基于PLC的四相步进电机的控制

基于PLC四相步进电机的控制摘 要: 随着步进电机的不断发展， PLC是当前自动化等诸多领域利用最多的控制设施，它使传统的继电器、计算机和通讯技术融合在一起，拥有操作十分方便、控制可靠性高等诸多特点，所以如何更好地使用PLC控制步进电机在工业自动化等多个领域中创造更大的效益变得极为重要。本文采用了28ybj-48四相步进电机，以uln2003作为驱动电路，利用S7-200PLC进行正反转控制，使转动角度更加精确，减小步进电机工作时的抖动，减小误差。关键词：PLC；步进电机；自动化控制Four phase stepping motor based on PLC controlAbstract: With the continuousdevelopment ofthe stepper motor,PLC is theautomation and other areasby using thefacilitiesof most of the control,it makes the traditionalrelay,computerand communicationtechnology together,hasconvenient operation,high reliabilitycontrol ofmany characteristics,sohow to make better use ofthe PLCstepper motor controlin many fieldssuch asindustrialautomationto create greater efficiencyis very important tobecome.This paperuses 28ybj-48 fourphase stepper motor,ULN2003 as drivecircuit,positive inversioncontrol using S7-200PLC,so that therotation angleis more accurate,reduce the stepmotor workingjitter,error reduction.Keywords: PLC; stepper motor; automation control2目 录第一章 绪 论11.1 研究意义11.2 国内外发展应用情况11.2.1 步进电机方面11.2.2 PLC方面21.3 系统设计的主要任务2第二章 PLC的综述与选择32.1 PLC的综述32.1.1 PLC的发展概述32.1.2 PLC的构成32.1.3 PLC 应用中需要注意的问题42.2 西门子s7-200PLC42.2.1 西门子s7-200PLC基本情况42.2.2 西门子s7-200PLC的选型5第三章 步进电机的综述与选择73.1 步进电机的综述73.1.1 步进电机的发展简介73.1.2 步进电机的原理及术语83.1.3 步进电机的特点及应用注意事项83.2 四相步进电机的概述93.2.1 四相步进电机工作原理93.2.2 四相步进电机常见工作方式103.2.3 步进电机的选择10第四章 硬件设计114.1 系统框图114.2 电路设计图114.3 四相步进电机控制方式114.4 步进电机的驱动电路12第五章 程序的设计及软件仿真145.1 西门子STEP7-Micro/WIN32 V4.0的概述145.2 相应指令的介绍155.3 输入/输出元件及控制功能185.4程序梯形图185.5 应用仿真软件对s7-200进行仿真22第六章 结 论24参考文献25第一章 绪 论1.1 研究意义随着人类工业社会的不断发展，在工业上的自动化水平在得到了十分快速的发展，在人类的生产和生活中扮演关键角色的传统电能转换装置的某些功能已经不能满足各种现代工业要求的运动控制系统，基于步进电动机具有控制精度高、可靠性高、使用方便等优点，步进电机已在自动化控制的多个领域得到了普遍的应用。