基于PLC的步进电机控制系统设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 I 页 共 页目录1 概述 .11.1 PLC 控制步进电机研究的意义 .12 基于 PLC 的步进电机控制系统设计 .92.1 系统的组成及功能 .92.2 步进电机特性 .92.3 PLC 介绍 .122.4 步进电机控制系统程序设计 .133 磁头定位 .203.1 硬盘工作原理 .203.2 磁头及定位系统 .224 难题及解决过程 .245 结论 .25结束语 .27致 谢 .28参 考 文 献 .29附录 A.30 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 38 页1 概述1.1 PLC 控制步进电机研究的意义基于步进电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。PLC 作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。因此，通过研究用 PLC 来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC 具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。本课题基于 PLC 的步进电机磁头定位系统设计就是利用 PLC 控制步进电机在硬盘工作时磁头定位的研究。1.2 国内外关于步进电机和 PLC 的应用状况1.2.1 步进电机方面步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。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（称为“步距角” ） ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。控制涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。目前，国内生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只有一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，选用步进电机时应该十分注意以下一些指标。（1） 步进电机的静态指标术语 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 38 页相数：产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB，或 A-B-C-D-A；四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=360 度（转子齿数 J*运行拍数） ，以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步） 。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 。静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。（2） 步进电机动态指标及术语步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示，即（误差/步距角）*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流） ，平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 38 页的频率特性越硬。电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在 180-250pps 之间（步距角 1.8 度）或在 400pps 左右（步距角为 0.9 度） ，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR） 、永磁式步进电机（PM） 、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。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。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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。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。步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和 MINEBEA 及 NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近 2 亿台。当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展。趋势一，是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。趋势二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高 3040。趋势三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 38 页控制性能。趋势四，向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。为了得到更高精度的控制，出现了脉冲细分控制，这种控制方式可以消除电机失步和共振，满足更高精度要求的控制。其实步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按 ABC的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。而按AACCCBBBAA的顺序通电，则为半步工作。以 AB 为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在 IA 与 IB 之间插入过渡向量 IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，IAB 的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由 b 变为 0.5b，从而也就实现了 2 步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。 1.2.2 PLC 方面（1） PLC 的国内外状况 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器,将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 38 页的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。PLC 是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作系统。