基于PLC的步进电动机控制系统

1、学号学校代码密级分类号本科毕业论文基于plc的步进电动机控制系统题 目(中、英文)control system for stepping motor based on plc摘 要步进电动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。它能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用plc控制。基于plc控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，定位精度高，参数设置灵活等优点，在工业过程控制中使用，可靠性高，监控方便。本论文详细讨论了步进电动机的工作原理以及控制方法，介绍了控制系统的设计方案及其软硬件的实现方法。应用plc控制技术，设计出一种以plc为核心的步进电机控制系统。应用step7-

2、micro/win32软件编程环境进行plc软件编程，给出了软件程序流程图和软件仿真结果。此控制系统可实现步进电机三相单三拍、三相六拍运行方式和正、反转的控制。关键词: 步进电机；plc；控制系统abstractstepping motors is a signal into electrical impulses into linear displacement or angular displacement executive components. it can directly will digital pulse signals are converted to angular di

3、splacement, very suitable for adopting plc control. based on plc control of stepping motor is simple in design, realization convenient, higher precision, parameters settings, flexible, and other advantages in industrial process control is used, high reliability, monitoring is convenient. this thesis

4、 discussed in detail the stepping motor control method, working principle and control system is introduced and its software and hardware design scheme of the realization method. plc control technology, designed a plc as the core of the stepping motor control system. applied micro/step7 - win32 softw

5、are programming environment, and gives the plc software programming software program flowchart and software simulation results. the control system can realize step-motor three-phase single three clap, three-phase three-phase six-step double three clap, clap operation mode and positive, the reversal

6、of the control. key words: step motor; programmable logic controller; control system目 录1 引言12 步进电机工作原理及其控制方法12.1 步进电机简介12.2 步进电机的分类12.3 步进电机工作原理22.4步进电机运行方式33 步进电动机控制系统原理和组成43.1 步进电机控制方法43.2 控制系统的组成53.2.1 步进电动机控制系统结构53.2.2 步进电动机运行控制方式实现64 控制系统硬件的设计64.1 cpu224的简介64.2 输入/输出端子地址分配75 控制系统的软件设计95.1 西门子pl

7、c cpu224常用编程软元件的功能及使用方法105.2步进电机控制系统的编程实现115.2.1 运行控制方式选择115.2.2 三相单三拍运行方式的实现125.2.3三相六拍运行方式的实现136 实验136.1 软件调试步骤和方法136.2 实验结果147 结论14参考文献16附 录17谢 辞21iii咸阳师范学院2011届本科毕业论文1 引言步进电动机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其作用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移1。步进电动机可以实现信号变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件，如在数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制等场合都有应用。步进电动机的角位移或线

8、位移与脉冲数成正比，其转速n或线速度v与脉冲频率f成正比。在负载范围内，这些关系不因电源电压、负载大小以及环境条件的波动而变化。因而适用于在开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。本文的较详细地讲述了三相步进电动机的原理和多种工作方式,通过用plc编程实现对电动机的驱动,为进一步在实践中应用打下较好的基础.2 步进电机工作原理及其控制方法2.1 步进电机简介 步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受脉冲负载变化

9、的影响。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。可以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2。在同一相脉冲持续输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态。因此步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，实现循环性运动,所以特别适合于plc控制。2.2 步进电机的分类按其励磁方式分反应式、永磁式和永磁感应式三种：(1) 反应式步进电动机：采用高导磁材

10、料构成齿状转子和定子，其结构简单，启动和运行频率高，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差，消耗功率较大，断电后无定位力矩。反应式步进电动机是在实际中应用最多的一种步进电动机。(2) 永磁式步进电动机：转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。消耗功率小、断电时有定位力矩，但步距角较大、启动和运行时频率较低并需要正负电源供电。(3) 永磁感应式电动机：其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。兼有前两种电动机的优点，步距角小，出力大，动态性能好，

