毕业设计（论文）-基于S7-200 PLC和组态王步进电机升降平台步进控制

1、四川大学锦城学院课程设计 基于PLC步进电机控制基于plc的步进电机控制专业：机械电子工程 学生： 指导老师： 摘 要本设计是利用PLC做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。将以上对步进电机速度的控制，应用与升降台的控制。步进电机正转，平台向上升，步进电机反转，平台下降。低速高速的转换控制升降台的升降速度。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。其主要内容如下：了解

2、PLC控制步进电机的工作原理，掌握PLC的硬件构成，完成硬件选型，设计PLC的控制系统，用STEP 7完成PLC的编程，用仿真软件仿真。关键词：步进电机 PLC控制 电机正反转 高低速控制 升降台 升降速度目录1 导论31.1 PLC步进驱动控制系统研究和意义31.2 国内外PLC的发展32 步进电机及PLC简介42.1 步进电机简介42.1.1 步进电机的分类42.1.2 步进电机的基本参数52.1.3 步进电机的特点52.2PLC的特点63 PLC控制步进电机工作方式的选择73.1 常见的步进电机的工作方式73.2 步进电机控制原理73.3 PLC控制步进电机的方法83.4 PLC控制步进

3、电机的设计思路94 S7-200PLC控制步进电机硬件设计114.1 S7-200PLC的介绍114.1.1 硬件系统114.1.2 软元件124.2 步进电机的选择134.3 步进电机驱动电路设计144.3.1电气原理图164.4 PLC驱动步进电机165 S7-200PLC控制步进电机软件设计185.1 STEP7-Micro/WIN32概述和功能185.2 程序的编写185.3 梯形图程序设计195.4 梯形图程序206 基于S7-200PLC控制步进电机的应用266.1 设计构想266.2 升降台结构266.3 升降台控制267 总结27附录28参考文献321 导论1.1 PLC步进驱

4、动控制系统研究和意义 基于步进电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、喷绘机、工业控制系统、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围，具有了 A/D、PID、D/A、算术运算、数字量智能控制、通信联网、监控等多方面的功能，它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。PLC 作为简单化的计算机，以其可靠性高、通用性强、编程简单易学、指令系统简单、体积小、维修工作少、现场接口安装方便、易于掌握等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。PLC 控制的步进电机系统应

5、用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低 7090%，而且只占用自动线控制单元PLC <1KB的内存及35个I/O接口。特别是在大型自动线中可以使控制系统的成本明显下降。因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有便于维护。1.2 国内外PLC的发展 PLC又称可编程序控制器PC，是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机1。PLC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

6、用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、计数和算术运算、顺序控制等操作指令，并通过模拟的、数字的输入和输出，控生产过程或各种类型的机械。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，却得到了广泛应用和迅速发展，成为当代工业自动化的主要支柱之一。发展过程和产生，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、多规格、多品种、高质量和低成本的产品。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去取代它。我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器（19731979）一

7、位处理器为主的工业控制器（19791985）8位微处理器为主的可编程序控制器（1985以后）。在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。如宝钢一、二期工程就引进了500多套，还有秦皇岛煤码头、汽车厂、咸阳显像管厂等。现在，PLC在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。2 步进电机及PLC简介2.1 步进电机简介步进电机是一种将电脉冲信号转变为线位移或角位移的执行元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。步进电动机由此

8、而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的，其转子的角位移量，或者说转子走过的步数，与输入脉冲数成正比。步进电动机动态响应快，控制性能好，只需改变输入脉冲的顺序，就能方便地改变其转向。另外，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的加速度和速度，从而达到调节速度的目的。这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。由上述步进电动机的特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具有较良好的控制性能，高的控制精度，又能可靠稳定地工作。因此，在数字控制系统刚出现时，步进电动机经历过一个巨大的发展阶段5。2.1.1 步进电机的分类按其工作方式分为功率式和伺服式：功率式输出转矩较大，能直接带

9、动较大的负载；伺服式输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。按结构分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。按使用频率分为高频步进电动机和低频步进电动机。按运动方式：旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动。按工作原理：反应式（磁阻式）、永磁式、永磁感应子式（混合式）。反应式：定子上有转子、绕组由软磁材料组成。步距角小，成本低、结构简单、但效率低、动态性能差、发热大，可靠性难以保证。 永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，定子的极数与转子的极数相同。其特点是输出力矩大、动态性能好，但是电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）