它采用可编程序的存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数 及算术运算等操作指令，通过数字量、模拟量输入与输出，控制机械运动和生产过程。可编程控制器，简称 PLC（Programmable logicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” （2） PLC 的特点（a） 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制，CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。（b） 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用优质的电子元件与合理的系统结构设计，内部电路采取光电隔离、数字滤波、 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 38 页故障诊断等硬件措施，具有很高的可靠性。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间很长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护，使得整个系统具有极高的可靠性。 还特别设立了警戒时钟 WDT，PLC 系统对警戒时钟进行定时刷新，一旦出现死循环，PLC 能自动重新启动，对软件程序和硬件进行检查，给出错误报警，避免了个人电脑和单片机经常出现的死机现象。（c） 系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造周期大为缩短，同时维护变得容易起来。更重要的是可以使同一设备经过改变程序改变生产过程。（d） 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，为面向工矿企业的工业控制设备。接口简单容易，编程语言易于为工程技术开发人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。（e） 体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。（3） PLC 的应用领域目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：（a） 开关量的逻辑控制PLC 取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、订书机械、印刷机、磨床、组合机床、包装生产线、电镀流水线等。（b） 运动控制 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 38 页PLC 可以用于直线运动或者圆周运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或者伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都具有运动控制功能，广泛用于各种机械、机器人、机床、电梯等场合的模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制,数据处理。现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、逻辑运算、函数运算）、数据转换、数据传送、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型工业控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（c） 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（d） 通信及联网PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有串口通信接口，通信非常方便。如果需要远程控制，可以利用终端服务器进行远程控制。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。在我国，一般按 I/O 点数将 PLC 分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：微型：32I/O ；小型 256I/O；中型：1024I/O；大型：4096I/O；巨型： 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 38 页8192I/O。 在我国应用的 PLC 系统中，I/O 64 点以下 PLC 销售额占整个 PLC的 47%，64 点 256 点的占 31%，合计占整个 PLC 销售额的 78%。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 DCS（Distributed Control System ）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 38 页2基于 PLC 的步进电机控制系统设计2.1 系统的组成及功能本设计中使用的 PLC 为西门子 S7-200 CN 系列 PLC -CPU224XPCN AC/DC/RLY，借助于实验室实验平台，选用 36BF003 型步进电动机。要实现功能：通过 PLC 控制步进电动机在单步、连续运行的情况下实现三拍、六拍的正、反转运动及实现无级调速。2.2步进电机特性2.2.1 步进电机简介本课题采用的电机是 36BF003 型三相步进电动机，其步距角为 1.5/3，额定电压为 27V，电流为 1.5A，保持转矩为 0.078(0.8)N.m，空载启动频率为 3100HZ。其转矩频率特性如图 2.1 所示。图 2.1 转矩频率特性图2.2.2 步进电机工作原理介绍(1) 步进电机结构步进电机结构剖面图如图 2.2 所示。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 38 页图 2.2 步进电机结构剖面图电机转子均匀分布着 40 个小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3 、2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示） ，即 A 相与齿 1 相对齐，B 相与齿 2 向右错开 1/3 ，C 相与齿 3 向右错开 2/3，A与齿 5 相对齐， （A就是 A，齿 5 就是齿 1） ，定转子的展开图如图 2.3 所示。 图 2.3 定转子的展开图(2) 旋转过程如 A 相通电，B、C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，转子不受任何力（以下均同） 。 如 B 相通电，A、C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（-1/3 ）=2/3 。 如 C 相通电，A、B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐。如 A 相通电，B、C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 ，这样经过 A、B、C、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A、B、C、A通电，电机就每步（每脉冲）1/3 ,向右旋转。