西门子PLC课程设计三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试

1、1 机电工程学院机电工程学院 课课程程 设设计计说说明明书书 设计题目设计题目: : 三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试 学生姓名：学生姓名： 谢京波谢京波 专业班级：专业班级： 机制机制 f0904f0904 学学 号：号： 200948050602 指导教师：指导教师： 王宗才王宗才 2012 年年 12 月月 08 日日 内容摘要内容摘要 步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点,所以常用作工业过程控制及仪 器仪表的控制元件。目前,比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电 机。但采用单片机控制, 不仅要设计复杂的控制程序和 i /

2、o 接口电路, 实现比较麻烦, 而且对工业现场的恶劣环境适应性差, 可靠性不高。 使用 plc 可编程控制器实现三相六拍步进电动机驱动，可使步进电动机东芝的抗干扰 能力强，可靠性高，同时，由于实现了模块化结构，是系统结构十分灵活，而且编程 语言简短易学，便于掌握，可以进行在线修改，柔性好，体积小，维修方便。 本设计是利用 plc 做三相六拍步进电动机的控制核心，用按钮开关的通断来实现 对步进电机正,反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。其次可以通过对按钮 的控制来实现对高，低速度的控制。充分发挥 plc 的功能，最大限度地满足被控对象 的控制要求，是设计 plc 控制系统的首要前提，这也

3、是设计最重要的一条原则。本设 计更加便于实现对步进电机的制动化控制。 关键词关键词：plc 控制;三相六拍;步进电动机;电机正反转 目目 录录 引引 言言.1 第第 1 1 章章 步进电动机和步进电动机和 plcplc 简介简介.2 1.1 步进电动机 .2 1.1.1 三相六拍步进电动机.2 1.2 plc 简介 .3 1.2.1 可编程控器概述.3 1.2.2 可编程控制器的定义 .3 1.2.3 plc 的特点.3 第第 2 2 章章 三相六拍步进电动机控制程序的设计三相六拍步进电动机控制程序的设计.5 2.1 控制程序流程图及软件模块.5 2.2 梯形图程序设计 .7 2.2.1 cp

4、u 的选择.7 2.2.2 输入输出编址.7 2.2.3 状态真值表.7 2.3 梯形图程序.8 2.4 三相六拍步进电机控制语句表 .12 2.5 程序的运行及调试 .14 2.6 i/o 接线图.16 结结 论论.17 设计总结设计总结.18 谢谢 辞辞.19 参考文献参考文献.20 0 引引 言言 1.课课 题题 内内 容容 用 plc 控制三相六拍电动机，控制要求如下： 1.三相步进电动机有三个绕组：a,b,c, 正转通电顺序为：aabbbcccaa 反转通电顺序为：acacbcbaba 2.要求能实现正，反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。 3就有两种转速： 1 号开关合上，

5、则转过一个步距角需 0.5 秒。 2 号开关合上，则转过一个步距角需 0.05 秒。 4要求步进电动机转动 100 个步距角后自动停止运行。 2.课题要求课题要求 1列出输入输出点分配表； 2画出 plc 的输入输出设备的接线图； 3.利用 step7-micro/win32 软件完成梯形图，指令表的程序设计与调试； 4完成课程设计说明书。 3 3. .设设计计思思想想 步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率高低实现的。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。还可以用过频率 的改变来提高步进电机的位置精度。 以移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好

6、的满足上述设计要求。 1 第第 1 章章 步进电动机和步进电动机和 plc 简介简介 1.11.1 步进电动机步进电动机 步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角移位或直线移位的开环执行元件。 给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称为该步进电 机的步距角。当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过一个步距角。以 此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。步进电机的使用需要电脉 冲信号发生器的配合，它按照给定的设置重复喂为步进点输送电脉冲信号，目前这 种信号大多数由可编程控制器 (plc)或单片机来完成。 1.1.1 三相六拍步进电动机三相六拍步进电动机 三相

