PLC控制步进电机

毕业设计（论文）报告题 目:PLC控制步进电机 系 别 .专 业 .班 级 .姓 名 .学 号 .指导教师 .201X年 X 月目 录摘 要。第一章 绪论。1.1引言。第二章 方案论证比较设计。2.1 PLC技术发发展的概述。2.2 PLC技术发发展在步进电机控制中的发展状况。2.3 步进电机的发展状况。2.4步进电机的工作原理。2.5步进电机的控制和驱动方法简介。第三章 步进电机工作方式的选择。3.1常见步进电机的工作方式。3.2 控制步进电机的换向顺序。3.3控制步进电机的转向。3.4控制步进电机的速度。3.5PLC控制步进电机的设计思路。3.5.1步进电机的控制方式。3.5.2西门子PLC控制步进电机。3.6毕业设计任务。第四章S7-300直接控制步进电机硬件设计。4.1S7-300的介绍。4.1.1性能。4.1.2西门子PLC应用中要注意的问题。4.1.3主要抗干扰措施。4.1.4 I/O端的接线。4.1.5正确选择地点以完善接地措施。4.2步进电机的具体控制原理。4.3步进电机的选择。4.4步进电机驱动电路设计。4.5PLC直接驱动电机。第五章 控制系统的软件设计。5.1控制脉冲的产生。5.2步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系。5.3定位控制235.4步进电机的变数控制22第6本设计相关控制简介。第7章程序设计及调试22参考文献致辞附录摘 要本文根据传统步进电机控制中的不足和缺点，将PLC直接控制技术运用于步进电机的控制。该系统解决了传统控制技术中的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力和劳动，接口信号的匹配以及各器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大等缺点。 本文根据PLC控制步进电机的控制特点及其原理，把软件控制和硬件电路互相结合起来，形成整体的控制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。本文详细阐述了该系统中PLC（西门子）直接控制步进电机的实现方法、系统的各部件的组成、各部件的连接情况。 关键字:西门子PLC；步进电机调速； 步进电机； ABSTRACT This text treads to control into the electrical engineering according to the tradition medium of shortage and weakness, control PLC directly technique usage in tread into the control of electrical engineering. That system solved a tradition a control a technique in of the design of each parts of hard wares, choose a type and connect to match to usually need to cost a design one very big energy and labor, connect message number to match and the quality of each spare part wait to the whole system of the credibility influence to wait weakness very greatly This text treads into control characteristics and its principle of electrical engineering according to the PLC control, combining together with each other the software control and the hardware electric circuit, becoming a whole control, overcoming their weakness but developing their advantages effectively. This text elaborated that system in detail to tread and carry out each parts of the method, system and constitute into the electrical engineering in the PLC (Siemens) direct control, the conjunction circumstance of each parts. KEY WORDS：Siemens PLC; Tread into the electrical engineering adjust soon; Tread into the electrical engineering.第一章 绪 论 1.1引言近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的PLC自然成为机电一体化控制器的较佳选择。步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。微电子技术的飞速发展，带动了机械加工技术的飞速发展。而在其发展过程中，最显著的特点是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。传统的步进电机控制方式由控制器产生控制指令，环形分配器根据指令将输入的单一脉冲串，按土作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。这种方式的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力。接口信号的匹配以及儿器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。现代控制系统中，PLC作为一种广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。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直接控制。这种控制方式的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由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。第二章 方案论证比较设计 2.1PLC技术的发展概述可编程控制器(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。 2.2PLC技术在步进电机控制中的发展状况随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。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。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控制性。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复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。目前利用可编程序控制器（即 P L C 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。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。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。