如按 A、C、B、A通电，电机就反转。其通电状态如图 2.4 所示。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 38 页图 2.4 通电状态图由此可见，电机的位置和速度由通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由通电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BC-C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步 1/3 改变为 1/6 。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3 变为 1/12 ，1/24 ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m，2/m(m-1)/m，1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。(3) 力矩电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错开一定角度产生力 F 与（d/d）成正比 ， 其磁通量 =Br*S，Br 为磁密，S 为导磁面积，F 与 L*D*Br 成正比 ，L 为铁芯有效长度，D 为转子直径，Br=NI/R，NI 为励磁绕组安匝数（电流乘匝数） ，R 为磁阻。力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态） 。因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。2.2.3 步进电机运行方式36BF003 型步进电动机的运行状态如表 2.1 所示。表 2.1 步进电动机的运行状态单步 三拍 六拍 正转 反转 启动 停止连续 三拍 六拍 正转 反转 启动 停止2.2.4 步进电机控制方式36BF003 型步进电动机的三个绕组分别用 A、B、C 表示。三拍运行时，正转通电顺序为 ABCA，反转通电顺序为 CBAC； 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 38 页或正转通电顺序为 ABBCCAAB，反转通电顺序为 ACCBBAAC。六拍运行时，正转通电顺序为 AABBBCCCAA；反转通电顺序为AACCCBBBAA。2.2.5 脉冲和角度的关系(1) 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示，=360 0/M*Z*K （2.1）式中，M 为定子绕组相数；Z 为转子齿数；K 为通电方式系数，当 M 相 M 拍通电时，K=1，当 M 相 2M 拍通电时，K=2。本课题所用为三相电机，由参数表可以推算出它的齿数J3=360 度/3*3 0 =40 个或 J 6=360 度/6*1.5 0 =40 个(2) 频率关系和转速的关系n=60f/M*Z*K （2.2）式中，M、Z、K 同上；n 为每分钟转速 r/min；当 M 相 M 拍通电时，K=1，当 M相 2M 拍通电时，K=2。2.3 PLC 介绍2.3.1 PLC 基本情况简介本课题使用PLC 为西门子S7-200 CN系列PLC -CPU224XPCN AC/DC/RLY。其基本情况为：CPU224XPCN，24VDC电源，24VDC输入，24VDC输出，6ES7 214-2AD23-0XB8，集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1 输出共3个模拟量I/O 点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。22K 字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器（100KHz） ，2个100KHz 的高速脉冲输出，4个上升沿和4个下降沿边沿中断，2个RS485 通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等，是具有模拟量I/O 和强大控制能力的新型CPU，用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 2.3.2 功能介绍S7-200CN 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 38 页代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统。S7-200 CN 系列表现出有极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。 2.3.3 软件简介S7-200 可编程控制器使用 STEP7-Micro/WIN32 编程软件进行编程。STEP7-Micro/WIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。操作系统为 Windows95 以上的操作系统。计算机配置为 IBM486 以上兼容机，内存 8MB 以上，VGA 显示器，至少 50MB 以上硬盘空间。通信电缆用一条 PC/PPI 电缆实现可编程控制器与计算机的通信。STEP7-Micro/WIN32 编程软件包括 Microwin3.1；Microwin3.1 的升级版本软件Microwin3.1 SP1；Toolbox（包括 Uss 协议指令：变频通信用，TP070：触摸屏的组态软件 Tp Designer V1.0 设计师）工具箱；以及 Microwin 3.11 Chinese（Microwin3.11 SP1 和 Tp Designer 的专用汉化工具）等编程软件。2.4 步进电机控制系统程序设计2.4.1 控制流程分析此设计使用开环控制步进电机。传统的控制系统框图如图2.5所示。指令图2.5 传统的控制系统框图步进电机脉冲放大器脉冲分配 器变频信号源 工作机构 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 38 页而本课题使用PLC为西门子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN AC/DC/RLY，可以直接输出脉冲驱动36BF003型电机运行，指令可通过程序代替，而“变频信号源” 、 “脉冲分配器” 、 “脉冲放大器”则全部由PLC替代，进而取代了具有以上四项功能的驱动器，使得控制十分简单，所以本课题的控制框图可简单用图2.6表示。图2.6 基于PLC的步进电机控制系统框图2.4.2 程序设计(1) I/O分配I/O分配表如表2.2所示。