11、结构简单，但需要正负电源供电。在计算机相关的设备中多用此类电机3。按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。2.3 步进电机工作原理永磁式步进电动机和感应式永磁步进电动机的基本原理与反应式步进电动机相似，现以最常用的反应式步进电动机为例来分析其工作原理与运行方式。反应式步进电机的定子和转子均由硅钢片叠成。其定子相数m一般为2、3、4、5、6，定子磁极个数为2m，每个磁极上套着该相控制绕组。图1是一台三相六极反应式步进电动机，其定子上有六个极，每极上都绕有线圈，并将相对的极上的绕组连在一起组成电机的一个相。转子圆周上均匀的分布4个齿且齿上无绕组。当a相绕组通电时，因磁通总是要沿着磁阻最小的路径

12、闭合，故使转子齿l、3和定子极a相对齐，如图1（a）所示。a相断电，b相绕组通电时，转子将在空间转过角，30，使转子齿2、4和定子极b相对齐，如图1（b）所示。如果再使b断电，c相绕组通电时，转子又将在空间转过30角，使转子齿l、3和定子极c相对齐，图1（c）所示。如此循环往复，并按abca的顺序通电，电动机便按一定的方向转动。电动机的转速由绕组与电源接通或断开的变化频率控制。若按acba的顺序通电，则电动机反向转动。图1 三相单三拍步进运行定义每个小齿所占有的角度为齿距角： （2-1）式中 转子的齿数电动机定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角。上述通电

13、方式称为三相单三拍。“单”是指每次通电时，只有一相绕组通电；“三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。三拍为一个循环，一个循环转一个齿距角，显然，在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角应为30。每输入一个电脉冲信号，步进电动机转子所转过的角度称为步距角 （2-2）式中：n步进电动机中通电循环的拍数；步进电动机转子的齿数； 三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还经常以三相双三拍和三相六拍的方式运行，“双”是指每拍是两相绕组通电。三相双三拍运行方式有：abbccaab（正转）或accbbaac（反转）；三拍为一个循环，一个循环转一个齿距，其步距角和齿距

14、角与三相单三拍运行方式相同。但是，双三拍的每一步平衡点，转子受到两个相反方向的转矩而平衡，振荡弱，稳定性好。三相双三拍方式运行即每次通电有两相绕组通电，其步距角为30。三相六拍的通电顺序为：aabbbcccaa或为aacccbbbaa。也就是说，先接通a相绕组，转子齿l、3和定子极a相对齐，如图1（a）所示；接着再同时接通a、b相绕组，转子的位置应使a，b两对磁极所形成的两路磁通，在气隙中所遇到的磁阻达到同样的最小，此时a，b两极与转子齿相互作用的磁拉力的大小相等且方向相反，转子将在空间转过/2角即15，如图2（a）所示；然后断开a相绕组，使b相绕组单独接通，如图1（b）所示；再同时接通b、c

15、相绕组，如图2（b）所示，依此进行。在这种通电方式时，定子三相绕组需经过六次切换才能完成一个循环，故称为“六拍”，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时又为两个绕组同时接通，因此亦称为“三相单、双六拍”。在这种通电方式时，三相步进电动机的步距角应为15，其具有带负载能力增加的优点9。图2 三相双三拍步进运行3 步进电动机控制系统原理和组成3.1 步进电机控制方法根据步进电机的工作原理，可知步进电机的角位移量与控制脉冲的个数成正比，角速度与控制脉冲的频率成正比，旋转方向与各相绕组通电顺序有关。因此步进电机的驱动电路，必须能控制步进电机各相励磁绕组电信号的通电断电变化频率、脉冲数和通电顺序。步进电

16、机的控制方式 如果通过按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字脉冲角度的转换10。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比。转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向与脉冲顺序有关。以转子带有四个齿的三相步进电机为例，列表说明步进电机的控制原理。表3-1 三相单三拍方式三相绕组正转反转abcabct1100001t2010010t3001100表3-2 三相双三拍方式三相绕组正转反转abcabct1110101t2011011t3101110表3-3 三相六拍三相绕组正转反转abcabct1100100t2110101t3010001t4011011t5001010t61011

