本论文主要阐述了五相

1、19/20摘 要 本论文主要阐述了五相十拍步进电动机控制领域中的应用，其中可编程控制器是工业自动化设备的主导产品，具有控制功能强，可靠性高，适用于不同控制要求的各种控制对象等优点，其工作原理，设计和使用方法为电气和机电类专业必修课程的学习内容。 本设计涉及的内容有：步进电动机的硬件驱动过程、五相十拍步进电动机的PLC软件实现等。通过对硬件软件的结合，从而实现电动机的正反转控制。PLC是现代工业自动控制的一种通用计算机,但其工作方式与微机控制系统不同，与继电接触器控制系统也有本质的不同。PLC应用系统设计包括硬件设计和软件设计两个方面。 关键词：步进电动机;PLC软件设计;PLC硬件设计 目 录

2、 TOC o 1-1 f t 标题 2,2,标题 3,3 1 绪论 PAGEREF _Toc260129900 h 51.1 可编程控制器 PAGEREF _Toc260129901 h 51.1.1 PLC的工作原理 PAGEREF _Toc260129902 h 51.1.2可编程序控制器的组成 PAGEREF _Toc260129903 h 61.1.3可编程序控制器的特点 PAGEREF _Toc260129904 h 71.1.4可编程控制器的应用 PAGEREF _Toc260129905 h 81.2步进电动机 PAGEREF _Toc260129906 h 91.2.1 步进电

3、机概述 PAGEREF _Toc260129907 h 91.2.2步进电动机的特点 PAGEREF _Toc260129908 h 91.2.3 步进电动机的基本原理及步距角的计算 PAGEREF _Toc260129909 h 91.2.4 步进电动机的动态指标及术语 PAGEREF _Toc260129910 h 102 软件设计 PAGEREF _Toc260129911 h 112.1 西门子S7-200介绍 PAGEREF _Toc260129912 h 112.1.1 CPU22X型的选择 PAGEREF _Toc260129913 h 112.1.2 S7-200元件的介绍 P

4、AGEREF _Toc260129914 h 122.2 五相十拍步进电动机的PLC设计过程 PAGEREF _Toc260129915 h 132.2.1 五相十拍步进电动机的控制要求 PAGEREF _Toc260129916 h 132.2.2 PLC外部接线图 PAGEREF _Toc260129917 h 142.2.3 I/O地址分配表 PAGEREF _Toc260129918 h 152.2.4 程序设计 PAGEREF _Toc260129919 h 163 硬件设计 PAGEREF _Toc260129920 h 203.1环形分配器 PAGEREF _Toc2601299

5、21 h 213.2功率放大器 PAGEREF _Toc260129922 h 22结 束 语 PAGEREF _Toc260129923 h 23参考文献 PAGEREF _Toc260129924 h 24 1 绪论1.1 可编程控制器1.1.1 PLC的工作原理PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种机械或生产过程。一般

6、来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图1-1所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 图1-1 可编程控制器的扫描周期1.1.2可编程序控制器的组成 可编程序控制器硬件由中央处理器、电源、输出组件、输入组件、输入输出、编程器六部分构成: 中央处理器（ Central Processor Unit 简称CPU）：它是可编程序控制器的心脏部分。CPU由微处理器（Microproce-ssor）存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储器构成。 电源 （Power Supply）：给中央处理器提供必需的工作电源。 输入组件（Inpu

7、ts）：输入组件的功能是将操作开关和现场信号送给中央处理器。现场信号可能是开关量、模拟量或针对某一特定目的使用的特殊变量。 输出组件（Outputs）：输出组件接收CPU的控制信号，并把它转换成电压或电流等现场执行机构所能接收的信号后，传送控制命令给现场设备的执行器。 输入输出（简称I/O）是可编程序控制器的“手”和“脚”或者叫作系统的“眼睛”和“视觉”。输入信号包括按扭开关、限位开关、接近开关、光电传感器、热电偶、热电阻、位置检测开关和编码器等。输出信号包括继电器、指示灯、显示器、电机启动等直流和交流设备。 编程器（Programmer）：在正常情况下，编程器用于系统初始状态的配置，控制逻辑