7、六拍步进电机是一典型单定子、径向分相、反应式伺服电机。其结构原理图 它与普通电机一样, 分为定子和转子两部分, 其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定 子铁芯由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子铁芯上, 六个均匀分布齿上的线圈, 在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起, 构成一相控制绕组。三相步进电机可 构成三相控制绕组, 若任一相绕组通电, 便形成一组定子磁极。在定子的每个磁极上, 即定子铁芯上的每个齿上开了五个小齿, 齿槽等宽, 齿间夹角为 9, 转子上没有绕组, 只有均匀分布的个 40 小齿, 齿槽也是等宽的, 齿间夹角也是, 与磁极上的小齿一致。此 外, 三相定子磁极上的小齿在空间

8、位置上依次错开 13 齿距,。当 a 相磁极上的小齿与 转子上的小齿对齐时, b 相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮 13 齿距角, c 相磁极 齿超前或滞后转子齿 23 齿距角。 三相六拍步进电机的工作原理；当a相绕组通电时, 转子的齿与定子aa上的齿对齐。 若a相断电, b相通电, 由于磁力的作用, 转子的齿与定子bb上的齿对齐, 转子沿顺时针 方向转过3, 如果控制线路不停地按abca的循环顺序控制步进电机绕组的通电、 断电, 步进电机的转子便不停地顺时针转动, 这是三相三拍。而当ab同时通电时, 由于 两个滋力的作用, 定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过1.5，原理与三相三拍 相

9、同,从而形成三相六拍, 其通电顺序为： 2 1.21.2 plcplc 简介简介 1.2.1 可编程控器概述可编程控器概述 可编程控制器(programmable controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制 应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，简称 plc，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这 种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制 器，简称 pc。但是为了避免与个人计算机(personal computer)的简称混淆，所以将可 编程控制器简称

10、 plc。 1.2.2 可编程控制器的定义可编程控制器的定义 可编程控制器简称 pc（英文全称：programmable controller） ，它经历了可编程序 矩阵控制器 pmc、可编程序顺序控制器 psc、可编程序逻辑控制器 plc（英文全称： programmable logic controller）和可编程序控制器 pc 几个不同时期。为与个人计算机 （pc）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 1987 年国际电工委员会（international electrical committee）颁布的 plc 标准草案 中对 plc 做了如下定义： “plc 是一种专门

11、为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采 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。 ” 1.2.31.2.3 plcplc 的特点的特点 1.可靠性高，抗干扰能力强 plc 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的 少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的 故障大为减少。 高可靠性是电气控制设备的关

12、键性能。 plc 由于采用现代大规模集成电路技术， 采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 例如三菱公司生产的 f 系列 plc 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 cpu 的 plc 的平均无故障工作时间则更长。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， 3 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

13、诊断保护。这样， 整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2.硬件配套齐全，功能完善，适用性强 plc 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标 准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活 方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。plc 的安装接线也很方 便，一般用接线端子连接外部接线。 plc 有较强的带负载能力，可直接驱动一般的 电磁阀和交流接触器，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 大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

14、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。 3.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，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编 程语言易于为工程技术人员接受。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。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控 制打开了方便之门。 4.系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造 plc 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

15、这种编程方法很有规律，很容易 掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要 少得多。 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 设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经 过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5.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，仅相当于几个继电 器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于 150g，功耗仅数瓦。因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。 4

16、第第 2 章章 三相六拍步进电动机控制程序的设计三相六拍步进电动机控制程序的设计 2.12.1 控制程序流程图及软件模块控制程序流程图及软件模块 由上述具体控制要求，可作出步进电机在启动运行时的程序框图，如下图所示。 以工作框图为依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分成4个模块进行 编程，即模块1：步进速度选择：模块2：起动，停止和清零;模块3：移位步进控制功 能模块；模块4：a,b,c三相套组对象控制。然后，在将模块进行连接，最后经过调试， 完善，实现控制要求。 控制程序流程图见下页图2.1。 5 图 2.1 控制程序流程图 6 2.22.2 梯形图程序设计梯形图程序设计 2.2

17、.12.2.1 cpucpu 的选择的选择 本次设计要求正反转和高低速控制共五个输入接口，控制a,b，c三相绕组三个输 出接口，所以选用cpu221,六个输入，四个输出满足控制要求。 2.2.22.2.2 输入输出编址输入输出编址 控制步进电机的歌输入开关及控制a,b,c三相绕组工作的输出端在plc中的i/o地址 分配表如表2-1所示。 表 2-1 i/o地址分配表 控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码 步进电机正转启动按钮常开按钮 sb1i0.0 步进电机反转启动按钮常开按钮 sb2i0.1 停止及清零按钮常开按钮 sb3i0.2 低速开关常开按钮 sb4i0.4 输入信号 高速开关常开

