1 S7-200PLC介绍S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型整体式PLC，其功能可达到大、中型PLC的水平，而价格却与小型PLC的一样，因此，一经推出就受到广泛关注。从它的CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型PLC发展至今，大致经历了两代：第一代产品，其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的CPU单元：CPU 212、CPU 214、CPU 215和CPU 216；第二代产品的CPU模块为CPU 22X，主机都可进行扩展，它具有五种不同配置的CPU单元：CPU 221、CPU 222、CPU 224和CPU 226及CPU 226XM，除了CPU 221之外，其他都可加扩展模块，是目前小型PLC的主流产品。图4-1 S7-200PLC系统组成主机单元：主机单元又称基本单元或CPU模块。扩展单元：扩展单元又称扩展模块，当主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。特殊功能模块:当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置。相关设备：主要有人机操作界面、编程设备和网络设备等。4.2 PLC驱动电路接口图4-2 驱动接口4.2.1 电气原理图图4-3 正反转电气原理图4.3 运动控制向导实例（1）选择需要配置的轴图4-4 需要配置的轴（2）选择好轴后，点击下一步，自定义轴的名称，然后点击下一步选择测量系统，如图4-5。图4-5 输入系统的测量系统（3）点击下一步设置脉冲方向输出如图4-6。图4-6 方向控制（4）下一步分配输入点及配置负限位输入点均不启用。（5）然后点击下一步配置参考点，指定输入信号有效电平如图4-7。图4-7 配置参考点（6）接下来的三步本实训均不予以启用。（7）下一步定义电机的速度及点动参数如图4-8及图4-9。图4-8 电机速度图4-9 点动参数（8）启用使能寻找