17、10注意：t1-t6表示脉冲周期；a、b、c表示电机各相；1表示此时有一个脉冲（对应电机绕组接通），0表示没有脉冲（对应电机绕组断开）。3.2 控制系统的组成3.2.1 步进电动机控制系统结构plc控制器脉冲控制输出驱动电路指 令电 源步进电机负 载图3 步进电机控制系统结构框图步进电机控制系统结构图如图3所示，各个部分的功能如下：(1) plc控制器：将plc与外接开关连接。它根据指令将脉冲按一定的顺序加在功率放大电路的控制极上来控制步进电机各相绕组的通断，以实现电机的速度、正转与反转控制，这是整个控制系统的核心。(2) 驱动电路：由于plc输出的电流只有几毫安，而一般的步进电机需要几安到几

18、十安的电流。因此只有plc的输出信号进行适当的放大才能去驱动步进电机。步进电动机驱动电路实际上是一个功率开关电路，可使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作，提供的足够功率的控制信号。3.2.2 步进电动机运行控制方式实现在步进电动机的plc控制中， 控制信号由plc产生。其基本控制作用如下12。(1) 步距角度的控制三相步进电动机不同的工作方式下，其步距角也是不同的。当为三相单三拍的工作方式时，其各相通电的顺序为a -b -c -a，当为三相六拍工作方式时，其各相通电的顺序为a-ab-b-bc-c-ca-a。根据本文中公式2-2可知，单三拍工作方式下，步距角大，而六拍工作方式下，步距角小。

19、 (2) 控制电动机的转向通过前面介绍的步进电动机原理我们己经知道，如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转;如果按反序通电换相，则电动机就反转。 例如，三相步进电 动机在单三拍方式， 通电换相正序是a -bc-a ，电动机正转; 如果按反序a-c-b-a ，电动机就反转。 (3) 控制电动机的速度如果给步进电动机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一个角度。两个脉冲间隔时间越短， 步进电动机就转的越快。 因此， 输出脉冲的频率决定了步进电动机的转速。调整plc发出的脉冲频率，就可以对步进电动机进行调速。4 控制系统硬件的设计控制系统硬件的核心是可编程控制器（plc），p

20、lc选用西门子公式的整体式cpu224，其具有可靠性高、功能强、体积小等优点。4.1 cpu224的简介 电源中央处理器（cpu）用户程序存储器系统程序存储器特殊扩展单元i/o扩展单元输入单元用户输入设备外设接口输出单元用户输出设备i/o扩展接口编程器上位计算机eprom写入器可编程终端ptplc图4 整体式plc的组成示意图西门子cpu224是一种整体式的plc，其组成示意图如图4所示。整体式机构的plc是将中央处理单元（cpu）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、i/o端口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的i/o扩展单元等与主机配合使用。整体机结构紧凑、体积小，小型机和微

21、型机常采用这种结构。西门子cpu224是s7200系列plc中的典型产品，它的基本单元有14个开关量输入口和10个输出口，最大可连接7个扩展模块，能够方便地处理开关量、模拟量，并具有7个pid回路控制功能。cpu224具有很强的功能，如自带高速计数器、自带通信接口、具有脉冲输出功能、具有实时时钟、能进行浮点运算等。此外，cpu224允许在程序中立即读写输入、输出口，允许在程序中在使用中断、设置停止模拟数字量输出状态，可以允许为数字量及模拟量输入加滤波器，还具有窄脉冲捕捉功能，为复杂的工业控制提供了方便。4.2 输入/输出端子地址分配 为了实现步进电机速度、正转、反转、三相单三拍和三相六拍等多种

22、运行方式的控制，需要7个输出控制信号，因此输入端子的选用为i0.0、i0.1、i0.2、i0.3、i0.4、i0.5、i0.6。其中i0.0为启动按钮，i0.1为停止按钮，i0.2至i0.6是控制电动机运行方式的选择，其中i0.2与i0.3是控制正、反转的选择；i0.4是控制单三拍运行方式，i0.5是控制六拍运行方式；i0.6是对速度的选择。输出端子地址为q0.0、q0.1、q0.2，控制三相步进电机绕组的接通和断开，实现步进电机的运行。当它们为1时与其对应的相就为通电状态。具体地址分配如表4-1所示，相应的硬件电路如图5所示。表4-1 cpu224输入/输出端子地址的分配输入信号输出信号名称