有以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC,使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度,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。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管,以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示2.3步进电机的发展状况永磁式步进电机一般为两相，转矩和体检较小，步踞角一般为75度或15度，多用于空调风摆上。反应式步进电机常见的有三相反应式，步踞角为15度。混合式步进电机常见的有两相、三相、四相、五相混合式。两相和四相混合式可以通用驱动器步踞角多是18度，具有体积小、大力距、低噪音的特点。五相混合式步踞角为o72度，分辨率高。但是驱动电路复杂，接线麻烦。i相混合式步踞角为12度，其拥有比两相、五相混合式更多的磁极有利于电机夹角的对称，因而比两相、五相精度更高，误差更小，运行更平稳。（二）步进电机的相关概念1、步距角步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。步距角越小，数控机床的控制精度越高。2、角特性、最大静态转矩和启动转矩矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。3、启动频率空载时，步进电机由静止突然启动，并进人不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。4、连续运行的最高工作频率步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。5、加减速步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升;同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。（三）步进电机的特征1、绕组轮流通电步进电动机工作时每相绕组不是恒定地通电，而是按一定的规律轮流通电。2、角度及速度控制角度控制时，每输人一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输人脉冲成正比。速度控制时，步进电机绕组中送人的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电、步进电机连续动转，它的转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序，即改变定子磁场旋转方向，就可以控制电机正转或是反转。3、步进电机具有自锁能力当控制脉冲停止输人，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，则电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，这样，步进电机可以实现停车时转子定位。4、动作灵敏步进电机因为加速性能优越，所以可做到瞬时起动、停止、正反转等快速、频繁的定位动作。5、开回路控制，不必依赖传感器定位步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感庇器(ENCODER、转速发电机)及位置传感器(SENSOR)，就能以输入的脉波达到速度与位置的控制。也凶其属开同路控制，所以最适合于短距离、高频度、高精度等定位控制的场合下使用。6、中低速时具备高转矩步进电机存中低速时具有较大的转矩，所以能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。7、高信赖性使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。8、体积小，功率高步进电机体积小、扭力大，在狭窄的空间内也可顺利做安装并提供高转矩输出。2.4步进电机工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(fl成正比，如两相步进电机设定为半步的情况下(电机转一圈400个脉冲);n=60f/200(转/分)步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度(俗称一步)或0.9度(俗称半步)。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度;给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成;二是驱动器(信号放大器)，它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器;三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。步进电机的速度控制是通过输人的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降;当频率增加时，速度就加快。步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。2.5步进电机的控制和驱动方法简介步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速则由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，而控制信号则由单片机产生。其基本原理如下：1、控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍_T作方式其各相通电顺序为ABCD，通电控制脉冲就必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D，进行电的通断。2、控制步进电机的转向如果给定T作方式是正序换相通电，步进电机就正转；如果按反序通电换相。步进电机就反转。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，它就再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。第三章 步进电机工作方式的选择3.1 常见步进电机的工作方式步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机),0.9度/1.8度(二、四相电机),1.5度/3度(三相电机)等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可盛源、及驱动电压)。 第三章 步进电机工作方式的选择3.2步进电机的换向顺序步进电机换方向是根据其相序的变化，如果用专用的驱动器就改变脉冲，步进电机可以灵活的换向跟它运行的多长时间是没有关系的；跟步进电机的转速有关系，跟步进电机的力矩有关系，如果转速不高可以直接换向若转速高必须通过减速才能换向。单位时间频繁换向的次数与电机的力矩大小有关,并且电机温度有一定的提高，不过没事步进电机很耐用3.3 控制步进电机的转向步进电机的转向与输入给各相绕组脉冲的先后次序有关，对于三相双三拍步进电机的控制来讲，电机正向旋转时脉冲的提供顺序为AB-BC-CA-AB，逆向旋转时提供脉冲的顺序为CB-BA-AC-CB。在进行编程的过程中，控制PLC输出脉冲的顺序，实现步进电机转向的改变。3.4 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，它就再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。