近年来，伴随着计算机技术的不停发展以及微电子技术的快速发展， PLC也得到了飞速地发展，它使传统的继电器，计算机和通讯技术融为一体，拥有控制力强、操作方便，可靠性高诸多特点，普遍的运用在各种自动化控制中，为人类的生产生活提供了巨大的效益和便利。因此，通过对PLC控制步进电动机的研究，既能够实现更加精确的自动化控制，又能够降低控制的成本，而且有利于设备维护。在PLC得到很好地发展之前，为了实现对步进电机进行驱动，驱动其实是必不可少的，伴随着PLC等相关技术的不断不成熟，PLC具备了通过输出脉冲信号来对步进电机进行各种控制的能力，经过这种控制方式就有利于更加精确地进行控制，完成生产生活等各方面的需求，为社会和经济的发展创造更大的价值。1.2 国内外发展应用情况1.2.1 步进电机方面步进电机的发展与当今社会计算机工业的发展有着十分密切的关系，随着新兴微型计算机和数控技术的发展，步进电机的用途不断向其他诸多领域中发展。发展到现在，步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。目前，日本的步进电机生产量在世界上居于首位，德国的生产量也是相当之大，像日本的东方公司和德国的B.L.公司，其生产的步进电机不管是性能、外观还是生产手段都是世界顶尖的。而我国的发展情况和这些国家相比具有相当大的差距。到现在为止，我国有许多厂家能够生产步进电机，但是能够自主开发的却很少，大部分仅仅处于一种仿制阶段，这种情况给用户造成了许多不必要的麻烦。1.2.2 PLC方面自1969年世界上第一台PLC诞生到现在，世界上有两百多家PLC生产商，不同型号的产品有几千种，按地域分化分别是美国、欧洲和日本的产品。随着改革开放的开始，我国在PLC方面的研究、生产业逐渐开始起步。最开始的时候是在引进大批带有可编程逻辑控制器的设备。之后在各个企业的制造的产品中也增添了PLC的运用。但是由于诸多原因，国内PLC市场份额的95%以上都被国外品牌所占有，像德国的西门子，日本的三菱、欧姆龙等。欧美公司在大中性领域里优势较大，而在小型领域中，日本公司的产品占有很重要的位置。但是随着国内PLC生产制造的技术不断成熟，国内外小型PLC的差距正在逐步的缩小和利时、凯迪恩、德维森等一些国内PLC厂家，近几年来都获得了一定的成长。1.3 系统设计的主要任务本设计是采用是S7200控制四相反应步式步进电机，通过采用二相激磁控制方式或采用1-2相激磁控制方式来控制步进电机的正反转控制。第二章 PLC的综述与选择2.1 PLC的综述2.1.1 PLC的发展概述可编程控制器，简称PLC(Programmable logic Controller),是一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。美国在20世纪60年代研发出世界上第一台PLC。由于当时条件的限制，早期的PLC只能做一些简单的逻辑控制，定时，计数功能。直到第二十世纪70年代微处理器出现运用，PLC增加计算，数据传输和处理以及许多其他功能，逐步完成了拥有计算机的特点工业自动化控制装置拥有计算机的特点。在进入到21世纪以后，PLC已经变成特意为了各种不同的工业环境所设计而成的系统。它采用可编程序的存储器存储执行算术运算、逻辑运算、顺序控制等操作命令，经过数字量、模拟量来对需要控制的系统进行相应的控制，具备了配套齐全，功能完善，可靠性高，抗干扰能力强，易学易用，体积小，能耗低等诸多优点。随着工业现代化水平的不断发展，PLC在以后会拥有更广泛的应用。从技术层面上看，伴随着新的计算机技术不断运用在PLC的设计与制造上，会不断有更加先进的PLC产品出现；从市场层面上看，伴随着国际市场竞争的不断加剧，未来能够呈现少量大企业垄断的现象，会产生国际通用的编程语言；从产品层面上看，会进一步向着超小型和超大型的方向发展，产品的配套设施也会越来越丰富，可以满足各个行业的不同需求。