23、输入端子名称输出端子启动i0.0步进电机a相绕组q0.0停止i0.1步进电机b相绕组q0.1正转i0.2步进电机c相绕组q0.2反转i0.3单三拍运行方式i0.4六拍运行方式i0.5速度选择i0.6图5 步进电机的plc控制系统io接线图 驱动电路如图6所示：图6 步进电动机的驱动电路驱动电路原理如下：当给plc输出端给r3电阻输入一个高电平时，t1的发射结由于争相偏置导通，t1的集电结也导通，光耦的发光二极管导通并发光，光电三极管将光能再转换为电能，连接24v的r4、r5回路导通，r4和r5别分压使t2基极电压降低，t2发射结导通，同时t2的集电结也导通，三相步进电机绕组l1通电。如果plc

24、输出端为低电平则l1绕组不能通电或者通电变为断电。5 控制系统的软件设计控制系统软件部分是控制系统能否成功应用的关键。软件包括两个部分,一部分是系统软件,另一部分是应用软件。前者是可编程控制器本身所具有的，由plc生产厂家所编写并固化在plc设备中。后者是针对具体控制过程而编制的，它决定控制系统是否能满足技术要求以及系统使用的难易程度。本控制系统应用软件部分的核心内容是定时器应用控制。本控制系统的应用编程软件使用的是step7-micro/win32（德国西门子公司为其产品专门设计的一种编程语言），其可在个人计算机上提供西门子s7200系列plc的编程环境。有梯形图（lad）、语句表（stl）

25、和功能块图（fbd）三种程序编辑器供用户选择。计算机与plc通过pc/ppi编程电缆相连，通过计算机上的step7-micro/win32软件控制可以实现程序的输入、编辑、检索功能，也可以在线作系统监控及故障检测。同时也可以方便地实现程序的上载及下载。除了应用程序的编辑外，还可用于系统配置，如设定通讯有关的参数等5。应用软件的编程是通过对plc中的软元件（软继电器）操作来实现的。应用程序在编程中采用模块化结构，使各动作互不干扰。本部分的动作正确与否关系到控制过程能否准确完成。控制中所有的操作按钮的信号均要通过plc输入接口电路转换成plc可接收的信号。而cpu处理后的信号需通过输出接口电路转换

26、成控制现场需要的信号以驱动继电器等执行元件来控制设备的运行。5.1 西门子plc cpu224常用编程软元件的功能及使用方法用户使用的plc中的每一个输入/输出、内部存储单元、定时器和计数器等都称为软元件，也称为软继电器。plc的编程软元件实质上为储存单元，每个单元都有唯一的地址。为了方便不同的编程功能需要，储存器单元作了分区，因此，也就有了不同类型的编程软元件。编程时，用户只需要记住软元件的地址即可。每一软元件都有一个地址与之相对应，软元件的地址编排采用区域号加区域内编号的方式。即plc内部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，包括输入/输出继电器区、定时器区、计数器区、特殊继电器区等，分别

27、用i、q、t、c、sm等来表示15。(1) 输入继电器（i0.0i15.7）输入继电器和plc的输入端子相连，是专设的输入过程映像寄存器，用来接受外部传感或开关元件发来的信号，但机器读取这些信号时并不影响这些信号的状态。当外部的开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。 输入继电器一般采取八进制编号，一个端子占有一个点。编程时注意输入继电器不能由程序驱动，其触点也不能直接输出带动负载。(2) 输出继电器（q0.0q15.7）输出继电器是plc向外部负载发出控制命令的窗口，是专设的输出过程映像寄存器。输出继电器的外

28、部输出触点接到输出端子上，以控制外部负载。输出继电器的外部输出执行器件有三种：继电器、晶体管和晶闸管。当通过程序使得输出继电器线圈得电时，plc上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。(3) 内部标志位（m0.0m31.7）内部标志位也称位存储区。在逻辑运算中经常需要一些存储中间操作信息的元件，它们并不直接驱动外部负载，只起中间状态的暂存作用，类似继电器接触器系统中的中间寄存器，多以位为单位使用。(4) 特殊标志位（sm0.0m549.7）有些辅助继电器具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息，称其为特殊继电器。用户可以