8、程序编制和加载，不能对系统操作。编程器也可用于控制程序的调试和控制系统故障时作为检查故障的有效工具。1.1.3可编程序控制器的特点现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程序控制器一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。它的主要特点如下： （1）抗干扰能力强，可靠性高 微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取生产厂家长期积累的工业控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I0系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、

9、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。PLC的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。 继电器接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。 （2）控制系统结构简单，通用性强 PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的

10、控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。PLC的输入输出可直接与交流220 V，直流24V等强电相连，并有较强的带负载能力。 （3）编程方便，易于使用 PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯。PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机

11、知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。（4）功能完警 PLC的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入输出。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现定时、计数、锁存、比较、跳转和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC具有极强的适应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。1.1.4可编程控制

12、器的应用随着计算机技术的迅猛发展及元器件成本大幅度下降，PLC的性能价格比以前大大提高，其应用范围也日益广泛。如今，PLC已经在电力、纺织、机械、汽车制造、造纸、钢铁、食品、轻工、化工、公用事业等领域得到广泛使用。PLC的应用可以划分如下类型。顺序控制及时序控制从PLC诞生之日起，顺序控制和时序控制就是PLC最基本的功能，并取代了传统的继电器控制回路。如今，PLC仍在这一领域发挥着气无可比拟的优越性。（2）过程控制现在的PLC系统在软件硬件上提供了一系列措施，使用户可以方便地实现回路控制，如现在广泛使用的PID控制功能。许多PLC在硬件上提供了PID调节智能模块，这种模块可以独立实现PID调节

13、功能；在软件上，许多PLC提供了PID算法功能块，通过软件功能块及模拟量输入/输出模块，也可实现PID控制功能。运动控制随着工厂自动化的日趋发展，PLC的运动控制功能也日益完善。借助其运动控制模块、驱动器、伺服电动机等，PLC可以方便地实现装配、输送、存放及取回、材料移动、成型等自动控制功能，甚至可以完成一些复杂的仿行功能。数据处理现在的PLC指令系统不仅可以实现传统的逻辑运算及整数四则运算，还可以实现32位浮点复杂运算、ASCII码读写、矩阵处理、数据传送、移位、数据检索、BCD及二进制码的相互转换，工程量转换等各项功能。网络通信为了实现PLC与远程之间、PLC之间、PLC与上位机之间及PL

14、C与第三方产品之间的联系，PLC的网络通信功能已得到飞速发展，各PLC厂家都开发了自己的工业控制网络，如美国A-B公司PLC使用的DH+网、美国MODICON PLC使用的MB+网、德国SIEMENS PLC使用的SINEC1.2步进电动机1.2.1 步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。步进电机可以作为一

15、种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。1.2.2步进电动机的特点 步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。鉴于传统的脉冲系统移植性不好,本文提出微机控制系统代替脉冲发生器和脉冲分配器,用软件的方法产生控制脉冲,通过软件编程可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。以简化控制电路,降低生产成本,提高系统的运行效率和灵活性。在此基础上提出了双三拍步进电机程序控制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。1.2.3 步进电动机的基本原理及步距角的计算(1).步进电机的基本原理:步

16、进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用

17、的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。(2）步距角的计算步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要

18、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。步距角的大小和通电方式、转子齿数、定子励磁绕组的相数的关系：=360/mZK=0.36m步进电机的相数；Z转子齿数；取Z=100K通电方式系数；K=拍数/相数=10/5=2所以五相步进电动机采用的步距角为0.36/0.72。1.2.4 步进电动机的动态指标及术语(1) 步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误

19、差/步距角*100%。 (2) 失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 (3) 失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 (4) 最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 (5) 最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 (6) 运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示： 其它特性

20、还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 如下图1-2-1所示： 其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。 图1-2 步进电动机的矩频特性(7) 电机正反转控电动机的矩频特性制：当电机绕组通电时序为ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB为正转，通电时序为ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB时为反转

21、。2 软件设计2.1 西门子S7-200介绍本设计以西门子公司的S7-200系统小型PLC为主要讲述的。S7-200以其极高的性能价格比，在国内占有很大的市场份额。S7-200适用于各种各业的检测、监测及控制的自动化，无论独立运行或连成网络，都能实现复杂的控制功能。2.1.1 CPU22X型的选择 CPU22X型PLC，具有两种不同的电源供电电压，输出电路分为继电器输出和晶体管直流输出两大类。CPU22X系列PLC可提供4个不同型号的I/O种基本单元CPU供用户选用，型及参数如表2-1所示。表2-1 CPU22X系列PLC的类型及参数CPU22X型类型电源电压输入电压输出电压输出电流CPU22

