PLCS7-300步进电机开环的设计

1、基于PLCS7-300的步进电机开环设计目录目录 11 .引言 21.1 设计目的 21.2 设计过程 21.2.1 步进电机简介 21.2.2 步进电机的驱动电路 21.2.3 两相步进电机的通电方式 41.3 设计内容 52 .电路设计 63 .PLC硬件组态 64 .PLC编程元件地址分配表 64.1 线性化编程符号表 64.2 结构化编程符号表 74.3 结构化编程FC的变量声明表 75 .限制程序 85.1 线性化编程 85.2 结构化编程 215.2.1 OB1限制程序 215.2.2 FC1 限制程序 错误！未定义书签.5.2.3 FC2 限制程序 错误！未定义书签.6 .程序调

2、试说明 307 .心得体会 错误！未定义书签.08 .参考文献 错误！未定义书签.11 .引言可编程限制器是电气限制技术中的关键技术.?可编程限制器?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限制设备技术和可编 程限制器的使用、分析和设计自动生产过程中的限制电路,掌握其使用方法.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限制提出的各项要求.根据这些要 求,进彳T PLC限制系统的原理设计、 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

3、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限制系统的应用, 并培养学生决实际问题的水平,掌握系统设计的思路及方法.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限制原理.综合应用所学PLC知识设计基于PLC的步进电机开环限制系统；通过自行编程调试掌握 PLC限制系统的设计方法.1.2 设计过程1.2.1 步进电机原理简介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,转过的角度与限制脉冲的个数呈严格的正比关系.其运行速度与限制脉冲 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限制技术相结

4、合,成为比拟理想的 执行元件.步进电机主要应用于开环位置限制系统中.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局部组成.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0 ,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0的关系为：_3600n 转子齿数 n从限制

5、原理上,步进电机可以分为反响式、永磁式和混合式步进电机三大类；根据限制绕组的相 数可以分为两相、三相、四相.本课程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.1.2.2 步进电机的驱动电路本设计中用到的步进电机的驱动电路图如图1所示：二三=_,O 0,匚a三一,图1步进电动机驱动电路图中TL1TL4对应的是面板上的插孔.图中标注的 A及A, B及B分别表示步进电机的定 子的两相绕组的四个端子.1.2.3 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.两相绕组根据A-B A-B一,一

6、、 1 ,-A的次序轮流通电.每拍转子转动-转子齿距.4双四拍通电方式：每次有两相绕组同时通电,两相限制绕组按 AB-BA - A B - B A-AB的1次序轮流通电.每拍转子转动的角度与单四拍相等都是1转子齿距,但与单四拍的空间定位不重4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.假设通电方式等于8,称为半步通电方式,即按 A AB B B A A A B B B A A的次序通电.每 1 一 拍转子转动-转子齿距.8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.本课程设计采用的是双四拍的通电方式,

7、实现对两项步进电机的正反停限制的,以及可以实 现对步进电机转动角度的精确限制.1.2.4 步进电机限制方式典型的步进电机限制系统如图2所示：图2典型的步进电机限制系统步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件.在经历了一个大的开展阶段后,日前其开展趋向平缓.然而,其根本原理是不变的,即：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脉冲顺序有关.所以只要限制指令 脉冲的数量、频率及

8、电机绕组通电的顺序,便可限制步进电机的输出位移量、速度和转向.步进 电机的机理是基于最根本的电磁铁作用,可简单地定义为,根据输人的脉冲信号,每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度,假设不改变励磁状态那么保持一定位置而静止的电动机：从广义上讲,步进电动机是一种受电脉冲信号限制的无刷式直流电机,也可看作是在一定频率范围内转速与控4制脉冲频率同步的同步电动机.步进电机的限制和驱动方法很多,根据使用的限制装置来分可以分为：普通集成电路限制、单片机限制、工业限制机限制、可编程限制器限制等几种；根据限制结构可分为：硬脉冲生成器硬脉冲分配结构硬-硬结构、软脉冲生成器软脉冲分配器结构软-软结构、软脉冲生成器硬