3.5PLC(可编程控制器)简介（一）简介通俗地讲，可编程控制器实质上就是一台超微型计算机，其硬件结构基本与微机相同，即由微处理器(CPU)、存储器(EPROM,ROM),输人输出(1/0)模块、外围(1/0)接口、电源等组成。各部分通过总线(控制总线、地址总线、数据总线)连接而成。可编程控制器的工作方式与微机有较大的不同，它不是采用微机的中断方式，而采用循环扫描工作方式，即对程序进行反复的循环扫描，并对其逐条解释执行。如一个输出线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(常开或常闭)不会像电气继电控制中的继电器那样立即动作，而必须等到扫描到该触点时才会动作。由于扫描时间一般只有几十毫秒，其速度远高于继电器动作时间(loo.。以上)，因此两次采样之间的时间很短，对一般开关量来说可以认为没有间断采样引起的误差。可编程控制器投人运行后，要完成一系列的操作，大致分为3类:(1)以故障诊断和处理为主的操作;(2)联系现场状况的数据输人输出操作;(3)执行用户程序和服务于外部设备的命令操作。3.51 步进电机的控制方式步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速则由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，而控制信号则由单片机产生。3.52 西门子PLC控制步进电机设计中 ， 步进电机PLC控制方案其系统结构如图2所示。系统硬件部分由控制面板、PLC控制 器 、驱动器、步进电机等组成。上位机是个人计算机，作为控制面板、人机交互界面和控制软件编制环境，通过与PLC的通信，实现操作监控功能;控制器PLC发出脉冲、方向信号，通过驱动器控制步进电机的运行状态。因为设计的步进电机控制系统中要求手动盘车功能，在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴，这时要利用驱动器的脱机信号功能，使电机脱机，进行手动操作或调节;手动完成后，再将脱机信号去除，以继续自动控制。图2步进电机PLC 控制系统机构。2、硬件选型原则(1) 步进电机:步进电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小，根据负载的大小确定静力矩，静力矩一经确定根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。(2) 驱动器:遵循先选电机后选驱动的原则，电机的相数、电流大小是驱动器选择的决定性因素;在选型中，还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输人信号是共阳极或共阴极。为了改善电机的运行性能和提高控制精度，通常通过选择带细分功能的驱动器来实现，目前驱动器的细分等级有8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可达256倍细分。在实际应用中，应根据控制要和步进电机的特性选择合适的细分倍数，以达到更高的速度和更大的高速转矩，使电机运转精度更高，振动更小50(3) PLC :运用PLC控制步进电机时，应该保证PLC具有高速脉冲输出功能，通过选择具有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现。设计中，根据选型原则和功能要求，我们采用的步进图3系统1/O连接图(部分) 图4步进电机控制梯形图对于上位机接口软件的编制，选择查询方式来进行数据接收，完成一次传送过程的步骤是:执行一条输人指令，读取FIFO当前的状态，判断外设处于“准备就绪”状态或者“未准备就绪”状态，进行相应步骤程序执行。上位机向微处理器发送命令或数据时，通过ISA总线，将传输的数据锁存，同时向PLC微处理器发出中断请求。PLC微处理器响应中断请求后，接收数据。3、结 束 语利用 PLC可方便地实现对电机的速度和位置进行控制，可靠地实现各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。PLC控制方法改变控制参数相当方便，只需改变PLC程序中相应部分即可，对任何相数的步进电机都可以使用，在设计方法上简单易行，提高了控制系统的柔性和可靠性。第四章S7-300直接控制步进电机硬件设计4.1S7-300的介绍S7-300是模块化中小型 PLC 系统，它能满足中等性能要求的应用。 - 模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-300成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。 - SIMATIC S7-300变频器的应用领域包括： 专用机床 纺织机械 包装机械 通用机械工程应用 控制系统 机床 楼宇自动化 电器制造工业及相关产业 - 多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。 - 当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。SIMATIC S7-300 plc可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。 - 系统组成： 中央处理单元 (CPU) 各种CPU 有各种不同的性能，例如，台达变频器有的CPU 上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFI- BUS-DP通讯接口等。 信号模块 (SM) 用于数字量和模拟量输入/输出 通讯处理器 (CP) 用于连接网络和点对点连接 功能模块 (FM) 用于高速计数，定位操作 (开环或闭环控制) 和闭环控制。 根据客户要求，还可以提供以下设备： 负载电源模块 (PS) 用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230V AC电源。S7-300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。 SIMATIC M7自动化计算机 AT-兼容的计算机用于解决对时间要求非常高的技术问题。它既可作为 CPU，也可以作为功能模块使用。 S7-300 有两种类型： 标准型 温度范围从0到60C 环境条件扩展型 温度范围从-25C到 +60C，更强的耐受振动和污染特性。 - 通过IM365扩展，可扩展1个机架，最长1米，电源也是由此扩展提供。 - 通过IM360/361扩展，可扩展3个机架，中央机架(CR)到扩展机架(ER)及扩展机架之间的距离最大为10米。灵活布置 机架(CR/ER)可以根据最佳布局需要，水平或垂直安装。 功能- SIMATIC S7-300的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护 高速的指令处理 0.60.1ms的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算 方便用户的参数赋值 一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。 台达PLC人机界面 (HMI) 方便的人机界面服务已经集成在S7-300 操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMI)从中要求数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。操作系统自动地处理数据的传送。 诊断功能 CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件 (例如：超时，模块更换，等等)。 通讯 - SIMATIC S7-300具有多种不同的通讯接口： 多种通讯处理器用来连接AS-i接口、PROFIBUS 和工业以太网总线系统 通讯处理器用来连接点到点的通讯系统 多点接口(MPI) 集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。 - 这是一个经济而有效的解决方案；方便用户的step7的用户界面提供了通讯组态功能，这使得组态非常容易、简单。 - CPU 支持下列通讯类型： 过程通讯 通过总线(AS-i或PROFI- BUS)对I/O模块周期寻址数据通讯 在自动控制系统之间或人机界面(HMI)和几个自动控制系统之间，数据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。4.1.1 性能用户接线方便编码器和执行元件通过两个单独的20 针前连接器进行连接。 LED红色的LED 用于故障显示(组故障)绿色的LED 用于显示数字输入端的状态黄色LED 用于显示后备操作 强大的测量数据采集模块有4 个模拟输入端用于采集模拟数值和前馈控制，并用附加的一个模拟输入端用于热电偶的温度补偿 可使用不同的传感器热电偶Pt100电压传感器，电流传感器4.1.2PLC控制中要注意的问题（）温度。要求环境温度在 ，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。（）湿度。为了保证的绝缘性能，空气的相对湿度应小于（无露珠）。（）震动。应使远离强烈的震动源，防止振动频率为 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。（）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，可将安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。（）电源。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。一般都有直流 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，容易使接收到错误信息。4.1.3控制系统中干扰及其来源控制系统中干扰及其来源影响控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波，电磁波对其具有强烈的干扰。（）强电干扰。由于电网覆盖范围广，电网受到空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。（）柜内干扰。控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对造成一定程度的干扰。（）来自接地系统混乱时的干扰。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使系统将无法正常工作。（）来自系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。（）变频器干扰。一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。 主要抗干扰措施 合理处理电源以抑制电网引入的干扰对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接滤波电路。4.1.4 /端的接线（）输入接线。一是输入接线一般不要太长。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。二是输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。三是尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致。（）输出接线。一是输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压，但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。二是由于的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。三是采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。4.1.5 正确选择接地点以完善接地系统控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。（）安全地或电源接地。将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。（）系统接地。控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不得大于 ，一般需将设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。（）信号与屏蔽接地。一般要求信号线必须要有唯一的参考地。4.2步进电机的具体控制原理步进电机工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(fl成正比，如两相步进电机设定为半步的情况下(电机转一圈400个脉冲);n=60f/200(转/分)步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度(俗称一步)或0.9度(俗称半步)。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度;给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。步进电机的使用至少需要三个方面的配合，一是电脉冲信号发生器，它按照给定的设置重复为步进电机输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器或单片机来完成;二是驱动器(信号放大器)，它除了对电脉冲信号进行放大、驱动步进电机转动以外，还可以通过它改善步进电机的使用性能，事实上它在步进电机系统中起着重要的作用，一般一种步进电机可以根据不同的工况具有多种驱动器;三是步进电机，它有多种控制原理和型号，现在常用的有反应式、感应子式、混合式等。步进电机的速度控制是通过输人的脉冲频率快慢实现的。当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降;当频率增加时，速度就加快。步进电机的位置控制是靠给定的脉冲数量控制的。给定一个脉冲，转过一个步距角，当停止的位置确定以后，也就决定了步进电机需要给定的脉冲数。（五）步进电机的控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速则由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，而控制信号则由单片机产生。其基本原理如下：1、控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍_T作方式其各相通电顺序为ABCD，通电控制脉冲就必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D，进行电的通断。2、控制步进电机的转向如果给定T作方式是正序换相通电，步进电机就正转；如果按反序通电换相。步进电机就反转。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，它就再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。4.2步进电机的控制原理步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机),0.9度/1.8度(二、四相电机),1.5度/3度(三相电机)等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2