表2.2 I/O分配表启动 停止 单步 连续 三拍 六拍 正转 反转 脉冲 加速 减速输入I0.0 I0.1 I0.6 I0.7 I0.4 I0.5 I0.2 I0.3 I1.0 I1.2 I1.1A1 B1 C1 A2 B2 C2输出+24V(主机) Q0.4 Q0.3 Q0.2(2) 主要程序解释给定启动频率f=1/200ms=5HZ通过加时间来减小频率，达到减速目的24V 直流电源步进电机S7-200CN 系列PLC CPU224XPCN AC/DC/RLY磁头定位 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 38 页通过减时间来增大频率，达到加速目的复位频率和运行频率的关系决定连续和单步运行的脉冲触发（M0.2提供连续运行脉冲； M9.7提供单步运行脉冲）三拍、六拍正反转连续运行时，寄存器指令所用到的最高位三拍、六拍单步正、反转运行时，寄存器指令所用到的最高位 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 38 页正转三拍运行反转三拍运行正转六拍运行 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 38 页反转六拍运行正转三拍连续运行时寄存器指令运行状况 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 38 页反转六拍运行时寄存器指令运行状况正转三拍单步运行时寄存器指令运行状况 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 38 页A相通电步进电机动作 B相通电步进电机动作 C相通电步进电机动作 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 38 页3 磁头定位3.1 硬盘工作原理3.1.1 硬盘的基本组成一般说来，无论哪种硬盘，都是由盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份组成，其结构组成示意图如图 3.1 所示。图 3.1 硬盘结构组成示意图硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面（中间圆心部分）以及扇区见图 3.2。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 38 页图 3.2 硬盘逻辑分区示意图所有的盘片都固定在一个旋转轴上，这个轴即盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行的，片与片之间的安装示意图如图 3.3 所示。图 3.3 片与片之间的安装示意图在每个盘片的存储面上都有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发 丝的直径还小。所有的磁头连在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向动作，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高 速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。3.1.2 工作原理磁头在工作的过程中并不与盘片接触，而是在盘片高速旋转带动的空气动力的作用下以很低的高度在盘片上面飞行，为了提高磁头的灵敏度，磁头的飞行高度在不断降低；磁头一般跟金属磁头臂、音圈电机线圈和预放电路等组成一个组件，磁头在音圈电机的带动下根据读写数据的需要做往复运动来定位数据所在的磁道，磁 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 38 页头固定装置如图 3.4 所示。图 3.4 磁头固定装置示意图由于磁头需要靠盘片旋转带动的空气动力来飞行，那么在硬盘不工作或盘片电机的转速还没有达到预定值时，磁头无法飞行，而磁头的读写面和盘片都很光滑，如果他们直接接触必然导致粘连而妨碍盘片起转或导致磁头和盘片损伤，为此磁头在不工作时需要停泊在数据区以外的区域；硬盘有两种方式来满足这个要求：第一种方式是在盘片内侧开辟一个环形的磁头停泊区，其示意图如图 3.5 所示，磁头不工作时停泊在这个地方，为了防止粘连，停泊区被有意加工成带有一定粗糙度的区域，以便磁头停泊在这里时磁头和盘片之间有一定的空气，但这样必然导致硬盘启停时磁头和盘片要发生较严重的摩擦而损伤磁头，所以硬盘还有一个启停次数的指标；第二种方式是在盘片的外面安装一个磁头停泊架，其示意图如图 3.6 所示，当磁头不工作时停泊在停泊架上，这样正常情况下磁头永远也不会和盘片表面接触，也就不存在启停次数的问题。 图 3.5 磁头停泊区 图 3.6 磁头停泊架为了防止硬盘不工作时发生意外，不同的硬盘还设计了不同的磁头锁定机构，当硬盘不工作或盘片没有达到预定转速时，磁头锁定机构将磁头锁定在停泊位置，有些网友反映晃动硬盘时硬盘里有响声，就是由磁头锁定机构发出的；为了防止磁头工作时出现意外而导致磁头撞击盘片电机的主轴或移动到盘片或停泊架以外，还 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 38 页设计有磁头限位装置，如图 3.7 所示。图 3.7 磁头限位装置3.2 磁头及定位系统磁头读写动作示意图如图 3.8 所示，磁头读写时，从主轴到磁盘盘片边缘做径向运动，而这一动作就是靠步进电机驱动传动轴和传动手臂完成的，磁头径向运动的快慢、幅度和定位都由对步进电机的控制决定，所以本课题的关键是通过 PLC 控制了步进电机转速来完成磁头定位系统的设计。图 3.8 磁头读写动作示意图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 38 页4 难题及解决过程在设计过程中，确实遇到很多难题，诸如程序的编写，包括循环移位指令的使用、调速指令的采用等等，不仅自己查阅书籍资料，同时还向老师同学请教。在此值得一提的是解决调速指令，如图 4.1 所示，以及循环移位指令，如图 4.2 所示。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 38 页图 4.1 调速指令图 4.2 循环移位指令在之前的不可调速程序中，直接启动运行程序，后面的可调速程序，只有在不可调速程序运行时下载进去可调速程序，才可以运行可调速程序。如果直接停止，再按启动，后按调速就不可以运行，在反复验证和询问老师后，才发现是操作错误，应该先给启动频率，接着再按启动，然后才调速。归根结底还是对步进电机工作原理没有完全了解，其它问题基本可以通过查阅咨询自行解决。5 结论通过老师的耐心指导、细心帮忙和自己的努力，我终于顺利完成毕业设计，可以实现步进电机的近乎无级调速，分别在连续、单步情况下完成三拍、六拍正反转运行，及通过手动按钮，实现无级调速。此程序可以根据实际需要，诸如磁头定位系统，数控机床等领域，参照步进电机的实际情况，要对程序中启动频率和中间继电器指令做响应的修改。如果电机所需驱动电流比较大，还需要驱动器来驱动电机运转。而驱动器的选择必须依据 PLC 的输出脉冲的电流大小来决定。最终调试结果 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 26 页 共 38 页步进进电机实时运行图如图 5.1 所示。图 5.1 步进电机实时运行图PLC 的 I/O 口实时状态显示如图 5.2 所示。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 27 页 共 38 页图 5.2 PLC 的 I/O 口实时状态显示图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 28 页 共 38 页结束语通过这个课题设计，我对 PLC 和步进电机有了更进一步的了解认识，了解了硬盘的内部结构和工作原理，更重要的是知道遇到问题如何分析，如何解决的办法，这种方法即使在以后的工作和学习中也是很有益的。本科教育只是通识教育，涉及面广但不深，以后的工作中，会需要更加专业深入掌握所学的东西，甚至都可能用不到所学知识，所以在以后步入社会的具体工作中，要学会发现问题、分析问题和解决问题，甚至配合团队解决攻关