9、脉冲分配器结构软-硬结构.1 .硬硬结构如图3所示,这种步进电机的限制驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分配 器、驱动器组成.这种限制驱动方式运行速度比拟快,但是电路复杂,功能单一.图3硬硬结构限制2 .软软结构如图4所示,这种步进电机的限制驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分配器、驱动器组成,而软件脉冲生成器和脉冲分配器都有微处理器或微限制器通过编程实现.用单片机、工业限制机、普通个人计算机、可编程序限制器限制步进电机一般均可采用这种结构.这种限制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能,但是占用CPU寸间多,给微处理器运行其他工作造成困难.图4软软结构限制3 .软硬结构如图

10、5所示,这种步进电机的限制驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分配器和硬件驱动 器组成.硬件脉冲分配器是通过脉冲分配器芯片如8713芯片来实现通电换相限制的.这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能,同时占用CPU寸间较少,用可编程限制器全部实现了限制器和驱动器的功能.在PLC中,由软件代替了脉冲生成器和脉冲分配器,直接对步进电机进行并行限制,并且由PLC输出端口直接驱动步进电机.如图3.7所示,这是一种软-软结构,脉冲生成器和脉冲分配器均有可编程序限制器程序实现.图5软硬结构限制1.3设计内容1能够实现两相步进电机以双四拍的起动和停止、正转和反转相互切换及改变转速.2当按下按钮SB1时

11、,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SB2时,步进电机以双四拍方式和 500MS/步的频率逆时针方向运行30步后停止;当按下按钮SB4时,步进电机以双四拍方式和2S/步的频率顺时针方向运行；任何时刻按下按钮 SB3,步进电机停止.2.电路设计PLC限制步进电动机硬件图设计反 SBZ ：正SB4I.TUQ4.W10g10,Q4L10.2104I0.3Q43i-国义 端 于p h子TL1TL2TL4+ A.4DC24图6限制两相步进电动机正反转及改变转速限制线路接线图3.PLC硬件组态PLC的硬件组态如表1所示：表1 PLC硬件组态表播.1旗职.订货

12、号囱件MFI地址I地址Q地址i舞I inPS 307 5ASES7 307-lEO-OAAO2CFV 315-2DF6ES7 31S-2AG10-OABUY2.043声41口工血24 Vp6ES7 3Zl-lBmZ-OAAO0. . 151D01MC247/0. 5AGES7 322-1BW1-CAA04. . .54.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:表2 PLC线性化编程符号表士符小耨0顿2(有-S7_ProlSIMA7TC 300 站点CPU 315 ZDP扁瑁看人内视图2选项假设口 W霸地时4 0昌1区电池9|全部符号三等| %?状杰真

13、骂,Will-送据类型1滓醛1TL1Q4.0OOL2TL2Q4.10OOL反舞3TL3Q4.20OOL琳目4TL4Q4.30OOL反出相5反起拼日工C.10OOL反向起动按钮6改变转速I0.3BOOL改变步道速度7停止网I0,2BOOL停止转动按钮8正起技I.0OOL正向起动按钮4.2 结构化编程符号表PLC结构化编程符号表如表 3所示：表3 PLC结构化编程符号表同-怛7程序冷一 7J3跳凰MATIE 300站悬C叩 nG-2DP3符号表编场旧插入抵选项 的口M0理圉的eq s 总电电|广,怪*曰呼空状鑫J符号匚地加凝堪类型1Q4,0BOOL2E相Q4.2BOOL3反娟目Q4. 1BOOL4

14、反B相Q43BOOL5反向起动I口,1EOOL6改登囱更I0.3BOOL1停止按钮I0.2BOOLS正向起动I0.0EOOL4.3 结构化编程FC的变量声明表PLC结构化编程FC1的变量声明表如表 4所示：表4 PLC结构化编程FC1的变量声明表内香：环lit接口iM_sjriBHggjiN_our| ,名称救据类型I注释gINO口IN?6口.1旧INI回JN2P IN3 11t=) IN4 pa- TEMP 由 OEETURllHI O U) 曰口INI IN2 3IN4BoolBoolBoolBool二工Irj.TOUTI名密数据类型i-回ABoolP b c-目D 占 TN AITT宸口