2.1.2 PLC的构成根据构造分类，PLC可分为组合式和固定式两类。固定式由CPU板、I/O板、内存块等部分构成一个整体。模块式由CPU模块、I/O模块、内存、底板或机架等相应组合而成。CPU： PLC的核心是CPU，用来接收并储存用户所需要的数据和程序，使用从现场扫描的方式采集数据，并存储在相应的寄存器，并且可以同时诊断内部工作情况及语法错误。投入运行后，从程序存贮器中依次读取所需要的指令，经过分析之后，再产生对应的控制信号进行电路控制。a) I/O模块： PLC和电气回路之间的接口，是经过输入输出部份（I/O）实现的。PLC的I/O电路是通过I/O模块来集成的。输入模块：电信号转换为数字信号输入到PLC，输出模块是相反的。b) 电源模块：为各模块集成电路供电。c) 底板或机架：电气上，完成每个模块之间的联络，机械上，完成每个模块之间的衔接，使每个模块组成一个总体。d) PLC系统的其它设备：编程设备。人机界面。输入输出设备。e) PLC的通讯：依托领先的工业网络技术能够快速有效的采集、传递生产和管理数据。PLC拥有通讯联网的功能，能够让PLC和PLC、PLC和上位计算机及其余设备间可以互换讯息，构成一个统一总体，完成分散统一控制。2.1.3 PLC 应用中需要注意的问题a) 温度：PLC 规定温度在 0 55 ，安装过程中不可以安置在发热量大的元件周围，周围透风空间必须足够大。b) 湿度：为了保证PLC有足够的绝缘能力，确保空气湿度小于或等于百分之八十五。c) 震动：让 PLC 离开震动源，避免振动频率为 10 Hz55Hz 的频繁或持续振动。d) 空气：防止有腐蚀和易燃的气体。2.2 西门子s7-200PLC2.2.1 西门子s7-200PLC基本情况CPU系列号产品图片描述CPU221DC/DC/DC；6点输入/4点输出AC/DC/继电器；6点输入/4点输出CPU222DC/DC/DC；8点输入/6点输出AC/DC/继电器；8点输入/6点输出CPU224DC/DC/DC；14点输入/10点输出AC/DC/继电器；14点输入/10点输出CPU224XPDC/DC/DC；14点输入/10点输出；2输入/1输出共3个模拟量I/O点AC/DC/继电器；14点输入/10点输出；2输入/1输出共3个模拟量I/O点CPU226DC/DC/DC；24点输入/16点晶体管输出AC/DC/继电器；24点输入/16点输出CPU226XMDC/DC/DC；24点输入/16点晶体管输出AC/DC/继电器；24点输入/16点输出图2-1 PLC CPU选型型号表2.2.2 西门子s7-200PLC的选型本设计使用的PLC为西门子S7-200系列，CPU型号是224XP。其基本参数情况如下表述所示。描述CPU 224 XP CN DC/DC/DCCPU 224 XP CN AC/DC/继电器物理特性尺寸重量功耗140 X 80 X 62 mm390 g8 W140 X 80 X 62 mm440 g11WI/O特性本机数字量输入本机数字量输出本机模拟量输入本机模拟量输出数字I/O映象区模拟I/O映象区允许最大的扩展I/O模块允许最大的智能模块脉冲捕捉输入高速计数器总数单相计数器两相计数器脉冲输出14 输入10 输出2输入1输出256 (128输入/128输出)64(32输入/32输出)7个模块7个模块146个4，每个30KHz2，每个200KHz3，每个20KHz1，每个100KHz2个100KHz(仅限于DC输出)14 输入10 输出2输入1输出256 (128输入/128输出)64(32输入/32输出)7个模块7个模块146个4，每个30KHz2，每个200KHz3，每个20KHz1，每个100KHz2个100KHz(仅限于DC输出)常规特性定时器总数1ms10ms100ms计数器总数内部存储器位掉电保持时间中断边沿中断模拟电位器布尔量运算执行时间时钟卡件选项256个4个16个236个256(由超级电容或电池备份)256(由超级电容或电池备份)112(存储在EEPROM)2个1ms分辨率4个上升沿和/或4个下降沿2个8位分辨率0.22s内置存储卡和电池卡256个4个16个236个256(由超级电容或电池备份)256(由超级电容或电池备份)112(存储在EEPROM)2个1ms分辨率4个上升沿和/或4个下降沿2个8位分辨率0.22s内置存储卡和电池卡图2-2 CPU 224XP CN参数表第三章 步进电机的综述与选择3.1 步进电机的综述3.1.1 步进电机的发展简介第一台步进电机是1920英国研发。伴随着晶体管技术不断的得到快速的发展，使步得进电机在数字化控制方面更加轻松。随着步进电机的发展不断提高，已被广泛应用于高精度，高分辨率，高响应系统。在一些需要高自动化、省人力机器的生产中，我们更能轻易的找到步进电机的身影，特别是注意速度控制，位置控制、需要对每一项指令都进行较精确的控制的控制过程中使用频率很高。虽然步进电机在许多领域得到了广泛应用，但是其不能像其他电机那样在一般的情况下进行常规的使用。双环形的脉冲信号、驱动电路等相干系统是进行步进电机的使用的时候不可缺少的条件。所以用好步进电机不是一件简单的事情，它许多领域的专业知识。步进电机的发展到现在，大致可分为三类：（1）变磁阻式结构（VR型）：又称为反应式步进电机，其转子通过把软铁制造成齿状之后制造而成的，在无激磁电压时，保持转矩为零，所以转子惯量小，响应好，但允许的负荷惯性小。其步进角一般为15。（2）永久磁铁式(PM型)：转子由永磁组成的，它的磁化方向是辐向磁化，没有激励的时候存在保持转矩。根据不同材料制成的转子，有45，90和7.5，11.25，15，18等几种不同步进角。（3）混和式(HB型)：转子是利用能够产生轴向磁化的磁铁制造而成的，同时具备了前两种电机的优点可变磁阻式(VR型) 永久磁铁式(PM型) 混和式(HB型)图3-1 步进电机结构构造图3.1.2 步进电机的原理及术语1、步进电机是一种将电脉冲转换成角位移的执行机构。当脉冲信号发送到驱动器时，驱动器就可以使步进电机按照已经规定好的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是按照固定的角度一步一步进行的，控制脉冲数对角位移控制，从而实现精确定位的任务；也能控制脉冲数对速度和加速度进行控制，完成调速的任务。步进电机能够当做一类在控制系统中使用的特殊电机，其已被广泛地应用在各种开环控制系统中。2、步进电机静态指标术语a) 拍数：磁场周期性变化所需的脉冲数，经常使用n表示。b) 步距角：步距角的概念就是在与一个脉冲信号相对应的情况下，转子在转动的时候所转过的角位移，用来进行表示。c) 定位转矩：在电机无电状况下，电机转子本身的锁定力矩。d) 静转矩：在电机没有进行工作的情况下，能够锁定住电机转轴的锁定力矩。3、步进电机动态指标术语a) 步距角精度：电机在开始进行工作之后每一次转过一个步距角所产生的误差。利用百分比来表示：误差/步距角*100%。b) 失步： 电机在开始进行工作以后实际的运行步数，与理论值不同。 c) 最大空载起动频率：在没有负载的情况之下，能够使得电机直接进行起动工作的最大频率。 d) 最大空载的运行频率：在没有负载的情况之下，电机开始工作以后能够达到的最大的转动速度的频率。 3.1.3 步进电机的特点及应用注意事项1、步进电机的特点a) 精度是步进角的百分之三到百分之五，并且不能累积。 b) 步进电机温度太高会导致磁性材料退磁，使力矩下降甚至出现失步现象，所以磁性材料退磁点能够决定电机的最高温度；一般情况下，步进电机最高温度达到80度到90度完全没有问题。c) 力矩会随着转速的增加而不断地下降。 d) 步进电机可以低速运行，但如果超过一定的速度将不会启动，并伴随着啸叫声。