10、。 混合式：混合式步进电机综合了永磁式和反应式的优点，其定子上有转子、多相绕组上采用永磁材料，转子和定子上都有多数小齿以提高步矩精度。其特点是步距角小、输出力矩大、动态性能好，但成本相对较高、结构复杂。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于制造摩擦力和精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器

11、以改变精度和效果 6。2.1.2 步进电机的基本参数1电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机生产时给出了一个步距角，这个步距角可称之为“电机固有步距角”，它不一定是实际工作时的真正步距角，真正步距角与驱动器有关。2保持转矩 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速运行时的力矩接近保持转矩。因为步进电机的输出力矩是随着速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。例如，当人们说4Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为4Nm的步

12、进电机。 3钳制转矩 钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。4步进电机的相数 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。步进电机的相数不同，其步距角也会不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的需求。如果使用细分驱动器，则步进电机的相数就变得毫无意义，用户只要在驱动器上更改细分数，就可

13、以改变步距角7。2.1.3 步进电机的特点 步进电机的特点如下：（1）步进电机没有积累误差：一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积，具有良好的跟随性。（2）电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转动一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。（3）由驱动电路与步进电动机组成的开环数控系统，既非常非常可靠、廉价又简单。同时，它也能与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。（4）步进电动机的动态响应快，易于起停、正转、反转及变速。（5）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。（6）步进电机转速不受负载大小的影响，不像普通电

14、机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合。（7）步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。（8）步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。（9）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源以及直流电源8。2.2PLC的特点通用性强，使用方便。由于PLC产品的模块化和系列化，PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后就可通过修改用户程序，快速方便地适应工艺条件的种种变化。功能性强，适用面广。现代PLC不仅具有计时、计数、逻辑运算、顺序控制等功能，而且还具有D/A

15、和A/D转换、数据处理、数值运算等功能。 因此，它既可对模拟量进行控制，也可对开关量进行控制，既可控制1条生产线、1台生产机械，也可控制1个生产过程。PLC还具有通讯联络功能，可与上位计算机构成分布式控制系统，实现遥控功能。可靠性高，抗干扰能力强。绝大多数用户都把可靠性作为选择控制装置的前提条件。针对PLC是专为在工业环境下应用而设计的，故采取了一系列软件和硬件抗干扰措施。硬件方面，隔离是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、 输出电路一般用光电耦合器来传递信号，使外部电路与CPU之间无电路联系， 有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时，还可防止外部高电压窜入 CPU模块。（4）编程方法简单

16、，容易掌握。PLC配备有易于掌握和接受的梯形图语言。 该语言编程表达方式和元件的符号与继电器控制电路原理图相当接近。控制系统的设计、安装、调试和维修方便。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的计数器等部件、时间继电器、中间继电器，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试，调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场，进行联机统调。在维修方面，PLC的故障率很低，且有完善的诊断和实现功能，一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障，就可根据PLC上发光二极管或编程器上提供的信息，快速查明原因。若是PLC本身问题，则可更换模块，快速排除故障，维修极为方便。质

17、量小、体积小、功耗低，由于PLC是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑，坚固，体积小，质量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化较理想的控制设备9。PLC控制系统既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。3 PLC控制步进电机工作方式的选择3.1 常见的步进电机的工作方式常见的步进电机的工作方式有以下三种：1.三相单三拍：ABCA图3-1 三相单三拍工作方式时序图2.三相双三拍：AB BC CA AB图3-2 三相双三拍工作方式时序图3.三相六拍：AABBBCCCA A图3-3 三相

18、六拍工作方式时序图3.2 步进电机控制原理换向：通电换向这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为ABCA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。转向：如果给定工作方式正序通电换相，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 速度：每次给步进电机发一个控制脉冲，它就转动一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转动得越快。调节发出的脉冲频率，就能对步进电机进行调速控制。 3.3 PLC控制步进电机的方法在本设计中使用PLC控制步进电机，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。三相步进电机可采用三种工作方式：三相单三拍，

19、三相双三拍，三相单六拍。这三种方式的主要区别是:电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度，六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。所以，在本课题中，我们采用三相六拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辨率最高。三相六拍步进电机是一典型径向分相、单定子、反应式伺服电机。其结构原理图与普通电机一样, 分为转子和定子两个部分, 其中定子又可分为定子绕组和定子铁芯。定子铁芯由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子