15、ECD加.1Bool EqqIL|J JU 工赠 TEMP由尹 KETIM,w iTJPLC结构化编程FC2的变量声明表如表 5所示：表5 PLC结构化编程FC2的变量声明表S.OUTJb1名称数据类型I注释 o-B均pr JBoolL回mO!3 mlBoolji与出1_| m2Boolr日m2X= in313ool理m31-日肌QBools t=l m4i- JW- TEJff13RiTUKN丁日u国A名称敕据类型性理回A i目ABool三.三1 bLJIBool卜国cuCBool,S D由.工LOUTrTEMP由,.RETUEWBw宣口D耻.15.限制程序5.1线性化编程OBI ： Mai

16、n Program Sweep (CycleJ线性化结构编程程序段广标题,按下正向启动按钮知1后,步进电机正向以5gm名陟启动,并且反正转可以互相切操,10-0正向起动按 钮“正起搦仁町.I I(s)IM0.4WIM0.5_IH0.6M0.7旧_I程序段2: A相TL评0TL3通电,延时500ms后, TL1断电,TL2通电,TL3保持逋电状态H0.0Q4.0 A相(3)IQ4.2 碓 F父IT1SSnJBOOMS -程序段3 ： A相延时拆了后；1U断电,TL4通电:TLX箱通电状态.S5T#5O0MS -TVT2S_ODTQBIECD04.0 山相 F广Q4.lJgAffi*H2ro_iM

17、O. 24沙程序段4 : E相延时MOm%TLZ胪电,TLljfi电,TL4保持通电状杰仃册.2Q4.2 Eti fit -(*Q4.3反日相F4 TAJiO. 24 4T3S ODTQSEPeeoojts-BIBCD10延时5051s后,五4断电,TL1保持逋甲状不,同时触发下T欠的循环通航55T#5O0MS -T4S.0DTS (TV BIR BCDQ4-1反啪F厂TRJ-04.0 碓 F1,M0.344MO.O-(计 04.3 反麻目T3程序段6 ：标题:接下反向启动按钮见力步进电机反向以5gm步步启动,并且正反转可以.互相切换.10*1J10.4反向起动按钮码蝴KO.O4H0. 34%

18、11程序段7 =也相TL1矛HL4通电？延时5gms后、TL1断电1 TL漉电1刀4保持通电状态.04.MOEA相T)IQ4.3成B相Ts)-IT5S_ODTS Q -TVBI -.-RECD .,程序段8 ：碓延时500皿式后,TL4断电,TL3逋电,TL2保持通电状态.12Q：_ODT5QTVBIEBCDT7S5T#500MS-延时5g喧后j II喷电1TL1通电,II3保持逋电状态.Q4. 2 睢 “TL3T4Qd.3 反E相 皿 T13程序段11 *标题!任何时候按卞停止按钮会3,都可以使步进电机停止茜动.10.2停止转动技钮停止按钮股,QW. 11NO. 2(pI瓜11W. 3I)叼

19、 1W.4I1KJ 1MO. 5/p1W.6e、I3J 1W. 7 昌|EJ 1Q4.0峙目Fl*I104*1反端FiT_104.)友啡FTu.o程序段程二标题:按下改变步进速度按钮步进电机以正向2W步启动,10.3TI1,.改变步进速度改变转速I 程序段13 ： 区相TLlftTL诵弓,画1右后,TL1断百;保持通电状态.smas -TVT9S DDTBIBCDQ4.0碗Fl e04. 2B相TsJ-Ml. 6Ml, 14SA程片段14:好目延时2耳后,TL3断电/114通电j TL2保持通电状态.Q4.0 碓 TL1TQ4A 友讨日 皿“ -(s)-S573T10SIODTS QOUT：