2、步进电机应用的注意事项a) 步进电机应该运用在低速的场合。 b) 由于整步工作的时候振动相对来说比较大，所以步进电机在半步状态下的工作情况比较好。c) 在高速度和大惯性负载时，通过逐渐升频速度，不仅能保证不失步，并能降低噪声，提高测量精度。d) 高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决。 e) 电机不该振动区工作，在必要情况下可通过加阻尼或改变电压电流解决。 f) 原则是先选择电机再选择驱动。3.2 四相步进电机的概述3.2.1 四相步进电机工作原理该图为四相步进电机，利用单极性直流电源供电。只需对步进电机各相绕组按照相应次序来进行通电，就可以使步进电机转动。图为工作原理示意图。图3-2 四相步进电机原理图初始的时候，开关SB通电，其余开关断开，转子的0、3号齿和B相磁极将会对齐，同时， 1、4号齿与C、D相磁极产生错齿现象，2、5号齿与D、A相磁极产生错齿现象。当开关SC通电，其余断开，在C相绕组和1、4号齿之间磁力线共同作用下，转子发生转动，1、4号齿与C相磁极对齐。0、3号齿与A、B相磁极发生错齿现象，2、5号齿与A、D相磁极发生错齿现象。如此循环往复，四相绕组轮流通电，所以转子会按照A，B，C，D的方向进行不断地转动。3.2.2 四相步进电机常见工作方式根据通电次序的差别，能够分成单四拍、双四拍、八拍三种完全不同的工作方式。步距角方面单四拍与双四拍一样，然而双四拍的转动力矩大。八拍工作方式的步距角是前两种方式的一半，所以其能在保持一个相对较高的转动力矩同时也能提高工作过程中的控制精度。 单四拍 双四拍 八拍图3-3 通电次序与波形图3.2.3 步进电机的选择28ybj-48是可以使用四相八拍方式驱动的四相步进电机，工作电压为直流5V，励磁线圈如图所示的减速比为1 / 64，步距角是5.625 x 1/64，驱动方式是四相八拍。 图3-4 28YBJ-48原理图第四章 硬件设计4.1 系统框图上位机PLC驱动器步进电机直流电源图4-1 控制方案系统框图所选择的方案是对上位机的参数进行有针对性的设定,通过PLC能够输出所需要的脉冲信号,送至三极管所构成的驱动电路,通过驱动器来进行控制。4.2 电路设计图图4-2 电路设计图4.3 四相步进电机控制方式采用1-2相激磁控制的方式 1-2相激磁就是一次有一个绕组被激磁，下一次有两个绕组被激磁即A ABBB A A的循环激磁方式。如图所示。图4-3 脉冲时序图4.4 步进电机的驱动电路PLC控制步进电机的方法是专用的PLC步进驱动模块控制和通用的PLC控制两种方式，模块控制的方法具有可靠性高的优点，而通用PLC控制具有系统组成简单、成本等优点，便于广泛应用。图例是步进电机的驱动电路。图4-4 驱动电路图图中所示驱动电路是其中的一相。三极管T1起开关的作用。当三极管截止时，相当于将开关断开；当三极管饱和时，相当于将开关闭合。通过T2、T3两个三极管构成放大电路，能够使步进电机的绕组得到驱动。光电耦合器用来把控制和驱动信号进行隔离。当输入信号为低电平，T1将会截止，那么电路中最终输出的就是一个高电平的信号，所以绕组中没有电流流经；当信号输入时高电平的时候，T1就能够导通，使得驱动电路能够将电流提供给驱动晶体管的基极，使得电机的绕组能够有电流的通过。第五章 程序的设计及软件仿真5.1 西门子STEP7-Micro/WIN32 V4.0的概述 STEP7-Micro/WIN32 V4.0是基于Windows的西门子编程软件，STEP7-Micro/WIN32 V4.0是西门子公司为S7-200系列PLC设计开发而成，是一种西门子PLC用户不可或缺的工具。为了实现PLC和计算机的通讯，西门子公司提供两种不同的硬件连接方法：第一种是经由PC/PPI 电缆直接连接，第二种是通过带有MPI电缆的通讯处理器进行连接。