29、通过特殊标志来沟通plc与被控对象之间的信息，如可以读取程序运行过程中的设备状态和运算结果信息，并利用这些信息实现一定的控制动作。用户也可以通过直接设置某些特殊继电器位来使设备实现某些功能。(5) 定时器（t0t255）plc中的定时器的作用相当于时间继电器。每个定时器有一个16bit的当前值寄存器及一个状态bit，称为t-bit。定时器的计时过程采用时间脉冲计数的方式，其时基增量（分辨率）分为1ms、10ms、100ms。使用时要提前输入时间预设值，当定时器的输入条件满足时开始计时，其值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作，利用定时器的触点就可以实现延时

30、控制。(6) 计数器（c0c255）计数器用来累计输入脉冲的个数，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。定时器的设定值由程序赋予，具有加计数器、减计数器和加减计数器三种类型。当定时器输入触发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升沿（正跳变）的次数；当计数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。(7) 变量寄存器（vb0vb5119）变量存储区存储是具有较大容量的变量寄存器。用于存储程序执行过程中控制逻辑的中间结果，也可用来保存与工序或任务相关的其他数据。在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。(8) 顺序控制继电器（s0.0s31.7）顺序控制控制继电器也称为

31、状态元件。顺序控制继电器用在顺序控制或步进控制中。其通常与顺序控制指令lscr、scrt、scre结合使用来实现顺控流程的方法即sfc(sequential function chart)。5.2步进电机控制系统的编程实现控制软件主要包括：运行控制方式选择、三相单三拍运行方式的实现、三相六拍运行方式的实现等三部分程序。5.2.1 运行控制方式选择步进电机运行方式的主要流程如图7 所示 。首先进行速度的选择，对照表1，判定i0.6是否为1，若为1则为转速快的运行方式，若不是，则为转速慢的运行方式。如果为转速慢的运行方式，判定i0.0是否为1，为1则启动。启动后判定运行工作方式，在i0.2=1的情

32、况下，为正向运转，当i0.4=1时为正向单三拍运行方式；当i0.5=1时，为正向六拍运行方式。在i0.3=1的情况下。为反向运转，当i0.4=1时为反向单三拍运行方式；当i0.5=1时，为反向六拍运行方式。若为转速快的运行方式，判定原理同上。 图7 步进电机运行仿真控制流程图5.2.2 三相单三拍运行方式的实现 图8 三相单三拍运行方式的实现 三相步进电动机的单三拍运行方式又分为正转单三拍工作方式和反转单三拍工作方式。当开关处于开启状态时，正转单三拍工作方式其各相通电的顺序为abca;反转单三拍工作方式其各相通电顺序为acba。通电顺序必须严格按照其顺序分别控制各相的通电与断电，具体流程图如图

33、8所示。5.2.3三相六拍运行方式的实现 图9 三相六拍运行方式的实现三相六拍运行方式又分为正转六拍工作方式和反转六拍工作方式。当开关处于开启状态时，正转六拍工作方式其通电顺序为aabbbcccaa;反转六拍工作方式其通电顺序为aacccbbbaa。通电顺序必须严格按照其顺序分别控制各相的通电与断电，具体流程如图9所示。6 实验6.1 软件调试步骤和方法打开step-7 micro/win32，建立新的文件，进入程序编辑窗口。根据控制要求编写出程序。在实验台上进行连线，具体按照3.1硬件连接说明连线。对程序进行编译及改错后，将程序下载至plc中。把plc运行模式选择开关置于“term”模式上。 利用程序控制plc程序运行，并将“调试”菜单下的“程序状态”打开，进行程序的调试和监控。图8中蓝色的方块表示的是能流为“on”，即定时器t38为“on”，输出继电器q0.2被置位，状态为“on”，内部标志位m3.0为“on”，驱动定时器t39工作，边框变绿。t39左边的数字表示定时器的当前值，pt前面的值表示定时器的设定值，当当前值大于等于设定值时，定