20、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

21、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, 这是三相三拍工作原理。而当AB同时通电时, 由于两个磁力的作用, 定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过1.5°，原理与三相三拍相同,从而形成三相六拍, 其通电顺序为：正转AABBBCCCA A反转AACCCBBBA A可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图。并使用PLC产

22、生各种时序的脉冲。例如：本设计采用西门子S7-200PLC控制三相步进电机的过程。图3-4 三相单六拍正向时序图3.4 PLC控制步进电机的设计思路典型的步进电机控制系统如图3.5所示：图3-5 典型的步进电机控制系统步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成线位移或者角位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，日前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不变的，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。

23、所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控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基本的电磁铁作用，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，若不改变励磁状态则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控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制脉冲频率同步的同步电动机。步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成工业控制机控制电路控制、可编程控制器控制、单片机控制等几种；按照控制结构可分为: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

24、构(软-软结构)、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构(软-硬结构) 11。图3-6 硬-硬控制结构图3-7 软-软控制结构图3-8 软-硬结控制结构4 S7-200PLC控制步进电机硬件设计步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种12。本设计选用西门子S7-200 PLC通过控制驱动器来控制步进电机。4.1 S7-200PLC的介绍S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型整体式PLC，其许多功能可达到大、中型PLC的水平，而价格却与小型PLC的一样，因此，它一经推出，就受到了广泛的关注。在2000年以前

25、，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国大部分的市场份额。在S7-200PLC推出后，这种情况得到了明显的改善，最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成为了主流产品。CPU 22X 系列具有不同的技术性能，使用于不同要求的控制系统：CPU 221：用户程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，适合用于点数少的控制系统。CPU222：和CPU221相比，它可以进行一定模拟量的控制，可以连接2个扩展模块，应用更为广泛。CPU224：和前两者相比，存储容量扩大了一倍，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，使用很普遍。CPU 226：和C

26、PU224相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。CPU226XM：它是西门子公司推出的一款增强型主机，主要在用户程序和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU 226相同。4.1.1 硬件系统S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入/输出(I/O)点，一个主机单元就是一个系统。它还可以进行灵活的扩展，如果(I/O)点不够，则可增加(I/O)扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。一个完整的系统组成如图4-1所示：图4-1 S7-200PLC系统组成主机单元：

27、主机单元，又称基本单元或CPU模块。它由CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等组成，是PLC的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。扩展单元：扩展单元，又称扩展模块。当主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。根据I/O点数不同、性质不同、供电电压不同，I/O扩展模块有多种类型。每个CPU所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因素共同决定的。特殊功能模块：当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动特殊通信模块、控制模块等。相关设备：相关设备是为充分和

28、方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有人机操作界面、编程设备和网络设备等。软件：软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对S7-200PLC来说，与之配套的软件主要有STEP7-Micro/WIN和HMI人机界面的组态编程软件Pro Tool、Win CC flexible。4.1.2 软元件用户使用的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作软元件。软元件是PLC内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。为了把这种元器件和传统电气控制电路中的继电器区别开来，把它们成为软元件或者软继电器。它们最大的特点

29、是：软元件是看不见、摸不着的，不存在物理性的触点；每个软元件可提供无限个常开触点和常闭触点；功耗低、体积小、寿命长。常用软元件有：输入继电器（I）、通用辅助继电器(M)、输出继电器(Q)、特殊继电器(SM)、局部变量存储器(L)、变量存储器(V)、顺序控制继电器(S)、计数器(C)、定时器(T)、模拟量输入映像寄存器(AI)、高速计数器(HC)、模拟量输出映像寄存器(AQ)、累加器(AC)等。4.2 步进电机的选择本设计所使用的步进电机选用的型号是75BF003的三相反应式步进电机。该型号的步矩角为1.5/3度。相电压30V，相电流4A，保持转距0.882N·m(1.2kg·

30、;cm)，引线6条，空载启动频率1250Hz，额定功率0.37kW，绝缘等级E。规格：D为75mm； D1为31mm；高H为2mm； d为8mm；E为18mm；L为60mm； D2为68mm；MS为4-M3。图4-2 75BF三相反应式步进电机尺寸三相反应式步进电机的结构如图所示。 定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。图4-3 三相反应式步进电机的结构图在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。如图