如图所示是单一上位机与PLC直接连接，不需要其他硬件设备图5-1 硬件设备图 启动编程软件后，编程软件的主界面如下图所示。主界面可以分为6个区域。除了菜单栏之外，PLC用户可以依据自己的需要来决定其余窗口设置。图5-2 软件主界面图5.2 相应指令的介绍1、字节、字、双字和实数传送指令将字节、字、双字和实数由输入传送到输出所代指的存储单元当中进行储存。进行传送后，原先内容不变。其指令的格式分别是： MOVB IN, OUT MOVW IN, OUT MOVD IN, OUT MOVR IN, OUT图5-3 字节、字、双字和实数传送指令图2、字增和字减INCW字增指令：把一个字节长的有符号的输入数加1，输出32位有符号数。 DECW字减指令：把一个字节长的有符号的输入数减1，输出一个字节长的有符号数。图5-4字增和字减指令图3、字循环左移(RLW)和字循环右移(RRW)若所需要的移位次数=16，在循环执行之前，首先要将N除以16之后，所得余数就是实际的移动位数。若锁移位数N=0，不进行循环移位。如果移位操作的结果是0，则SM1.0会被置位。指令格式：RRW OUT，N RLW OUT，N图5-5 字循环左移和字循环右移指令图4、双字循环左移(RLD)和双字循环右移(RRD) 若所需要的移位次数=32，在执行循环位之前，先将N除以32，所得的余数就是实际的移动位数。若锁移位数N=0，不进行循环移位。如果移位操作的结果是0，则SM1.0会被置位。指令格式：RRD OUT，N RLD OUT，N图5-6 双字循环左移和双字循环右移指令图5.3 输入/输出元件及控制功能表5-1输入/输出控制表PLC软元件元件文字符号元件名称控制功能输入I0.0SB1启动按钮启动控制I0.1SB2停止按钮停止控制I0.2SA开关正反转控制输出Q0.0A相端步进电机A相Q0.1B相端步进电机B相Q0.2相端步进电机相Q0.3相端步进电机相Q0.4HL信号灯运行显示5.4程序梯形图采用1-2相激磁控制方式 四相步进电机1-2相激磁控制的梯形图如图所示。根据四相步进电机采用1-2相激磁控制方式，可将激磁波用八位十六进制数13264c89来表示。 PLC运行时初始化脉冲SM0.1将十六进制数13264c89传送到VD0中。 SM0.1将100传送到VB5中，VB5是VW4的低八位，做为T33的初始设定值。 电机启动时，按下按钮I0.0，Q0.4得电自锁，信号灯亮。Q0.4常开接点闭合执行ROL循环左移指令，定时器T33每发一个脉冲,VD0循环左移四位。也就是一位十六进制数，步进电机正转。 将开关I0.4闭合，则执行ROR循环右移指令，定时器定时器T33每发一个脉冲,VD0循环右移四位。步进电机反转。按动减速按钮I0.2，每按一次T33的设定值VW4数值加1，当大于250时，比较接点VB5=50断开。 按动按钮I0.1，Q0.4失电，信号灯熄灭。Q0.4常开接点断开，不再执行循环左、右移指令，Q0.4常闭接点闭合，将输出继电器Q0.0 Q0.3复位，电机停止。5.5 应用仿真软件对s7-200进行仿真1、在编程软件中建立一个新的文件项目来进行编程 。正确编译之后转为STL编程语言（查看（V） STL(S)）。2、对程序进行复制。对所需的仿真程序进行选择，之后点击编辑”复制”。注意：对Step 7 MicroWin V4.0的STL编程语言复制的时候，必须完整复制指令。3、打开软件，点击配置”-CPU”模型。4、在对话框中选择的CPU型号，要求与项目中的型号相同。5、点击程序（P）”-粘贴程序（OB1）”。Step 7 MicroWin V4.0中的STL程就会被粘贴到模拟软件中。6、点击PLC”-运行”， 程序就可以进行运行。图5-7 正转仿真图 图5-8 反转仿真图图5-9 停止仿真图23第六章 结 论本文介绍了PLC和步进机的发展和基于PLC的步进电机的控制过程，包括硬件、软件以及系统配置仿真等。硬件电路用西门子PLC、相干集成电路和放