18、按钮 sb5i0.5 控制a相绕组 q0.0 控制b相绕组 q0.1 输出信号 控制c相绕组 q0.2 2.2.32.2.3 状态真值表状态真值表 采用移位指令进行步进控制。每右移1位，电机前进一个步距角，据此，可作出移 位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，从而得出三相绕组的控制逻 辑关系式。 正转时： a相 q0.0=m0.5+m0.4+m0.0 b相 q0.1=m0.4+m0.3+m0.2 c相 q0.2=m0.2+m0.1+m0.0 反转时： a相 q0.0=m0.5+m0.4+m0.0 b相 q0.1=m0.2+m0.1+m0.0 c相 q0.2=m0.4+m0.3+m0

19、.2 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表如下表所示： 7 表2-2 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表 移位寄存器正转反转 m0.5m0.4m0.3m0.2m0.1m0.0abcabc 000000000000 100000100100 010000110101 001000010101 000100011011 000010001010 000001101110 2.32.3 梯形图程序梯形图程序 simatic s7-200系列是西门子公司的可编程控制器，这一系列产品可以满足多种 多样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大 的指令，使得s7-

20、200 plc可以满足小规模的控制要求。此外，丰富的cpu类型和电压等 级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。 根据程序模块及三相 绕组的控制逻辑关系，可绘出梯形图控制程序。程序如下： 8 9 10 11 2.42.4 三相六拍步进电机控制语句表三相六拍步进电机控制语句表 12 13 2.52.5 程序的运行及调试程序的运行及调试 1、启动s7_200模拟软件，配置cpu型号为221，如下图所示： 图2.2 运行1 2、载入程序，启动软件，打开监控，如下图所示： 图2.3 运行2 14 3、高速正转运行正常，如下图所示： 图2.4 运行3 4、低速正转运行正常，如下图所示：

21、图2.5 运行4 15 5、c20计数100拍后自动停车，如下图所示： 图2.6 运行5 2.62.6 i/oi/o 接线图接线图 plc接线图如下图所示： 图2.7 i/o接线图 16 结结 论论 在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于cpu对程序的串行扫描 工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个多 扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求 的基础上，应使程序尽量简捷、紧凑。另一方面，同一个控制对象，根据生产的工艺 流程的不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即 要求程序有较好的柔性

22、。以移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好地满足 上述设计要求。步进电机的控制程序设计，可有多种方法，比如，用顺控指令 (scrscrt、scre)编程，程序没有复杂的逻辑关系，设计比较方便，但由于每一次步进 切换都须经过对状态的开始、转换和结束处理，会令程序的网络数大大增加 ；或可用 许多的定时器实现各步距角的时间控制，以及变速时间间隔的设置等，则程序冗长、 松散；也可以用定时器结合比较指令控制各步进时段，但会使各网络变得复杂，彼此 之间的逻辑关系不甚清晰，程序也会比较长。而以移位指令作为步进控制的主体编程， 获得的程序简捷、清晰，且程序模块间的逻辑关系十分明确。 以移位指令作为步进控

23、制主体编程的另一长处就是程序的柔性好，非常容易修改。 如果要求电机在运行过程中步进速度可任意加、减，而不是仅有三档速度，此时任何 变速实际上只是改变移位指令的执行速度，即改变移位脉冲的发生周期(vwl00)，其他 所有网络均可不变。 17 设计总结设计总结 机电传动与控制是一门侧重应用方向的学科。所以要多一点实践。不要看不起小 的项目，在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。 在学完 plc 理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组同 学的题目也都不相同。我做的是三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试。由于平 时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通 过各方面的查资料并学习。我们基本学会了 plc 设计的步聚和基本方法。分组工作的 方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。 通过这次设计实践。我学会了 plc 的基本编程方法，对 plc 的工作原理和使用方 法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践 设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想 出来的程序与到 plc 中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求 的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对 plc