31、4.4所示：图4.4 A相通电定转子错开示意图电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由绕组通电的顺序决定。4.3 步进电机驱动电路设计步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行功率放大、环形分配，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动14。（1）本设计选用型号为SMD-340C的驱动器。SMD-340C三相步进电机驱动器是常州华音电子有限公司引进德国技术和器件生产的新一代三相反应式步进电机驱动器,具有非常好的性价比。在驱动电机过程中它以半步方式驱动步进电机。另外，SMD-340C还具有许多非同寻常的特性，能充分控制电机系统的电机械性

32、能，以获得最大工作效率。图4-5 SMD-340C型驱动器的外观图该型号驱动器的特点：15-36V直流操作电压，1.5-4A相位峰值电流(按客户要求设定)，锁相时自动减流，半步驱动，有源隔离三种输入信号(脉冲,方向，脱机)，输入信号:TTL或CMOS(5V.12V.15V.30V)。主要技术指标:表4-1名称最小值标准值最大值单位电机驱动电压123036V相位峰值电流1.534ASMD-340C型驱动器采用封闭式小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间最好涂上导热硅脂，在其旁边加一风机也是一种较好的散热办法。（2）图4.6为

33、步进电机的驱动电路。图中仅为一相的驱动电路，其余两相与之相同。在图中三极管 T1 起开关作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时， 流过的集电极电流最大， 开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由 T2、T3 两个三极管组成达林顿式功放电路， 驱动步进电机的 3个绕组，使电机绕组的静态电流达到近 2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1 截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，因此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1 饱和导通， 于是红外发光二极管被点亮， 使光敏三极管导通，向功率驱

34、动级晶体管提供基极电流， 使其导通，绕组被通以电流。 图4-6 步进电机驱动电路图4-7 驱动器接口4.3.1电气原理图4-8 正反转电气原理图按下正转启动按钮SB1，正向接触器KM1通电，KM1主触头和自锁触头闭合，电动机M正转。按下反转启动按钮SB2，正向接触器KM2通电，KM2主触头和自锁触头闭合，电动机M反转。该控制电路必须要求KM1与KM2不能同时通电，否则会引起主电路电源短路。为此要求线路设置必要的联锁环节，如图4.8 所示。将其中一个接触器的常闭触头串入另一个接触器线圈电路中，则任何一个接触器先通电后，即使按下相反方向的启动按钮，另一个接触器也无法通电，这种利用两个接触器的辅助常

35、闭触头互相控制的方式，称为电气互锁。4.4 PLC驱动步进电机西门子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。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。如图4-9所示：图4-9 控制框图环形分配程序对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分配，从而控制接到步

36、进电机三相绕组的直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次的脉冲输入。下图4-10为PLC控制接线图：图4-10 I/O接线图5 S7-200PLC控制步进电机软件设计5.1 STEP7-Micro/WIN32概述和功能STEP7-Micro/WIN32是西门子公司专为SIMATIC S7-200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于Windows的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。它的优点很明显：适用于所有SIMATIC S7-200

37、 PLC机型软件编程；同时支持STL、LAD、FBD三种编程语言，用户可以根据自己的喜好随时在三者之间切换；软件包提供无微不至 的帮助功能，即使初学者也能容易地入门；包含多国语言包，可以方便地在各语言版本间切 换；具有密码保护功能，能保护代码不受他人操作和破坏15。STEP 7-Micro/WIN提供软件工具帮助调试和测试程序。它的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能。（1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上

38、。（2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。（3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。（4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。（5）设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。5.2 程序的编写由上述具体控制要求，可做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、

39、停止和清零；模块3：位移步进控制功能模块；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：本设计希望通过控制PLC的5个开关实现以下功能：（1）选择高低步进速度； （2）正反转启动；（3）控制电机急停。程序流程图如图5-1所示：图 5-1 程序流程图5.3 梯形图程序设计本次设计要求高低速和正反转控制，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。控制步进电机的各输入开关及控制A,B,C三相绕组工作的输出端在PLC中的I/O编址如表5-1所示。表 5-1编址输入端编址输出端I0.0步进电机

