基于PLC的步进电机的开环控制系统设计.doc

武汉理工大学华夏学院课 程 设 计 报 告 书题 目： 可编程控制器 系 名： 信息工程系 专业班级： 自动化1093 姓 名： 张幸威 学 号： 10212409323 指导教师： 乔志刚 2012 年 1 月 6 日课程设计任务书学生姓名： 张幸威 专业班级： 自动化1093 指导教师： 乔志刚 工作单位：信息工程系自动控制教研室 题目： 基于PLC的步进电机的开环控制系统设计 一初始条件1. 给出步进电机的基本工作原理、工作方式及其控制方法；2. 给出实际调试用步进电机的驱动放大电路原理图；3. 给出用于系统调试用的S7-300PLC、计算机、调试用步进电机及其驱动放大电路；4. 给出PLC的编程软件STEP 7。二要求完成的主要任务1. 设计要求 根据课程设计指导书给出的步进电机工作原理、工作方式及其控制方法，设计PLC控制系统，要求实现： 在步进电机的单四拍、双四拍、单双八拍工作方式中至少选择一种工作方式进行控制。 能够实现步进电机的起动和停止、正转和反转及改变转速。（详细控制要求见课程设计指导书） 要求用线性化编程和结构化编程两种编程方法来实现该控制逻辑。在结构化编程中，同一种通电方式的正反转使用同一个FC，在OB1中调用同一个FC实现正反转控制。2. 说明书撰写要求u 内容要求一般要求包括如下内容： 目录编制课程设计的目录，目录的各级标题按照章节顺序排列，最多列到三级标题即可，如1.1.1。 引言课程设计正文前的简短介绍。包括本课题的设计目的、设计的主要过程及主要的设计内容。 电路设计要求画出PLC的输入/输出接线图。 PLC硬件组态要求列出硬件组态表。 PLC编程元件的地址分配首先对输入/输出点进行地址分配，然后对其他编程元件也进行地址分配，如位存储器M，定时器T，计数器C等。编程中要使用符号地址，所以在OB1中要编辑符号表（包括输入继电器、输出继电器、定时器及位存储器（或叫辅助继电器），在FC1中要编辑变量声明表。 编写控制程序要求： 编写线性化程序； 在结构化编程中分别编制OB1和FC1； 在程序段中添加注释。 程序调试说明对设计中遇到的主要问题及解决方法、调试过程及方法、在调试过程中对对原设计程序做了哪些有意义的改进及调试的结果几方面进行阐述。 结束语对本课程设计进行总结，写出设计中的体会。 主要参考文献写出完成设计任务过程中参考的主要参考文献，注意参考文献的格式。u 格式要求1. 纸张格式：要求统一用A4纸打印，页面设置上空2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm）：2. 正文层次：正文内容层次序号为：1、1.1、1.1.1，其中正文标题；一级标题1.（黑体小2号加粗），二级标题1.1（黑体小三号），三极标题1.1.1（黑体小四号）。正文内容格式：宋体五号，1.25倍行距。3. 参考文献格式：参考文献不少于5个，并应按文献号、作者、文献题名、出版地：出版社和出版年等顺序书写。如：1 戴军，袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术，2002.4. 图表要求：所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须采用计算机辅助绘图。图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；图表一律采用采用阿拉伯数字连续编号。u 装订顺序设计报告按照如下顺序装订：封面任务书目录正文参考文献评分表。 前 言 可编程控制器是电气控制技术中的关键技术。可编程控制器为“自动化和电气工程及其自动化”专业的一门重要专业课。通过本课程的学习，使学生掌握工厂电气控制设备技术和可编程控制器的使用、分析和设计自动生产过程中的控制电路，掌握其使用方法。 课程设计以培养工程应用能力为主，在独立完成设计任务的同时，还要进行诸方面能力的培养和提高，为毕业设计打下良好的基础。这些能力包括：n 独立工作能力；n 综合运用所学过的基础知识和专业知识，提高解决工程应用问题的能力；n 运用各种现代化手段，获取相关资料的能力；n 调试程序的能力；n 工程绘图的能力；n 编写技术资料的能力；n 创新能力。 PLC课程设计的主要目的，是通过对某个简单的自动化生产设备、某条简单的自动化生产线、某些简单的工艺过程的调查研究，使学生明确生产工艺对电气控制提出的各项要求。根据这些要求，进行PLC控制系统的原理设计、硬件配置及软件编程设计。通过不断地调试和完善程序来满足生产工艺的要求。 本课程设计提供了设计的备选课题。通过课程设计，使学生进一步熟悉PLC控制系统的应用，并培养学生决实际问题的能力，掌握系统设计的思路及方法。目录目录5第1章 引言61.1 设计目的61.2 任务描述61.3控制要求9第2章 电路设计102.1 PLC的输入输出接线图10第3章 PLC硬件组态11第4章 PLC编程元件地址分配表124.1 线性化编程符号表124.2 结构化编程符号表124.3 结构化编程FC1的变量声明表12第5章 控制程序145.1线性化编程145.2结构化编程205.2.1 OB1控制程序205.2.2 FC1控制程序23第6章 程序调试说明25第7章 结束语26 第1章 引言1.1 设计目的 了解步进电机的工作原理及步进电机的开环控制原理。 综合应用所学PLC知识设计基于PLC的步进电机开环控制系统； 通过自行编程调试掌握PLC控制系统的设计方法。1.2 任务描述 步进电机原理简述步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件，每一个脉冲信号可以使步进电机前进一步，转过的角度与控制脉冲的个数呈严格的正比关系。其运行速度与控制脉冲频率呈严格的正比关系，正是这个特点，使其可以和现代数字控制技术相结合，成为比较理想的执行元件。步进电机主要应用于开环位置控制系统中。目前步进电机在数控机床、计算机外围设备、钟表、包装机械、食品机械中得到广泛的应用。步进电机由定子和转子两部分组成。以二相步进电机为例，定子上有两组相对的磁极，每对磁极缠有同一绕组，形成一相。