22、1直流输入直流输出24V直流24V直流24V直流0.75A,晶体管直流输入继电器输出85264V交流24V直流24V直流24230V交流2A，继电器CPU222CPU224CPU226CPU226XM直流输入直流输出24V直流24V直流24V直流0.75A,晶体管直流输入继电器输出85264V交流24V直流24V直流24230V交直流2A，继电器CPU221集成6输入/4输出共10个数字量I/O点，无I/O扩展能力，6KB程序和数据存储器空间。CPU222集成8输入/6输出共14个数字量I/O点，可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O或10路模拟量I/O点，6KB程序和数据存储空间。

23、CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间。CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O或35路模拟量I/O点，13KB程序和数据存储空间。根据以上本设计应采用CPU224系列。2.1.2 S7-200元件的介绍 1、基本位操作指令 PUC运行扫描到触点符号时，到触点位地址指定的存储器位访问，该位数据状态为1时，触点为动态，即“合触点闭合，动合触点断开”；数据状态为0时，触点为常态，即“动合触断开，动断触点闭合”。当

24、逻辑运算结果为1时，能量流可以到达线圈，使线圈通电，CPU将线圈位地址指定的存储器位置1；当逻辑运算结果为0时，线圈不通电，存储器位置置0。基本位操作指令格式及功能如表2-2所示。表2-2 基本位操作指叙的格式及功能LADSTL功能LD BIT LDN BITA BIT AN BITO BIT ON BIT=BIT 用于网络段起始的动合/动断触点动合/动断触点串联，逻辑与/与非指令动合/动断触点并联，逻辑或/或非指令线圈输出，逻辑置位指令 2、边沿触发指令边沿触发是指用边沿触发信号产生一个机器周期的扫描脉冲，通常用作脉冲整形。边沿触令分为正跳变触发（上升沿）和负跳变触发（下降沿）两大类。正跳变

25、触发指输入脉冲的上升沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。负跳变触发指输入脉冲的下降沿使触点闭合（ON）一个扫描周期。边沿触发指令格式及功能如表2-3所示。表2-3 边沿触发指令格式及功能LADSTL功能、注释EU(Edge Up)正跳变，无操作元件ED(Edge Down)负跳变，无操作元件 3、通电延时定时器指令 使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从0开始递增，大于或等于预置值（PT）时，定时器输出状态位置1（输出触点有效），当前值的最大值为32767。使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置0）。通电延时定时器指令格式及功能如表2-4所示。表2-4 通电延时定

26、时器指令格式及功能LADSTL功能、注释TON通电延时型 5、增计数器指令 增计数器指令在CU端输入脉冲上升沿，计数器的当前值增1计数。当前值大于或等于预置值（PV）时，计数器状态位置1。当前值累加的最大值为32767。复位输入（R）有效时，计数器状态复位（置0），当前计数值清零。增计数器指令格式及功能如表2-5所示。表2-5 增计数器指令格式及功能LADSTL功能CTU（Counter Up）增计数器2.2 五相十拍步进电动机的PLC设计过程 PLC应用系统软件设计的主要内容就是编写PLC用户程序。设计步骤包括分析控制要求，确定控制方案、I/O地址分配表、PLC外部接线图、程序设计、系统调试

27、等。2.2.1 五相十拍步进电动机的控制要求(2) 用五个开关控制其工作：1号开关控制其运行（启/停）2号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.5s）3号开关控制其中速运行（转过一个步距角需0.1s）4号开关控制其低速运行（转过一个步距角需0.03s）5号开关控制其转向（ON为正转，OFF为反转）(3) 设有五台电动机作顺序循环控制，控制时序图如图2-7所示。(4) 设有四台电动机作顺序循环控制，控制时序图如图2-8所示。图2-7 五台电动机顺序循环控制 图2-8 四台电动机顺序循环控制2.2.2 PLC外部接线图PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设