40、正转启动按钮SB1Q0.0控制A相绕组I0.1步进电机反转启动按钮SB2Q0.1控制B相绕组I0.2停止及清零按钮SB3Q0.2控制C相绕组I1.0低速开关SB4I1.1高速开关SB5采用位移指令进行步进控制。每右移1位，电机前进一个步距角，据此，可做出位移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=M0.6+M0.5+M0.1B相 Q0.1=M0.5+M0.4+M0.3C相 Q0.2=M0.3+M0.2+M0.1反转时A相 Q0.0=M0.6+M0.5+M0.1B相 Q0.1=M0.3+M0.2+M0.1C相 Q0.2=M0.5+M

41、0.4+M0.3位移寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表表 5-2位移寄存器正转反转M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1ABCABC0000000000001000001001000100001101010010000100010001000110110000100010100000011011105.4 梯形图程序根据程序模块及三相绕组的控制逻辑关系，即可比拟出梯形图控制程序。经过调试，运行，该程序完全满足控制要求。图5-2 步进电机的速度选择网络1LD I1.0 EU AN I1.1 MOVW 50, VW100 网络2LD I1.1EU AN I1.0MOVW 5, VW1

42、00当低速开关SB4通电时，高速开关SB5断开把50由IN传送到OUT所指的VW100存储单元，当高速SB5开关通电时，低速开关SB4断开，把5由IN传送到OUT所指的VW100。通过调节速度开关进行高低速选择，还可改变IN输入值对高低速度值调节。图5-3正反转启动及电路保护网络3LD I0.0 O M1.0 AN I0.1 AN I0.2AN C0= M1.0 网络4LD I1.0 O M1.0 AN I0.0AN I0.2 AN C0 = M1.1 网络3按下正转启动按钮SB1，正向接触器KM1通电，KM1主触头和自锁触头闭合。网络4按下反转启动按钮SB2，正向接触器KM2通电，KM2主触

43、头和自锁触头闭合。由于电气原理图中设有电气联锁，可以保证KM1与KM2不能同时通电。图5-4通电延时定时器及高低速运行网络5LD M1.0 O M1.1 AN M2.0A I0.2 AN C0TON T33, VW100 网络6LD I0.0 O I0.1 O M1.0AN T34 A I0.2AN C0= M1.0接通延时定时器，首次扫描，定时器位为OFF，当前值为0。使能输入接通时定位器位为OFF，当前值从0开始计数时间，当前值达到预设值10ms时，定位器位为ON。图5-5发出位移脉冲网络7LD M1.0 TON T34,VW100 网络8LD T34 O M0.6= M1.0图5-6执行

44、位移及位移输出控制步进电机步进网络9LD T33 = M2.0 网络10LD M2.0 SHRB M0.0,M0.1,+6移位寄存器指令SHRB将DATA数值移入移位寄存器。梯形图中，EN为使能输入端，连接移位脉冲信号，每次使能有效时，整个以为寄存器移动1位。DATA为数据输入端，连接移入移位寄存器的二进制数值，执行指令时将该位的值移入寄存器。S_BIT指移位寄存器最低位。N指定移位寄存器的长度和位移方向，移位寄存器的最大长度为64位。N为正值表示左移位，输入数据（DATA）移入移位寄存器的最低位（S_BIT），并移出移位寄存器最高位。N为负值表示右移位，输入移位寄存器的最高位中，并移出最低位

45、（S_BIT）。根据发出的位移脉冲，执行位移移动，从而控制步进电机步进。图5-7增计数器及停止梯形图网络11LD I0.2 = M0.1 网络12 LD T33LD I0.2O C0CTU C20,100计数设定值为100个脉冲，当小于100是继续运行，超过则停止。以下三张图为各相绕组正反转通电梯形图，根据位移寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表得出。图5-8正反转A相绕组通电网络 13LD M0.1 O M0.2 O M0.6= Q0.0图5-9正反转B相绕组通电网络 14LD M0.2 O M0.3 O M0.4AN M1.1 LD M0.4O M0.5O M0.6AN M1.0OLD= Q0.1图5-10正反转C相绕组通电网络 15LD M0.1 O M0.2 O M0.3AN M1.0 LD M0.4O M0.3O M0.6AN M1.1OLD= Q0.26 基于S7-200PLC控制步进电机的应用6.1 设计构想考虑到步进电动机良好的控制和准确定位特性，以及S7-200PlC的稳定性。为了对基于S7-200PlC控制步进