定子和转子上分布着大小、间距相同的多个小齿。当步进电机某一相通电形成磁场后，在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或最小磁阻）的位置。步进电机接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机转过一个步距角，对于一个m相n拍的步进电机来说，每走完n拍，转子就转过一个齿距角，所以齿距角与步距角的关系为：从控制原理上，步进电机可以分为反应式、永磁式和混合式步进电机三大类；按照控制绕组的相数可以分为两相、三相、四相。 本设计中涉及到的步进电机主要参数 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，用表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指步进电机走过一个齿距角所需脉冲数，用表示。 齿距角：步进电动机的转子上均匀地分布着许多小齿，相邻两个小齿的中心线间的角度称为齿距角，用表示。步距角：对应一个脉冲信号，步进电机转过的角位移，用表示。 本设计中用到的步进电机本设计中用到的步进电机为两相步进电机。该步进电机转子共有50个齿，所以齿距角为7.2。电机每相电流为0.2A，相电压为5V。 步进电机驱动电路 图1 步进电动机驱动电路 图中TL1TL6对应的是面板上的插孔。图中标注的A及，B及分别表示步进电机的定子的两相绕组的四个端子。 两相步进电机的通电方式：单四拍通电方式：每次只有一相绕组通电，四拍构成一定循环。两相绕组按照ABA的次序轮流通电。每拍转子转动转子齿距。 双四拍通电方式：每次有两相绕组同时通电，两相控制绕组按ABBAAB的次序轮流通电。每拍转子转动的角度与单四拍相等都是转子齿距，但与单四拍的空间定位不重合。 单、双八拍的通电方式：上两种通电方式的循环拍数等于4，称为满步通电方式。若通电方式等于8，称为半步通电方式，即按AABBBAA的次序通电。每拍转子转动转子齿距。 在上述通电方式中，改变通电的循环方向即可改变步进电机的转动方向，改变通电的频率，即可改变步进电机的转速。1.3控制要求 能够实现步进电机的起动和停止、正转和反转及改变转速。 能够实现步进电机的单四拍、双四拍、单双八拍运行。 当按下按钮SB1时，步进电机以单四拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；当按下按钮SB2时，步进电机以单四拍方式和500MS/步的频率逆时针方向运行30步后停止；当按下按钮SB3时，步进电机以双四拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；当按下按钮SB4时，步进电机以双四拍方式和500MS/步的频率和逆时针方向运行30步后停止；当按下按钮SB5时，步进电机以单双八拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止；当按下按钮SB6时，步进电机以单双八拍方式和500MS/步的频率逆时针方向运行30步后停止；任何时刻按下按钮SB7，步进电机停止。第2章 电路设计2.1 PLC的输入输出接线图图1 控制两相步进电动机正反转控制线路接线图第3章 PLC硬件组态PLC的硬件组态如表1所示： 第4章 PLC编程元件地址分配表4.1 线性化编程符号表PLC线性化编程符号表如表2所示：4.2 结构化编程符号表PLC结构化编程符号表如表3所示：4.3 结构化编程FC1的变量声明表PLC结构化编程FC1的变量声明表如表4所示： 第5章 控制程序5.1线性化编程步进电动机的线性化程序如下所示： 5.2结构化编程5.2.1 OB1控制程序 步进电机的结构化程序的OB1程序如下所示： 5.2.2 FC1控制程序步进电机的结构化程序的FC1程序如下所示： 第6章 程序调试说明在程序设计及调试过程中的几点说明如下：1. 在线性化编程中，PLC的输入口不能直接控制两种PLC输出口的循环通电方式。 解决方法：可通过位存储器如M4.0和M5.0来间接控制PLC输出口的不同通电方式。2. 在结构化编程FC1的程序设计中，使用PLC输出口本身的通电状态来控制PLC输出口的循 环通电，这是本次程序设计的一大改进，使程序设计更简单易懂。3. 在控制步进电动机的正反转的控制程序中可以加入开关互锁来使电机的正反转控制可以 直接切换。第7章 结束语 PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工业自动化控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用及维护方便等一系列优点。在本次课程设计中，用PLC来控制步进电动机的正反转等运动正好体现了PLC的这一特点。而不同的程序设计思想可以达到相同的控制效果，这给了设计者很大的空间来设计出高效合适的程序。同时PLC内部含有的位存储器、定时器、计数器等也为PLC完成复杂的功能提供了基础。所以PLC在工业控制方面具有很大的发展空间。参考文献（参考文献不少于5个，并应按文献号、作者、文献题名、出版地：出版社和出版年等顺序书写）1 胡建. 西门子S7-300 PLC应用教程.北京: 机械工业出版社.2008年 2 杜从商.可编程控制器.北京:机械工业出版社.2010年3 （日）坂本正文,王自强（译).步进电机应用技术.北京:科学出版社.2010年 4 王庭友.可编程控制器原理及应用.北京:国防工业出版社.2005年5 郑阿奇.PLC（西门子）实用教程.北京:电子工业出版社. 2009年 课程设计评分表评 分 项 目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（30分）3项目工艺水平及测试性能达到技术要求（25分）4参考文摘不少于5篇（10分）5答辩（25分）总 分（100分）答辩记录：指导教师综合评语：指导教师（签名） 日 期： 年 月 日袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