28、定。步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如图2-9所示。步进电动机采用单相控制外部接线图如图2-10所示。 图2-9 步进电动机采用五相十拍控制 图2-10 步进电动机采用单相控制外部接线图 外部接线图 2.2.3 I/O地址分配表根据PLC外部接线图可以列写出电器元件符号及功能说明表和I/O地址分配表，见表2-11。这直观地描述了外部信号与PLC接线端子的关系。I/O地址分配表如表2-12。表2-11 电器元件符号及功能说明表序号符号功能描述序号符号功能描述1K1启/停开关7AA绕组2K20.5s低速运行开关8BB绕组3K30.1s中速运行开关9CC绕组4K40.03s低速成运行开关10DD

29、绕组5K5控制转向开关11EE绕组6K6运行控制开关12KM1一号电机13KM2二号电机14KM3三号电机15KM4四号电机16KM5五号电机序号符号功能描述序号符号功能描述1I0001启动按钮3KM1一号电机2I0002停止按钮4KM2二号电机5KM3三号电机6KM4四号电机表2-12 I/O地址分配表输入输出K1I0.0AQ0.0K2I0.1BQ0.1K3I0.2CQ0.2K4I0.3DQ0.3K5I0.4EQ0.4K6I0.5KM1Q0.5KM2Q0.6KM3Q0.7KM4Q1.0KM5Q1.1输入输出SB1I0.0KM1Q0.0SB2I0.1KM2Q0.12.2.4 程序设计(1) 五

30、相十拍步进电动机的拍数实现梯形图如图2-13所示。低速0.5s时所采用的定时器从T37T46。中速0.1s时所采用的定时器从T47T56。低速0.03s时所采用的定时器从T57T63、T101T103。 图2-13 五相十拍步进电动机的拍数实现梯形图 (2) 五台电动机采用五相十拍作顺序循环控制如图2-15所示。电机的工作过程如图2-14 所示。定时器从T104T107。图2-14 电动机的工作过程图2-15 五台电动机采用五相十拍作顺序循环控制(3) 四台电动机采用单相作顺序循环控制如图2-16所示。 图2-16 四台电动机采用单相作顺序循环控制3 硬件设计步进电机控制系统的结构图如图3-1

31、所示。主要由PLC控制器、步进电动机驱动器及步进电机组成。步进电动机的五相十拍控制由软件实现，而步进电动机驱动器及步进电动机由硬件设计。 图3-1 步进电动机控制系统的结构图步进电动机的驱动器包括环形分配器和功率放大器组成。控制系统中PLC用来产生控制脉冲;通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制进给量;同时通过编程控制脉冲频率既控制进给速度;环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，步进电机功率放大器将PLC输出的控制脉冲放大到几十上百伏特、几安十几安

32、的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几几十伏特、几十几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十上百伏特、几安十几安的驱动能力，因此应该采用放大器对输出脉冲进行放大。进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如五相步进电机通电顺序为ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB时步进电机正转;当绕组按ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机

33、绕组的通电顺序实现。开环步进电动机控制系统图如图3-2所示。五相十拍步进电动机的驱动电路如图3-3所示。通过环形分配器和功率放大器共同完成步进电机的驱动。 图3-2 开环步进电动机控制系统图图3-3 五相十拍步进电动机的驱动电路3.1环形分配器 环形分配器又称脉冲分配器，它接收控制脉冲和方向信号，并按步进电动机的分配方式要求的状态顺序产生各相控制绕组导通或截止的信号，实现对脉冲按分配方式进行分配送到功率放大器。五相十拍环形分配器电路图如图3-4所示。图3-4 五相十拍环形分配器电路图CP是进给脉冲， 和 分别代表了进给脉冲是正方向还是负方向。 为高电平时，代表 CP 进给脉冲为正方向； 为高电平时，代表 CP 是反方向进给脉冲，两者不会同时到来。 对于五相步进电机，五相十拍的通电顺序为: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABABABC按照五相十拍步进电机的通电方式和通电顺序，列出控制定子绕组通、断电的真值表，如表3-5所示。根据真值表，如果采用上一拍的通电状态作为下一拍通电状态的控制条件，可写出逻辑式为： 正转时 反转时 表3-5 五相十拍环形分配器真值表按上述逻辑式再分别考虑到进给方向，可