20、BobL-rR BCD16ML 11店 J1Q4.3“反他( R M2. 1M2. 2M2. 45.2.2 FC1限制程序fci ：标题：1IM)1IH2此2.DidSIN4tIHl*IN125255.2.3 FC2限制程序和2子程序程序段1 ：标题:当按下按钮后,矶.通电心ta324#nO靠m2#m3T 11/11711/1(k-程序段九标题:延网意后,嘶电,D通电j C保持电电状态.28程序段5：标题：回时公后,断电:A保持逋电状态,然后触发下一次的循环通电,6 .程序调试说明在PLC程序设计及调试过程中存在以下要说明的：在进行PLC线性化程序设计时,出现两个相同地址的输出时,程序只执行后

21、一个地址的输出.解决方法：通过查找资料发现西门子PLC程序中,不容许同时存在两个相同地址的输出,于是在两个相同的输出地址删去了一个,别找方法使其实现原来的功能.在进行PLC结构化程序设计时,用模块化的思想来实现在主程序中调用同一FC快来实现步进电机的正反转,这样设计更加简单,通俗易懂.并且在 FC中使用了全局变量,导致 PLC的输出 口本身的通电状态去限制 PLC的循环通电状态.在进行PLC的结构化程序调试时,一按下启动按钮,西门子PLC马上出现死机状态.解决方法：通过网上查找资料发现,没有将FC功能块下载到 PLC中,导致在主程序中一调用FC功能块就出现死机状态,故将FC功能块下载到PLC后

22、,死机状态马上解决.在限制步进电动机的正反转的限制程序中可以参加开关互锁来使电机的正反转限制可以直接切换.在步进电机正反转限制中参加比拟器、整数函数、计数器可以实现对步进电机转动步数的精确限制.7 .心得体会在为期三周的可编程逻辑限制器课程设计中,利用软硬件结合,实现对步进电机工作状态正 反停的自动限制和精确限制.通过设定不同延时计时器的数值,来改变步进电机的工作频率.对PLC的编程工作是对人的毅力和耐心的挑战,这就促使我们必须是出于兴趣使然,兴趣使我具备了足够的毅力和耐心.经过无数次失败后,当看到一个个符号按我的思路整洁的排列,PLC按我的要求有条不紊的运行时,兴趣得到了极大的满足.通过这次

23、设计实践, 我学会了 PLC的根本编程方法,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,提升了我们的工程素质,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的理解得到增强,看到了实践与理论的差距.通过合作,我们的合作意识得到增强,合作水平得到提升.上大学后,很多同学都没有过深 入的交流,在设计的过程中,我们用了分工与合作的方式,每个人互责一定的局部,同时在一定 的阶段共同讨论,以解决分工中

24、个人不能解决的问题,在交流中大家积极发言,和提出意见,同 时我们还向别的同学请教.在此过程中,每个人都想自己的方案得到实现,积极向同学说明自己 的想法,在这过程也提升了我们的表过水平.8 .参考文献1林春方.可编程限制器原理及其应用.上海交通大学出版社, 2022.2史国生.电气限制与可编程限制器技术.化学工业出版社,2022.3刘宝廷.步进电机及其驱动限制系统.哈尔滨工业大学出版社,1997.4胡建.西门子S7-300 PLC应用教程.机械工业出版社.2022.5阮友德.电气限制与PLC实训教程.人民邮电出版社,2022.6关邸可奇.PLC 西门子实用教程.电子工业出版社.20227邱道伊.

25、S7-300 / 400PLC入门和应用分析.中国电力出版社,2022.内部资料 仅供参考.SM.aC7Q .- Sy,&San, !| X ,.2 一-e-ig-8e HMJ49G = ,9 - -,.i% u gXS-EpPa 3一.-IiaH.,*IWK,-69CV,v, i-I nO9a|azaN-Ia iU. xaaW9#V .rY .5 ll,7JE6,-l uCpb-r . , 9 . ._a.u-azH XIL.一, 7JI-P- - - |.一u-L-G-IEI9-ILamio 一&,“IDaP,.1 r A 15-T.Jt6Y-UI US. nA ,16Y-UI USI-n

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